李秋魁,劉全彬,孫希慶,劉鵬飛,陳 宇

(1.合眾新能源汽車有限公司,浙江 桐鄉(xiāng) 314500; 2.本鋼技術(shù)研究院,遼寧 本溪 117000)

隨著汽車輕量化以及安全性能的日益提高,先進高強度和超高強度鋼板在汽車行業(yè)被廣泛應(yīng)用[1-2]。由于高強鋼在常溫下的塑性變形范圍很小,回彈嚴(yán)重,易開裂,所需成形力大,且對模具的損害十分嚴(yán)重,傳統(tǒng)的冷沖壓成形工藝已不能完全實現(xiàn)其成形要求。近年來通過熱沖壓成形技術(shù)克服了高強度鋼在傳統(tǒng)冷加工工程中出現(xiàn)的上述問題,從而得到了更為廣泛的使用。熱沖壓成形技術(shù)是將鋼板加熱至850～950 ℃保溫一定時間,然后將高溫鋼板迅速轉(zhuǎn)移至沖壓模具中,使模具處于保壓狀態(tài),利用帶有冷卻系統(tǒng)的模具對鋼板進行冷卻淬火,直至整個零件完全冷卻,最終得到抗拉強度1500 MPa級以上的成形零件[3-4]。由于熱沖壓件具有尺寸精度高、成形時回彈小、成形性良好等優(yōu)點,能夠加工形狀復(fù)雜的零件,被廣泛應(yīng)用于汽車車身的車門防撞梁、A柱以及B柱等安全件[5-7]。

本文主要以汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用的超高強熱成形鋼為研究對象,以某鋼廠生產(chǎn)的連退板為原料,結(jié)合熱沖壓生產(chǎn)實際,模擬研究熱沖壓生產(chǎn)過程中加熱溫度和合模溫度對鋼板組織及性能的影響,從而為優(yōu)化超高強熱成形鋼的實際生產(chǎn)工藝的制定以及優(yōu)化提供參考與借鑒。

1 試驗材料與方法

試驗材料選取某鋼廠正常工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)退火冷軋鋼板,其化學(xué)成分見表1。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

具體試驗過程如下:1)將熱成形鋼板切割成若干塊尺寸為30 mm×30 mm×1 mm的試樣;然后將試樣放入SRJX-6-13型熱處理爐中進行淬火,淬火溫度分別為875、900和925 ℃,保溫時間為3 min;再將鋼板快速移動到平板淬火實驗機中進行淬火,模擬不同加熱溫度下的熱沖壓成形工藝。2)熱處理爐升溫至900 ℃后將鋼板放入熱處理爐中保溫4 min,將鋼板取出,通過測溫槍記錄鋼板溫度,待鋼板溫度分別降至650、680和730 ℃時,記錄鋼板轉(zhuǎn)移時間,同時將鋼板快速移動到平板淬火實驗機中進行淬火,模擬不同合模溫度下的熱沖壓成形工藝。

試樣經(jīng)研磨、拋光后采用4%偏重亞硫酸鈉與苦味酸的混合溶液腐蝕,通過光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察組織形態(tài);采用維氏硬度計進行維氏硬度檢測,每個試樣測定3個點取平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 加熱溫度對試驗鋼的影響

圖1為不同加熱溫度下保溫3 min后試樣的顯微組織。由圖1可知,加熱溫度為875 ℃和900 ℃時,試樣組織均為鐵素體(亮白色)和板條狀馬氏體。加熱溫度為875 ℃時,存在較多的鐵素體;而加熱溫度為900 ℃時,鐵素體含量明顯下降,馬氏體含量明顯增多。加熱溫度為925 ℃時,試樣組織為均勻的馬氏體,且馬氏體板條分布均勻。表明隨著加熱溫度的升高,馬氏體轉(zhuǎn)變量逐漸增大。

(a)875 ℃;(b)900 ℃;(c)925 ℃圖1 不同加熱溫度下保溫3 min后試樣的顯微組織Fig.1 Microstructure of sample after holding for 3 min at different heating temperatures

圖2為不同加熱溫度下保溫3 min后試樣的維氏硬度值。由圖2可知,隨著加熱溫度的升高,試樣硬度呈逐漸升高的趨勢,925 ℃時試樣硬度達到最大值558 HV10。加熱溫度越高,保溫時奧氏體化程度越高,平模淬火冷卻時生成的馬氏體量越多,導(dǎo)致相應(yīng)的硬度值越大。

圖2 不同加熱溫度下保溫3 min后試樣的維氏硬度Fig.2 Vickers hardness of sample after holding for 3 min at different heating temperatures

圖3為不同加熱溫度下保溫5 min后試樣的SEM形貌。由圖3可知,加熱溫度為875 ℃和925 ℃時,試樣組織均為全馬氏體。加熱溫度為875 ℃時,馬氏體板條的長度和馬氏體板條束寬度較小;而加熱溫度為925 ℃時,馬氏體板條的長度和馬氏體板條束寬度明顯增大。這是因為隨著加熱溫度的升高,奧氏體化程度升高,晶粒不斷長大導(dǎo)致馬氏體束寬度增加[1]。

(a)875 ℃;(b)925 ℃圖3 不同加熱溫度下保溫5 min后試樣的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of sample after holding for 5 min at different heating temperatures

2.2 合模溫度對試驗鋼的影響

合模溫度分別為650、680和730 ℃時,對應(yīng)的鋼板轉(zhuǎn)移時間分別為30、25和16 s,說明轉(zhuǎn)移時間越小,合模溫度越高。加熱溫度為900 ℃、保溫時間為4 min以及不同合模溫度下,試樣的顯微組織如圖4所示。在不同合模溫度下,試樣組織均為馬氏體+鐵素體(亮白色)。合模溫度為650 ℃時,鐵素體彌散分布在馬氏體基體中,如圖4(a)所示;合模溫度為680 ℃時,局部區(qū)域出現(xiàn)較多的鐵素體,如圖4(b)所示;合模溫度為730 ℃,局部區(qū)域只能觀察到微量的鐵素體,如圖4(c)所示。說明隨著合模溫度的升高,組織中鐵素體含量逐漸減少,馬氏體含量不斷增多,即合模溫度越高,鋼板淬火越充分。

(a)650 ℃;(b)680 ℃;(c)730 ℃圖4 不同合模溫度下試樣的顯微組織Fig.4 Microstructure of sample at different die closing temperature

圖5為不同合模溫度下試樣的維氏硬度值。由圖5可知,隨著合模溫度的升高,試樣的硬度不斷增加,730 ℃時試樣硬度達到最大值569 HV10。

圖5 不同合模溫度下試樣的維氏硬度Fig.5 Vickers hardness of sample at different die closing temperatures

3 結(jié)論

1)加熱溫度為875～925 ℃、保溫時間為3 min時,隨著加熱溫度的升高,超高強熱成形鋼中的馬氏體轉(zhuǎn)變量不斷提高,馬氏體板條長度和馬氏體板條束寬度增加,同時硬度也逐漸升高。

2)加熱溫度為900 ℃、保溫時間為4 min時,在650～730 ℃合模溫度范圍內(nèi),超高強熱成形鋼的組織均為馬氏體+鐵素體;隨著合模溫度的升高,鐵素體含量逐漸減少,馬氏體含量逐漸增加,鋼板的硬度大幅增加。