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世界超高强度钢板热压成形研究与进展

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目前,汽车工业界对于汽车轻量化有着日益紧迫的要求。车身轻量化发展主要有两个方向:

一是优化汽车框架和结构,即利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计,以减轻车身骨架、发动机和车身钢板的重量;

二是在车身制造上采用高强度低密度材料,如高强度和超高强度钢板。在目前看来,车用高强度和超高强度钢板以其轻质、高强度的特点在汽车生产中越来越受关注,并已成为满足汽车减重和增强碰撞强度、提高安全性能的重要途径。 



但是,众所周知,超高强度钢板在室温下变形能力很差。


一方面,超高强度钢板强度高,在室温下塑性变形范围很窄,所需的冲压力大,而且容易开裂;


另一方面,冲压成形后零件的回弹增加,导致零件尺寸和形状稳定性变差。因此传统的冷冲压方法难以解决超高强度钢板在汽车车身制造中遇到的问题。超高强度钢板的热冲压成形技术是能够解决上述问题的一种新型的成形技术。


近年来,世界各国汽车业投入大量的精力来开展超高强度钢板开发和热冲压成形技术的研究,欧美和日本的主要汽车制造企业已开始尝试使用通过热冲压成形技术生产的超高强度钢板构件,如车门防撞杆,保险杠加强梁,A、B、C柱,门框加强梁等。


德国蒂森克虏伯公司、美国本特朗特公司、安赛乐米塔尔公司都可提供超高强度的热冲压部件。


1  热冲压成形对钢板和模具的要求


热冲压超高强度钢板。热冲压成形工艺一般是将板料加热到再结晶温度以上某个适当的温度,使其完全奥氏体化后再进行冲压成形,冲压成形后须保压一段时间使零件形状尺寸趋于稳定。


在成形和保压过程中,为了防止板料强度降低,须进行淬火处理以获得在室温下具有均匀马氏体组织的超高强度钢构件。


由于热冲压是在板料冲压成形的同时进行了淬火处理,故热冲压用钢板的成分设计要适应热冲压过程中的热循环,如含硼钢板,在钢的组织转变时,可以延迟铁素体和贝氏体的形核进而增强了钢的强度。


此外,钢板被加热至再结晶温度以上时,在空气中不可避免地会出现表面的氧化和脱碳,进而影响钢板的强度。因此,热冲压成形钢板应具备抗高温和耐腐蚀的镀层。


热冲压成形模具。在热冲压过程中钢板和模具都要经过从900℃以上到室温这一复杂的温度变化。模具集对板料成形与淬火作用于一身,其材料选择、结构设计都有严格的要求,对于热冲压部件最终性能有着重要影响。

在超高强度钢板的热冲压工艺中,不仅要求成形模具具有足够的结构刚性、表面硬度和疲劳寿命,更要求模具能够稳定地工作在剧烈的冷热交替条件下,同时能够抵抗高温板料对模具产生的强力热摩擦,以及脱落的氧化层碎片和颗粒在高温下对模具表面的磨粒磨损效应。根据模具的加热温度,一般需要参考热锻用模具钢,选用合理的模具材料。


为满足热冲压成形零件淬火和批量生产的要求,在热冲压模具中须设置冷却系统。在冷却系统设计时既要使零件的冷却速度足够快,使奥氏体组织尽可能多地转化成马氏体组织,以保证零件的强度;还要通过该冷却系统迅速带走每次热冲压后模具储存热量,保证每次冲压前模具初始条件相同,从而稳定冲压质量和产品质量。


2  热冲压成形超高强度钢板研究现状


热冲压超高强度钢板的开发现状。目前,全球最大的钢铁公司安赛乐米塔尔开发了热冲压成形钢板USIBOR1500。该钢板为镀锌板,镀层质量为120g/m2-160g/m2。淬火后力学特性明显,强度值可达到1600MPa。


该钢板可保持良好的韧性,冲击韧度达到800J/m2。此外,该钢板低温脆性和焊接性能也较好。采用此种钢板生产的汽车零件可以使同等强度、刚度的零件减重50%以上。


德国蒂森克虏伯开发了锰硼合金钢,其热冲压淬火后最高强度可达1600MPa。此外,美国西渥斯托公司和戴姆-克莱斯勒公司共同开发出了热冲压硼钢,用于取代载重车架横梁以减轻重量,而且提高了耐疲劳性能。


对汽车大梁的研究表明,由硼钢制成的零件比原有模式制成的零件更加耐用。用硼钢代替中等钢制成的零件重量减轻了20%。


超高强度钢板热冲压技术研究现状。在汽车工业中,基于减重和环保的目的,超高强度钢板的热冲压成形技术逐渐受到关注和重视,各大钢铁公司、汽车制造厂商和部、分大学纷纷开始了超高强度钢板的热冲压成形技术的研究。


由于超高强度钢板热冲压成形具有集成形与淬火工艺于一体的特殊性,其研究集中在以下几个方面:


第一,从宏观上探索超高强度钢板连续冷却工艺的特性和在高温下的流动性能。超高强度钢板连续冷却工艺特性和高温流动性能是制定热冲压工艺的基础。


一方面,采用热膨胀和淬火工艺试验确定钢板的连续冷却转变特征参数,如预热温度、预热时间和冷却速度;另一方面,通过热模拟试验,再现热冲压物理过程,获得钢板在高温下的流变行为。


第二,采用数值模拟技术研究热冲压成形过程,分析各参数对部件性能的影响规律。随着计算技术尤其是有限元理论和方法的不断发展,描述宏观尺度的塑性变形物理模型、数值计算方法日臻完善,数值模拟成为研究塑性变形过程的有力手段。


借助数值模拟技术可以对热冲压变形过程中的温度场进行模拟,并分析热冲压过程参数对于热冲压过程的成形力、板料厚度等的影响规律。

第三,从微观上研究热冲压成形过程中材料组织变化情况以期预测热冲压部件最终的强度性能。美国一些学者认为,产品的内部微观组织结构是决定产品最终性能的重要因素。


通过研究热冲压过程中奥氏体分解和组织转变,预测并控制产品最终组织分布和强度性能。


第四,超高强度钢板热冲压成形试验研究。试验研究是一种直观有效的方法。在热冲压成形工艺分析的基础上,设计成形性能试验装置以期获得材料高温下成形性能,制造热冲压模具,进行热冲压零件制备,通过调节各工艺参数优化热冲压工艺。


3  热冲压成形技术的关键问题


目前,有关人员虽然对超高强度钢板热冲压成形技术进行了研究,取得了一定的成果,但对其关键问题的研究还不够系统和深入,从而限制了热冲压成形技术在工程中的广泛应用,主要体现在以下两个方面:


第一,应考虑成形温度、降温速率和相变形为的热冲压成形极限。在以弯曲为主的成形情况下,热冲压非常有利,不会发生冷加工成形时的问题,即弹性变形回复,但在对复杂部件进行成形时,须进行凸肚、深冲和凸缘等成形加工,因此必须弄清它们在高温下的成形极限。


变形阻抗不仅与温度有关,而且冲头接触部分温度的下降和氧化铁皮的润滑效果也会对其产生复合影响。通过改进常温成形极限试验装置,考虑成形温度、降温速度和材料相变行为等,建立热冲压成形极限涵十分有必要。


第二,对热冲压零件的质量控制。热冲压零件最终质量既受宏观工艺条件影响,又由材料微观组织变化决定。冲压过程中零件的温度不均匀会直接导致最终零件性能的不均匀。


如果在冲压零件没有充分冷却时就将其从金属模具中取出,制品的硬度和形状精度会下降。因此,针对不同零件,在进行模具结构及其冷却系统设计、改进冷却沟槽的布置、提高模具的冷却速度的同时,保障零件均匀降温是热冲压零件质量控制的可行之举。


结语


随着世界经济和社会的发展,节能、舒适、降低排放和提高安全性已经成为现代汽车结构、性能和技术的重要发展方向。作为汽车轻量化的重要途径,超高强度钢板热冲压成形技术正备受世界各国学者的普遍关注。


这项技术的发展历史虽然并不长,但其在减轻车身质量、增强部件强度和尺寸精度方面所显示出的潜力无疑是巨大的。因此,系统地、深層次地展開此方面的研究对世界汽车业的发展具有十分重要的现实意义。


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