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硼钢热冲压研究进展

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・冲模技术・ 硼钢热冲压研究进展 李启全 福特汽车工程研究有限公司(江苏南京 2Il 100) 【摘要】热冲压整合传统冲压技术与热处理工艺,精确设计材料参数和加热方式,在模具内 发生材料相变进而获得优良的产品性能;其成形工序少,可一次成形5-件并保证制件尺寸 精度,获得高强度制件 介绍了硼钢热冲压成形技术的研究及开发现状,主要分析了硼铜 热;中压成形的工艺参数和涂层选择,探讨了热冲压模具材料及冷却水道结构 关键词:硼钢;22M r1B5;热 中压;高强度钢板;模具设计 中图分类号:TG385.2 文献标识码:B Research Status on Boron Steel Hot Stamping 【Abstract】Produ ̄‘il1g high strength steel components with desit。ed I)rI)pet。ties I】y llot stampi ng requit’P integt’ated knowledge()l'materials thermal deformati<m airttI foi’uirng pIr’‘)【。edLIt+eS.}。ligh trength&high precise parts(’an be f】1’()duced within oile step by hot stalnping.In this at’title, the 1’eseat’(、tl state‘)n lioron steel hot stamping technologic・al pir’o(・ess.heating pir’()eess aIld(・tmittlg selection.‘Iie stt'tlt・ttll・P alld watel‘flow hannel are reviewed. Key words:be.’011 steel;22Mn135,hot stanlIing;Irigh streilgtfl1 steel;die design l 引言 氏体转化线以上,使之均匀奥氏体化。然后送入模具 模具『大J置有冷却管道,通水后 汽车的轻量化以降低能耗,同时提高车身安全性 内快速冲压成形,保压;淬火速度>27 ̄C/sl I,使奥氏体完全转变成屿 能是当前汽车行业发展的趋势:据研究,汽车整备质 快速淬火。再经过切边、冲孑L等后续加工得到制件 成彤 量每减少lOOkg,百公里油耗町降低0.3~0.6L,每升油 氏体,可以多行驶1km一 空载情况下,约70%的油耗用在汽 件冈为马氏体强化,抗拉强度可以达到1.500MPa,强 车自身质世上”。一年身件采Hj高强度的双相DP钢、 度提高了250%以上 实际生产中,热冲 工 义分 JII 淬火延性钢、硼钢等可以使制件减薄减重并兼顾乘员 为两种,直接工艺和问接T艺 直接]-艺是把钢板『热后直接后冲压淬火成形,主要胴于形状比较简 变 舱高强度,受到汽车厂广泛应Hj: 常温下高强度钢板需要大吨位压力机,产品容易 形稗度不大的工件;对于一些形状复杂的或者拉深深 J_f裂.大…弹,精度难于保障:热冲压成形技术,将钢 度较大的71 件,则需要采用间接工岂,先把钢板初级  I= 板加热到奥氏体温度以上,改变其品体结构,增J】u钢 预变形,冉送入加热装置,然后冲压淬火成形I 加热 材延展性,屈服强度降低,可一次成形得到复杂制件, 2.1i弹小,产品成彤过程中经过模具淬火强化,抗托强 热冲 生产线南防氧化连续加热炉、高速传送 度(>1.500MPa)极大增加 汽车零件制造商纷纷采用 装置、高速冲压机、水冷热冲压模具等关键设备组 热冲压成形T艺,川于车门防撞梁、前后保险杠以及 成 目前T业生产常』}J的加热设备为气体保护辊底 A、B柱、巾通道等车体结构件的生产I 加热炉,加热阶段主要参数是JJIJ热温度,升温速度, 保温H ̄IN? 2热冲压成形工艺 热冲压材料一般使用硼钢22MnB5(裸板),板料 f 能使饭料 热冲 成形_r 是把高强度合金钢板加热到奥 的加热温度不能过高或者过低,温度过低/《模具制造}2017年第9期 ・9・ ・冲模技术・ 允分的奥氏体化,淬火后获得马氏体少,抗拉强度小: 2.2涂层 保温时间过长或者加热温度过高,奥氏体品粒长大粗 材料在高温奥氏体化过程,虽有保护性气体,仍 大,恶化制件性能,还增加了生产周期,增加成本能 然有氧化的可能,无涂层板热冲压后单边脱碳层深度 牦 刘建国等发现,加热温度应该保持在Ac 仍超过0.05ram” :氧化皮的累积影响模具摩擦力,影 (22MnB5奥氏体化温度在880 ̄C左右)线以上40 ~ 响后期制件质量,并且会影响制件后续的焊接和电镀 70 :,一般为900 ̄C~950oC:板料加热到要求温度后. 性能,需要抛光 心保温一段时间,使奥氏体均匀化,为防止品粒长大, 生产线常用Al—si涂层,其组织主要南销基 溶 一般 热时问和保温时问总长不能超过l0rainI  .当 体、Al—Fe—si_二元合金和Fe—Al二元合金组成,为了把 JJl】热温度为9003;.保温时间为2~5min时,温度 fnJ Al—sj涂层浸镀到22MnB5钢表面,需要合适的I_2_3, 材料具有好的切窝断口形貌,较高的延伸率、抗拉强 当浸镀温度为690 ̄(2、浸镀时间为5s时为最优浸镀 俊及硬度,淬火后的组织为板条马氏体 - 艺。浸镀后的涂层板能有效改善氧化脱碳现象,但涂 加热温度对板料组织有较大影响,在800 ̄C的保温 层中形成的孑L隙和裂纹容易导致制件在成形时产生 过程巾有部分珠光体和少量碳化物转变为奥氏体,淬 破裂,Al—Si镀层成形性能比较差 研究发现采川改 火组织中含有部分马氏体、大量网状铁素体:试验钢 性玻璃润滑Al—Si涂层板,不但能保证制fl: ̄'l-彤完好 存850 ̄C~870 ̄(:保温5min时,加热后热冲压淬火后表 及其组织性能,避免破裂,还能减小制件的表而粗糙 层的组织为马氏体+铁素体,板厚中心为马氏体 “- 度” 存温度 间900 ~950oc加热后,热冲压淬火后 罔2所示为Al—Si镀层中元素沿深度方向的分布 得到的组织均为全马氏体 ;热冲压过程中较佳的r 情况。南钢板基体至镀层表面,铝质昔分数逐渐J 艺参数是: 氏体化温度约900 ,模具温度约 升,在镀层中保持在一个较高的水平;铁质量分数逐 l()()c【】:,可 模具中设置冷却水道对模具温度进行控 渐降低,至一个较低的水平;硅元素在镀层巾存 2 制以满足不同部位的力学性能要求 。 个峰值,第一个峰值出现在灰色的Al—h—si i元合 』JJI热温度大于950 以上淬火后淬火后得到片状 和黑色钭{基同溶体的结合部,第二个峰值…现存镀层 码氏体和板条状马氏体组织的混合物;而且得到的板 的表面。AI—Si镀液中含有约l0%的Si.在界面层的 条状马氏体形态变得粗大,尤其是1,000 以上时 。 一形成过程中,需要将硅元素扩散至镀层ff1,【大1此在界 JJJl热的速度也对奥氏体转换有影响,研究表明:硼 面层与镀层交界处存在一个硅元素的峰值,硅元素在 钢22 Ml B5钢的 .与Ac 都随加热速率的增大而 ‘ 此处富集可以有效阻止Al—Fe—si合金层的进一步增 ;当加热速率低于25%/s时,加热速率对Ac.影响较 厚,提高镀层的成形性能 : 大,A(・ 升高速率较快,当高于25 ̄C/S,对Ac.影响较小, A 缓慢升高,最终趋向于恒定。随着加热速率的提 高,22MnB5钢奥氏体化温度区间(Ac,~Ac )大小呈增 大趋势,奥氏体转变时间缩短;当加热速率达到l00 ̄]/ s时,可以在1s左有就完成奥氏体转变,如图1所,J ・ 罔2铝硅镀层中元素沿深度方向的分彳fJ Al—si涂层厚度需要研发,涂层涂抹一次,过薄小 能防止氧化;涂抹2层防氧化效果好;涂4层则过厚防 0 2() 4() 6O 80 IO() 加热速率 /s 氧化效果增加不显著,后期去除涂层成本也大” : Al—Si涂层在加热奥氏体化温度后,涂层由2层金属问 【矧1『JlJ热速率的影响 ・1()・ 《模具制造》2017年第9期 ・冲模技术・ 化合物(Fe2A15和FeA1相)和一层扩散层组成,Fe2A15 氏体的点阵滑移系多,塑性好,屈服强度低,易于加工 主相内分布着孤岛状FeA1相。Fe2AI5相脆性,可导 塑性成形。淬火后回弹很小,不需考虑回弹对制件形 致制件裂缝,扩散层为铁素体仅一Fe相。Al—Si涂层熔 状的影响。奥氏体导热性差,线膨胀系数大,比铁素 点为600℃,加热时,Fe扩散为Al—Fe合金,熔点更高, 体和渗碳体的平均线性膨胀系数高约一倍。设计凸、 可阻止基板氧化 。 凹模尺寸时需要考虑热膨胀对制件最终尺寸和形状 目前有研究直流电阻加热和感应加热,以适应新 的影响。模具和板料间隙合适,既可以保证尺寸精 的工艺和工件要求。和常规的连续辊底炉比较,其各 度,增大淬火接触面,增大淬火效果,防止制件拉裂或 有优缺点r16-171。表1所示为不同加热工艺比较所示。 表1加热工艺比较 加热方式 传统辐射对流加热 电阻加热 感应加热 起皱。间隙过小会增加摩擦力,使板料容易被拉裂, 间隙过大则影响淬火不均,出现起皱。模具的冷却水 流速度增大,有助于快速降温获得马氏体,但是片面 增大冷却水的流速(>5m/s)对于提高冷却效果作用不 大,且将耗费较多的水泵功率 。 表2热冲压模具材料 材料 Glidcop HHD H13、Crl2MoV 5CrNiMo 慢,12℃/s(A1一Si涂 快,最快可达 加热速度 250℃/s(1.2mm. 快,纵向场可达 层材料) 900 ) 200℃/s 在炉时间 长,一般200~300s 短,10~30s内 能耗 能耗高,短,35~60s 热损多 能耗低,时间短, 能耗低,时间短,热 热效率高 效率高 转移 转移时间长,5~6s, 可设计成无转移 转移时间在于感应器 温降大,100 ̄C左右 时间的结构 和传动装置的设计 氧化 无涂层板转移时易 氧化很少 氧化 成形温度 高900 ̄C 成形后力 高强钢 学性能 高900 ̄C 氧化很少 转移温降可控制 特点 性能最好、价 性能较好、 性能较好、价 性能较差、 格昂贵 价格较贵 格适中 价格便宜 适用性 大批量生产 中批量生产 /J ̄LL量生产 实验、研究 热冲压模具设计还需要考虑冷却管道的排布设 计,对制件可控制淬火,获得适合要求的高强度钢 板。板料在保压淬火过程中温度的均匀变化是模具 组织均匀,硬度 组织均匀 高,可实现超高强 加热 辊底炉一般40m,占 直接在压机内加 体积小,占地面积 装置体积 地面积大 热,加热成形一体 小,投资少 整体加热(形状 整体加热(各种形 规整)、补丁板、 状)、局部加热(大 适用工件 大批量,整体加热 复合板、局部加 结构件)、不等温加 热(适用于小零 热冲压、局部半热 件) 冲压 冷却系统设计的关键。模具冷却通道的结构参数主 要有入水口水流速度、冷却通道直径d、冷却通道问 壁厚L和冷却通道距模具表面的距离 ,如图3所 示。冷却通道直径d越大,冷却通道间壁厚,J越大, 最终板料的整体温度越高,板料的温度差也越大,板 3模具材料 热冲压模具不但用于制件的成形,同时给制件 冷却淬火。因此模具材料选择、模具设计等方面和 传统冷冲压不同。热冲压模具材料要有良好的热传 导能力,确保钢板与模具表面之间的快速传热,实现 马氏体的转变 。模具材料高温下要有较高的强度、 料冷却得越不均匀,其冷却效果越差。冷却通道距 模具表面的距离日越大,板料冷却得越不均匀,板料 的冷却效果越差 ”。对钢板u型成形热力学耦合数 值模拟,得出通道圆周面至模具表面间距对降温速 度影响最大,通道直径影响相对较小。简单的U型 制件热成形模具的结构设计为,通道直径d为8mm, 圆通道周面间距,J为8mm,圆通道周面到到模具距离 为6mm为最佳 。 硬度、耐磨性和高疲劳寿命。高温成形时,模具尺寸 应在高温,低温快速切换时保持精度稳定,表面硬度 可承氧化皮带来的磨损。热冲压模具材料中都有较 高含量的Ni和Cr,增加防腐蚀能力。模具材料选择 如表2所示” 。 4模具冷却水道结构 热冲压成形需要把板料加热到奥氏体后成形,奥 《模具制造))2017年第9期 图3冷却孔道位置 ・冲模技术・ 对于u型这类简单形状的模具,只要采用传统机 械加工的方式加工出直线通水孑L即可。但对于像汽 车A、B柱这样型面为复杂曲面的模具,为了保证模具 型面各个部分的冷却速度相同,其冷却管道应为空间 [4]Lechler J,Merklein M.Hot stamping of ultra high strength steels as a key technology for lightweight eoustmction[J J. Materials Science and technology,2005,54(1):209-212 【5】Naderi M,M.Ketabehi,et a1.Analysis of nlierostructure and mechanical properties of different higl1 strength carb1)n 三维结构,冷却管道与模具型面距离一致。用传统的 机械加工方式很难加工。故采用将模具分块加工,每 steels after hot stamping[J】.Journal of Materials Processing Technology,201 l,21 1(6) 块采用直线孔,最后将各镶块拼接起来,用多段直线 [6]徐虹,张眸睿,谷诤巍等.热冲压成形中的先进加热技术 孔逼近空间三维孑L的方法进行设计。对不同的板材 及设备fJ1.锻压技术2014,(39) 7l刘建国,孙书林,王玉峰.影响热冲压制件品质的主要 索 同时还要考虑模具的结构强度、模具对温度剧烈变化 _的适应能力。考虑模具的加工难易程度,采用镶拼件 定位最小截面以及截面突变区域,分别设计各个镶块 IJ1.模具制造,2016,(10) f8】胡宽辉,田德新,刘祥东.奥氏体化处理对WHTI300HF热 成形钢组织和性能的影niaJ[j].金属热处理,2013,38(10) 的冷却管道冷却管道的d、 、 等。 对于模具中水道的整体布局以及水流方向,可以 [9】工铖,李辉平,贺连芳等.加热温度和模具温度对B1500HS 硼钢组织与性能的影II ̄J[j].金属学热处理,2016,41(10) 顺着制件外形在模具中纵向排布、横向设计、回字形 {101 尚欣.车身复杂结构件用超高强度钢双热成肜关键技术 设计等 。设计冷却管道系统时,可以结合数值模拟 研究lD1.重庆大学博士论文,2015. 技术对各管道内的冷却介质的流动情况进行模拟分 [1 1]靳永明,张宜生,梁卫抗等.加热速率对22MnB5趟i岛强度 析,使各管道都具有相同的冷却效率,保证冷却的均 钢奥氏体化的影IJaiJ[J1.机械工程材料,2016,40(4) 2 J王敏,张春,张宇等.汽车高强钢纵梁热冲压实验研究…. 匀性。如对某型B柱数值模拟发现,模具表面最高温 【1度平均温度与模具圆角处的水道半径尺关联性较 中国机械 1 程,2016,27(3) 3I王滕,赵云龙,柴立涛,等.热浸镀1一艺对热成形钢铝硅镀 强。模具表面的最高温度主要出现在模具的圆角处, l1合理优化圆角管道半径,对靠近上表面的水道热影响 区较大,对模具表面温度均匀性十分重要 。 层的影响l J1.中国冶会,2016,26(12) 【l 4J K Mori,D.Ito.Prevention of oxidation in hot stamping o1 quenchable steel sheet by oxidation preventive oillJ l -Manufacturing Technology 2009,(58):267~270 5 结束语 热冲压工艺作为汽车轻量化的主要方法之一,受到 广泛的研究。这项技术的发展历史虽然并不长,但其在 降低车身质量,提高车身安全性方面具有重要的潜力。 值模拟要考虑金属相变,材料变形,模具热传导参数,接 等各种参数的耦合,是目前研究的方向[25 ̄261。数值模拟 【1 5】Wang Kai,Jin Yongming,Zhu Bin,et a1.Investigation Oll cracking characteristics of AI——Si coating Ol1 hut stamping boron steel parts based on surface strain analysis lJ1. Surface&Coatings Fechnology,2017,(309) 随着计算机信息技术发展,数值模拟近期研究较多,数 [161李勇,李家栋,付天亮等.热成形加热新技术【JJ.金属热处 理。2014,139(7) 17l张志强,高鹏,李宪爽等.脉冲电流处理对硼钢性能的影 触力对冷却的影响,水道布局参数选择,冲压保压时间 『响『J1.材料热处理学报,2016,37(2) 可以减少模具试错投入成本,真正稳定企业核心竞争 实力。因此,系统地、深层次地开展此方面的研究对 当前汽车业的发展具有十分重要的现实意义。 [18】苑雪雷,叶明礼,尹诗崭.浅淡热冲压成形技_术I J1.模具制 造,2016,(6) [19]辛志宁,高乃平,朱彤.热冲压模具冷却系统数值模拟研 究m金属铸锻焊技术,2012,(1) 【20J Lei Chengxi,Cui Junjia,Xing Zhongwen,et al,hwesfigatim1 of Cooling Effect of Hot—stamping Dies by Numerical 参技术,2009,(2) 考文献 【1】朱宏敏.汽车轻量化关键技术的应用及发展[JJ_应用能源 Simulation[J],Physics Procedia,2012,(25):I 18~l24 f2l l蔡丽娟,彭成允,刘其源等.冷却通道对超高强度钢热成 形过程温度场的影响lJ],重庆理T大学学报,2014,l28(9) 【22]何健,高强度钢热成型模具冷却通道设计优化[DI.燕lJI夫 学硕士论文,2015. 【2J Joseph C,Benedy K.Light metals in automotive applications [J].Light Metal Age,2000,58(10):33-35 【3]许路萍.汽车轻量化用金属材料及其发展动态[Jl_上海金 属,2002,(3) ・12・ 《模具制造12017年第9期 ・冲模技术・ 发动机盖外板充液拉伸成形有限元分析 贵永生,韩永志,王肖英,张稳定 安徽江淮汽车集闭股份有限公司(安徽合}J巴230601) 【摘要】对发动机盖外舨充液拉伸成形过程进行了有限j/ ̄1L口-*4=,以分析液压加载路径对制 件成形的澎 响 结果表明,初始反胀使拉伸过程产生皱褶;延迟液压的加栽和减小戍形压 力有利于制件刚度提升,而适当提早液压加载和增大成形压力有利于提升制件戊形极限 关键词:盖外扳;液压成形;有限元分析 中图分类号:T(;385.2 文献标识码:l{ Finite Element Analysis on Hydro-Mechanical Deep-—Drawing Forming for the Bonnet Outer Panel 【Abstract】J、Ihlitf-( Jf ¨l(-『lI Himtt J lI t,『1 f Jn thr h (ho-mecfIa JIj《 ;j J(1eep-df 、~jIIg formi『I r cIIt。 I)()llllt‘I lI【 r… Il i^【‘on(hi(…h(I hiⅢ,a1 ̄ze the el’ f・Is of’hv(h’tltIli(・1)【.OSSIII・t ..,Ih(川tllt I llmal ̄i]jI . r Jll rI su]ls—llIJ、~II1 1l p ̄slponing J】yf Jrauli ̄ 1)rP L JJ’ IIⅧ‘J;,lg ̄lll1]H-l JlJf・h) f ,r『】lif】 I)  ̄4Sl| (‘川1 i iI ( Illf HIifl H Ilr I川。l whih a‘I、 aI】(・iI1 I1、fIr|lIJli(・twess…・《 loa,Iing Ull(I . -1]¨’ lb_l1g f )¨I1il1 IIrl s_IJ ( 川1 I t・《)l1( (・jvP…raise 1lie rIlrming Iimil Ilr I)‘lrIKe) words:I)()IIII ̄’I【lIllr|1 imneI:I1)( ()一l11t (・haI1i(・al deeI)一(IrdA%I II ̄n)¨l1iI1 :卜1It1、 l 引言 搬 : 』JJ 成肜北水 fi;-统fj,J r JI 』JI:J j芝 【=, 为例,通过订 兀仿 丁-段分忻板料允液 IIJJ 肜技 术特点,为汽 盖什液 成形 J}:发』支 川提供 是一I、] )r f】,J f ,艾、悠、¨ I'l J戊J 于芝术I她打液 20 fII: 50、60 : 参杉 肜没街flI{ 制技 科 、 :家 汽1 、航0--.Oi,;人 领域fj1继 提…fJ豆料 汽车外 』戊肜技术术的进步.板料 f 肜技术迅速发 ,许成J_JJJ、 川于 f t:的,1-J f1 l叫I~ 人『 、 饺从 () 纪90 /I 什『l1的 川案f{J_IJ 液体介质收代I一_] "t-l' ̄Jt: ¨扳料液』l 成彤技术进{ r人 的川 沦fn实 聆研究.『I 尚儿 汽1 搜 什饭料液 成彤 fll1成肜 懊或1riI帧的/f ¨,分炎乃允液{; ̄flliZ JF干lI液体l -I馍 【冬I l f听,J 4-<义以 /l-: f4发动}J 外饭件 23I I’dl k IIS.I’h Ill1、、II.I)t‘ ig,l llI‘‘IliiI'(11l1l I J t’ l【lli'lg t’l1|I『1llel ffl lIl1 IlIlinllitli、I‘l tIllI.II-l】III Ir『1“】tlt、【lllI¨1flf'、t I1 I‘}llIIJI” , ()()LJ川()):837~93 1261( J ZhrI】#、~Pi,lf、、1rnF『1lr『 ,Il.-】(;il;lilIl Il1rI dI,I Ile‘. ,f1f (:(1l1l l(・I P|.t・H lJ|1I (It,ril1 lJi,('liVl1il】 lll1、1i‘.rIl IHlI.fI】r I_ …I m t…j‘-lj1 l’ J()iu” I】if"it"f】『】 }f】《l tit s nI I h)l { I l1I,i I>a r Il J I, a41 9,7砒. 丛.船一i ’ .热 ljJ¨ }迥儿随¨三冷 水 遵优化没汁 t Ⅲ・h 20i5,f 22):l】3 ~Jj43 …. 卞小人 ’ /:4i ̄.20I6,I46(6) :5l j 巍. I.I1.; 作者简介:李启全,男,l 973年生,江苏 匀京人.工 程师,硕士,从事机械制造工作 (1I  I1 1【JJ:20I 7-06—201① , , 、  If lld .,巡f 曲 jjq搬i,l,Jfif I:I IIJtilT.1 j忖十:}.20()LJ.(4) 模具制造>20I 7年第9期 ・ l 3・ 

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