汽车轻量化的手段之一是降低车体的重量, 如采用高强度和超高强度钢制造汽车的防撞梁、B柱等零件, 可在降低车体重量的同时提高汽车的车身的强度、提高安全性^[1]。热冲压工艺可有效解决高强度钢板的成形局限性, 成形件精度高, 回弹很小。其工艺原理是将板料奥氏体化后迅速转移到模具中, 同时进行快速冲压、淬火过程, 最终在高于临界冷速条件下使板料获得高强度的马氏体组织, 强度接近1500 MPa, 但塑性较差 ^{[2, 3]}。文献^[4]确定了22MnB钢的奥氏体化工艺制度, 测定了冷速与接触压力的关系, 以及采用反求法求得模具-板料的换热系数。文献 ^{[5, 6]}提出了新的板料加热方式——电阻加热以提高速度, 减少板料转移过程中的温降, 文中分析了加热温度对成形性的影响, 发现成形板料回弹小, 氧化程度轻。文献^[7]测定了工业条件下的硼钢的相变点, 以及不同温度与应变速率下的力学性能曲线, 发现温度是影响材料流动应力的主要因素。文献^[8] 研究了淬火加热温度、保温时间及水流速度对零件力学性能、组织的影响规律, 确定了优化参数的范围, 为实际工艺提出积极的指导。文献 ^{[9, 10]}分析了在模具温度, 压边力对零件力学性能影响规律, 但未能给出零件塑性的变化规律以及分析, 未分析零件的综合性能。

本文在传统热冲压工艺的基础上将模具温度降低到室温, 并在加热过程中对板料进行气体保护, 通过对比模温为室温、未气体保护的热冲压件、仿工业化热冲压件的性能, 研究热冲压过程中冷速对硼钢组织性能的影响规律。

1 实验方法

实验用材料为22MnB5, 名义成分列于表1。供货状态钢板为冷轧钢板, 厚度为2 mm。组织为变形珠光体+铁素体, 如图1a所示, 其抗拉强度为660 MPa, 延伸率为24%。板料的尺寸为160 mm×100 mm×2 mm, 在板料厚度方向上钻间距2 mm, 直径1 mm, 深4 mm的两个圆孔, 如图1b, 内焊K型热电偶以检测板料温度变化。

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Fig.1   板料的组织和尺寸

Fig.1   Microstructure and dimension of blank, (a) Microstructure of as-delivered condition of 22MnB steel, (b) Dimension of the blank

为改善工件表面质量, 提高板料与模具的传热效果, 设计了钢板加热气体保护装置, 如图2a所示。加热时板料放于密闭的盒中, 盒上外接通气管, 内通氩气保护板料防止氧化。所用压机为100吨液压机, 凸模下行速度15 mm/s, 如图2b所示。热冲压模具钻有通孔, 内置加热棒加热模具。为对照实际工况的热冲压工艺, 将凹模、凸模加热到300℃^[11]。

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图2   热冲压实验设备

Fig.2   Experimental apparatus in hot stamping (a) Schematic of gas-protection device for heated blank, (b) Hot stamping tools

为分析冲压件主体部分的温度与组织变化以及性能, 本文用小板进行热冲压试验, 板料尺寸小于盒型件底部。具体实验工艺为: 板料置于950℃的热处理炉中加热3-5 min, 取出后在3 s内转移至模具, 压机快速冲压, 而后保压使板料淬火。分别进行模具温度为室温, 板料加热时带有气体保护装置的热冲压实验(记为“工艺1”)与模具温度为室温, 板料加热时未加气体保护装置的热冲压实验(记为“工艺2”)以及模具初始温度为300℃, 带有气体保护装置的热冲压实验(记为“工艺3”), 如表2所示。

在冲压板上截取如图3所示的拉伸试样进行室温拉伸实验, 三种工艺各取2组拉伸试样分析板料的力学性能, 并进行维氏硬度(HV)分析。采用过饱和苦味酸溶液对试样进行腐蚀后, 在SSX550扫描电镜上进行SEM分析。

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图3   冲压后的板料与拉伸试样尺寸(mm)

Fig.3   Hot stamped blank and the dimension of the tensile specimen, (a) Hot-stamped blank, (b) Dimension of the tensile specimen

2 结果和讨论

2.1 三种工艺热冲件的温度历程

三种实验工艺热冲板的温度历程如图4所示。板料都经历了加热、转移、冲压、保压淬火四个阶段。板料的出炉温度约为950℃, 经历转移、冲压阶段3-5 s, 温度降至850-870℃时开始保压淬火, 而后板料温度快速下降, 保压一定时间后完成淬火过程。

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图4   三种工艺冲板的温度历程曲线

Fig.4   Temperature history of hot-stamping blank

由图4中的保压淬火阶段可知, 板料M_s点之前的冷却速度都较高, 工艺1的冷速约为840℃/s, 接近水淬冷速; 工艺2的冷速与工艺3的冷速相对较小, 分别为250℃ /s与318℃/s。三者冷速都远高于材料的临界冷速30℃/s^[1]。而在M_s至M_f点之间, 三者冷速各不相同: 工艺1的冷速最高, 147℃/s; 工艺2的冷速略低, 98℃/s, 二者远高于临界冷速; 而工艺3的冷速低于临界冷速, 7.35℃/s, 在M_s至M_f点之间经历了20 s, 与实际工况的保压时间相接近。此外, 工艺1 的平均冷速最高, 387℃/s; 工艺2的平均冷速有所降低, 为178℃/s; 而工艺3的平均冷速最低, 约为20℃/s。

由上述结果可知, 在热冲压过程中模具温度对板料淬火冷速的影响较大。模温升高, 板料冷速大大降低, 尤其当板料温度接近模温时冷速出现拐点, 大幅减小, 但在较高的温度区间, 板料冷速仍较大, 远大于临界冷速。模温由室温升至300℃时, 高温区板料冷速将降低65%左右; 在接近模温的温度区间板料冷速差别较大, 可达20倍。其原因在于, 模温升高使板料与模具的温差减小, 依据换热公式h= q/△T可知, 换热减缓, 从而使得冷速大幅降低。

此外, 表面氧化皮对板料与模具的传热也有影响。对比工艺1与工艺2的冷速可以看到, 在M_s点以上二者的冷速相差约为3倍, 而在M_s~M_f间二者的冷速相接近。

2.2 三种工艺热冲件的组织和性能

三种工艺热冲件的力学性能如图5所示。由图5可知, 实验件的抗拉强度均在1500 MPa以上。工艺1冲压的试样其抗拉强度最高(1650 MPa左右), 接近水淬强度; 其塑性最高, 断后延伸率可达12％(断面收缩率37％), 强塑积19, 320 MPa%。工艺2冲压的试样其抗拉强度约下降50 MPa, 断后延伸率接近11％。工艺3的试样其强度与塑性最低, 为1500 MPa, 与实际工件相一致。硬度变化规律同强度变化的数值与规律相一致。

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图5   冲压件的力学性能

Fig.5   Mechanical properties of the three stamping workpieces (a) stress-strain cures of hot-stamped blank, (b) Vickers hardness

不同工艺的热冲压板的扫描电镜照片如图6所示。由图6可见, 三种工艺的板料组织均主要为板条状马氏体组织^{[9、12、13]}, 采用面积法测量三者晶粒度均在在7.5级(25 μm)左右。工艺1与工艺2的试样马氏体片层较为细长, 而工艺3的马氏体组织较为粗大。在扫描电镜下观察, 工艺1与工艺2)试样的马氏体束宽度差别不大, 在1.75±0.25 μm; 而工艺3试样的马氏体束宽度略宽, 在2.25±0.25μm ^[7、9]。

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图6   三种工艺热冲件的组织

Fig.6   Microstructure of samples by the three hot stamping processes (a), (d) Process 1; (b), (e) Process 2; (c), (f) Process 3

由上述分析可知, 由于通气保护试样的冲压模具的温度较低, 表面氧化的程度比较轻, 因冷速高形成的马氏体组织细小, 其性能主要由片层尺寸d_b决定^[14、15]。工艺1片层最为细小, 其综合性能相对最好, 强度与延伸率高于另外二者。当模具温度为300℃时板料的冷速降低, 尤其是在M_s~M_f间的冷速大幅降低, 最终形成的马氏体束略宽、粗, 不仅强度有所降低, 塑性也有所下降。对照文献[15]中所述的hall-petch关系可知, 三种工艺的马氏体束尺寸—强度关系接近H-P关系。文中H-P关系斜率 k在0.72-0.85 MPam^1/2(即720-850 MPaμm^1/2), Δσ=kΔ(2d_b)^-1/2, 当马氏体束片层尺寸d_b依次从1.5 μm变化到2 μm、2.5 μm时, 相应强度的变化为55.69-65.75 MPa与38.01-44.87 MPa。可见, 图5a)中的强度变化程度(64.55 MPa与43.7 MPa)与之相符合。

在实际冲压过程中通过模具冷却通道的设计, 模具材料的选取等环节可进一步降低热冲压模具温度, 改善板料与模具的换热, 提高工件综合性能。此外, 氧化皮不仅对工件强度与塑性有一定影响, 还恶化表面质量, 增加后续工序, 因此在生产中应增加钢板加热气体保护环节。

依据上述工艺1冲压试制的盒型件(图7a), 其表面氧化程度比用工艺2(图7b)试制的盒型件的程度轻, 且盒底部各处性能均匀, 均为1600 MPa, 延伸率为11±1％, 硬度最大可达500 HV。

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图7   用通保护气热冲压(工艺1(a))与未通保护气热冲压(工艺2(b))试制的盒型件

Fig.7   Box-type part by the gas-protection hot stamping process (by Process 1(a)) and the not gas-protection hot stamping process (by Process 2(b))

3 结论

1. 在热冲压过程中, 模具的温度越高板料的冷速越低。冷却时板料的冷速在接近模温的温度区间出现拐点, 大幅降低。板料表面的氧化层使板料的冷却速度降低、板料表面的质量恶化。

2. 降低模具温度和增加钢板加热气体保护等手段, 可提高板料热冲压过程中的冷却速度, 细化马氏体组织, 改善热冲压工件的综合性能。凹模、凸模为室温, 板料通气体保护(工艺1), 热冲压工件的强度可达1600 MPa, 强塑积接近20, 000 MPa％。