高冷彎性能熱成形鋼開發

文/宋磊峰，馬鳴圖，張鈞萍·中國汽車工程研究院股份有限公司

路洪洲·中信金屬公司

高冷彎性能熱成形鋼開發

文/宋磊峰，馬鳴圖，張鈞萍·中國汽車工程研究院股份有限公司

路洪洲·中信金屬公司

本文通過研究4種不同Nb和V含量的熱成形鋼的淬透性，并對平板模具淬火獲得的熱成形板材進行冷彎性能試驗，觀察金相組織、檢測溫度及相組成對材料冷彎性能的影響，討論了冷彎角與冷彎吸能的關系。

自2009年以后，隨著中國汽車工業飛速發展，汽車輕量化技術受到行業的廣泛關注，熱沖壓技術也不斷發展，熱沖壓技術主要用于生產提升汽車安全性的結構件，目前已得到各大汽車廠的認可，實現了批量化的應用。

汽車用超高強度鋼結構件和安全件的韌性和彎曲性能被研究者廣泛關注，針對熱成形鋼零件，寶馬和奔馳汽車先后提出冷彎角大于60°～65°的要求，從目前傳統22MnB5材料的熱成形鋼的冷彎性能來看，很難達到冷彎角大于60°的要求。有研究結果顯示在熱成形鋼中添加0.05%Nb能夠細化熱成形鋼的晶粒，并顯著提高冷彎角。邊箭博士的研究發現，在熱成形鋼中加入Nb能夠延長熱成形零件碰撞時的變形過程，吸收更多的碰撞能量，提升延遲斷裂抗力。

試驗及方法

試驗材料選用商業化批量生產的22MnB5材料、中試的22MnB5材料、中試的22MnB5含Nb鋼材料，及中試22MnB5含Nb/V復合的熱成形鋼，主要元素成分如表1所示。其中中試材料經過120kg鑄錠的真空冶煉，經過鍛造、熱軋、冷軋成厚度為1.7mm的板材，冷軋板隨后經過連退處理。

端淬試驗的試樣采用鍛造后的試樣進行，試樣尺寸為φ25mm×100mm,端淬試驗工藝如圖1所示。

表1 試驗鋼化學成分(wt%)

圖1 熱處理工藝及端淬試樣

試驗材料被加熱到930℃，分別保溫250～300s，通過平板模具淬火至200℃，保壓時間為12s.淬火后的樣品分別進行金相組織觀察、拉伸試驗、硬度試驗及彎曲試驗，其中冷彎試驗參考標準VDA 238-100執行，如圖2所示。

圖2 冷彎試驗

試驗結果及討論

淬透性

試驗鋼的端淬曲線如圖3所示，根據經驗將顯微硬度450HV以上作為全馬氏體組織轉變的界限，分別得到淬硬層的深度如表2所示。

圖3 端淬試驗曲線

表2 淬硬層深

淬硬層深的結果顯示中試22MnB5+Nb(3#)和中試22MnB5+Nb/V復合(4#)擁有較好的淬透性,即在22MnB5材料中加入Nb或者Nb/V復合能夠顯著提高材料的淬透性；其次為批量生產的22MnB5(1#)，中試的22MnB5(2#)淬透性較差，這可能與中試冶煉過程中較大的成分波動造成酸溶B含量過低和夾雜物含量偏高等因素有關。

端淬試驗后，試樣硬度沿端淬面逐漸降低，微觀組織由馬氏體(M)向貝氏體(B)、珠光體(P)、鐵素體(F)逐漸演變，如圖4所示。

彎曲性能

依據標準VDA 238-100，針對試驗材料進行冷彎試驗來評價材料的韌性和彎曲性能，同時考察了試驗溫度對冷彎性能的影響，每個試驗重復三個試樣并求取平均值, 試驗測試的參數如表3所示。

不同溫度下的材料冷彎結果如圖5所示，試驗結果顯示在室溫到-40℃的溫度區間，熱成形鋼的冷彎性能差別不大，在不同試驗溫度下，批量化生產的22MnB5材料的冷彎角及吸能值差別不大。

表3 冷彎試驗參數

圖4 沿端淬面的微觀組織演變(500X)

圖5 1# 材料不同試驗溫度下的冷彎角和吸能值

不同試驗材料在室溫下的冷彎試驗參數參照表3執行，試驗結果如圖6所示，試驗結果顯示：22 MnB5加Nb和Nb/V復合的3#和4#的冷彎角（大于60°）有明顯提升；2#材料由于淬透性較差，在淬火過程中出現了M+B組織，而相對于全馬氏體組織的1#材料，冷彎性能略有提高。冷彎過程中的吸能值是基于冷彎曲線包圍面積進行計算的，3#和4#材料由于具有較大的冷彎變形抗力和位移，擁有較高的吸能值，而2#材料的吸能值并沒有提高，該樣品中出現了貝氏體組織，導致冷彎過程中材料的變形抗力降低，各樣品淬火組織對比見圖7。3#和4#材料組織明顯比1#樣品細化，這可能是3#和4#材料具有較大的冷彎角和較高吸能值的原因。2#材料由于淬透性較差，經模具淬火后組織為馬氏體+貝氏體，導致了2#材料有較大的冷彎角和較小的變形抗力。

圖6 不同試驗材料的冷彎角及吸能值

圖7 試驗材料微觀組織

由圖8試驗材料的冷彎曲線可以看出，組織為全馬氏體的樣品(1#、3#、4#)相對于含有貝氏體組織的樣品(2#)在同等位移條件下具備較高的冷彎變形抗力，2#材料盡管也具備較大的冷彎角，但由于變形抗力的降低，其吸能值均小于1#和3#，4#材料。

圖8 試驗材料冷彎曲線

結論

⑴中試的22MnB5樣品2#擁有較差的淬透性，這是因為中試鋼材的純凈度差，B的波動大，影響了材料的淬透性。

⑵當熱成形鋼擁有馬氏體+非馬氏體復相組織時，材料的冷彎角可能會提升，但變形抗力較全馬氏體組織的材料小，并降低撞擊吸能。

⑶在室溫到-40℃溫度區間內，熱成形鋼材料的冷彎性能差別不大。

⑷在熱成形鋼中添加Nb，特別是Nb/V復合添加，可明顯提高22MnB5淬透性，在淬火后能夠獲得細小的板條馬氏體組織，能夠顯著提升熱成形材料的冷彎性能和冷彎抗力，從而提升撞擊吸能。

宋磊峰，材料工藝工程師，主要從事汽車用高強鋼及熱成形工藝技術研究等工作，先后參與了國家“十二五”科技支撐計劃課題“超高強度鋼熱成形技術開發及其在目標車型上集成應用(2011BAG03B02)”，科技部2016重點研發計劃項目“超高強度鋼汽車零部件成形與應用關鍵共性技術”(2016YFB0101605)等國家、地方課題10余項。