淬火時間對硼鋼板熱沖壓的作用*

王　敏，張　春，肖海峰，李　兵

(1. 湖北汽車工業學院 材料學院，湖北 十堰 442002；2. 華中科技大學 模具技術國家重點實驗室， 武漢 430074)

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淬火時間對硼鋼板熱沖壓的作用*

王敏1,2，張春1，肖海峰1，李兵1

(1. 湖北汽車工業學院 材料學院，湖北 十堰 442002；2. 華中科技大學 模具技術國家重點實驗室， 武漢 430074)

摘要：現代汽車制造中越來越多地應用硼鋼板熱沖壓技術來減輕車身重量并提高碰撞安全性，淬火時間對該過程中板料熱力學行為和組織轉變有重要作用。以汽車熱沖壓件的典型特征結構——U形梁為對象，將馬氏體相變動力學模型嵌入硼鋼板熱沖壓全過程熱力耦合三維有限元模型中，實現了對該過程中板料熱力學行為和馬氏體相變的有效預測，預測結果與實驗結果吻合良好。揭示了淬火時間對硼鋼板熱沖壓的影響，結果表明，隨淬火時間的延長，板料溫度和溫降速率均降低，溫度分布越均勻；馬氏體轉化率增加，分布趨于均勻，但淬火時間超過22 s后，馬氏體轉化率的大小和分布不再發生變化；最大回彈值減小。

關鍵詞：硼鋼；熱沖壓；淬火時間；有限元

0引言

應用硼鋼板熱沖壓技術可使零件的抗拉強度達到1 500 MPa以上，屈服強度達1 000 MPa以上，而且回彈量小[1]，可同時實現車身輕量化并提高碰撞安全性，因此在汽車制造業中獲得了越來越廣泛的應用[2]。該技術是將可淬火硼鋼板加熱至奧氏體狀態并適當保溫后，將其快速沖壓成形并在帶有冷卻系統的模具中進行一定時間的保壓淬火處理，最終獲得組織為板條馬氏體的超高強度件，其中淬火時間是影響零件組織性能、幾何精度和生產效率的關鍵參數[3]。目前已有不少熱沖壓過程的參數優化研究[4-6]，但有關淬火時間的研究不多。Kim等[7]針對汽車管狀件，運用DEFORM-3D建立了22MnB5鋼管熱沖壓過程有限元模型，預測了管件的回彈和相變過程，結果表明，淬火時間越短，尤其少于15 s時，回彈值越大；當淬火時間多于20 s時，回彈值變化趨緩。該研究將模具設為等溫體，不考慮模具的溫度變化，也沒有引入冷卻水道對模具的冷卻作用。鑒于此，肖海峰等[8]考慮模具溫度變化和冷卻水道作用，運用Pam-stamp仿真分析了淬火時間對U形梁熱沖壓的影響，發現隨淬火時間的增加，回彈值降低；當淬火時間超過20 s時，回彈值變化不顯著。可能由于該研究沒考慮馬氏體相變的臨界冷卻速率條件，導致在10～30 s的淬火時間下板料所有區域的馬氏體轉化率的預測值均達到99.9%以上，這與本文的實驗結果不符。

本文以汽車熱沖壓件的典型特征結構——U形梁為對象，考慮模具溫度變化和冷卻水道作用，基于ABAQUS建立硼鋼板熱沖壓全過程熱力耦合三維有限元模型，將Koistinen-Marburger馬氏體相變動力學模型以子程序形式嵌入有限元模型中，實現對該過程中板料熱力學行為和馬氏體相變的有效預測，并將預測結果與實驗結果進行對比。利用上述有限元模型，揭示了淬火時間對硼鋼板熱沖壓過程中板料傳熱、馬氏體相變和回彈的影響。

1實驗

以U形梁為對象開展熱沖壓實驗，板材為22MnB5無鍍層板，厚1.8 mm。熱沖壓模由H13鋼制成，如圖1所示。加熱過程中用自主研發的氮基保護氣氛控制系統(圖2)向加熱爐內通保護氣氛以防止板料過度氧化。

圖1　U形梁熱沖壓模具

在凸模側面、圓角和底面向里約5 mm的點A、B和C處(圖3)分別安裝熱電偶以跟蹤模具溫度的變化。板料和模具的初始溫度分別為900和20 ℃，凸模下壓速度為20 mm/s，頂件塊施加的壓強為5 MPa，凸、凹模間隙為1.98 mm。實驗后用光學顯微鏡觀測板料的金相組織。

圖2氮基保護氣氛控制系統

Fig 2 Control system of nitrogen-based protective atmosphere

2硼鋼板熱沖壓全過程三維有限元建模

2.1硼鋼板熱沖壓全過程傳熱-變形耦合建模

基于ABAQUS建立了實驗U形梁熱沖壓全過程(成形—淬火—回彈)傳熱-變形耦合模型，如圖3所示。考慮到幾何和載荷的對稱性，只建立1/4模型。為了提高計算效率，將模具內部遠離冷卻水道的部分挖空。22MnB5的熱力學屬性和溫度/應變率相關的流動應力取自文獻[9]。在板料與頂件器、凹模和凸模之間分別定義接觸對，采用庫侖摩擦模型，摩擦系數為0.4[3]。自主開發了平板淬火實驗系統，基于反傳熱法反演了板料-空氣對流換熱系數和不同接觸壓力下板料-模具界面換熱系數，如表1所示。

圖3U形梁熱沖壓1/4有限元模型

Fig 3 Quarter FE model of hot stamping of U-shape beam

表1　板料與環境的換熱系數

選用減縮積分線性六面體單元對模型進行離散化，沿板厚方向劃分5層單元。應用顯隱聯合算法求解有限元模型：成形和淬火階段采用動力顯式算法，卸載回彈階段采用靜力隱式算法。

2.2馬氏體相變過程有限元建模

采用Koistinen-Marburge馬氏體相變動力學模型計算馬氏體轉化率Xm[10]

(1)

式中，Xa為馬氏體相變前殘余奧氏體的體積分數，ψ1為材料常數，T為板料瞬時溫度，Ms為馬氏體開始轉變溫度，ψ1和Ms分別取值為-0.011 ℃-1和376 ℃[7]。

板料發生馬氏體相變的條件除了過冷度(Ms-T)外，還需使溫降速率高于馬氏體的臨界冷卻速率(Vm)27 ℃/s[3]。為了預測熱沖壓過程中的馬氏體相變，基于ABAQUS開發了子程序，子程序流程如圖4所示。

2.3模型驗證

淬火10 s時，凸模上3個溫度監測點的溫度歷史的實測值與模擬值如圖5所示。

圖4　子程序流程圖

圖5凸模特征點溫度歷史的實測值和模擬值

Fig 5 Measured and simulation values of temperature histories at characteristic points on punch

在成形階段(0～2 s)，3點溫度均上升；在淬火階段(2～12 s)，點A溫度持續緩慢上升，其它兩點的溫度在2～4 s期間上升至峰值后開始下降。總體來說，點A的溫度最低，點B的溫度最高，3點溫度的模擬值高于實測值，最大相對誤差控制在10%以內。誤差主要源于板料在空氣中轉移而導致的初始溫度分布不均勻、實驗板料力學性能的波動、熱摩擦條件的復雜動態變化等。

圖6所示為U形梁10 s淬火組織的實驗和模擬結果。由圖6(a)可見，板料側面中部(2處)的馬氏體相變不充分，為馬氏體和鐵素體的混合組織；其它區域的馬氏體相變較充分。該實驗結果與圖6(b)所示的模擬結果基本一致。

圖6　U形梁10 s淬火組織

3結果與討論

板料在不同淬火時間下的溫度、溫降速率和馬氏體分布云圖分別如圖7～9所示。由圖7(a)可見，淬火10 s時，最高溫度位于側面中部，仍高于馬氏體開始相變溫度(Ms)，這是因為凸、凹模間隙略大于板厚，且板料側面與模具之間未額外施加壓力，導致側面與模具之間的熱阻較大，而側面中部遠離散熱條件較好的邊界。

圖7　不同淬火時間下板料溫度分布云圖

由圖7(a)還可看出，側面中部以外區域的溫度低于Ms，底面靠近端面附近區域的溫度最低，其原因是板料底面在頂件力作用下與模具的接觸壓力較大，且端面附近的散熱條件較好。從圖8(a)可看出，淬火10 s時，側面的溫降速率快于馬氏體臨界轉變速率(Vm)，而底面的溫降速率慢于Vm，其原因是此時底面的溫度顯著低于側面(圖7(a))。上述溫度和溫降速率的分布情況導致淬火10 s時，側面中部由于溫度高于Ms而沒有發生馬氏體相變，而底面靠近端面附近區域由于冷卻速率較快且溫度較低而使馬氏體相變達到了90%以上，如圖9(a)所示。隨淬火時間的延長，最高溫度迅速降低至Ms下(圖7(b)-(d))，溫降速率也快速降低(圖8(b)-(d))；淬火約22 s時，板料所有區域的溫降速率均減小至Vm下(圖8(b))，不滿足馬氏體轉變的臨界冷卻速率要求，故馬氏體轉化率大小及分布不再隨淬火時間增加而發生明顯變化，如圖9(b)-(d)所示。

圖8　不同淬火時間下板料溫降速率分布云圖

圖9　不同淬火時間下板料馬氏體轉化率分布云圖

采用SD來衡量溫度分布和馬氏體相變的均勻性，SD定義如下

(2)

(3)

其中，Yi為第i個單元的場量值(溫度或馬氏體轉化率)，Ya為場量在整個板料上的平均值，N為板料的單元數，Vi為第i個單元的體積。SD越小，表明場量在板料上分布得越均勻。圖10所示為溫度分布均勻性SDT和馬氏體分布均勻性SDX隨淬火時間的變化。由圖10可見，SDT隨淬火時間的增加而減小，但減小得越來越慢；SDX快速減小，但淬火時間超過22 s后，SDX的大小無明顯變化。這表明延長淬火時間有利于溫度和馬氏體分布的均勻性，但超過22 s后，對馬氏體分布的作用不大。

圖11所示為板料在不同淬火時間下的回彈分布云圖。可以看出，最大回彈出現在U型梁側面上端靠近端面處；隨淬火時間的增加，最大回彈值減小，這與溫度和馬氏體分布趨于均勻，使殘余應力減小有關。實驗所獲U型梁兩側面回彈角隨淬火時間的變化如圖12所示。可見，兩側面的回彈角均隨淬火時間的增加而減小，這與模擬結果一致。

圖10溫度和馬氏體分布均勻性隨淬火時間的變化

Fig 10 Variations of uniformity of temperature and martensite transformation rate distributions with quenching time

圖11　不同淬火時間下板料回彈分布云圖

圖12　U型梁回彈角隨淬火時間的變化

Fig 12 Variation of springangles of U-shaped beam with quenching time

4結論

以汽車熱沖壓件的典型特征結構—U形梁為對象，將馬氏體相變動力學模型嵌入硼鋼板熱沖壓全過程熱力耦合三維有限元模型中，實現了對該過程中板料熱力學行為和馬氏體相變的有效預測，預測結果與實驗結果吻合良好。基于上述熱沖壓模型，揭示了淬火時間對硼鋼板熱沖壓傳熱、相變和回彈的影響，結果表明，隨淬火時間的延長，板料溫度和溫降速率均降低，溫度分布越均勻；馬氏體轉化率增加，分布愈均勻，但淬火時間超過22 s后，馬氏體轉化率的大小和分布不再發生變化；最大回彈值減小。

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文章編號：1001-9731(2016)07-07103-06

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51205116)；湖北省自然科學基金資助項目(2014CFB628)；湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊計劃資助項目(T201518)；材料成形與模具技術國家重點實驗室開放基金資助項目(2012-P12)；校博士科研基金資助項目(BK201102)

作者簡介：王敏(1979-)，女，四川人，副教授，博士，從事板料沖壓成形理論與技術研究。

中圖分類號：TH133.3

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.020

Effectsofquenchingtimeonhotformingofboronsteelsheet

WANG Min1, 2，ZHANG Chun1，XIAO Haifeng1， LI Bing1

(1.DepartmentofMaterialsEngineering,HubeiUniversityofAutomotiveTechnology,Shiyan442002,China;2.MaterialFormingandMouldTechnologyOpenStateKeyLaboratory,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:Hot forming of boron steel sheet (BSS) is increasingly used to reduce weight and improve crash safety of automobile in automobile body manufacturing. Quenching time plays an important role on thermo-mechanical behaviors and structural transformation of sheet in the process. Taking the feature structure of automobile hot stamped parts—U-shaped part as the object, martensite transformation kinetics model was implemented into the coupled thermo-mechanical 3D-FE model of the whole process of hot forming of BSS, so the thermo-mechanical behaviors and martensite transformation of sheet can be effectively predicted, with the predictive and experimental results being in good agreement. Effects of quenching time on hot forming of BSS are revealed and the results obtained show that as the quenching time increases, both temperature and temperature reducing velocity decrease, and the temperature distribution becomes more uniform; martensite transformation rate increases and its distribution tends to be more uniform, but when the quenching time was greater than 22 s, martensite transformation rate does not change any more; the peak value of springback decreases.

Key words:boron steel; hot forming; quenching time; finite element

收到初稿日期：2015-06-26 收到修改稿日期：2015-09-24 通訊作者：王敏，E-mail: sprit 418@cqu.edu.cn