熱成形高強鋼新材料的研究與應用

文/張宜生·華中科技大學材料科學與工程學院

熱成形高強鋼新材料的研究與應用

文/張宜生·華中科技大學材料科學與工程學院

張宜生，華中科技大學材料科學與工程學院教授，長期從事先進材料成形工藝與裝備研究。近年來，主要從事高性能金屬板料成形工藝與智能裝備研究和應用、汽車高強鋼、高強鋁合金板熱沖壓成形技術、大型汽車板料落料工廠的MES系統(tǒng)及應用開發(fā)。

2016年全球生產的9000多萬輛轎車中，有超過2800萬輛在中國生產。隨著汽車輕量化的進程，熱沖壓成形技術和裝備獲得持續(xù)的增長。全球有300多條熱沖壓生產線在世界各地的運作，中國已有50多條熱沖壓生產線在實際運行，還有幾十條正在安裝調試中；目前世界各地生產了約3.5億件熱沖壓零件，仍然保持較高的增長率。在熱成形技術的發(fā)展中，熱成形材料和工藝的創(chuàng)新對生產效率和質量的提高以及成本的降低具有重要的影響。

近年來，我國自主研發(fā)的高強鋼熱成形材料的研究成果不斷涌現(xiàn)，新材料的應用研究已經在熱成形企業(yè)進行中，具有廣泛的應用前景。

抗氧化熱成形板的研究

高強鋼熱成形板分為帶表面鍍層（一般是AlSi鍍層或鋅基鍍層）的鍍層板。另一類是不帶鍍層的，稱為非鍍層板（或稱裸板），因其成本較低和來源廣泛，在我國廣泛應用。雖然可以在加熱過程中使用惰性和還原性氣氛對非鍍層板進行保護，但是在輸送過程中坯料直接暴露在空氣中，極易氧化。表面氧化膜主要是Fe3O4和FeO，在成形過程中脫落導致工作環(huán)境惡化，降低模具壽命。

采用特殊的表面改性技術，無需任何額外的涂層，就可以提高在加熱和成形過程中材料的表面質量，抑制熱沖壓工藝氧化皮脫落，為提高材料的使用特性開辟新的途徑。

一般認為鋼表面氧化膜，由最外層的Fe2O3、中間層的Fe3O4、內層FeO層與基底組成。氧化皮具有層狀結構，氧化皮很容易脫落。也有一些研究報告認為，氧化層的初始規(guī)模結構容易受變化的溫度和大氣因素影響。例如，在溫度高于560℃、非氧化氣氛下的氧化膜僅由FeO層組成。然而，隨著FeO層規(guī)模變化其附著力降低，低于560℃時FeO處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在冷卻過程中，它可能轉變?yōu)镕e3O4和Fe的混合物。這就導致混合的FeO、Fe3O4或Fe2O3氧化膜在成形應變作用下極易剝落。

如果采用適當?shù)姆椒ǎ缭诒砻嫔现苯有纬蒄e3O4致密結構，可以有效改善和解決氧化皮脫落的現(xiàn)象。如圖1所示本溪鋼鐵集團公司開發(fā)了一種特殊的預處理方法，用于抗氧化熱成形鋼PHS1500A。當表面致密氧化層產生后，在加熱過程中使FeO結構層的生產受到抑制，而Fe3O4與鋼基體緊密結合，從而避免氧化皮脫落。

對照實驗中，2組熱成形鋼化學成分相同（22MnB5），PHS1500A與傳統(tǒng)PHS1500的差異只是表面，PHS1500A鋼沖壓前形成了一層致密的Fe3O4和FeO層。

圖1 抗氧化鋼PHS1500A表層結構示意圖

通過一模兩件熱沖壓，實驗結果清楚地表明，傳統(tǒng)的PHS1500沖壓過程中發(fā)生大量的氧化皮脫落，但PHS1500A沖壓過程中幾乎沒有氧化皮脫落，沖壓后的零件表面質量也有很大的差別。圖2所示為對照實驗中的成形件的表面和XRD測試結果。作為PHS1500A得到灰度均勻的氧化膜，無脫落現(xiàn)象，但PHS1500表面呈現(xiàn)隨機脫落的特征。

實驗表明PHS1500零件表面層結構中仍有大量FeO存在。而PHS1500A表面幾乎沒有FeO的衍射峰值被發(fā)現(xiàn)，PHS1500A的表層形態(tài)更加致密，如圖3所示。

因為PHS1500A鋼的化學成分沒有改變，熱沖壓件與常規(guī)PHS1500熱成形件的最終力學性能沒有差異。抗氧化板的應用，可以降低常規(guī)非鍍層板的加熱保護氣氛的使用成本，提高表面質量，減少氧化脫落物對模具的磨損，提高產品的成本效益。

圖2 對照實驗中的成形件的表面和XRD測試結果

短流程CSP熱軋板的研究與應用

在鋼材生產中，通過縮短生產流程，在滿足產品質量要求的情況下，可以降低產品的成本。武鋼集團公司用精密熱軋板生產工藝，生產熱成形高強鋼板的工藝流程如圖4所示。

實際上，經過熱軋生產的高強鋼板（類似于22MnB5），其表面脫碳層深度小于12μm，滿足相關標準要求，如圖5所示。經過精確的控制技術，短流程生產的板厚與冷軋板的厚度尺寸精度相接近(如表1)，通過實際熱沖壓成形實驗，其成形強度和強度均勻性可以滿足實際車體結構件的尺寸和力學性能要求，如圖6和表2所示。

圖3 對照組的表面形態(tài)

圖4 武鋼集團公司采用CSP短流程生產高強鋼熱成形板

圖5 表面脫碳層深度

圖6 用短流程熱成形板生產的B柱零件

表1 短流程板的厚度尺寸偏差

盡管短流程熱成形用鋼的大規(guī)模生產和應用，還需要進一步的實踐檢驗，但是，采用短流程生產熱成形鋼及其零部件的各項技術指標與傳統(tǒng)流程是相當?shù)模瑹岢尚武摗耙詿岽洹笔强尚械摹Ｅc傳統(tǒng)流程相比，采用短流程生產熱成形鋼可降低能耗12%，減少13%的CO2排放量，減少29%的水耗，降低制造成本20%以上，具有重要的低能耗和低成本優(yōu)勢。

Mn-B-Nb系熱成形鋼的研究與應用

背景與理論基礎

目前的汽車安全法規(guī)日益嚴格，既要輕量化又要保證安全，這必然推動高強度鋼和超高強度鋼的應用。強度的提升勢必導致其延伸率和成形性的下降，熱沖壓成形工藝零件成形過程與淬火處理過程有機地結合起來，很好地解決了鋼的強度與成形性的矛盾，采用熱成形零部件是成為兼顧汽車輕量化和安全性能的有效措施，因此熱成形馬氏體鋼在汽車領域應用潛力巨大，近幾年也得到了迅速發(fā)展。但22MnB5雖然強度很高，但存在韌性差、冷彎性能不足和延遲斷裂抗力低（氫脆敏感性高）等缺點。

表2 短流程板生產的B柱的力學性能檢測結果

表3 合金元素成分表 (質量百分比，%)

延遲斷裂現(xiàn)象是高強度材料—環(huán)境—應力相互作用而發(fā)生的氫致脆化的一種現(xiàn)象，當鋼的抗拉強度超過1200MPa時（組織中不存在能夠有效捕捉原子氫的氫陷阱結構），在實際環(huán)境中服役時對氫致延遲斷裂就變得十分敏感，尤其是低溫回火馬氏體鋼在潮濕或腐蝕環(huán)境下容易發(fā)生延遲斷裂，且隨強度的提高其延遲斷裂的敏感性增大。研究認為，零件的靜壓測試過程中的應力集中和靜壓彎曲變形量可能是開裂的驅動力，即最大應力達到了該部件氫致延遲斷裂的臨界應力、或者靜壓變形角度超過了此鋼種的臨界彎曲角度（應用鋼材的氫致延遲斷裂的臨界應力和臨界彎曲角度不高），最終造成開裂。高強度鋼的延遲斷裂主要是由侵入鋼中的可擴散氫引起的，其斷裂特征主要為脆性沿晶斷裂。因此，改善高強度鋼耐延遲斷裂性能的基本出發(fā)點應該為：一方面要盡量降低鋼中的氫含量，另一方面是提高晶界強度，形成有效的氫陷阱以捕捉可擴散氫。解決的方法如下：

⑴細化晶粒：奧氏體晶粒細化后，晶界面積增大，裂紋在穿越晶界的時候消耗更多能量，擴展壁壘提高。因此，細化晶粒也是提高材料韌性的主要手段。另外，晶界面積增大后，單位晶界處位錯量和雜質量相對減少，應力集中程度得到緩解，從而可以有效減少可擴散氫在裂紋尖端的富集。

⑵形成高效能氫陷阱：氫致斷裂是由金屬基體內部可擴散氫在萌生裂紋尖端富集而產生的脆斷，因此提高氫致延遲斷裂性能，就應該制造高效能氫陷阱，將室溫擴散性氫轉化為非擴散性氫。所謂高效能氫陷阱，就是氫一旦被氫陷阱捕捉后就難以再次逸出，通常晶界上碳氮化物就是氫陷阱，判斷其是不是高效能氫陷阱則取決于其形狀、尺寸和分布等因素。

實驗方法與結果

⑴合金設計。

馬鋼集團公司在典型熱成形用鋼的基礎上，采用Nb元素含量取0.03%，設計的實驗用鋼的成分見表3。

⑵組織性能。

含有微合金化元素Nb的熱成形用鋼16MnNb3熱軋板的微觀組織如圖7所示，可見其微觀結構主要為先共析的鐵素體和珠光體構成。熱軋態(tài)力學性能如表4所示。通過加熱淬火后，16MnNb3的淬火組織如圖8所示，淬火態(tài)力學性能如表5所示。

表4 熱軋態(tài)熱成形實驗鋼的力學性能

圖7 16MnNb3的熱軋態(tài)微觀組織

圖8 16MnNb3淬火態(tài)的金相組織

表5 16MnNb3淬火后力學性能對比

結束語

在汽車輕量化的進程中，新材料的出現(xiàn)具有決定性的引導作用。伴隨著新材料的出現(xiàn)，相適應的工藝技術會更加活躍。材料與工藝的進展，將推動汽車輕量化朝著高性能、環(huán)保節(jié)能和不斷降低成本的方向發(fā)展。