熱處理工藝對于超高強熱成形鋼的組織影響

1 高艷 2 李雙志

（1 撫東機械廠，遼寧 鐵嶺 112539；2 遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 北鎮 121309）

引言

為了降低汽車車身重量，人們已經大量使用先進高強鋼和先進的生產工藝，先進高強鋼包括雙相鋼、TRIP 鋼、TWIP 鋼等，先進的生產工藝包括激光拼焊、液壓成形、熱成形等技術。通常鋼的成形性隨著強度提高而下降，可以通過將成形和強化分為兩個步驟來解決強度和成形性的矛盾。熱成形即是將成形和強化分為兩個步驟生產超高強度汽車零部件的一種新工藝，利用馬氏體強化，可使鋼的抗拉強度達到1500MPa 以上，因此主要用于防止汽車碰撞過程中變形的加強件，如車門防撞梁、保險杠梁、側邊梁、A 柱B 柱加強件和腰軌加強件等。使用超高強鋼熱沖壓件可使板材的厚度減少30%以上，可實現輕量化指標，降低能耗。本文主要論述了熱成形鋼的材質、熱成形鋼在汽車上的應用、熱成形的生產工藝技術及其國內現狀。

一、熱成形鋼鍍層

在熱成形過程中，鋼板在空氣中高溫加熱導致鋼板表面氧化和脫碳，影響了鋼板的機械性能，同時為了保證后續的涂裝等需要，需將帶有氧化鐵皮的熱成形部件進行噴丸或酸洗處理，去掉氧化物，大大增加了熱成形的成本。此外，汽車部件一般都要求具有一定的耐蝕性能，開發帶鍍層的熱成形鋼板成為熱成形技術發展的迫切需要，近年來，一系列熱成形用鍍層鋼板被相繼開發出來。熱成形鋼板鍍層需要具備抗高溫和耐腐蝕等特點。最早的熱成形工藝采用的是裸板。高溫加熱后，鋼板表面形成氧化鐵皮，阻礙了鋼板和模具之間的熱傳導;氧化層也改變了鋼板表面的摩擦特性，影響沖壓成形時鋼板與模具的摩擦;氧化物顆粒粘附在模具表面會導致模具表面損傷。沖壓成形后，噴砂或噴丸可去除氧化皮。最終，熱沖壓部件需要進行鈍化和噴漆處理。為了降低鋼板在高溫時的氧化和脫碳現象，耐高溫潤滑油被用于熱成形鋼板，目前仍有很多鋼鐵廠商采用這種工藝。在加熱至高溫時，固體潤滑膜轉化為液體膜，阻止鋼板氧化。多次噴涂潤滑油(3-4 次)可以進一步起到抑制作用，鋼板表面形成氧化膜數量遠遠小于裸露鋼板。因為需要清洗、重新涂油和干燥，這種工藝效率較低。此外，最后采用酸去除氧化層會增加吸氫和氫脆的危險。

二、熱處理工藝對于超高強熱成形鋼的組織影響

（一）熱成形的生產工藝技術

常規熱成形的工藝包括奧氏體化處理、從加熱爐轉移到壓機、熱成形和淬火、剪邊處理。板材被加熱到高于Ac3 的溫度（通常900～950℃）保溫3～10min，保溫時間根據板材的厚度而定。全奧氏體化后，將材料從加熱爐轉移到熱成形的壓機中，該過程在空氣中進行，必須盡快完成，如果成形前材料溫度降到780℃以下，就可能形成鐵素體從而惡化熱成形零件的機械性能。材料在模具中成形，在該成形溫度下，材料有充分的延性而易于成形復雜形狀的零件。高溫成形后的零件在模具中快速冷卻（水冷）到馬氏體相變完成溫度以下（Mf～200℃），然后自然冷卻到80℃左右從模具中取出，以保證后續空冷不變形。冷卻速度一般在40～100℃/s 以保證零件的淬透性。因此，一套熱成形設備的產率為每分鐘2、3 個零件。從模具中取出后進行剪邊處理和表面清理，最后熱成形零件用點焊的方式裝配到汽車車身上。根據工序過程的不同，熱成形工藝分為直接熱成形和間接熱成形兩種工藝。

（二）EBSD晶粒度分析及原始奧氏體晶粒度分析

選取4＃～9＃試樣進行EBSD晶粒分析，根據大角度晶界（大于15度）進行亞晶晶粒尺寸分析。隨著加熱溫度和時間的增加，熱成形鋼的晶粒尺寸有所增加。在本文研究的加熱溫度范圍內，晶粒尺寸變化不明顯，因此對于力學性能影響不大。

（三）工藝流程及工藝實施

開卷落料→轉移→加熱和保溫→轉移→沖壓成形、保壓淬火和模內持續加熱保壓→轉移。(1)開卷落料：使用落料壓機和落料模具沖裁出所需外形輪廓的熱沖壓板料。(2)轉移：使用機械手等設備將毛坯轉移至加熱爐中。(3)加熱和保溫：將板料加熱到奧氏體再結晶溫度以上，并且保溫一段時間，使其充分均勻奧氏體化。奧氏體化參數加熱溫度和保溫時間對板料的奧氏體化質量有重要影響。加熱和保溫過程中板料表面很容易氧化，影響后續沖壓淬火效果并且增加了表面清理工序。對板料進行表面防氧化處理(防氧化涂層)或者向加熱爐內充入保護氣體(氮氣等)能夠顯著減少甚至避免鋼板產生氧化皮。(4)轉移：使用機械手等設備將奧氏體化后的板料從加熱爐中取出轉移至熱沖壓成形水冷模具中。(5)沖壓成形、保壓淬火和模內持續加熱保壓：快速完成沖壓成形并保壓淬火一段時間，利用模具的冷卻系統對高溫板料進行淬火熱處理，使熱沖壓零件硬區部位獲得均勻的馬氏體組織和良好的機械性能。

結語

本文研究了奧氏體化溫度和保溫時間對于超高強熱成形鋼組織的影響規律。研究結果表明，隨著溫度和時間增加，最終組織由馬氏體與鐵素體的混合組織轉變為單一馬氏體組織。在特定溫度保持一定的時間，則可得到理想的馬氏體組織，從而具有比較高的強度。透射電鏡分析表明該馬氏體類型主要由板條狀和棱鏡狀兩種結構。