22MnB5鋼汽車異形零件感應熱處理設備及工藝試制開發

顧曉文，邵光杰，張梅，蔡俞，許建芳，陳枝鈞

1.上海上大熱處理有限公司 上海 201114

2.上海大學 上海 200444

3.上海匯眾汽車制造有限公司 上海 200120

1 序言

目前，汽車正向輕量化、節能和低成本方向發展，而采用先進高強度鋼板是汽車和鋼鐵界為應對這種趨勢所采取的主要措施[1]。近年來，先進高強度鋼板制作的汽車異形零部件采用感應熱處理技術得到了快速發展。感應加熱具有加熱速度快、物料內部發熱效率高、加熱均勻，且具有產品質量好、幾乎無環境污染、可控性好，以及易于實現生產自動化等一系列優點，因此得到了廣泛的應用。而感應加熱器、冷卻器和必要的工裝夾具是感應熱處理設備中的關鍵部件，對感應加熱的效率和能量分布起決定性作用，且感應器、冷卻器的最終形狀及質量好壞直接影響熱處理后零件的性能。

國外很重視22MnB5鋼制造零件的快速高強化熱處理技術研發及其在輕量化汽車上的應用，而國內對22MnB5鋼制造零件的快速高強化熱處理技術研發還不夠重視，仍處于發展階段。

2 試制產品及要求達到的性能

試制產品為GP50后橋扭轉梁，其三維結構如圖1所示。

圖1 GP50后橋扭轉梁三維結構

本次試驗要開發的產品對象是由熱軋酸洗態的22M n B5高強度鋼板，通過感應加熱電阻焊（ERW）焊接成（φ90mm×3mm×1070mm）管材，并在正火處理后進行冷沖壓而成，此后用感應加熱淬火獲得高強度零件。產品的最終性能要求見表1。

表1 產品的最終性能要求

3 試驗設備

3.1 感應淬火機床

由于感應加熱的趨膚效應，不同的感應頻率f將達到不同的電流透入深度。

若采用高頻感應加熱，則電流透入深度淺，達不到心部透熱，從而達不到心部完全淬硬的要求；若采用中頻感應加熱，則效率降低，零件表面達不到所需的溫度，故選擇了高頻與中頻之間的感應頻率——超音頻感應加熱。超音頻感應淬火選用HKTP超音頻電源及數控淬火機床配套設備，機床外觀如圖2所示。

圖2 HKTP超音頻電源及數控淬火機床配套設備

3.2 感應器

根據產品的特殊形狀，在試驗前，查閱了國內外相關文獻，設計的圓形感應線圈如圖3所示，作為感應淬火的感應器，在國產的超音頻感應淬火機床上試制產品，發現預測及判斷是正確的：尖角效應顯著。

圖3 圓形感應線圈

在此基礎上設計了特殊形狀的感應器。該感應線圈是根據異形零件的外形進行仿形設計。感應圈是由空心純銅方管依據零件形狀和感應加熱工藝繞制而成，形狀結構如圖4所示，感應線圈及工件相應位置如圖5所示。其可以合理分布感應磁場，使零件不同部位均勻加熱，有效地避免了尖角效應，且可合理調整感應線圈與零件之間的間隙大小，避免漏掉大量的磁通，從而提高感應加熱的效率。另外，根據零件的形狀可以靈活添加導磁體，使磁力線集中，改變電流分布狀況，有效地集中能量到所需加熱部位，達到趨流作用，使感應加熱更高效節能。通過現場測溫和后續性能測試，驗證了該連續型感應器的可行性。

圖4 異形仿形感應線圈

圖5 感應線圈及工件相應的位置

3.3 噴液冷卻器

零件快速加熱奧氏體化并經過短暫時間的保溫后需快速冷卻，從而得到盡可能多的馬氏體，因此冷卻器的設計顯得非常重要。環形冷卻器為內壁均勻鉆孔，以達到均勻向工件表面噴液，強制工件在奧氏體化后快速冷卻，已達到轉變成馬氏體的目的。

感應器與圓環形冷卻器上下相對位置如圖6所示，雙線圈仿形感應器與圓環形冷卻器實物裝配如圖7所示。雙線圈仿形感應器的下方連接有圓環形噴水系統，兩者相距50mm，試制過程中兩者同步上下移動。

圖6 感應器與圓環形冷卻器上下相對位置示意

圖7 雙線圈仿形感應器與圓環形冷卻器裝配實物

3.4 專用配套夾具

為保證試樣準確定位，特設計了專用的方便可調式夾具。試制樣件先固定在下方的下夾具上，再升降樣件并適當微調旋轉上夾具與樣件配合，固定到上夾具上，夾持好樣件，上下夾具外觀如圖8所示。

圖8 試樣夾具

4 試制工藝及結果

本次試驗所設計的工藝參數見表2。感應淬火過程中所用淬火冷卻介質均為AQ251，其濃度為6%～8%，溫度為22℃。

表2 感應淬火工藝參數

根據上述工藝在感應淬火機床上進行試制試驗，拉伸試樣的4組結果如圖9所示（試樣編號為A12-1、A12-2、A12-3、A12-4），5組試樣硬度檢測結果如圖10所示（試樣編號為1、2、3、4、5）。

圖9 拉伸試驗曲線

圖10 顯微硬度檢測結果

由圖9、圖10可知，零件的性能完全達到要求，說明感應器、冷卻器和相關夾具的設計是成功的。

5 雙工位感應線圈

經過大量的試驗和對試驗結果的檢測及分析，基本達到了工藝開發目標，為進一步提高生產效率，還設計了雙工位感應線圈，如圖11所示。有了之前的成功經驗，我們有信心做好雙工位，甚至三工位工裝的研究和開發，為產業化做好準備。

圖11 雙工位感應線圈

6 結果與分析

本項目針對22MnB5高強度鋼進行了研究，在測試常溫下力學性能的基礎上，對其進行了感應淬火試驗，并測試最終成形件的屈服強度、抗拉強度、顯微硬度及表面應力，分析了熱成形后組織性能的變化。總結和評定加熱速度、空冷時間、加熱頻率、加熱峰值溫度、保溫時間和冷卻速度對最終試樣組織與性能的影響。分析和比較了試驗結果數據，得出最佳的生產工藝參數。

通過兩次感應淬火試驗，對22MnB5高強度鋼管材的各種性能進行對比分析，以及對熱處理后試樣的顯微硬度和金相組織進行了評定，影響因素和試驗結果總結如下。

（1）加熱速度 加熱速度越小，越有利于奧氏體組織的均勻化，為快冷后得到板條狀馬氏體提供了好的先決條件。但加熱速度不宜太慢，否則會在實際生產中延長生產周期，降低生產效率。

（2）冷卻速度 當冷速大于臨界冷卻速度時，即可保證淬火后得到全馬氏體組織，針對不同的熱處理工藝有不同的臨界冷速。

（3）加熱頻率 加熱頻率主要根據硬化層深度來選擇。頻率過低時，熱狀態下電流透入深度與硬化層深度之比太大，需要相當大的比功率才能獲得所需硬化層深度，無功損耗大，感應器上的載流密度太高而容易損壞。硬化層深度為熱態電流透入深度的 40%～50%時，總效率最高，此條件下即為最佳頻率[2]。

（4）加熱峰值溫度 加熱的峰值溫度主要依據鋼的相變點來確定。由于感應加熱速度快，奧氏體轉變在較高溫度下進行，奧氏體起始晶粒較細，且一般不進行保溫，要求感應加熱表面淬火采用較高的淬火加熱溫度。合適的加熱峰值溫度能保證鐵素體完全溶于奧氏體中，奧氏體成分均勻且晶粒不至于粗大。加熱峰值溫度過高時會導致碳化物溶解、奧氏體晶粒長大，微裂紋增加導致脆性增大，開裂傾向也增大，同時奧氏體中碳含量增加使得淬火后殘留奧氏體增多，降低鋼的硬度和耐磨性。加熱峰值溫度不足時，淬火組織會含有大量未溶鐵素體。

試驗結果表明，制定的3個工藝中（見表2），工藝一最合理，即在 130mm/min 的移動速度時得到的結果最優。工藝一達到的性能：指定位置的加熱峰值溫度為 916℃，零件抗拉強度≥1500MPa，屈服強度≥1200MPa，伸長率≥5%，不同位置性能波動最小。工藝二達到的性能：指定位置的峰值溫度為968℃，零件抗拉強度≥1500MPa，屈服強度≥1100MPa，伸長率≥5%，不同位置性能有波動。工藝三達到的性能：指定位置的峰值溫度為902℃，零件抗拉強度≥1300MPa，屈服強度≥900MPa，伸長率≥5%，不同位置性能波動明顯，部分位置強度顯著降低。綜合對比3個工藝，工藝一效率最低下，但是得到的結果最穩定，有利于生產；工藝二基于對生產效率的考慮，在工藝一的基礎上增加了一倍的移動速度，其結果雖然大多數性能較好，但存在波動性，因此可以推測在工藝二附近還會有合適的效率較高的工藝，有待后續研究；工藝三考慮節能的前提下，在工藝二的基礎上降低了功率，但實際結果卻不如工藝一。

7 展望

經過大量的工藝試驗和后續分析，已經獲得了性能良好的超高強度后橋扭轉梁，盡管如此，產業化大生產依然存在諸多需深入研究、改進和提高之處，具體如下。

（1）脫碳的控制 在后橋扭轉梁長度的 1/2 處取樣，發現樣品表面存在較嚴重的脫碳現象，原因是管狀材料正火時保護氣氛不好，導致脫碳。脫碳現象需在以后的正火過程中控制正火過程的保護氣氛，防止原材料狀態的表面脫碳現象：零件表面氧化脫碳情況與淬火工藝條件下脫碳之間存在一定的對應關系，有待展開細致的研究。

（2）防氧化和去氧化 處理前的防氧化措施，表面氧化層后續處理方案的摸索和確定：表面輕微的氧化，可以采取酸洗或噴丸去除，但噴丸有使工件產生表面壓應力的好處，對工件的后續疲勞特性提高非常有利。

（3）變形量的控制 有待展開，零件變形量與淬火工藝的對應關系有待系統研究。

（4）生產效率的提高 目前，獲得最佳組織和性能組合的淬火工藝所對應的生產效率不高，后續有待調整淬火機床參數、感應器設計（雙感應線圈）、冷卻系統配置及各項工藝參數等，以提高生產效。

（5）生產成本的測算 后續需要從生產效率角度進行細致的成本測算和分析。

（6）應力狀態的研究 零件感應淬火最終的應力狀態與淬火工藝的對應關系有待展開研究。

（7）其他 針對疲勞特性、焊接性能試驗和評價、涂裝特性等有待展開進一步研究和評價。

另外，與執行熱成形制造的工藝路線的同類樣件，需進行優勢分析和生產成本比對，研究兩種制造路線的互換性。