工藝參數變化對厚板硼鋼熱成形性能的影響

解煥陽,劉持振,楊茴茴,李永剛,林 強

(1.凌云吉恩斯科技有限公司,山東 煙臺 264001;2.上海凌云工業科技有限公司,上海 201708)

從19世紀70年代熱成形應用于汽車零部件的制造開始,已經經過了近50年的發展[1]。使用熱成形零部件,尤其是含激光拼焊的熱成形零部件,不僅能實現汽車輕量化,還能提升汽車的碰撞安全性,減少能量消耗[2-3]。已有的研究和應用大都基于薄板(一般厚度不超過2 mm),對應的板材、模具鋼、成形工藝窗口等都比較成熟。隨著國家“雙碳”目標的提出,不僅乘用車,商用車及一些特種車輛也在積極尋求使用熱成形零件代替冷成形件實現減重的解決方案。

然而,商用車及特種車輛一般使用較厚的板材以實現更大的承載力、耐磨性,如某產品的厚度是8 mm,為保證產品的承載力、扭轉剛度等綜合性能,如使用熱成形板材進行材料替換,厚度需要在5 mm以上。厚板在加熱實現組織轉變、沖壓淬火實現強度提升方面與薄板差距較大,且關于厚板熱成形的研究報道尚不多見。劉琪等[4]通過數值模擬的方法研究了6 mm厚板入模溫度與馬氏體轉化率的關系,認為較低的入模溫度有利于提高馬氏體轉化的充分性、分布均勻性及轉化效率,但并未進行試驗驗證,也未給出最佳入模溫度,難以指導實際生產。鄭秋瞳等[5]研究了模具初始溫度對6 mm厚板馬氏體轉化率的影響,得出較低的模具初始溫度有利于馬氏體的轉化。湖南大學杜崇亮[6]研究了3.5 mm厚板熱成形工藝,提出增加水道流速,減小冷卻水道直徑,同時減小冷卻水道與模具型面的距離,可以提高厚料的淬透性,但未考慮模具的抗壓強度及疲勞壽命,不適用于量產制造,對于6 mm的厚板也未有研究。日本學者研究并比較了2.4 mm和3.2 mm熱成形鋼的U型件回彈和淬火特性,認為板材越厚所需保壓時間越長,采用模具淬火與水淬火結合的方式能降低保壓時間[7],此種方法對復雜零件和更厚的板材難以適用。因此,有必要開展厚板熱成形關鍵工藝參數的研究,以推廣厚板熱成形零件的應用。本文以某鋼廠1500 MPa級別6 mm厚的錳-硼鋼為研究對象,探討加熱參數、淬火條件對其壓淬后性能的影響,為其量產應用提供參考。

1 試驗原理

硼鋼熱成形是一種通過材料內部的相變實現強化的工藝,即加熱時材料內部組織完成奧氏體化,模壓成形時完成淬火,材料內部奧氏體轉變為馬氏體,材料的強度提升,延伸率下降。

1.1 硼鋼加熱過程相變原理

熱成形硼鋼原始組織為鐵素體和珠光體的兩相組織,當材料被加熱到580 ℃附近時,鋁硅涂層開始融化。當加熱溫度到達Ac1溫度(通常為725 ℃附近)時,珠光體開始向奧氏體轉變;溫度繼續升高至Ac3(通常為850 ℃附近)時,鐵素體開始奧氏體化。隨著加熱溫度繼續升高至900 ℃以上并保溫一段時間,材料內部的珠光體和鐵素體全部轉化為奧氏體,鋁硅鍍層形成。加熱過程及組織轉變如圖1[8]所示。對于較厚的板材,需要將材料厚度方向完全燒透,即材料芯部也完全奧氏體化,才能保證隨后的成形淬火后零件的性能,這意味著需要更長的加熱時間。

圖1 加熱過程及相變

1.2 硼鋼連續冷卻轉變曲線

材料在加熱爐內完成奧氏體化后,利用機械手快速轉移至熱壓模具上,材料在模具壓力下成形的同時,通過模內冷卻水道或者其他方式快速冷卻后才能得到強度高的馬氏體組織。值得一提的是,材料冷卻速率是獲得各種組織的關鍵因素。圖2所示顯示了材料出爐后不同冷卻速率下獲得的組織。由圖2可知,奧氏體在以不同的冷卻速度連續冷卻過程中,有鐵素體析出(A→F)、珠光體轉變(A→P)、貝氏體轉變(A→B)和馬氏體轉變(A→M)。隨著冷卻速度的增大,鐵素體的析出量以及珠光體的轉變量都迅速減少,馬氏體的轉變量則越來越多[9]。當材料的冷卻速度接近或大于30 ℃/s時,奧氏體全部轉變為馬氏體。

與加熱過程類似,對于較厚的板材,淬透板材芯部是保證零件性能的關鍵。對于薄板而言,使用模具冷卻水道進行導熱冷卻的方法即可完成奧氏體向馬氏體的轉變。而對于厚板,其厚度中部(約3 mm厚)很難使用模具水道傳熱的方法完成淬火,需要借助更加強有力的淬火方式提升材料的冷卻速率。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料為國內某鋼廠提供的1500 MPa級別6 mm厚的錳-硼鋼,材料抗拉強度為650 MPa,屈服強度為561 MPa,斷后伸長率為17.2%,其化學成分及質量分數見表1。

表1 來料鋼板化學成分(質量分數) (%)

2.2 試驗方法

采用單一變量法,研究加熱時間、淬火條件對板材壓淬后性能的影響。參考薄板熱成形工藝過程,首先,將切割好的試驗板材置于900 ℃恒溫廂式爐中加熱并保溫不同時間,然后以固定的轉移時間8 s轉移至熱成形模具,采用冷卻水道冷卻和復合冷卻兩種不同冷卻方式,保壓時間20 s。零件出模冷卻后標記好各試驗參數,每種條件重復3次。對最終的零件進行性能測試,確認合格的工藝參數。試驗參數見表2。

表2 試驗參數

2.3 試驗設備

壓機噸位1 000 t,加熱爐為多層廂式爐,熱成形模具內設冷卻水道,表面設有噴水孔[10],試驗工裝如圖3所示。

圖3 試驗工裝

3 試驗結果及討論

3.1 金相組織分析

從產品平面區切割金相樣品,并對厚度中間區域金相進行觀察,6種工況厚度中心各取3個區域,對應淬火后金相組織如圖4所示。

總體來看,相同的加熱溫度條件下,延長加熱時間,金相組織逐漸由基本全鐵素體(試驗工況1和2)到鐵素體、馬氏體混合相(試驗工況3和4),最終轉變到更高比例的馬氏體組織(試驗工況5和6)。在相同的加熱時間條件下,加熱時間如果不充分(試驗工況2和4),材料在加熱爐內的奧氏體化不完全,即使采用水道+噴淋的復合冷卻方式冷卻,依然無法得到高比例的馬氏體組織;而在加熱充分的情況下(試驗工況5和6),采用水道+噴淋的復合冷卻方式(試驗工況6)能夠提高厚板的淬透性,即厚板中心位置馬氏體比例較只用模具水道冷卻(試驗工況5)高。因此,為提高厚板材料的淬透性,需要在加熱充分的條件下,最大程度地提高淬火效率。

3.2 硬度檢測

對6種工況厚度中部進行維氏硬度檢測,每種工況打3個點,結果見表3。表3的結果表明,在900 ℃條件下、淬火條件相同時,加熱時間越長(試驗工況1、3、5或2、4、6),則最終淬火后的維氏硬度越高;加熱時間相同時,復合淬火得到的硬度高于只用模具水道淬火的硬度(對比工況1、2或3、4或5、6)。特別地,在加熱時間20 min、采用復合淬火并保壓20 s的條件下,厚料中心位置硬度達到普通薄板硬度要求,表明板材中心部位淬火完成。

表3 維氏硬度檢測結果

3.3 力學性能

由于一般主機廠對該強度級別的熱成形鋼淬火后的微觀組織要求為不低于95%的馬氏體,維氏硬度范圍為400～510 HV,根據上述分析僅有第6種工況滿足要求。為進一步驗證工況6的力學性能是否合格,取第6種試驗工況,即加熱時間20 min、采用復合淬火并保壓20 s的條件下的零件,從3個零件中各切取一個單向拉伸試樣,力學性能指標見表4。由表4可知,采用復合淬火的方式,材料力學性能與常規薄板接近。

4 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)在加熱溫度一定、淬火條件相同的條件下,加熱時間越長,材料內部的奧氏體轉化率越高。

2)在加熱溫度一定、加熱時間相同的條件下,淬火強度越高,淬透性越好。

3)對于6 mm的錳-硼鋼,采用20 min的加熱時間和模具水道+噴淋的復合冷卻方式,厚板中部組織、硬度和力學性能指標滿足要求。