热冲压综述H. Karbasian, A.E. Tekkaya轻型结构与成型工艺研究所,多特蒙德理工大学, Baroper Str. 301, D-44227,多特蒙德, 德国摘要:具有需求性能的热冲压 (也被称之为硬压加工高强钢板零件的生产需要渊博的知识和成形规程的控制。

通过这种方式, 在不同工艺参数和相互作用下, 零件最后的性能具有可预见性和可调节性。

除了常见的冷成形参数, 热参数和微观结构参数使得热冲压过程中的力学现象的描述变得复杂,而这正是这种成形方式所有物理现象所必须得到的阐述。

在这篇文章中, 热冲压中的热、力学、微观结构和工艺领域的艺术状态得到了综述。

所有工艺流程的研究, 从毛坯加热到热冲压和后续的进一步工艺均得到了描述。

现有著作的一项调查显示了一些差距,这些差距是在形成相依相改造,整个过程中不断的塑性流动行为, 力学和几何的一部分属性之间的相关性, 和一些先进工艺的工业应用领域中。

回顾分析目的在于提供对成形规程背景的深入了解和显示了在热金属板料成形领域进一步研究及创新的巨大潜力。

关键词:热冲压高强钢板 22MnB51. 引言出于对减轻整车重量,提高安全性和防碰撞性能的需要,采用高强钢板制造的汽车零部件的需求量是显然的。

热冲压是由瑞士一家公司(Plannja 开发用来加工锯片和割草机刀刃的,并获得了专利 (GB1490535, 1977 。

在 1984年,萨博汽车公司是第一个采用硬化的硼钢作为萨博 9000汽车组件的汽车制造商。

生产的零部件的产量从 1987年的 3亿件 /年增加到 1997年的 8亿件 /年。

自 2000年以来,更多的热冲压件被应用在汽车上,每年的零部件的生产量已经达到了约 1.07亿件 /年。

热冲压件在汽车工业中的应用主要是底盘部件, 如左右车柱,保险杠,车顶纵梁,摆臂横杆和隧道(图 1 。

热加工目前存在着两种不同的主要的变种:直接和间接热冲压方法。

在直接热冲压加工中, 毛坯在炉子里被加热后被转移到压床上, 随后成形并在封闭的工具中进行淬火 (图 2a 。

间接热冲压加工的特点是预先使用冷成形近乎完整的零件, 该零件在奥氏体化之后在压床上进行校正后淬火(图 2b 。

在材料中发生全部的马氏体转变导致其抗拉强度可达 1500MPa 。

这篇论文包括了在热冲压研究方面的回顾分析。

论文将以对应用于热冲压工件的材料的描述开始。

然后,热冲压加工流程链中的特殊的流程步骤被加以描述。

最后,呈现了热冲压件和具有适宜性能的工件的加工过程。

本文包括了在热冲压领域的实验和数值研究。

2. 材料与涂层Naderi在超高强钢板方面的研究显示了硼合金钢种 (表 1 22MnB5, 27MnCrB5和 37MnB4是唯一一种在热冲压中采用水冷而产生全部马氏体微观组织的钢种。

在这里, 22MnB5是最图 1. 典型的中型轿车里的热冲压件图 2. 基本的热冲压工艺链:(a 直接热冲压, (b 间接热冲压常用在热冲压加工中的钢种。

最初, 材料展现出铁素体—珠光体的微观结构, 其抗拉强度约为 600MPa 。

热冲压加工后其构成最终变为马氏体组织,抗拉强度约为 1500MPa(图 3a 。

为了实现这种组织和硬度转化,毛坯必须在 950℃的炉子保温至少 5分钟使其奥氏体化。

然后毛坯成形且同时在水冷模具里淬火 5—— 10秒。

由于热毛坯和冷机床的的接触, 毛坯在封闭的机床里淬火。

如果在 400℃附近冷却速率超过约 27K/s的最小冷却速率,会引发无扩散的马氏体型转变,这将导致最终产生高强度的零件(图 3b 。

马氏体转变始于 425℃(马氏体转变开始点 Ms 并终于280℃(马氏体转变结束点 Mf 。

钢淬火后的力学性能的改变依赖于其含碳量, 因此, 淬火后的强度可以通过适当调节含碳量来控制。

人们已经知道,一些合金元素,如 Mn 和 Cr ,对钢淬火后的强度影响很小。

然表 1硼钢的化学成分和力学性能(Naderi , 2007钢 Al B C Cr Mn N Ni Si Ti 20MnB5 0.04 0.001 0.16 0.23 1.05 - 0.01 0.40 0.034 22MnB5 0.03 0.002 0.23 0.16 1.18 0.005 0.12 0.22 0.040 8MnCrB3 0.05 0.002 0.07 0.37 0.75 0.006 0.01 0.21 0.048 27MnCrB5 0.03 0.002 0.25 0.34 1.24 0.004 0.01 0.21 0.042 37MnB4 0.03 0.001 0.33 0.19 0.81 0.006 0.02 0.31 0.046钢马氏体化温度℃临界冷却速度 K/s 屈服强度 MPa 抗拉强度 MPa 配送热冲压配送热冲压 20MnB5 450 30 505 967 637 1354 22MnB5 410 27 457 1010 608 1478 8MnCrB3 - - 447 751 520 882 27MnCrB5 400 20 478 1097 638 1611 37MnB4 350 14 580 1378 810 2040 *不可能得到全部的马氏体组织图 3. 22MnB5的力学性能和 CCT 图(Garcia Aranda 等人 2002而,由于这些元素对淬硬性具有一定的影响,所以他们在改变一些存在领域是必不可少的。

因此, 要得到想要的相变和可淬硬性要通过工艺上可行的冷却速度来实现。

硼是影响可淬硬性最大的元素, 然而, 硼减缓向较软的组织的转变, 导致了在工件横截面上出现了马氏体组织。

在奥氏体化情况下, 钢与空气一接触就会形成氧化层。

为了避免表面氧化和脱碳, 大多数金属板料毛坯都预先涂敷了保护层。

普遍使用的防护层是 Al — Si 涂层, 可以防止在直接热冲压过程中的结垢发生。

Borsetto 等人 (2009研究了在热过程中一些参数对 Al — Si 涂层化学行为的影响。

这种金属涂层是在持续的热浸镀锌加工中产生的,由 10%的硅, 3%的铁, 87%的铝构成的。

在已涂有涂层的毛坯的加热过程中,热量激发了钢从涂层—基体的接触界面区域到表层的扩散过程。

Al — Si 涂层有约为 600℃的熔点。

然而由于 Fe 在基体中的存在, 铝铁合金有更高的熔点并从基底金属界面到迅速延伸表层。

过渡到表层的铝铁合金有着更高的熔点从而阻止了表层的融化。

对于一个加热温度为 950℃的典型的热冲压过程,以 Al — Si 化学百分比交互变化为特点的亚层型结构呈现出来。

在直接热冲压加工中, 防护层阻止了结垢的形成。

由于 Al — Si 涂层在室温的起始状态时相对于基础材质具有较低的成形极限, 热浸镀铝板料不能用于间接加工并且也不适合冷成形。

这种涂层不能像锌一样提供阴极保护, 除了高防护措施。

和冷成形件类似, 阴极保护对热冲压零件来说是需要的。

这些在汽车工业上的需求可以使用具有阴极保护作用的金属涂层 (如锌来满足。

在加热和热冲压过程中,热浸镀锌涂层和基础材质反应,生成了 Zn — Fe 相的金属间化合物。

为了使涂层中的微裂纹传播到基体材质最小化,经过热浸镀的22MnB5只能用于间接热冲压。

热冲压后,必须通过喷丸去除氧化物层以避免劣质的油漆喷涂。

另外的一种用于 22MnB5的直接和间接热冲压工艺, 具有附加有效的防腐能力的防护涂层是被应用于卷材涂料工艺中的亮光漆柠檬酸三乙酯混合物。

这种涂层是以根据溶胶—凝胶工艺形成的微米级别的材料的组合为基础的。

无机和有机材料被联系在一起且与铝粒子混合形成了防护涂层。

这种 7µm厚的防护涂层的润滑性能使得在冷成形过程中具有可控的金属流动而不需要附加的润滑。

最新的防止氧化的方法包括给板料涂上防护油,正如 Mori 和 Ito (2009的文章里描述的一样。

电炉里加热的板料的氧化是可以避免的,两种不同的防护油的效果已被加以研究。

在没有成行加工且进行了热弯曲的冷却试验中评估了防氧化油的作用。

板料的表面分析显示数倍(达到 4倍的润滑作用减少了表面氧化。

3. 加热热冲压加工始于毛坯的加热并直到奥氏体化的温度。

为了测定在热冲压过程中作为想要获得全部奥氏体相变的先决条件——获得均匀奥氏体化的毛坯的工艺窗口, Lechler 和 Merklein (2008做了奥氏体化的时间和温度的热处理试验。

在这些试验中,样品在淬火的同时经受了在两边施加的整整 40MPa 的金属接触压力。

为了评估相变的发生带来的影响, 根据维氏硬度计测量了淬火毛坯的维式硬度。

图 4显示了不同的奥氏体化温度及不同厚度的板材达到 470HV 的最大硬度的最小的奥氏体化时间。

图 4. 奥氏体化温度、时间(a 与板材厚度(b 对达到最大 470HV 的硬度的最小的奥氏体化时间的影响 (Lechler和 Merklein, 2008研究结果显示了关于可冷却的均匀奥氏体化的 22MnB5钢最小的热处理时间对奥氏体化温度(图 4a 和板料厚度(图 4b 的重要依赖性。

在 950℃的炉温下,研究发现 3分钟的保压时间足够获得淬火后最大硬度约为 470HV 的样品所需的马氏体含量。

随着炉温的下降, 奥氏体化持续时间增加。

预先涂有铝硅合金涂层的毛坯的时间上限是由热处理过程中 Al – Si – Fe 三元合金层的厚度决定的,热处理的目的是保证热冲压件在后处理中有足够精确的可焊性。

根据工业经验, 炉子中奥氏体化的涂层厚度不能超过约 40µm。

Lechler 的研究显示了毛坯的加热过程对工件的性能、加工时间和热冲压的效率有很大的影响。

因此, 毛坯的均匀化温度和较短的加热时间是加热系统主要所需求的。

毛坯可以利用不同的热现象来加热:炉子的热辐射、感应加热、导电加热(图 5 。

图 5. 加热系统:(a 辊子床式反射炉, (b 感应加热, (c 导电加热3.1. 辊子床式反射炉在目前的生产线上,毛坯加热经常是在辊子床式反射炉或具有活动梁的炉子里进行的。

炉子的规格和联结载荷依赖于加热的材料和物料通过量。

由于基体材质和涂层之间的扩散过程需要时间,有防止结垢的铝硅涂层的材料的加热需要一个特别的加热曲线。

现有的热冲压炉生产线的长度已经达到 30—— 40m 。

高的空间需求和上升的投资费用表明了变换毛坯加热方法的需求。

硬压加工零件的生产周期主要依赖于模具闭合时间和要使原材料奥氏体化及在有涂层的情况下获得过渡层的炉温保持时间。

关于模具闭合时间, 最佳化的模具冷却时间和工具钢的应用可以减少生产周期。

炉温保持时间的减少只能通过应用接下来的快速加热概念来实现。

这些方法正处于发展阶段,实验室研究必须为工业应用检验。

3.2. 导电加热一种可选择的供热系统是传导加热系统。