热冲压工艺的改进——半热冲压

窗体顶端热冲压工艺的改进半热冲压前言： 降低成型负荷，减少回弹，提高板材的成型性以及生产高强度部件是应用热冲压工艺的主要原因。 热冲压工艺和22MnB5钢分别是最先进的工艺和等级; 然而，新颖的工艺和钢种正在考虑之中。 在目前的研究中，对半成品和全热冲压工艺下的钢种MSW1200坯料的性能进行了表征。在半热冲压过程中，首先将坯料加热到约650的温度，然后同时在模具组件中形成和淬火。 研究了半热和全热冲压毛坯的微结构和机械性能，并将结果与正常水/空气淬火坯料进行了比较。热冲压毛坯的强度值与水淬火毛坯一样高。 对于已经半热冲压的坯料，实现了最高的延展性，因此实现了最好的成形性。 得出的结论是，对于所述钢，半热冲压工艺可以被认为是改进的热机械工艺，其不仅保证了高成型性，而且还导致超高强度值。窗体底端窗体顶端窗体底端关键词：半热冲压; 烫金; MSW1200钢; 机械性能1. 介绍窗体顶端为了优化汽车的油耗，轻量化汽车的集中地需要在汽车行业。窗体底端 为了优化汽车的燃油消耗，汽车的重量减轻是非常必要的。因此，高强度钢板在汽车车身中的应用将是减轻汽车重量的一个很好的解决方案1。然而，使用高强度钢板通常会导致一些缺点，如对工具的高度影响，成型性降低，回弹倾向增加2。为了提高成型性能，减少或避免高强度钢板的回弹，热冲压工艺得到广泛应用。在此过程中，不仅通过预热片材大大降低了流动应力，而且由于同时发生成形和淬火，形成载荷和回弹减少，成形性增加3。烫印被定义为将坯料加热到奥氏体稳定区域的温度的过程，即， 约900，定时，然后同时形成和淬火4。对钢板的热冲压工艺进行了许多尝试，特别是在淬火的硼合金钢上。 据报道，硼增强了淬透性并延迟并推迟了热激活转化，例如，铁素体和珠光体的转变。Merklein和Lechler 以22MnB5钢为材料，研究其热冲压工艺。 他们表明，由于微观结构的变化，热冲压工艺可能导致拉伸强度超过1500MPa的部件的生产。Naderi等人分析了热冲压后不同B轴承钢的微观结构和机械性能。 热冲压毛坯的微观结构由马氏体组成，得到的微观结构提供了650-1370MPa的屈服强度和850-2000MPa的拉伸强度。 热冲压的缺点是产品表面的显着氧化6。将片材在约900下加热以获得由模具淬火引起的马氏体相变，并在该温度下产生氧化皮。将片材在约900下加热以获得由模具淬火引起的马氏体相变，并在该温度下产生氧化皮。因为将板材从炉中取出后与空气接触,所以氧化现象比较显著。 喷丸用于去除冲压产品的氧化皮，或者使用铝和锌涂层来防止烫印过程中的氧化，但是喷丸和涂层是昂贵的。 Mori和Ito 在热帽形弯曲实验中评估了防氧化油对淬火钢板氧化的影响。Schiel等人在热冲压后分析了涂层和未涂覆钢的腐蚀行为，并注意到高温奥氏体化可能损坏涂层，通过使用涂层可以防止氧化。冲压工艺的创新，将冷热冲压加工的优点全部融合在一起，不仅能够降低成形载荷，最大程度地减少回弹，还可以适当地保持涂层性能，节省时间和成本，半热冲压过程是对此请求的回复。 在半热冲压期间，将坯料在约650的温度下加热一段时间，然后同时变形和淬火。 因此，研究半热冲压工艺对钣金不同性能的影响是值得的。 Mori等人在成型过程中采用电阻加热来提高片材的温度，并研究了热冲压对高强度拉伸强度钢板回弹的影响。 通过加热片材来消除高拉伸强度钢板的帽形弯曲的回弹。他们发现最适宜的加热温度为600左右，这是由于回弹和弹性小以及硬度的增加的原因。 Schiel等人研究了22MnB5，CP-W800和MSW1200钢在热冲压和半热冲压下的腐蚀行为和机械性能。 在热和半热冲压操作之前，将坯料分别加热到950和650的温度，然后在封闭模具中冷却。材料22MnB5在5-8的伸长率下达到了1500MPa以上的组分拉伸强度水平，而在非硼合金钢的伸长率为约8-12的条件下，获得的最大拉伸强度仅为850MPa。 在目前的研究中，研究了半热冲压工艺以及MSW1200钢种表征的更多细节。 MSW1200被开发用于冷成型，因此在交付条件下具有高强度。为了更好的比较和理解，还进行了使用水或氮冷冲压机的冷和热冲压工艺。图1MSW1200钢的微观结构。 它由约70的铁素体以及30的细球状珠光体构成2. 实验2.1交付条件 提供厚度为1.5mm的工业加工未涂覆的MSW1200钢板，所研究的钢的化学成分及其相应的碳当量在表1中给出。根据Patchett 10给出的碳钢计算所研究的钢的碳当量，钢的原样显微组织如图1所示。 窗体顶端如图1所示，大部分接收的微结构由铁素体相组成，即约70。 产率和拉伸强度分别为约400MPa和640MPa，总伸长率（A25）为约26。窗体底端 如图1所示，大部分接收的微结构由铁素体相组成，即约70。 产率和拉伸强度分别为约400MPa和640MPa，总伸长率（A25）为约26。2.2方法 研究了冷冲压，随后淬火硬化，半热冲压和热冲压等工艺对所研究钢的显微组织和机械性能的影响，每个工艺的热时间表以及所得到的结构在表2中给出。文献中报告了坯料的几何和包括压机，模具，冷却系统和温度记录工具在内的工具的描述，模具组件包括水或氮冷冲头和非冷却冲模。 如文献报道的那样，通过维氏硬度试验（HV0.8）和标准拉伸试验确定变形部件的机械性能，获得表面硬度图以及侧向硬度分布，以量化和鉴定材料性质。图2研究钢的CCT图2.3 CCT图 续冷却转化（CCT）图2通过膨胀试验，金相研究和硬度测量来确定。 圆圈数字表示维氏HV10标尺中给出的最终硬度值。 如图2所示CCT图，马氏体开始温度（M s）约为400，冷却速度高于40/ s，导致完全马氏体组织。2.4温度和力评估 通过使用设置在坯料和工具的适当位置的热电偶从而获得指尖工艺期间坯料，模具和冲头的温度演变。如图3所示，为冷却冲头而设计的非冷却模具和冷却系统的示意图以及适用于Pt / Pt-Rh10热电偶的适当放置的示意图，用于监测和记录冲压过程中工具和坯料的温度演变。 在950奥氏体化处理10分钟之间的热冲压过程中和在使用水作为冷却剂的条件下，坯料的温度和力的演变如图4所示。初始变形温度（825-200）范围内的冷却速率约为158/ s.图3（a）模具组件包括冲压冷却系统，（b）Pt / Pt-Rh10热电偶的位置，用于记录冲压过程中工具和坯料的温度演变图4 MSW1200钢热冲压过程中的温度和力的演变。 空白在950下奥氏体化处理10分钟（HS-烫印WCP-水冷冲头） 未冷却的模具的温度上升至最大100，而氮气冲头的增强度为约70，成型速度为40mm / s，变形约1秒。 在第14秒（图4）的力的突然降到约30kN，涉及变形步骤的启动。3. 结果与讨论3.1微观结构调查 冷冲压后随后在空气中淬火的坯料的微观组织主要由铁素体组成，而在水中淬火主要是马氏体组织（图5）。 由于冷却液的作用，它是无限的。作为冷却剂的空气，不会产生获得严重冷却速率的可能性，导致形成铁素体相，而在使用水的情况下，大于临界值的冷却速率导致马氏体形成。 如图6所示，热冲压毛坯获得马氏体 - 贝氏体组织。 当使用水或氮气冷冲压器从奥氏体温度（950）冷却坯料时，由于冷却曲线在CCT图中不与铁素体和珠光体相区域交叉，所以微观结构包括非平衡相，如马氏体相， 现场和贝氏体。 通过应用硝基冷冲压机进行热冲压后的马氏体含量更多是由于较高的冷却速率。图5 淬火后MSW1200钢的微观结构：（a）950，10分钟+空气淬火; （b）950，10分钟+水淬图6 热冲压后MSW1200钢的微观结构：（a）950，10分钟+热冲压，WCP，（b）950，10分钟+热冲压，NCP（WCP代表水冷冲头 - NCP代表氮 冷冲头）图7半热冲压后MSW1200钢的微观结构：（a）650，5分钟+半热冲压，（b）650，10分钟+半热冲压 最明显的微结构属于半热冲压坯料，它由铁素体和珠光体组成，具有如图7所示的形态，在应用冲压工艺之前，将坯料加热至约650的温度。 据预测，半热冲压工艺的低加热温度不会导致任何相变的发生。因此，半热冲压毛坯的微观组织中铁素体和珠光体比例的体积分数与原样相比的微小差异（表2）可能与评估过程中的微小图像分析误差有关。通过使用“ImageJ”程序进行微观结构的定量评估，该程序是在美国国立卫生研究所开发的图像处理器和分析仪。在半热冲压坯料（图7）中构成的微结构可能与减少其内部能量的物质的固有特性有关。 在珠光体相的体积分数恒定下，当晶粒尺寸减小时，整个物质的表面能增加。如图1所示，MSW1200钢的原位微观结构主要包括铁素体和细珠光体结节。将坯料加热到约650的温度足够长的时间使得非常细的珠光体结节（图7）聚结的可能性以降低表面能。 所以，大珠光体结节，如图7（b）所示，形成微结构中存在细小的珠光体结节。 图7（a）表示五分钟不适合完成细珠光体结节的粗化。在半热冲压过程中，由于使用水冷冲头而引起的快速冷却，导致两个样品中未平衡的铁素体晶粒都有无序晶界，特别是十分钟加热的样品（图7）。3.2硬度分布 通过使用不仅测量硬度va-lues线性的仪器，而且能够确定预定义区域的硬度值，获得硬度曲线。 有关这种仪器的更多信息可以在文献中找到。热和半热冲压后坯料的横向硬度分布如图8所示，由于存在马氏体和贝氏体相，热冲压毛坯（样品A和B）的硬度值高于由铁素体和珠光体相组成的半热冲压坯料（样品C和D）的硬度值。图8中的一个重点是通过加强加热时间来改善硬度分布的均匀性。 在图8中可以观察到样品A的硬度不均匀性最高。样品B和C的足够的加热时间导致更均匀的微结构，并且相应地，半热和热冲压坯料的硬度更均匀。 不成功的奥氏体处理会导致原子奥氏体中碳的分布不均匀，结果得到马氏体13。初级奥氏体区域的碳含量增加在马氏体形成期间体心四方晶格（BCT）晶格的变形，并减少了该区域中位错的运动，导致了硬度值增加14。因此，在具有不均匀初始微观结构的钢的半热和热冲压工艺之前进行适当的热处理应是提高硬度均匀性的基本条件; 由于存在具有不同硬度值的各种相位，硬度不均匀性是不可避免的。图9 MSW1200钢表面硬度图：（a）950，10分钟+热冲压，WCP：（b）950，10分钟+热冲压，NCP：（NCP-氮冷冲头，WCP-水冷冲头 ）图 10 MSW1200钢的表面硬度图：（a）650，5分钟+半热冲压，WCP; （b）650，10分钟+半热冲压，WCP; （WCP：水冷冲头） 热冲压和半热冲压毛坯的表面硬度分布如图9和图10所示，热冲压坯料的硬度值大于半热冲压坯料。 提高冷却速度，在热冲压过程中使用氮气作为冷却剂而不是水，导致更高的硬度值（图9）。图中较高的硬度限值，图10（a）相对于图1中的硬度极限，10（b）可能来自于由于加热时间短而导致的微观结构内应力的发展，均匀初始微观结构15。 表面硬度图可以很好地用于金相分析，通过使用这种技术，可以很好地研究硬度分布和类似的相分布。文献4提出了这种技术优于横向硬度分布，金相研究以及不同阶段定量和定性测量的更多细节。图11在不同冲压条件下（WQ：水淬，AQ：空气淬火，WCP：水冷冲头，NCP：氮冷冲头），MSW1200钢在真应变方面的真应力流动 3.3机械性能 确定不同冲压条件下MSW1200钢的真实应力 - 应变曲线（图11）。 屈服强度（YS），极限拉伸强度（UTS）和总伸长率（A25）值与不同的冲切条件相关，见表3。最高强度值与在水中冷冲压淬火的样品以及热冲压样品有关; 然而，在空气中冷冲压和半热冲压样品的样品代表了最高的延展性值。这些与研究样品的微观结构有关，如前所述（表2），前者样品的微观结构主要是马氏体，后者由铁素体 - 珠光体相组成。 冲压之前在650等温加热5分钟不影响坯料的输送性能，然而屈服强度显示出一定程度的增加。 样品在冲压前在约650的温度下保持10分钟，得到高拉伸强度和延展性的折衷值。零件的拉伸强度和延展性的高值都可以在碰撞时吸收能量而不被撕裂或断裂16，应注意的是，尽管半热冲压工艺有其优点，但该方法的一个缺点是冲压毛坯的屈服强度值相对较低，耐损性随着屈服强度的降低而降低14。 半热冲压毛坯的机械性能源于其微观结构,在650下加热5分钟的样品的微观结构包括分布在铁素体相中的细珠光体结节，而样品保留10分钟，由于细珠光体结节的聚结，最终粗糙和细长的珠光体结节在铁素体相旁边。原料微观结构包括在成形过程中容易移动位错的可能性，并且因此导致高延展性和低加工硬化特性，而后者则导致位错运动的阻碍，并由于不同的存在而增加加工硬化特性阶段和无序晶界17。可以得出结论，在烫印前在650的温度下加热MSW1200钢10分钟，保证了由于形成特殊的微观结构而产生的高拉伸强度和韧性值（如图7 （b）。 材料具有良好的可塑性或成形性和高强度的能力最好用UTSA25值称为成形性指数值18，不同冲压条件下的钢材的这一值如图12所示。图12不同冲压条件下坯料的成形性指数值 图13 MSW1200钢和各种工业级知名钢种的热和半热 冲压坯料的机械性能比较 如图12所示，最高的形成指标值与条件D有关，这显示出高延展性和拉伸强度特性的良好组合，因此，研究钢种和上述热处理似乎是生产工业零件的好选择。 总结图13中的结果是有用的，说明了热轧和半热冲压工艺后的MSW1200钢的机械演化以及各种工业上熟知的钢种。 根据图 13 19代表了一些先进钢的常见机械性能，可以看出，半热冲压毛坯代表TRIP钢的拉伸强度和总伸长率的可接受组合，而热冲压毛坯则表现出机械性能如马氏体（ MART）钢。也可以在图13中观察到，MSW1200钢被半烫后，显示出比图13中指出的钢更好更保密的性能，即HSLA，双相（DP）和复相（CP）钢。 半热冲压工艺可以作为改进的热机械工艺引入。由于加热温度低于720，Fe-C平衡曲线的A1停留线和成形过程中的快速冷却不仅保证了大量的伸长率和延展性，而且导致高强度值。最后，建议对适用于工业部件生产的钢材的半热冲压工艺进行更多的调查。 4.结论 研究了三种不同冲压工艺对MSW1200钢组织和力学性能的影响，这些工艺包括热冲压，半热冲压和传统冷冲压淬火，结论是： 1）尽管缺少回弹和降低成形负荷是进行热和半热冲压加工的主要原因，但热参数对冲压件可达到的性能有重要影响。 在这方面，可获得具有高强度（半热冲压部件）和超高强度值（热冲压部件）的部件。 2）在半热冲压工艺之前，研究的钢在650等温加热10分钟，导致高抗拉强度和延展性值的良好组合。 3）采用水或氮作为不同冷却浓度的冷却液对MSW1200钢热冲压坯料的显微组织和力学性能没有明显的影响。 因此，在热冲压过程中使用水作为冷却剂，由于使用方便，成本低，建议使用。 4）表面硬度测绘技术是量化和鉴定材料特性的合理可靠的方法。 5）MSW1200的半热冲压坯料有时可以表示作为普通TRIP钢的抗拉强度和总伸长率的可接受组合，优于传统的DP和CP钢，这有时使得钢铁等级和工艺成为生产工业零件的可接受的选择。参考文献1 K. 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