基于可淬火硼钢板热冲压成形实验研究20200912141730

1、基于可淬火硼钢板热冲压成形实验研究摘要：为研究淬火加热温度、保温时间及冷却水流速等热冲压工艺参数对热 冲压零件力学性能及微观组织的影响规律， 通过在不同工艺参数条件下进行弯曲 件热冲压工艺试验，测量弯曲件的力学性能并观察其金相组织。结果表明，在所设计的模具上可实现高强硼钢热成形零件的有效淬火，热冲压弯曲件的抗拉强度可达到1500M Pa以上，主要形成均匀细小的马氏体组织。确定了热冲压工艺参数的选择范围。关键词：可淬火硼钢；热冲压；弯曲件；热冲压工艺参数使用高强度钢板是实现汽车轻量化的重要途径。高强度钢板强度高，在常温下冲压变形，易开裂、回弹严重，复杂形状零件冲压成形困难。目前，一种使用可淬火硼

2、钢板进行热冲压的新工艺可以克服上述难题，并成为世界上很多汽车生产 厂商及研究人员关注的热点1，2 。热成形工艺主要是利用金属在高温下， 其塑性和延展性迅速增加，屈服强度迅速下降的特点，通过模具使零件成形，同时 利用装有冷却系统的模具使钢板成形后在模具中淬火以获得马氏体。热冲压后钢板的抗拉强度可提高到初始值的250% 3，4 。但目前尚未见有针对热冲压工艺参数对热冲压零件力学性能及微观组织的影响进行研究的报导。因此，本文使用可淬火硼钢板进行热成形工艺试验，研究了淬火加热温度、保温时间及冷却水流 速等主要工艺参数对热冲压件力学性能及微观组织的影响规律。1热冲压弯曲试验条件凸模热冲压弯曲模具简图如图

3、1所示。材料为硼钢，冲压前抗拉强度为 600 MPa。 毛坯宽300 mm，长410 mm 料厚为211 mm 凸模压下量90 mm 法兰部分为80 mm凸凹模间隙为2135 mm所得到弯曲件如图2所示。t-1压边圈孑Krh卜0 25简图图1热冲压弯曲模具图2热冲压弯曲零件热冲压弯曲模具装在改造后的液压机上， 并在冲压前进行预热。将可淬火硼钢板在 改造的电阻炉中加热到奥氏体区， 然后，在装有水冷系统的模具中冲压成形并利用 模具冷却淬火。热冲压后，材料的抗拉强度比热冲压前提高了 215倍,达到1500MPa 左右，且回弹角度大大减小，不超过 2度。用相同模具进行冷冲压，获得的弯曲 件如图3所示。

4、由图2和图3可以看出，热冲压件的回弹问题不大。因此，本文将主要研究热冲压工艺对力学性能及微观组织的影响规律图3高强度钢板冷冲压件2加热温度的影响将板料加热到不同温度，进行拉伸实验和金相观察。保温相同的时间，然后迅速进行淬火，将得到的试件 由拉伸试验得到的加热温度（0 ）-抗拉强度（C b ）关系曲线如图4所示。不同加热温度下微观组织见图5。11图4加热温度-抗拉强度关系曲线IBM加热温度为850 r叽f香法盘应寺Ia）加热温度为800rb)F_ Iujrtc）加热温度为900rd)縈;加热温度为950 re）加热温度为looor图5不同加热温度下的微观组织由图4可知，加热温度在850950 C

5、时，板料经淬火后抗拉强度均高于1600 MPa 同原始板料相比，抗拉强度提高了 215倍以上。由图5可知，加热温度在800 900 C时，随着加热温度的升高，淬火后板料的微观组织中马氏体份数逐渐增多， 铁素体逐渐减少，从而使板料的抗拉强度逐渐提高。加热温度在9001000 C,板料淬火后形成的主要是马氏体组织，但随着加热温度的升高，相同时间内形成的奥氏体晶粒越大，马氏体组织逐渐变得粗大，抗拉强度反而降低。为了得到晶粒细 而均匀的奥氏体，以便淬火后获得细小的马氏体，并考虑实际热冲压成形时，板料 从出炉到开始冲压存在一个短暂的降温过程，因此，加热温度范围可选择为850950C。保温时间的影响察。保

6、温时间与微观组织关系 所示。将板料加热到某一最佳温度，保温不同时间后淬火，并进行拉伸试验和金相观 由拉伸试验得到的保温时间（t）-抗拉强度（C b ）关系曲线如（图6）所示。图6保温时间-抗拉强度关系曲线leoo 寸K50-ITOO-1650-IftOO -1500-电 WOO J:诽0 -12501200-lliO-11001050-n0 5010010 2W3504 和Temperature holding time 5WWW保温时间155sb)d)保温时间300s图7不同保温时间下试样的金相组织由图6可以看出，保温时间在155 s之前，虽然形成的马氏体比较细小，但是由于 奥氏体化时间比较

7、短，尚存在一些未转化的铁素体，造成抗拉强度较低。同样,在保温时间延长到260 s后，由于奥氏体晶粒粗大，造成淬火后获得的马氏体也比 较粗大，使抗拉强度下降。为顺利实现淬火，应保证足够的保温时间，以便全部组织转变为奥氏体，且晶粒不至过于粗大。可选择保温时间为155260 s。4冷却水流速的影响采用如图1所示的模具进行热冲压试验，分别改变冲压模具中冷却水流速，在 得到的热冲压零件的法兰、底部和侧壁各部位制取试样，进行拉伸实验和金相观察。 同时，利用装在模具上的测温仪测量热冲压零件法兰、底部和侧壁的温度变化，得 到了其热冲压过程中的平均冷却速度。不同冷却水流速（VW ）情况下热冲压零件各个部位的抗拉

8、强度（Cb）如图8所示。部分零件的微观组织如图9所示。由图8可以看出，不通水情况下板料的抗拉强度最低。 随着冷却水流速的提 高，弯曲件各部分淬火后抗拉强度迅速提高。 但当冷却水流速超过017 m / s后, 弯曲件各部分强度的提高减缓，且弯曲件底部抗拉强度最高，法兰其次，侧壁最低。 这是由于模具结构影响，底部接触最紧密，法兰其次，侧壁存在间隙。因此，零件的底部冷却速度最快，法兰其次，侧壁最慢。 同时，当冷却水流速超过017 m/S后，受模具材料热物理性能及接触压力影响，模具的传热速率接近或达到饱和, 继续提高冷却水流速对提高零件淬火冷却速度作用并不明显。图8冷却水流速-抗拉强度关系曲线由图9

9、( a)可以看出，当没有冷却水冷却时，由于此处的平均冷却速度仅为 3315 C / S,热冲压件的侧壁是典型的魏氏组织。魏氏组织的出现使得钢的力学性能明显降低，因此，侧壁的抗拉强度仅有 750 MPa;由图9 ( b)可以看出，虽然 此处的平均冷却速度提高到4219 C / S，但底部的金相组织仍为马氏体、上贝氏 体及托氏体混合物，抗拉强度提高，但也低于1500 MPa 这说明模具在不通水的情况下，无法使板料有效淬火。由图9 ( c) 、( d) 、( e)可以看出，当冷却水流速在017 m / S时，弯曲件的底部和法兰，由于和模具接触良好，冷却速度大于 64 r / S，淬火比较理想，得到的

10、组织均为比较均匀的马氏体组织，所以抗拉强 度在1500 MPa以上。侧壁由于模具间隙的存在， 影响了冷却速度，仅为5314 r /S ,淬火不够理想，形成了马氏体与上贝氏体的混合组织，使得侧壁强度不如底 部和法兰高。 由图9 ( f) 可以看出，当冷却水流速为111 m / S时，冷却速度 达到7816 r / S，冷却速度最慢的侧壁都是马氏体。冷却速度更快，抗拉强度更高的顶部及法兰也都是马氏体。为了使板料在热冲压过程中有效的淬火，必须对模具进行冷却。针对这种热冲压高强度硼钢板，在采用目前的模具材料及模具结构的情况下，冷却水流速应高于 017 m / S。BiB叫 20 urn7Ja）冷却水流速为0m/s的试件的侧壁隣爰蠱 遠H盘b） 冷却水流速为0m/s的试件的底部 r riJL 心粳-旺亦效J:屯V7浮令gc）泠却水流速为0。7m/s的试件的底部d）冷却水流速为0。7m/s的试件的法兰門、y ，A J*k.tAe）冷却水流速为0。7m/s的试件的侧壁11I3If）冷却水流速为1。1m/s的试件的侧壁图9部分冷却水流速实验金相照片5结论1）在所设计的模具上可实现高强钢热成形零件的有效淬火，且主要形成均匀细小的 马氏体组织，抗拉强度可达到1500 MPa以上，超过原始板料抗拉强度的 215倍以 上。2）高强板热成形零件力学性能和微观组织转