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| 汽車用薄鋼板的熱處理強(qiáng)化技術(shù)介紹 | ||
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為提高汽車的沖撞安全性和減輕車身重量，要求進(jìn)一步提高車體部件的強(qiáng)度。車體部件用薄鋼板一般在冷加工成形后就可直接使用，因此為提高部件的強(qiáng)度，必須使用高強(qiáng)度鋼材。一般說來，鋼材的強(qiáng)度和成形性是一種對(duì)立的關(guān)系，由于開發(fā)了既能提高鋼材強(qiáng)度又能提高成形性的技術(shù)，因此各種汽車用高強(qiáng)度鋼板已應(yīng)用于實(shí)際。但是，780MPa級(jí)和980MPa級(jí)超高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用于車體部件時(shí)，部件在沖壓成形時(shí)出現(xiàn)的彈性變形回復(fù)和翹曲等形狀不良現(xiàn)象變得明顯。這些不良現(xiàn)象受鋼材的強(qiáng)度和縱彈性模量的影響，靠提高鋼材延性等機(jī)械特性是難以解決的。 另一方面，對(duì)于變速箱等部件，一般是采取將球化退火處理后變軟的高碳鋼板在成形后進(jìn)行熱處理來提高強(qiáng)度的技術(shù)。通過這種熱處理，雖然提高強(qiáng)度容易，但它不僅增加了工序，而且降低了生產(chǎn)率，因此它不是車體部件中能與高強(qiáng)度鋼板競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)。 近年來，對(duì)超過980MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼板的需求越來越大，但在高強(qiáng)度鋼板的冷加工成形時(shí)，形狀不良和加工成形載荷要求高等問題越來越明顯，因此熱處理作為一種全面的工藝已引起人們的關(guān)注。 具體說來，通過熱沖壓和局部淬火使強(qiáng)度達(dá)到1200～1500MPa的技術(shù)已應(yīng)用于實(shí)際，應(yīng)用的例子也在不斷增加。這些都是塑性加工技術(shù)和熱處理技術(shù)結(jié)合的結(jié)果，各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究水平都已達(dá)到了頂峰。但是，為能在性能價(jià)格比上與冷加工成形技術(shù)相抗?fàn)?，必須?yōu)化使用薄鋼板制作汽車部件的制造工藝。本文就這些技術(shù)的概況進(jìn)行說明，并介紹了今后的研究課題。 部件的制造工藝 1 熱沖壓 熱沖壓是指在高溫下的沖壓，但本文僅限于以強(qiáng)化淬火為目的的技術(shù)，也就是說，它是一種在900℃左右的奧氏體區(qū)對(duì)加熱數(shù)分鐘的工件進(jìn)行沖壓，通過工件在沖壓金屬模內(nèi)冷卻，強(qiáng)化淬火的技術(shù)。 在金屬模內(nèi)對(duì)被加熱的部件實(shí)施擠壓的狀態(tài)下進(jìn)行淬火時(shí)，由于能減輕熱處理變形，因此很早以前就應(yīng)用于片狀齒輪等的淬火，它可稱為沖壓淬火和金屬模淬火。這些技術(shù)都是對(duì)已加工成最終形狀的部件進(jìn)行熱處理的技術(shù)，并不是積極進(jìn)行高溫成形的技術(shù)。 薄鋼板部件的熱處理強(qiáng)化工藝有，先將鋼板進(jìn)行加熱，然后在高溫下進(jìn)行沖壓成形的同時(shí)，在沖壓金屬模內(nèi)進(jìn)行冷卻淬火的方法。因此，積極進(jìn)行高溫成形的方法在冠以成形淬火或開發(fā)商的名字后，稱為PlannjaProcess。雖然各專業(yè)術(shù)語有以上所述那樣的微細(xì)差別，但實(shí)際上在很多情況下都是意義相同，本文統(tǒng)一使用“熱沖壓”這一術(shù)語。 還有一種方法與前述的齒輪加工一樣，是將冷加工成形的部件進(jìn)行加熱，而不是在高溫下積極進(jìn)行成形的方法，相對(duì)前述的直接方式，它可稱為間接方式或預(yù)成形方式。另外，由于所使用的鋼板添加了硼元素，因此稱作Boronsteel(或B－steel)名稱的鋼材有時(shí)也意味著它是采用熱沖壓加工方法的鋼材。 2 低溫沖壓 即使它是一種將加熱的鋼板進(jìn)行沖壓成形的方法，但在加熱溫度低的情況下無法強(qiáng)化淬火。本文把不以淬火強(qiáng)化為目的，而以減輕成形載荷為目的，加熱溫度在500～700℃左右的成形工藝稱為低溫沖壓。除加熱溫度外，其沖壓工藝與直接方式的熱沖壓相同。 3 局部淬火 局部淬火工藝是對(duì)冷加工成形部件的局部進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱，在水冷后進(jìn)行局部淬火強(qiáng)化。與把整個(gè)部件進(jìn)行淬火相比，它只是對(duì)部件性能所要求的部位進(jìn)行淬火，由此可降低熱處理成本和減少熱處理變形。局部淬火法有移動(dòng)淬火法和定置淬火法。前者是一面移動(dòng)加熱帶卷，一面按順序?qū)σ蟠慊鸬牟课贿M(jìn)行淬火的方法。后者是在不移動(dòng)帶卷的情況下能同時(shí)對(duì)要求的淬火部位進(jìn)行加熱的定置淬火方法。另外，還有將鋼板局部淬火后進(jìn)行成形的方法。 4 工藝的特征 各工藝特征示于表1。超高強(qiáng)度鋼由于變形阻抗高，因此在對(duì)大的部件進(jìn)行冷加工成形時(shí)需要大的成形載荷，沖壓機(jī)的設(shè)備費(fèi)高。不論是采用在高溫下成形的熱沖壓(直接方式)和低溫沖壓的方法，還是采用將較軟的鋼材進(jìn)行冷加工成形的熱沖壓(預(yù)成形方式)和局部淬火的方法，其成形載荷并沒有那么大。 在超高強(qiáng)度鋼的冷加工成形中存在著彈性變形回復(fù)和扭曲等問題，但在將軟鋼進(jìn)行成形時(shí)，形狀不良的問題少。薄鋼板成形部件的剛性一般很小，因此淬火時(shí)的應(yīng)變是一個(gè)問題，采用局部淬火來應(yīng)對(duì)應(yīng)變的措施是很重要的。在熱沖壓時(shí)，工件在金屬模內(nèi)被約束到所規(guī)定的形狀下進(jìn)行冷卻、淬火，因此幾乎不會(huì)發(fā)生應(yīng)變。 在熱處理時(shí)，加熱手段是必不可少的，其設(shè)備投資也是不可少的。在熱沖壓和低溫沖壓時(shí)，為使加熱鋼材的輸送與沖壓機(jī)的沖壓同節(jié)拍，因此需要大型連續(xù)式加熱爐。另一方面，采用局部淬火時(shí)，不要求加熱鋼材的輸送與沖壓機(jī)的沖壓同節(jié)拍，由于加熱范圍窄，可以使用較小的高頻加熱設(shè)備。另外，采用預(yù)成形方式的熱沖壓時(shí)，為對(duì)成形部件進(jìn)行加熱，因此需要比加熱鋼板更大的大型加熱爐。 熱沖壓必須保持沖壓的下死點(diǎn)，因此生產(chǎn)節(jié)拍長(zhǎng)，但采用低溫沖壓和局部淬火時(shí)，生產(chǎn)節(jié)拍與冷加工成形一樣短。 在鋼板被加熱到高溫的工藝中，存在著表面氧化鐵皮的問題。根據(jù)Arrhenius公式，氧化鐵皮的發(fā)生量隨加熱溫度的升高而增加，與加熱時(shí)間的成平方根成正比。因此，在低溫沖壓的溫度區(qū)域中，氧化鐵皮的發(fā)生量非常少，但對(duì)熱沖壓時(shí)生成的氧化鐵皮進(jìn)行處理是一個(gè)問題。采用局部淬火時(shí)，由于加熱時(shí)間短，因此氧化鐵皮的發(fā)生量比熱沖壓時(shí)少。 表1強(qiáng)化工藝的優(yōu)點(diǎn)和課題 熱處理?xiàng)l件和熱處理用鋼板 1 熱處理的諸條件 本文所舉的熱處理是指強(qiáng)化淬火的熱處理，目的是要把整個(gè)部件或所要求部位的金相組織變成馬氏體組織。關(guān)于淬火問題，本文就熱處理的冶金原理和所需的諸條件進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 (a)加熱溫度：在含碳鐵中，當(dāng)溫度超過AC9點(diǎn)時(shí)，會(huì)變成奧氏體單相，在AC1點(diǎn)和AC3點(diǎn)之間共存著鐵素體和奧氏體。當(dāng)含碳的奧氏體受到急冷時(shí)，會(huì)變成硬質(zhì)的馬氏體。急冷后的硬度受馬氏體體積比(即，加熱中的奧氏體體積比)的支配。當(dāng)加熱到AC3點(diǎn)以上時(shí)，金相組織為馬氏體單相，具有一定的硬度。當(dāng)加熱溫度在AC3點(diǎn)以下時(shí)，由于存在著軟質(zhì)鐵素體，因此這一部分的硬度會(huì)下降。硬度受加熱溫度的影響。在AC3點(diǎn)以上進(jìn)行加熱時(shí)，即使加熱溫度變化， 也不會(huì)對(duì)硬度產(chǎn)生影響，這是大量生產(chǎn)時(shí)抑制硬度變化所不可缺少的條件。 (b)冷卻速度：即使從奧氏體單相狀態(tài)開始冷卻，在冷卻速度慢的情況下，也不會(huì)成為馬氏體單相，在急冷過程中會(huì)出現(xiàn)第2相(鐵素體、珠光體、貝氏體)，剩余部分會(huì)成為馬氏體。這些第2相的組織比馬氏體軟，因此總的強(qiáng)度會(huì)下降。另外，如果冷卻速度太慢，就完全無法得到馬氏體。即使最初是緩慢冷卻，但只要在第2相析出之前開始急冷就行了，并不是一定要從最高加熱溫度開始急冷。但是，最初的冷卻速度(指在熱沖壓時(shí)，加熱鋼板在輸送過程中溫度下降的速度)越慢，第2相的析出開始溫度就越高，因此急冷開始溫度(熱沖壓時(shí)為成形開始溫度，局部淬火時(shí)為水冷開始溫度)的下限與到達(dá)其溫度的冷卻滯后有關(guān)。 (c) 成分：馬氏體單相的硬度可稱為其材料的最高淬火硬度，關(guān)鍵的是取決于碳含量，其它合金元素的影響非常小。 前面已介紹說，為形成馬氏體單相，必須進(jìn)行急冷，但這里可以把即便冷卻速度慢，第2相也不容易析出，且具有容易變成馬氏體單相的性質(zhì)稱為淬火性。添加Mn、Mo、Cr和B等元素可以提高淬火性。碳元素在提高最高淬火硬度的同時(shí)，還可以提高淬火性。由于金屬模的冷卻速度比水冷更慢，因此熱沖壓用的鋼板應(yīng)選擇淬火性比局部淬火用鋼板更高的鋼板。 2 鋼板要求的特性 如前所述的那樣，熱處理強(qiáng)化用的鋼板應(yīng)能進(jìn)行淬火，淬火后的機(jī)械特性理所當(dāng)然地要滿足要求，但有時(shí)材料的機(jī)械特性也是很重要的，將其歸納到表2。首先，在冷加工成形工藝中，與一般加工用鋼板一樣，它必須具有延性等成形性，材質(zhì)越軟越好。在局部淬火中，未淬火部分的材料強(qiáng)度有時(shí)具有部件功能上的意義，因此要求材料具有規(guī)定的強(qiáng)度。另一方面，只在高溫下成形時(shí)，具有選擇材料的靈活性，還可以使用高硬度冷軋板材，它與常溫下的材料強(qiáng)度和成形性無關(guān)。 表2熱處理用鋼板要求的特性
3 熱處理用鋼板 熱沖壓用鋼板和高頻淬火用鋼板的例子示于表3和表4。冷卻速度對(duì)這些鋼板淬火硬度的影響表明，在熱沖壓用鋼板的冷卻速度為30℃／s以上時(shí)，硬度達(dá)到了一定值，即使采用金屬模冷卻也能進(jìn)行淬火，但高頻淬火用鋼板的冷卻速度必須在500℃／s，與水冷相當(dāng)。如果增加合金元素量可以提高淬火性，雖然能延遲必要的冷卻速度，但它不僅會(huì)增加成本，而且會(huì)使材料強(qiáng)度提高后的冷加工成形性變差。因此，應(yīng)結(jié)合熱處理工藝，選擇具有最佳淬火性的材料。 表3熱沖壓用鋼板 表4高頻淬火用鋼板 熱沖壓的應(yīng)用和課題 1 應(yīng)用實(shí)例 歐美從20世紀(jì)90年代初期開始生產(chǎn)車門桁條和保險(xiǎn)桿加強(qiáng)件，日本從2001年開始生產(chǎn)車門桁條。近年來，在生產(chǎn)量急劇增加的同時(shí)，可應(yīng)用的部件范圍也增加了，如車頂加強(qiáng)件、車體中央立柱上部門樞、車體中央立柱加強(qiáng)件和車前門立柱加強(qiáng)件等。 2 成形極限 在以彎曲為主的成形情況下，熱沖壓非常有利，不會(huì)發(fā)生冷加工成形時(shí)最頭痛的問題，即彈性變形回復(fù)，但在對(duì)復(fù)雜部件進(jìn)行成形時(shí)，需要進(jìn)行凸肚、深沖和凸緣等成形加工，必須弄清它們?cè)诟邷叵碌某尚螛O限。關(guān)于深沖性的調(diào)查，有文獻(xiàn)介紹說，高溫成形時(shí)的LDR比冷加工成形時(shí)的低，變形阻抗不僅與溫度有關(guān)，而且沖頭接觸部分溫度的下降和氧化鐵皮的潤(rùn)滑效果會(huì)產(chǎn)生復(fù)合影響。當(dāng)鋼板形成溫度分布時(shí)，在溫度高變形阻抗低的部位呈變形集中的趨勢(shì)。因此，從熱沖壓獨(dú)有的觀點(diǎn)來看，必須確保成形性，未必要應(yīng)用冷加工成形的見解。采用預(yù)成形方式時(shí)，成形極限取決于冷加工成形，由于熱沖壓時(shí)金屬模和鋼板之間的滑動(dòng)小，因此可以減輕金屬模的磨損和劃傷。 與冷加工成形一樣，假設(shè)成形溫度一定，可根據(jù)該溫度時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線進(jìn)行成形模擬，但考慮到成形過程中溫度的下降會(huì)使應(yīng)力－應(yīng)變曲線發(fā)生變化，因此還應(yīng)將成形和傳熱結(jié)合起來進(jìn)行解析。尤其是，即使溫度相同，但由于構(gòu)成相的體積比不同，應(yīng)力－應(yīng)變曲線也不同，因此還可以采用考慮相變行為的材料模型進(jìn)行解析。另外，氧化鐵皮會(huì)影響摩擦系數(shù)和傳熱系數(shù)。如果考慮到所有的因素，就需要輸入大量的數(shù)據(jù)和很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，因此應(yīng)根據(jù)不同的目的，尋求簡(jiǎn)化解析的技術(shù)。 3 生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間 鋼板的冷卻是通過向金屬模的傳熱而進(jìn)行的，由于冷卻會(huì)進(jìn)行到直至馬氏體相變結(jié)束的溫度為止，因此雖然它與板的厚度有關(guān)系，但必須保持?jǐn)?shù)十秒時(shí)間的下死點(diǎn)，控制沖壓作業(yè)線的節(jié)拍。如果在沖壓制品沒有充分冷卻時(shí)就從金屬模取出，制品的硬度和形狀精度會(huì)下降。在冷沖壓時(shí)，雖然生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間和制品性能(強(qiáng)度和精度)基本上沒有關(guān)系，但在熱沖壓時(shí)，它們具有對(duì)立的關(guān)系。也就是說，由于制品要求性能的不同，必須改變生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間。為縮短生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間，盡可能提高冷卻速度是很重要的。在下死點(diǎn)中，鋼板和金屬模間隙大的部位，其傳熱受阻，冷卻速度變慢。為防止連續(xù)生產(chǎn)過程中金屬模溫度的上升，在金屬模內(nèi)設(shè)置水冷卻管路進(jìn)行冷卻，但冷卻不充分的部位會(huì)成為高溫點(diǎn)，使與部件對(duì)應(yīng)部位的強(qiáng)度下降。 4 氧化鐵皮的處理 加熱產(chǎn)生的氧化鐵皮對(duì)焊接性和涂漆性會(huì)造成不良的影響，因此必須清除氧化鐵皮。可采用噴丸清理來清除氧化鐵皮。采用噴丸清理會(huì)產(chǎn)生壓縮的殘余應(yīng)力，因此對(duì)疲勞和延遲斷裂不利。另一方面，過度的噴丸清理有可能損壞制品的形狀。另外，采用噴丸清理時(shí)，由于鐵素體會(huì)露出，為防止制品在倉庫存放時(shí)生銹，必須對(duì)制品進(jìn)行上油。使用不銹鋼噴丸時(shí)，由于不銹鋼會(huì)轉(zhuǎn)印在制品表面，因此能夠防銹和省去上油。只要清除氧化鐵皮，就能與普通冷軋鋼板一樣進(jìn)行化學(xué)處理、涂漆和點(diǎn)焊。 還開發(fā)了即便被加熱到高溫也不會(huì)產(chǎn)生有害氧化鐵皮的表面處理鋼板，并已應(yīng)用于實(shí)際。雖然已有鍍鋅系鋼板和鍍鋁系鋼板，但這兩種鋼板的鍍層如果不經(jīng)處理都無法承受高溫，在加熱過程中鍍層和鐵素體會(huì)發(fā)生反應(yīng)，表面層的組成和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。如果對(duì)這些鋼板進(jìn)行表面處理，不僅可以省去脫氧化鐵皮處理，而且能減輕脫落的氧化鐵皮對(duì)金屬模的污染，另外，還能提高鋼板的耐蝕性，因此其用途將進(jìn)一步擴(kuò)大。 5 二次加工 在冷沖壓工序中，一般是進(jìn)行沖孔和修整毛刺的二次加工，但在熱沖壓工序中要進(jìn)行二次加工是很困難的。采用機(jī)械方法對(duì)淬火后強(qiáng)度提高的成形部件進(jìn)行剪切加工需要很大的加工載荷，而且金屬模的壽命也會(huì)縮短，因此應(yīng)盡可能避免二次加工。例如，如果預(yù)先在坯料上進(jìn)行沖孔，就可以省去二次加工，但由于孔的位置會(huì)因成形加工而改變，因此必須對(duì)材料的孔位置進(jìn)行推測(cè)。采用預(yù)成形方式時(shí)，由于熱沖壓時(shí)沒有材料的連續(xù)進(jìn)入，因此在預(yù)成形時(shí)進(jìn)行的沖孔和修整毛刺的精度比較高。 在對(duì)精度要求更高，或在出現(xiàn)凸緣飛邊的情況下，必須進(jìn)行二次加工。采用激光進(jìn)行沖孔和修整毛刺的技術(shù)已應(yīng)用于實(shí)際，但與生產(chǎn)節(jié)拍長(zhǎng)的熱沖壓作業(yè)線相比，它需要數(shù)條激光剪切作業(yè)線。由于機(jī)械切割法成本低、生產(chǎn)效率高，因此希望能開發(fā)出提高切割機(jī)械耐用性的技術(shù)。 局部淬火的應(yīng)用和課題 高頻局部淬火技術(shù)已應(yīng)用于車體中央立柱加強(qiáng)件和車前面底板橫件的熱處理。從淬火成本和熱處理應(yīng)變的觀點(diǎn)來看，其淬火范圍對(duì)沖撞時(shí)的變形狀態(tài)有效，而且能將變形抑制在最小范圍。采用機(jī)器人將加熱帶卷和冷卻噴嘴沿成形部件的三維曲面移動(dòng)，并進(jìn)行淬火。 1 熱處理應(yīng)變 由于薄鋼板的剛性小，因此即使采用局部淬火方法，有時(shí)整個(gè)部件也會(huì)產(chǎn)生大的應(yīng)變，這是一個(gè)問題。尤其是，維持凸緣面點(diǎn)焊的精度是很重要的。為降低應(yīng)變，可以在預(yù)想的熱處理變形和逆向預(yù)變形的狀態(tài)下，在夾具中對(duì)工件進(jìn)行約束，淬火后解除約束，這是一種預(yù)變形和熱處理變形相抵的方法。 在對(duì)整個(gè)部件的淬火處理方面，進(jìn)行了預(yù)測(cè)應(yīng)變等的熱處理模擬，并對(duì)必要的資料數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了整理。這些數(shù)據(jù)同樣能用于薄鋼板制品的解析，可用作防止熱處理應(yīng)變的措施。 2 加熱控制 為強(qiáng)化淬火，必須將材料加熱到Ac3點(diǎn)以上，但從氧化鐵皮增加和鍍鋅鋼板的鋅蒸發(fā)來看，最好是將溫度控制在低溫。要將實(shí)際部件的特定范圍加熱一樣是很難的，溫度過高部位的耐蝕性會(huì)下降。因此，將加熱控制在一定溫度范圍內(nèi)的技術(shù)是很重要的，而不是依部件的形狀來控制。另外，在設(shè)計(jì)淬火范圍時(shí)，除了強(qiáng)度方面的要求外，還必須考慮加熱控制的容易性和有可能被過度加熱部位的耐蝕性。通過電場(chǎng)解析，能對(duì)高頻加熱進(jìn)行模擬，還能與前面所述的熱處理應(yīng)變解析相結(jié)合進(jìn)行加熱控制。 擴(kuò)大應(yīng)用的課題 為將熱處理強(qiáng)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于超高強(qiáng)度鋼板的冷加工成形部件中，當(dāng)然是要通過改善生產(chǎn)技術(shù)來降低成本，還必須注意到部件性能方面的差異。通過熱處理，強(qiáng)度達(dá)到1500MPa級(jí)的部件已應(yīng)用于實(shí)際，即使在冷沖壓成形時(shí)，也能達(dá)到接近的強(qiáng)度，因此希望能開發(fā)出更高強(qiáng)度的材料。 目前已應(yīng)用于實(shí)際的部件是提高沖撞時(shí)安全性的加強(qiáng)構(gòu)件一類，由于它是除沖撞時(shí)外作用應(yīng)力小的部件，因此疲勞和延遲斷裂不成問題。今后在擴(kuò)大應(yīng)用范圍時(shí)，不可避免地要應(yīng)用于應(yīng)力起正常作用的部件中，因此應(yīng)加深對(duì)疲勞和延遲斷裂的認(rèn)識(shí)，開發(fā)出改善疲勞和延遲斷裂的材料和生產(chǎn)工藝。 本文所述的熱處理僅限于馬氏體單相的獲得，對(duì)于變速箱部件，應(yīng)根據(jù)要求的性能，研究在一部分部件內(nèi)形成不同的金相組織，由此估計(jì)車體部件將能進(jìn)行更高強(qiáng)度的熱處理。 結(jié)束語 本文對(duì)熱沖壓和局部淬火的概況進(jìn)行了介紹，但由于公開發(fā)表的文獻(xiàn)少，因此作為研究對(duì)象，這僅僅是一個(gè)剛開始的研究領(lǐng)域。由于這是一個(gè)塑性變形和材料組織變化同時(shí)產(chǎn)生的工藝，因此塑性加工技術(shù)人員和材料開發(fā)技術(shù)人員必須比以往的冷加工成形研究更加密切協(xié)作。另外，加熱冷卻技術(shù)和有效利用高強(qiáng)度部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)也是很重要的。尤其是，耐蝕性和焊接性等受其制造工藝的影響很大。希望本文介紹的部件制造工藝作為一個(gè)跨學(xué)科的綜合領(lǐng)域今后能加快研究開發(fā)，為汽車的安全、輕量化和降低成本做出貢獻(xiàn)。 |
