热处理工艺对于超高强热成形钢的组织影响

1 高艳 2 李双志

（1 抚东机械厂，辽宁 铁岭 112539；2 辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 北镇 121309）

引言

为了降低汽车车身重量，人们已经大量使用先进高强钢和先进的生产工艺，先进高强钢包括双相钢、TRIP 钢、TWIP 钢等，先进的生产工艺包括激光拼焊、液压成形、热成形等技术。通常钢的成形性随着强度提高而下降，可以通过将成形和强化分为两个步骤来解决强度和成形性的矛盾。热成形即是将成形和强化分为两个步骤生产超高强度汽车零部件的一种新工艺，利用马氏体强化，可使钢的抗拉强度达到1500MPa 以上，因此主要用于防止汽车碰撞过程中变形的加强件，如车门防撞梁、保险杠梁、侧边梁、A 柱B 柱加强件和腰轨加强件等。使用超高强钢热冲压件可使板材的厚度减少30%以上，可实现轻量化指标，降低能耗。本文主要论述了热成形钢的材质、热成形钢在汽车上的应用、热成形的生产工艺技术及其国内现状。

一、热成形钢镀层

在热成形过程中，钢板在空气中高温加热导致钢板表面氧化和脱碳，影响了钢板的机械性能，同时为了保证后续的涂装等需要，需将带有氧化铁皮的热成形部件进行喷丸或酸洗处理，去掉氧化物，大大增加了热成形的成本。此外，汽车部件一般都要求具有一定的耐蚀性能，开发带镀层的热成形钢板成为热成形技术发展的迫切需要，近年来，一系列热成形用镀层钢板被相继开发出来。热成形钢板镀层需要具备抗高温和耐腐蚀等特点。最早的热成形工艺采用的是裸板。高温加热后，钢板表面形成氧化铁皮，阻碍了钢板和模具之间的热传导;氧化层也改变了钢板表面的摩擦特性，影响冲压成形时钢板与模具的摩擦;氧化物颗粒粘附在模具表面会导致模具表面损伤。冲压成形后，喷砂或喷丸可去除氧化皮。最终，热冲压部件需要进行钝化和喷漆处理。为了降低钢板在高温时的氧化和脱碳现象，耐高温润滑油被用于热成形钢板，目前仍有很多钢铁厂商采用这种工艺。在加热至高温时，固体润滑膜转化为液体膜，阻止钢板氧化。多次喷涂润滑油(3-4 次)可以进一步起到抑制作用，钢板表面形成氧化膜数量远远小于裸露钢板。因为需要清洗、重新涂油和干燥，这种工艺效率较低。此外，最后采用酸去除氧化层会增加吸氢和氢脆的危险。

二、热处理工艺对于超高强热成形钢的组织影响

（一）热成形的生产工艺技术

常规热成形的工艺包括奥氏体化处理、从加热炉转移到压机、热成形和淬火、剪边处理。板材被加热到高于Ac3 的温度（通常900～950℃）保温3～10min，保温时间根据板材的厚度而定。全奥氏体化后，将材料从加热炉转移到热成形的压机中，该过程在空气中进行，必须尽快完成，如果成形前材料温度降到780℃以下，就可能形成铁素体从而恶化热成形零件的机械性能。材料在模具中成形，在该成形温度下，材料有充分的延性而易于成形复杂形状的零件。高温成形后的零件在模具中快速冷却（水冷）到马氏体相变完成温度以下（Mf～200℃），然后自然冷却到80℃左右从模具中取出，以保证后续空冷不变形。冷却速度一般在40～100℃/s 以保证零件的淬透性。因此，一套热成形设备的产率为每分钟2、3 个零件。从模具中取出后进行剪边处理和表面清理，最后热成形零件用点焊的方式装配到汽车车身上。根据工序过程的不同，热成形工艺分为直接热成形和间接热成形两种工艺。

（二）EBSD晶粒度分析及原始奥氏体晶粒度分析

选取4＃～9＃试样进行EBSD晶粒分析，根据大角度晶界（大于15度）进行亚晶晶粒尺寸分析。随着加热温度和时间的增加，热成形钢的晶粒尺寸有所增加。在本文研究的加热温度范围内，晶粒尺寸变化不明显，因此对于力学性能影响不大。

（三）工艺流程及工艺实施

开卷落料→转移→加热和保温→转移→冲压成形、保压淬火和模内持续加热保压→转移。(1)开卷落料：使用落料压机和落料模具冲裁出所需外形轮廓的热冲压板料。(2)转移：使用机械手等设备将毛坯转移至加热炉中。(3)加热和保温：将板料加热到奥氏体再结晶温度以上，并且保温一段时间，使其充分均匀奥氏体化。奥氏体化参数加热温度和保温时间对板料的奥氏体化质量有重要影响。加热和保温过程中板料表面很容易氧化，影响后续冲压淬火效果并且增加了表面清理工序。对板料进行表面防氧化处理(防氧化涂层)或者向加热炉内充入保护气体(氮气等)能够显著减少甚至避免钢板产生氧化皮。(4)转移：使用机械手等设备将奥氏体化后的板料从加热炉中取出转移至热冲压成形水冷模具中。(5)冲压成形、保压淬火和模内持续加热保压：快速完成冲压成形并保压淬火一段时间，利用模具的冷却系统对高温板料进行淬火热处理，使热冲压零件硬区部位获得均匀的马氏体组织和良好的机械性能。

结语

本文研究了奥氏体化温度和保温时间对于超高强热成形钢组织的影响规律。研究结果表明，随着温度和时间增加，最终组织由马氏体与铁素体的混合组织转变为单一马氏体组织。在特定温度保持一定的时间，则可得到理想的马氏体组织，从而具有比较高的强度。透射电镜分析表明该马氏体类型主要由板条状和棱镜状两种结构。