随着汽车市场竞争的日益激烈, 汽车生产厂家 通过严把各个方面质量关来提高整体产品质量以提 高其自身竞争力。采用冲压成形技术进行零部件生 产是整车制造过程的重要组成部分, 冲压件的质量 好坏影响整车的强度、车身装配尺寸精度及白车身 的表面质量等。高强度钢在室温变形能力差, 冲压 成形后零件的回弹增加, 导致零件尺寸和形状稳定 性变差[1 ] , 因此, 超高强度钢板的热冲压成形技术 逐步发展起来。 热冲压成形具有成形能力高, 零件回弹小, 成 形零件强度级别高的优点。然而, 热冲压技术与冷 冲压成形技术相比, 不仅包含了板料塑性成形相关 内容, 更包含传热及热处理的相关知识[ 223 ] , 零件成 形温度的不均匀将导致零件各部位强度的不均, 从 而影响零件质量。因此, 热冲压成形零件的最终质 量将直接受到冲压模具设计、冲压过程工艺及其参 数的影响。为充分发挥超高强度钢板热冲压成形的 优越性, 获得内外兼优的产品, 扩展超高强度钢板 在汽车轻量化以及提高被动安全性方面的应用, 其 关键问题之一就是热冲压成形质量控制, 通过对超 高强度钢板的热冲压成形过程进行分析, 探讨热冲 压零件的质量影响因素及影响情况, 为热冲压成形 技术的深入研究和应用提供参考。
1 热冲压成形工艺流程及应用 超高强度钢板的热冲压成形是将可淬火硼钢板 经一次成形并淬火处理, 完成最终外形(直接成 形) , 在减少了成形工序的同时, 获得了具有超高强 度组织的部件, 其热冲压成形工艺流程为: 落料→ 加热至奥氏体状态并保温→放入模具中冲压成形→ 保压定形并淬火→去氧化皮→激光切边冲孔→涂油 (防锈处理) , 如图1 所示。 板料加热至奥氏体化温度后采取保温以保证奥 氏体组织的均匀化, 然后将板料工件放入冷冲压模 具中进行冲压成形并降温, 在该过程中工件的成形 图1 超高强度钢板的热冲压成形工艺流程 Fig11 Hot stamping process for ult ra high st rengt h steel 温度要保持在马氏体转变温度以上的奥氏体区, 以使 工件材料具有优良的塑性流动性能; 冲压成形结束 后, 进行保压和淬火处理, 从而在保证零件形状尺寸 精度的同时获得均匀马氏体组织的超高强度零件。 目前, 德国蒂森克虏伯公司、美国本特朗特公 司、法国阿塞洛公司、瑞典SSAB 公司和我国宝钢公 司等可提供超高强度的热冲压用钢板。欧美、日本以 及国内的主要汽车制造企业已开始使用采用热冲压成 形技术生产的超高强度钢板构件, 如图2 所示, 车门 防撞杆, 保险杠加强梁, A、B、C柱和门框加强梁等[4] 。 图2 可应用热冲压技术的部件 Fig12 Part s can be made by hot stamping technology 2 热冲压成形零件质量影响因素 热冲压零件的质量优势包含着宏观层面和微观 层面的质量。宏观上, 热冲压零件的形状及尺寸精 度高; 微观上, 热冲压零件的组织为均匀的马氏体 组织, 强度高。热冲压成形过程包含板材成形、传 热及热处理的相关知识, 因此, 影响热冲压零件质 量的主要因素除了常规冷冲压影响因素, 如人的技 术素质, 冲压设备的性能, 模具结构及制造精度, 材料成分、性能等以及冲压成形工艺的选择外, 还 应特别注意与传热及热处理相关的模具和热冲压工 艺参数两个方面的因素。
211 模具设计 超高强度钢板热冲压过程中钢板及模具都要经 过奥氏体化温度以上再降到室温这一复杂的温度变 化。模具集对板料成形与淬火作用与一身, 其材料 选择、结构设计都有着更为严格的要求, 对于热冲 压部件最终性能有着重要影响。 (1) 模具材料的选择。在超高强度钢板的热冲 压过程中, 一方面, 要求成形模具具有足够的结构 刚性、表面硬度与疲劳寿命, 模具材料选择不当将 导致模具开裂等问题, 影响冲压质量。另一方面, 要求模具能够稳定工作在剧烈的冷热交替条件下, 同时能够抵抗高温板料对模具产生的强力热摩擦以 及脱落的氧化层碎片及颗粒在高温下对模具表面的 磨粒磨损效应。否则, 在模具使用过程中因为温度 变化使工装精度发生变化, 将导致冲压件质量发生 波动。根据模具的加热温度, 一般需要参考热锻用 热作模具钢, 选用合理的模具材料。蒂森克虏伯公 司[5 ] 的热冲压模具, 采用具有很高热传导系数的 Al2O3 / Cu 复合材料作为模具材料。 (2) 模具冷却系统的设计。热冲压模具除了起 到零件成形的作用, 还要实现对零件的淬火, 模具 降温的速度不足将导致零件达不到所需的组织性能, 同时, 冲压过程中零件的温度不均匀性直接导致最 终零件性能的不均匀性。因此, 为满足热冲压成形 零件淬火及批量生产要求, 热冲压模具中需设置冷 却系统。在冷却系统设计时既要使零件的冷却速度 足够大[6 ] , 如某硼钢的临界冷却速度为30 ℃·s - 1 , 使奥氏体组织尽可能多地转化成马氏体组织, 以保 证零件的强度性能; 还要通过该冷却系统迅速带走 每次热冲压后模具储存热量, 确保模具型腔表面温 差的同时, 保证每次冲压前模具初始条件相同, 从 而稳定冲压质量及产品质量[7 ] 。
212 热冲压工艺参数 在钢板的热冲压过程中, 板料的温度随时间变 化如图3 所示: (1) 板料以合适的加热速率加热至 奥氏体状态下温度; (2) 在奥氏体温度下保温一段 时间; (3) 在模具中成形并降温; (4) 成形结束后 在模具中保压淬火。其中, 奥氏体化温度、保温时 间、成形温度及淬火速度等热冲压工艺参数对热冲 压零件的质量影响很大。 (1) 奥氏体温度。热冲压过程中, 板料先加热 到奥氏体状态下的某一温度后再放在模具中进行成 118 锻 压 技 术 第35 卷 图3 热冲压过程板料温度变化示意图 形操作, 因此, 奥氏体状态下温度的高低直接影响 成形温度的高低。一方面, 根据金属热变形理论[ 8 ] , 成形温度高, 金属原子动能急剧增加, 发生回复和再 结晶, 再结晶可消除材料的硬化现象, 显著降低金属 的变形抗力, 提高金属的塑性, 从而可减少冲压成形 所需的压力。另一方面, 奥氏体状态下温度低时, 在 后续的成形过程中, 板料处于边成形边降温状态, 其 塑性变形可能诱发材料组织发生相变, 由奥氏体转变 为贝氏体, 得不到冲压件所需的马氏体组织, 从而不 能满足最终热冲压件的组织性能要求。 (2) 保温时间。板料加热到奥氏体状态后, 要 经过保温处理以保证板料成形前具有均匀的组织性 能。若保温时间短, 则板料内的奥氏体晶粒大小不 均匀, 在成形过程中, 板料各部分变形不均匀, 经 过淬火后得到的马氏体组织也不均匀, 从而也影响 到热冲压件的质量均匀性。若保温时间很长, 则板 料内的奥氏体晶粒不断长大, 可能降低板料的成形 性能, 从而影响最终零件的质量。
(3) 冷却速度。热冲压成形工艺中的淬火目的 是保证钢板在形变过程中能够快速冷却, 获得在室 温下具有均匀马氏体组织的高强度钢构件。若选用 的淬火介质不当或模具冷却系统设计不合理, 热成 形过程中冷却速度慢, 则奥氏体会转变为珠光体或 贝氏体而得不到马氏体组织, 从而使成形件的强度 大大减弱, 故冷却速度是影响成形件力学性能的关 键工艺因素。因此, 在板料热冲压成形过程的淬火 工艺中, 采用理想的冷却速度才能保证热冲压零件 最终的组织性能质量。 (4) 保压时间。热冲压零件的质量优点之一是 成形零件形状和尺寸精度高, 而成形结束后的保压 淬火工艺是决定该质量的关键; 同时, 冲压作业线 的节拍与零件的最终质量性能呈对立关系。如果保 压时间长则零件形状和尺寸精度高, 但会增加冲压 作业节拍时间, 从而提高制造成本; 如果在冲压零 件保压时间短, 没有充分冷却时就从金属模取出, 零件由于与室温温差大, 将出现热胀冷缩现象, 导 致零件的硬度和形状尺寸精度会下降。因此, 针对 不同零件, 合理选择零件在模具中的保压时间是热 冲压零件质量控制的可行之举。
3 结论 要控制热冲压成形零件的质量, 就必须对热冲压 过程以及影响最终零件质量的各项因素进行系统的识 别, 并深入分析这些因素对产品质量产生的影响。 (1) 模具材料选择要满足结构刚性、表面硬度 与疲劳寿命要求, 否则会引起模具开裂, 而剧烈的 冷热交替条件工况, 容易造成高温板料对模具表面 磨损效应。模具的冷却系统设计要实现零件在模具 中的淬火也要带走每次冲压操作模具储存的热量。 (2) 热冲压材料奥氏体化温度和保温时间要适 当, 温度低会产生因塑性变形产生的贝氏体转变, 不 能满足热冲压件性能要求。保温时间的过长或过短则 会使热冲压材料组织晶粒不均匀, 影响零件质量。 (3) 热冲压材料的冷却速度要大于奥氏体转化 为马氏体的临界冷却速度, 否则将影响冲压件的力 学性能。保压时间要考虑产品质量和生产节拍, 保 压时间短会由于热胀冷缩原因导致产品几何精度低, 保压时间长则影响产品生产节拍。
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