摘要：随着国民物质生活水平的提高，大家对汽车安全性的要求也越来越强烈，因此，高强度、超高强度钢板在汽车车身上的应用也越来越广泛。然而，由于高强度、超高强度钢板在常温下强度较高，变形抗力比较大，导致利用常规冷冲压成形的方式很难成形，因此高强度、超高强度钢板热冲压成形技术就应运而生。目前，高强度钢板热冲压成形零件已经广泛应用于国内外汽车车身的重要零件上。
关键词：热冲压成形；超高强度钢板；模具设计；冷却系统；数值模拟；
一、热冲压成形工艺原理
首先把常温下强度为500~600MPa的高强度硼合金钢板加热到880~950℃，使之均匀奥氏体化，然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成形，之后保压快速冷却淬火，使奥氏体转变成马氏体，成形件因而得到强化硬化，强度大幅度提高。比如经过模具内的冷却淬火，冲压件强度可以达到1500MPa，强度提高了250%以上，因此该项技术又被称为“冲压硬化”技术。实际生产中，热冲压工艺又分为两种，即直接工艺和间接工艺。直接工艺，下料后，直接把钢板加热然后冲压成形，主要用于形状比较简单变形程度不大的工件。对于一些形状复杂的或者拉深深度较大的工件，则需要采用间接工艺，先把下好料的钢板预变形，然后再加热实施热冲压，
二、热冲压成形工艺的主要影响因素
2.1材料
热冲压成形工艺中采用的是一种特殊的具有自硬性的硼合金高强度钢板。和现在的双相钢、相变诱导塑性钢、复相钢、马氏体钢等汽车高强度钢板不同，这些钢板常温下强度就很高，并且通常都采用冷冲压工艺制造零部件，成形前后零件的微观组织没有变化，强度等指标基本上保持不变。而热成形工艺中使用的硼合金钢板是一种低碳微合金钢，添加了一定量的B元素，提高了钢板的淬火性能，成形后发生相变，强度等指标成倍提高。另外，还添加了Ti，Cr，Mo，Cu，Ni等多种合金微量儿素，因而提高了材料的屈服强度以及其他力学性能，材料力学性能也很稳定。典型的热冲压成形钢板22MnB5的下要成分，这种钢板常温下的强度不很高，抗拉强度仅有500700MPa，塑性、可成形性等性能也很好，而通过热成形工艺的加热、成形、冷却后，成形件被淬火，微观组织转变成马氏体，强度、硬度等指标大幅度提高，屈服强度可以达到1000MPa以上，抗拉强度达到1500MPa，硬度可以达到50HRC。
3.2工艺参数
热冲压成形技术是一项完全不同于传统冷冲压成形的板料成形新技术，工艺参数纵多，工艺过程复杂，包括加热、成形和冷却等多个关键技术环节。为了实现奥氏体向马氏体的转变，确保产品的力学性能，不同环节的工艺参数的选择是至关重要的。加热阶段的主要工艺参数是加热温度和保温时间。加热温度应该保持在再结晶温度以上，以确保板料奥氏体化，但是加热温度不能过高，否则会导致板料表面过烧和晶粒长大，影响淬火后的零件质量和性能。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆保温时间影响奥氏体化的均匀性，板料加热到指定温度后应该保温一段时间，以促进奥氏体化进程，但是保温时间不能过长，否则也会导致晶粒长大，恶化零件力学性能，另外还增加了生产周期，降低生产效率。
在成形阶段，板料须在奥氏体状态下冲压成形，需要采用较高成形速度，使工件瞬间内被快速成形，以避免因成形速度过慢而带来的过多热量损失以及过快的温度下降。因此，热冲压工艺中要采用能够实现高速成形较快的液压机。在冷却阶段，成形件被模具表面冷却淬火，发生相变，使奥氏体转变成马氏体，实现强化。但是这种相变与冷却速度有关，只有在冷却速度超过某一临界数值后，才能使奥氏体转变成马氏体，否则冷却速度过低成形件中将会出现贝氏体等其他组织，影响成形件的强度提高。研究表明，热冲压工艺中，实现奥氏体向马氏体转变的最小冷却速度（或者称为临界冷却速度）为27℃/s。因此热冲压工艺中为了确保奥氏体向马氏体的转变，模具对成形件的冷却速度必须大于这个值，为此要提高冷却介质的循环压力和循环速度，及时带走模具表面的热量，也使成形件各处冷却效果保持相同，使热应力分布均匀，同时要使冷却介质保持在一定的温度范围内。但是并非冷却速度越高越好，过高的冷却速度将导致成形件的开裂。
3.3热冲压模具
冷冲压模具仅用于零件的成形，而热冲压模具不但用于成形，还要用于给零件冷却淬火，因此其模具更加复杂，对模具材料选择、模具设计等方面提出了更加严格的要求。在模具材料选择方面，热冲压模具材料首先要有良好热传导系数，确保钢板与模具表面之间的快速传热，实现良好的冷却功能。模具材料还要具备良好的热强度、热硬度、高的耐磨性和热疲劳性，保证在成形高温板料时，模具尺寸精度稳定，表面硬度良好，能够承受坚硬氧化皮及强烈热摩擦带来的磨损，能够在剧烈的冷热交变作用下具有良好的使用寿命。另外模具材料还需具有良好的耐锈蚀性，保证模具内部冷却管道不被冷却介质锈蚀堵塞，因此国外一些热冲压模具材料中都有较高含量的Ni和Cr。
在模具材料选择时，一般要根据具体工作情况，参照热锻用热作模具钢进行选择。在模具凸凹模设计方面，不能照搬冷冲压模具的设计方法，首先热冲压工艺中回弹很小，几乎无须考虑回弹对零件形状的影响，另外还需考虑热胀冷缩对零件最终尺寸和形状的影响，并以此为基础设计凸、凹模的关键尺寸。
在冷却机构设计方面，冷却系统必须保证模具对零件的快速、均匀冷却，冷却管的总体布局、形状、直径、冷却管与模具工作表面、非工作表面以及冷却管之间的距离、冷却系统密封等都是冷却机构设计的关键所在，也是热冲压模具设计的最重要技术之一。设计冷却管道系统时，可以结合数值模拟技术对各管道内的冷却介质的流动情况进行模拟分析，使各管道都具有相同的冷却效率，保证冷却的均匀性。
三、热成形试验及结果
选取某型汽车加强板为典型件，进行热冲压成形试验。试验用钢板材料为低碳硼合金钢22MnB5。开发了带有冷却管道的热成形模具，首先在经过改造的加热炉内将钢板加热到900℃，并保温5min，使钢板被均匀奥氏体化，为了防止钢板表面被氧化，加热前在钢板表面涂覆了保护层；钢板被加热好后，迅速放入带有冷却管道的冲压模具上，液压机快速下行实施冲压成形，模具完全闭合后液压机保压10s，使钢板在模具内保压定形并被充分冷却淬火，实现奥氏体向马氏体的充分转变。对成形件切块取样进行微观组织分析，结果表明淬火后成形件组织为板条状马氏体，对成形件的拉伸力学性能进行了检测，其屈服强度达到1036MPa，抗拉强度达到1547MPa。硬度检测结果表明，成形件硬度分布较为均匀，平均硬度达到47.7HRC，完全达到高强钢热冲压件的产品性能要求。
结语：以热冲压过程的成形阶段和冷却阶段为研究对象，通过实验设备测量材料在奥氏体状态下的硬度、微观组织、流动曲线、材料热物性参数、力学性能参数等，为数值模拟研究提供可靠数据；研究热冲压成形过程中流动应力的本构关系，以及冷却阶段相变机理，建立相应的物理数学模型，计算相关情况下的材料流动应力和组织转变；研究热冲压工艺成形过程的热粘塑性有限元理论及建模方法。
参考文献：
［1］林建平，王立影，田浩彬，等.超高强度钢板热冲压成形研究与进展［J］.热加工工艺，2008，37（21）：140-144.
［2］徐伟力，艾健，罗爱辉，等.钢板热冲压新技术介绍［J］.塑性工程学报，2009，16（4）：39-43.
论文作者:徐顺利
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第15期
论文发表时间:2018/11/2
标签：钢板论文; 奥氏体论文; 模具论文; 强度论文; 工艺论文; 材料论文; 零件论文; 《建筑学研究前沿》2018年第15期论文;