汽车用薄钢板的热处理强化技术.doc

1、汽车用薄钢板的热处理强化技术1前言为提高汽车的冲撞安全性和减轻车身重量，要求进一步提高车体部件的强度。车体部件用薄钢板一般在冷加工成形后就可直接使用，因此为提高部件的强度，必须使用高强度钢材。一般说来，钢材的强度和成形性是一种对立的关系，由于开发了既能提高钢材强度又能提高成形性的技术，因此各种汽车用高强度钢板已应用于实际。但是，780MPa 级和980MPa 级超高强度钢板应用于车体部件时，部件在冲压成形时出现的弹性变形回复和翘曲等形状不良现象变得明显。这些不良现象受钢材的强度和纵弹性模量的影响，靠提高钢材延性等机械特性是难以解决的。另一方面，对于变速箱等部件，一般是采取将球化退火处理后变软的

2、高碳钢板在成形后进行热处理来提高强度的技术。通过这种热处理，虽然提高强度容易，但它不仅增加了工序，而且降低了生产率，因此它不是车体部件中能与高强度钢板竞争的技术。近年来，对超过 980MPa 级高强度钢板的需求越来越大，但在高强度钢板的冷加工成形时，形状不良和加工成形载荷要求高等问题越来越明显，因此热处理作为一种全面的工艺已引起人们的关注。具体说来，通过热冲压和局部淬火使强度达到 12001500MPa 的技术已应用于实际，应用的例子也在不断增加。这些都是塑性加工技术和热处理技术结合的结果，各个关键技术的研究水平都已达到了顶峰。但是，为能在性能价格比上与冷加工成形技术相抗争，必须优化使用薄钢板

3、制作汽车部件的制造工艺。本文就这些技术的概况进行说明，并介绍了今后的研究课题。2部件的制造工艺21 热冲压热冲压是指在高温下的冲压，但本文仅限于以强化淬火为目的的技术，也就是说，它是一种在 900左右的奥氏体区对加热数分钟的工件进行冲压，通过工件在冲压金属模内冷却，强化淬火的技术。在金属模内对被加热的部件实施挤压的状态下进行淬火时，由于能减轻热处理变形，因此很早以前就应用于片状齿轮等的淬火，它可称为冲压淬火和金属模淬火。这些技术都是对已加工成最终形状的部件进行热处理的技术，并不是积极进行高温成形的技术。薄钢板部件的热处理强化工艺有，先将钢板进行加热，然后在高温下进行冲压成形的同时，在冲压金属模

4、内进行冷却淬火的方法。因此，积极进行高温成形的方法在冠以成形淬火或开发商的名字后，称为 PlannjaProcess。虽然各专业术语有以上所述那样的微细差别，但实际上在很多情况下都是意义相同，本文统一使用“热冲压”这一术语。还有一种方法与前述的齿轮加工一样，是将冷加工成形的部件进行加热，而不是在高温下积极进行成形的方法，相对前述的直接方式，它可称为间接方式或预成形方式。另外，由于所使用的钢板添加了硼元素，因此称作 Boronsteel(或 Bsteel)名称的钢材有时也意味着它是采用热冲压加工方法的钢材。22 低温冲压即使它是一种将加热的钢板进行冲压成形的方法，但在加热温度低的情况下无法强化淬

5、火。本文把不以淬火强化为目的，而以减轻成形载荷为目的，加热温度在 500700左右的成形工艺称为低温冲压。除加热温度外，其冲压工艺与直接方式的热冲压相同。23 局部淬火局部淬火工艺是对冷加工成形部件的局部进行高频感应加热，在水冷后进行局部淬火强化。与把整个部件进行淬火相比，它只是对部件性能所要求的部位进行淬火，由此可降低热处理成本和减少热处理变形。局部淬火法有移动淬火法和定置淬火法。前者是一面移动加热带卷，一面按顺序对要求淬火的部位进行淬火的方法。后者是在不移动带卷的情况下能同时对要求的淬火部位进行加热的定置淬火方法。另外，还有将钢板局部淬火后进行成形的方法。24 工艺的特征各工艺特征示于表

6、1。超高强度钢由于变形阻抗高，因此在对大的部件进行冷加工成形时需要大的成形载荷，冲压机的设备费高。不论是采用在高温下成形的热冲压(直接方式)和低温冲压的方法，还是采用将较软的钢材进行冷加工成形的热冲压(预成形方式)和局部淬火的方法，其成形载荷并没有那么大。在超高强度钢的冷加工成形中存在着弹性变形回复和扭曲等问题，但在将软钢进行成形时，形状不良的问题少。薄钢板成形部件的刚性一般很小，因此淬火时的应变是一个问题，采用局部淬火来应对应变的措施是很重要的。在热冲压时，工件在金属模内被约束到所规定的形状下进行冷却、淬火，因此几乎不会发生应变。在热处理时，加热手段是必不可少的，其设备投资也是不可少的。在热

7、冲压和低温冲压时，为使加热钢材的输送与冲压机的冲压同节拍，因此需要大型连续式加热炉。另一方面，采用局部淬火时，不要求加热钢材的输送与冲压机的冲压同节拍，由于加热范围窄，可以使用较小的高频加热设备。另外，采用预成形方式的热冲压时，为对成形部件进行加热，因此需要比加热钢板更大的大型加热炉。热冲压必须保持冲压的下死点，因此生产节拍长，但采用低温冲压和局部淬火时，生产节拍与冷加工成形一样短。在钢板被加热到高温的工艺中，存在着表面氧化铁皮的问题。根据 Arrhenius 公式，氧化铁皮的发生量随加热温度的升高而增加，与加热时间的成平方根成正比。因此，在低温冲压的温度区域中，氧化铁皮的发生量非常少，但对热

8、冲压时生成的氧化铁皮进行处理是一个问题。采用局部淬火时，由于加热时间短，因此氧化铁皮的发生量比热冲压时少。表 1 强化工艺的优点和课题成形载荷 成形极限 形状精度 工序 生产率 生成的氧化铁皮热冲压（直接方式） 小 中 好 中 差 多热冲压（预成形方式）中 大 好 长 差 多 低温冲压 中 中 良 短 好 少局部淬火 中 大 差 中 差 中超高强度钢板 冷加工成形 大 小 差 短 好 没有3热处理条件和热处理用钢板31 热处理的诸条件本文所举的热处理是指强化淬火的热处理，目的是要把整个部件或所要求部位的金相组织变成马氏体组织。关于淬火问题，本文就热处理的冶金原理和所需的诸条件进行简单介绍。(a

9、)加热温度：在含碳铁中，当温度超过 AC9 点时，会变成奥氏体单相，在 AC1 点和AC3 点之间共存着铁素体和奥氏体。当含碳的奥氏体受到急冷时，会变成硬质的马氏体。急冷后的硬度受马氏体体积比(即，加热中的奥氏体体积比)的支配。当加热到 AC3 点以上时，金相组织为马氏体单相，具有一定的硬度。当加热温度在 AC3 点以下时，由于存在着软质铁素体，因此这一部分的硬度会下降。硬度受加热温度的影响。在 AC3 点以上进行加热时，即使加热温度变化，也不会对硬度产生影响，这是大量生产时抑制硬度变化所不可缺少的条件。(b)冷却速度：即使从奥氏体单相状态开始冷却，在冷却速度慢的情况下，也不会成为马氏体单相，

10、在急冷过程中会出现第 2 相(铁素体、珠光体、贝氏体)，剩余部分会成为马氏体。这些第 2 相的组织比马氏体软，因此总的强度会下降。另外，如果冷却速度太慢，就完全无法得到马氏体。即使最初是缓慢冷却，但只要在第 2 相析出之前开始急冷就行了，并不是一定要从最高加热温度开始急冷。但是，最初的冷却速度(指在热冲压时，加热钢板在输送过程中温度下降的速度)越慢，第 2 相的析出开始温度就越高，因此急冷开始温度(热冲压时为成形开始温度，局部淬火时为水冷开始温度)的下限与到达其温度的冷却滞后有关。(c)成分：马氏体单相的硬度可称为其材料的最高淬火硬度，关键的是取决于碳含量，其它合金元素的影响非常小。前面已介绍

11、说，为形成马氏体单相，必须进行急冷，但这里可以把即便冷却速度慢，第 2 相也不容易析出，且具有容易变成马氏体单相的性质称为淬火性。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时，还可以提高淬火性。由于金属模的冷却速度比水冷更慢，因此热冲压用的钢板应选择淬火性比局部淬火用钢板更高的钢板。32 钢板要求的特性如前所述的那样，热处理强化用的钢板应能进行淬火，淬火后的机械特性理所当然地要满足要求，但有时材料的机械特性也是很重要的，将其归纳到表 2。首先，在冷加工成形工艺中，与一般加工用钢板一样，它必须具有延性等成形性，材质越软越好。在局部淬火中，未淬火部分的材料强度

12、有时具有部件功能上的意义，因此要求材料具有表 2 热处理用钢板要求的特性材料强度 材料延性 热处理特性冲压（直接方式） 不要求 不要求 淬火性（冷却速度慢）冲压（预成形方式） 低的好 需要 淬火性（冷却速度慢）温冲压 与部件强度相同 需要（低温） 需要回火软化阻抗局部淬火 低的好，但取决于设计意图 需要 淬火性（冷却速度慢）高强度钢板冷加工成形 与部件强度相同 需要 不要求规定的强度。另一方面，只在高温下成形时，具有选择材料的灵活性，还可以使用高硬度冷轧板材，它与常温下的材料强度和成形性无关。在低温成形时，由于材料强度会直接成为部件的强度，因此材料应具有高的强度。高强度钢板是通过组织的相变来提

13、高强度，因此一旦加热时，会产生回火，回到常温时强度有可能下降。必须选择在回火软化小的温度区域进行加热，或是设计部件可能回火软化的强度。33 热处理用钢板热冲压用钢板和高频淬火用钢板的例子示于表 3 和表 4。冷却速度对这些钢板淬火硬度的影响表明，在热冲压用钢板的冷却速度为 30s 以上时，硬度达到了一定值，即使采用金属模冷却也能进行淬火，但高频淬火用钢板的冷却速度必须在 500s，与水冷相当。如果增加合金元素量可以提高淬火性，虽然能延迟必要的冷却速度，但它不仅会增加成本，而且会使材料强度提高后的冷加工成形性变差。因此，应结合热处理工艺，选择具有最佳淬火性的材料。表 3 热冲压用钢板化学成分，

14、热处理后的机械特性C Si Mn B 微量 硬度 HV YS，MPa TS，MPa EL0.21 0.25 1.2 0.0014 元素 448 1139 1501 6.4表 4 高频淬火用钢板化学成分， 机械特性（上段：热处理前，下段：热处理后）C Si Mn 硬度 HV YS，MPa TS，MPa EL，133 347 472 32.10.1 0.05 1 400 1070 1240 64热冲压的应用和课题41 应用实例欧美从 20 世纪 90 年代初期开始生产车门桁条和保险杆加强件，日本从 2001 年开始生产车门桁条。近年来，在生产量急剧增加的同时，可应用的部件范围也增加了，如车顶加强件

15、、车体中央立柱上部门枢、车体中央立柱加强件和车前门立柱加强件等。42 成形极限在以弯曲为主的成形情况下，热冲压非常有利，不会发生冷加工成形时最头痛的问题，即弹性变形回复，但在对复杂部件进行成形时，需要进行凸肚、深冲和凸缘等成形加工，必须弄清它们在高温下的成形极限。关于深冲性的调查，有文献介绍说，高温成形时的LDR 比冷加工成形时的低，变形阻抗不仅与温度有关，而且冲头接触部分温度的下降和氧化铁皮的润滑效果会产生复合影响。当钢板形成温度分布时，在温度高变形阻抗低的部位呈变形集中的趋势。因此，从热冲压独有的观点来看，必须确保成形性，未必要应用冷加工成形的见解。采用预成形方式时，成形极限取决于冷加工成

16、形，由于热冲压时金属模和钢板之间的滑动小，因此可以减轻金属模的磨损和划伤。与冷加工成形一样，假设成形温度一定，可根据该温度时的应力应变曲线进行成形模拟，但考虑到成形过程中温度的下降会使应力应变曲线发生变化，因此还应将成形和传热结合起来进行解析。尤其是，即使温度相同，但由于构成相的体积比不同，应力应变曲线也不同，因此还可以采用考虑相变行为的材料模型进行解析。另外，氧化铁皮会影响摩擦系数和传热系数。如果考虑到所有的因素，就需要输入大量的数据和很长的计算时间，因此应根据不同的目的，寻求简化解析的技术。43 生产节拍时间钢板的冷却是通过向金属模的传热而进行的，由于冷却会进行到直至马氏体相变结束的温度为

17、止，因此虽然它与板的厚度有关系，但必须保持数十秒时间的下死点，控制冲压作业线的节拍。如果在冲压制品没有充分冷却时就从金属模取出，制品的硬度和形状精度会下降。在冷冲压时，虽然生产节拍时间和制品性能(强度和精度)基本上没有关系，但在热冲压时，它们具有对立的关系。也就是说，由于制品要求性能的不同，必须改变生产节拍时间。为缩短生产节拍时间，尽可能提高冷却速度是很重要的。在下死点中，钢板和金属模间隙大的部位，其传热受阻，冷却速度变慢。为防止连续生产过程中金属模温度的上升，在金属模内设置水冷却管路进行冷却，但冷却不充分的部位会成为高温点，使与部件对应部位的强度下降。44 氧化铁皮的处理加热产生的氧化铁皮对

18、焊接性和涂漆性会造成不良的影响，因此必须清除氧化铁皮。可采用喷丸清理来清除氧化铁皮。采用喷丸清理会产生压缩的残余应力，因此对疲劳和延迟断裂不利。另一方面，过度的喷丸清理有可能损坏制品的形状。另外，采用喷丸清理时，由于铁素体会露出，为防止制品在仓库存放时生锈，必须对制品进行上油。使用不锈钢喷丸时，由于不锈钢会转印在制品表面，因此能够防锈和省去上油。只要清除氧化铁皮，就能与普通冷轧钢板一样进行化学处理、涂漆和点焊。还开发了即便被加热到高温也不会产生有害氧化铁皮的表面处理钢板，并已应用于实际。虽然已有镀锌系钢板和镀铝系钢板，但这两种钢板的镀层如果不经处理都无法承受高温，在加热过程中镀层和铁素体会发生

19、反应，表面层的组成和结构会发生变化。如果对这些钢板进行表面处理，不仅可以省去脱氧化铁皮处理，而且能减轻脱落的氧化铁皮对金属模的污染，另外，还能提高钢板的耐蚀性，因此其用途将进一步扩大。45 二次加工在冷冲压工序中，一般是进行冲孔和修整毛刺的二次加工，但在热冲压工序中要进行二次加工是很困难的。采用机械方法对淬火后强度提高的成形部件进行剪切加工需要很大的加工载荷，而且金属模的寿命也会缩短，因此应尽可能避免二次加工。例如，如果预先在坯料上进行冲孔，就可以省去二次加工，但由于孔的位置会因成形加工而改变，因此必须对材料的孔位置进行推测。采用预成形方式时，由于热冲压时没有材料的连续进入，因此在预成形时进行

20、的冲孔和修整毛刺的精度比较高。在对精度要求更高，或在出现凸缘飞边的情况下，必须进行二次加工。采用激光进行冲孔和修整毛刺的技术已应用于实际，但与生产节拍长的热冲压作业线相比，它需要数条激光剪切作业线。由于机械切割法成本低、生产效率高，因此希望能开发出提高切割机械耐用性的技术。5局部淬火的应用和课题高频局部淬火技术已应用于车体中央立柱加强件和车前面底板横件的热处理。从淬火成本和热处理应变的观点来看，其淬火范围对冲撞时的变形状态有效，而且能将变形抑制在最小范围。采用机器人将加热带卷和冷却喷嘴沿成形部件的三维曲面移动，并进行淬火。51 热处理应变由于薄钢板的刚性小，因此即使采用局部淬火方法，有时整个部

21、件也会产生大的应变，这是一个问题。尤其是，维持凸缘面点焊的精度是很重要的。为降低应变，可以在预想的热处理变形和逆向预变形的状态下，在夹具中对工件进行约束，淬火后解除约束，这是一种预变形和热处理变形相抵的方法。在对整个部件的淬火处理方面，进行了预测应变等的热处理模拟，并对必要的资料数据库进行了整理。这些数据同样能用于薄钢板制品的解析，可用作防止热处理应变的措施。52 加热控制为强化淬火，必须将材料加热到 AC3 点以上，但从氧化铁皮增加和镀锌钢板的锌蒸发来看，最好是将温度控制在低温。要将实际部件的特定范围加热一样是很难的，温度过高部位的耐蚀性会下降。因此，将加热控制在一定温度范围内的技术是很重要

22、的，而不是依部件的形状来控制。另外，在设计淬火范围时，除了强度方面的要求外，还必须考虑加热控制的容易性和有可能被过度加热部位的耐蚀性。通过电场解析，能对高频加热进行模拟，还能与前面所述的热处理应变解析相结合进行加热控制。6扩大应用的课题为将热处理强化技术广泛应用于超高强度钢板的冷加工成形部件中，当然是要通过改善生产技术来降低成本，还必须注意到部件性能方面的差异。通过热处理，强度达到1500MPa 级的部件已应用于实际，即使在冷冲压成形时，也能达到接近的强度，因此希望能开发出更高强度的材料。目前已应用于实际的部件是提高冲撞时安全性的加强构件一类，由于它是除冲撞时外作用应力小的部件，因此疲劳和延迟

23、断裂不成问题。今后在扩大应用范围时，不可避免地要应用于应力起正常作用的部件中，因此应加深对疲劳和延迟断裂的认识，开发出改善疲劳和延迟断裂的材料和生产工艺。本文所述的热处理仅限于马氏体单相的获得，对于变速箱部件，应根据要求的性能，研究在一部分部件内形成不同的金相组织，由此估计车体部件将能进行更高强度的热处理。7结束语本文对热冲压和局部淬火的概况进行了介绍，但由于公开发表的文献少，因此作为研究对象，这仅仅是一个刚开始的研究领域。由于这是一个塑性变形和材料组织变化同时产生的工艺，因此塑性加工技术人员和材料开发技术人员必须比以往的冷加工成形研究更加密切协作。另外，加热冷却技术和有效利用高强度部件的结构设计技术也是很重要的。尤其是，耐蚀性和焊接性等受其制造工艺的影响很大。希望本文介绍的部件制造工艺作为一个跨学科的综合领域今后能加快研究开发，为汽车的安全、轻量化和降低成本做出贡献。