汽车用薄钢板的热处理强化技术介绍

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1、汽车用薄钢板的热处理强化技术介绍作者：佚名文章来源：本站原创点击数：552更新时间：2007-8-21匚收藏此页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

2、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

3、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。部件的制造工艺1 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900C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

4、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B stee l）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。

5、2 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500700C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。3 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

6、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。4 工艺的特征各工艺特征示于表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

7、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

8、 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热处理条件和热处理用钢板1 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

9、原理和所需的诸条件进行简单介绍。（a）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

10、不会成为马氏体单相，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

11、常小。前面已介绍说，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。2 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

12、部分的材料强度有时具有部件功能上的意义，因此要求材料具有规定的强度。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。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Hu女淬火性（冷却速度慢）温冲压与部件强度相同需要（低温）需要回火软化阻抗部淬火低的好，但取决于设计意图Hu女淬火性（冷却速度慢）高强度钢板冷加工成形与部件强度相同Hu女不要求在低温成形时，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高 强度，因此

13、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。3 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30C/s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50 0C/s，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，热处理后的

14、机械特性CSi Mn B微量硬度 HVYS， MPaTS， MPaEL0.210.25 1.2 0.0014元素448113915016.4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）CSi Mn硬度 HVYS， MPa TS， MPaEL，13334747232.10.100.05 1.0400107012406.0热冲压的应用和课题1 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、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

15、加 强件等。2 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