袁昌望,黃加進,李聲慈,卞賢芝,劉世存
(江西理工大學材料冶金化學學部,江西 贛州341000)
采用高強鋼是實現(xiàn)汽車輕量化和保障安全性的重要途徑[1]。盡管超高強度鋼板具有較高的強度,但它在室溫下變形能力差、 所需的沖壓力大,容易開裂,沖壓后的復雜零件回彈增加,導致零件尺寸和形狀不穩(wěn)定[2]。通過熱沖壓成型技術(shù)獲得的超高強鋼能很好地解決上述問題[3-4]。
熱成形鋼的技術(shù)原理是加熱鋼板并保溫使其均勻奧氏體化,然后進行沖壓成形并保壓一段時間,鋼板在成形及保壓過程中完成淬火,最終獲得內(nèi)部組織為馬氏體的超高強鋼零部件[5-6]。熱成形工藝主要應(yīng)用在汽車各個零件上,因其強度高,可更好地推進汽車輕量化的研究進展。目前,熱沖壓用的高強鋼主要是含硼元素的鋼板,隨著技術(shù)工藝不斷發(fā)展,目前開發(fā)出了很多種類,例如18MnB5、22MnB5、30MnB5 等,其中22MnB5 在熱沖壓中應(yīng)用最為廣泛,該鋼種具有較好的綜合力學性能[7-10]。而該牌號的鋼板需要進一步探索其熱沖壓成形技術(shù),以及在不同模具下獲得的熱成形鋼組織和性能的差異和回彈變化,相關(guān)研究較少[11]。
本文采用冷硬態(tài)熱成形鋼作為實驗用鋼,通過金相顯微組織、拉伸性能等方法研究不同熱成形工藝參數(shù)對組織性能的影響。這將為熱沖壓型鋼的實際生產(chǎn)和應(yīng)用提供重要的理論指導意義。
采用的原始材料是國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的汽車用熱成形鋼,其主要化學成分如表1 所列。連鑄坯加熱溫度為1230℃,開軋溫度1150℃,精軋溫度1050℃,終軋溫度860℃,最后在600℃進行卷取;之后將熱軋板冷軋至1.20mm 厚,并從冷硬態(tài)鋼板取樣。
表1 熱成形鋼的化學成分Table 1 The chemical composition of hot-formed steel單位:質(zhì)量分數(shù),%
從冷軋板中切取310mm×210mm×1.20mm 和260mm×180mm×1.20mm 兩種規(guī)格的試樣各8 塊,長度方向為軋向。分別采用平型沖壓模和U 型沖壓模進行熱成形試驗。首先在試樣表面焊上熱電偶,然后將試樣轉(zhuǎn)移至加熱爐,在設(shè)定的溫度下保溫5 min,設(shè)置830、860、890℃和920℃不同加熱保溫溫度;熱電偶通過轉(zhuǎn)換器連接電腦,可以顯示鋼板的實時溫度。保溫結(jié)束后迅速取出試樣并放入模具中進行快速熱沖壓成形試驗。試驗設(shè)備和熱沖壓成形后的平型件、U 型件如圖1 所示。
從冷軋板及熱成形后的鋼板切取金相試樣和拉伸試樣。金相試樣熱鑲后采用砂紙磨至2000 號,將試樣表面機械拋光至光亮后用4%硝酸酒精溶液侵蝕10 s,通過蔡司光學顯微鏡和ZEISS 掃描電鏡觀察試樣顯微組織[12]。采用最大拉力100 kN 的電子萬能試驗機在4mm/min 的拉伸速度下進行拉伸試驗[13],拉伸試樣按GB/T 228.1—2010 進行制樣,切取標距為50mm 的非比例拉伸試樣。
冷軋鋼板的組織性能見圖2。
熱成形前的金相組織為圖2(a),可以看出未經(jīng)熱處理的冷軋鋼板組織主要是鐵素體和珠光體。圖2(b)是拉伸曲線,其抗拉強度為466 MPa,屈服強度為265 MPa,伸長率29.5%,顯微維氏硬度值為158??梢钥吹接休p微的屈服平臺,在這一階段應(yīng)力幾乎隨應(yīng)變不升高,不發(fā)生強化行為,超過屈服平臺之后材料才開始表現(xiàn)出強化行為。這主要是溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子組成的柯氏氣團對位錯的釘扎作用導致的。
從圖3(a)平型件的應(yīng)力應(yīng)變曲線和圖3(b)平型件的強度與硬度性能比較,可以看出在830℃時沖壓后平型件的抗拉強度比較低;在860℃和890℃其抗拉強度較高,在890℃時達到最大值;在920℃時抗拉強度都有所降低。平型件的抗拉強度、屈服強度與硬度性能變化一致,溫度從830℃到920℃,平型件的性能先增加后降低,并且在860℃時性能較優(yōu)。
圖4、圖5 所示分別為不同溫度下,平型件在光學顯微鏡和掃描電鏡(SEM)下的組織照片。從圖4(a)和圖5(a)可以看出,在加熱溫度為830℃時存在部分鐵素體,一是因為試樣未完全奧氏體化,二是因為加熱的鋼板向模具轉(zhuǎn)移過程中溫度下降生成部分鐵素體,鐵素體的存在會導致抗拉強度較低。隨著加熱溫度升高到860℃(如圖4(b)和圖5(b))以及升高至890℃(如圖4(c)和圖5(c)),奧氏體化更充分,轉(zhuǎn)變生成的馬氏體數(shù)量更多,可以看到大量的板條馬氏體,所以對應(yīng)圖3 (b) 所示的860℃與920℃抗拉強度較高。但是,當加熱溫度達到920℃時(如圖4(d)和圖5(d)),原始奧氏體晶粒尺寸粗大,根據(jù)Hall-Petch 定律可知將導致鋼板的抗拉強度下降[14-17]。
圖6 所示為平型件和U 型件及冷軋鋼板的性能對比圖。熱成形后的平型件和U 型件的性能都得到了大幅度的提高,如圖6(a)抗拉強度由不足500 MPa 增加到最高可達1500 MPa 以上,屈服強度由265 MPa增加至1200 MPa 以上,如圖6(b),硬度數(shù)值也得到大幅增加,如圖6(c),同時可以發(fā)現(xiàn)在相同熱沖壓成形條件下,U 型件的性能比平板件優(yōu)異。
圖7 所示為U 型件底部的掃描照片,可以發(fā)現(xiàn)在830℃下圖7(a)含有少量鐵素體,但是與圖5(a)830℃平板件相比,鐵素體含量更少;從圖7(b)至圖7(d)可以看出,從860℃到920℃的U 型件底部晶粒尺寸逐漸增大。通過比較圖5 和圖7 發(fā)現(xiàn)U 型件中馬氏體組織分布更加均勻細小,這是因為U 型件在熱成形時發(fā)生變形,形變儲能有利于馬氏體的形成及細化。所以U 型件的力學性能和組織相對平型件更加優(yōu)異和細小。
以上論述了U 型件底部的抗拉強度高于平板件,但是U 型件的結(jié)構(gòu)比平板件較為復雜,U 型件包括法蘭、側(cè)部和底部等幾個部位。為了研究U 型板側(cè)部和底部位之間的性能變化,對U 型件的側(cè)部和底部的性能進行分析,結(jié)果如圖8 所示。
可以看出在相同條件下,U 型件側(cè)面的抗拉強度、 屈服強度與硬度都比底部的低,U 型件底部性能比側(cè)面更加優(yōu)異。圖9 所示為860、890℃溫度時U 型件底部和側(cè)部在掃描電鏡下的組織照片。從圖9(a)和圖9(b)可以看出,U 型件的側(cè)部組織雖然主要為馬氏體,但也有少量鐵素體存在,而在圖9(c)和圖9(d)中幾乎沒有鐵素體,同時原奧氏體晶粒也比U 型件側(cè)面的晶粒更小,這是因為熱成形時U 型模的底部先與鋼板接觸并緊貼,而U 型模的側(cè)面后與鋼板接觸,從而導致U 型件的側(cè)面冷卻速度稍慢,側(cè)面馬氏體轉(zhuǎn)變不夠完全,冷卻后組織中含有圖9(a)和圖9(b)中的鐵素體組織,所以側(cè)面相對底面的力學性能較差[18]。
通常鋼板在U 型模中熱成形完成后會出現(xiàn)回彈現(xiàn)象,圖10(a)為熱成形后U 型件和U 模的對比圖,其中側(cè)面和法蘭都相對原來發(fā)生了一定角度的向內(nèi)偏移。判斷U 型件回彈情況一般是通過比較法蘭與側(cè)面之間的夾角θ1,以及底面與側(cè)面之間的夾角θ2,與原U 型模的2 個夾角的差的絕對值大小,實驗用的U 型模的2 個夾角為120°。圖10(b)所示為不同溫度條件下的回彈情況,計算出在不同的溫度條件下平均回彈為17°,且2 個角度的回彈變化情況大致相同。而在830、890℃和920℃時的回彈均在17°以上,但860℃時回彈最小,平均為16.6°,這是因為在860℃熱成形時,顯微組織分布更均勻,組織中的缺陷更少,殘余應(yīng)力較低,殘余應(yīng)力是產(chǎn)生回彈的主要原因,所以在860℃時,回彈最小,同時也表明該溫度下進行熱沖壓成形后的性能更加優(yōu)異[19-20]。
1) 初始冷軋鋼板組織主要是鐵素體和珠光體,其抗拉強度為466 MPa,屈服強度為265 MPa,伸長率29.5%,顯微維氏硬度值為158,拉伸曲線中有輕微的屈服平臺。
2)在加熱溫度為830℃時熱成形后試樣存在部分鐵素體,強度與硬度性能最低,隨著加熱溫度升高,熱成形后平板的力學性能顯著升高后逐漸降低,在860℃時性能較優(yōu),而在920℃時力學性能降低是晶粒粗大導致的。
3) U 型件在熱成形時發(fā)生變形,其底部力學性能比平型件以及U 型件的側(cè)面更加優(yōu)異,且U 型件在熱成形后側(cè)面和法蘭都產(chǎn)生了一定角度的向內(nèi)偏移回彈,在860℃時的回彈最小,平均為16.6°。在加熱溫度860℃后采用U 型模具的熱成形鋼的各項性能較優(yōu)。