國內(nèi)外高強度汽車板熱沖壓技術(shù)研究現(xiàn)狀

1、 康 斌為適應(yīng)汽車輕量化 、 降低燃油消耗 、 減少污染物排 放和提高汽車碰撞安全性的要求 , 汽車用高強度鋼板 的使用比重越來越大 , 如高強度雙相鋼 、 TRIP 鋼等 。 高 強度汽車板 、 尤其是超高強度汽車板在常溫下的變形 范圍很窄 。 當(dāng)前各大汽車廠生產(chǎn)車身及部件主要采用 冷沖壓法 , 采用此法沖壓高強度汽車板時 , 沖壓過程中 需要的沖壓力大且容易開裂 , 產(chǎn)生過量回彈 。 尤其是針 對超高強度鋼板 (抗拉強度 550MPa , 沖壓時這兩項 缺陷尤為突出 。 熱沖壓技術(shù)可以解決這兩個問題 , 同時 可以使沖壓后的成品抗拉強度得到大幅度提高 。一 、 鋼板熱沖壓技術(shù)1. 基本概念

2、 。 熱沖壓工藝是將高強度鋼板加熱到 奧氏體溫度范圍 , 鋼板組織完成變化后 , 快速移動到模 具 , 快速沖壓 , 在壓機保壓狀態(tài)下 , 通過模具中布置的 冷卻回路并保證一定的冷卻速度 , 對零件進行淬火冷 卻 , 最后獲得超高強度沖壓件 (組織為馬氏體 , 抗拉強 度在 1500MPa 甚至更高 的新型工藝 。 見圖 1、 圖 2。圖 1高強度汽車板熱沖壓一般工藝圖 2高強度汽車板熱沖壓主要工藝過程從熱沖壓的工藝流程來看 , 關(guān)鍵工藝過程是加熱 、 沖壓 、 保壓和冷卻 。 加熱過程直接影響到高強度鋼板的 沖壓性能 。 沖壓是沖壓機在一定沖壓速率的條件下使 鋼板成型 。 保壓是為了保證零部

3、件成型狀態(tài)的穩(wěn)定性 , 并完成淬火使鋼板發(fā)生組織轉(zhuǎn)變 。2. 熱沖壓的主要設(shè)備(1 加熱爐 。 其功能是將鋼板加熱到再結(jié)晶溫度 , 一方面要求加熱爐的能力要滿足要求 ; 另一方面從保 證板面質(zhì)量來看 , 爐內(nèi)又需要通保護氣體 , 避免鋼板在 加熱過程中被氧化 。 從滿足連續(xù)大批量生產(chǎn)的要求來 看 , 加熱爐應(yīng)該能實現(xiàn)自動進出料 , 且出料位置有一定 精度 , 以便于后續(xù)生產(chǎn) 。 從保證生產(chǎn)連續(xù)性的需求來 看 , 加熱爐與其他連續(xù)性生產(chǎn)一樣 , 配備了 2套動力裝 置 , 而且在意外發(fā)生后能保證加熱爐自動啟動 , 以確保 爐況正常和爐內(nèi)設(shè)備使用壽命 。(2 上下料裝置 。 出加熱爐后的鋼板仍然處

4、于高溫 狀態(tài) , 為了能夠?qū)⒓訜岷蟮陌辶蠝?zhǔn)確夾送到?jīng)_壓模具上 (國外某典型熱沖壓設(shè)備提供商夾具見圖 3, 只能依靠 特定板料形狀而設(shè)計的夾具機器人或機械手來快速 、 平 穩(wěn) 、 準(zhǔn)確地將高溫狀態(tài)下的鋼板送到模具上 。 這樣可以 避免鋼板在夾送過程中的表面氧化和局部溫降 。 熱 沖 壓 后 經(jīng) 保 壓 淬 火 后 的 零 件 表 面 溫 度 尚 有 200 左右 , 也只能采用夾具或機械手下料 。 國外某典型 熱沖壓設(shè)備提供商生產(chǎn)的下料夾具和機器人見圖 4。圖 3國外某公司生產(chǎn)的熱沖壓夾具(3 壓機 。 鋼板熱沖壓壓機既要具備快速合模沖 壓 , 又要有保壓的功能 , 這是一般冷沖壓壓機所不能完

5、成的 。 因此 , 壓力機是熱沖壓的關(guān)鍵設(shè)備 。國內(nèi)外高強度汽車板 熱沖壓技術(shù)研究現(xiàn)狀9C Mn P S Si Al Ti B Cr 0.22101.21100.019.0.00300.03900.00370.1910表 1USIBOR1500高強鋼的化學(xué)成分單位 :%C0.270.331.151.45 0.0250.0010.0050.010.30表 322MnB5和 30MnB5高強鋼的化學(xué)成分單位 :%C Mn P S Si B Cr 0.20.251.01.3<0.019<0.01表 2Docol Boron02高強鋼的化學(xué)成分單位 :%(4 模具 。 熱沖壓模具一方面要完

6、成沖壓成型 , 另 一方面要完成對鋼板沖壓過程中的淬火冷卻 , 因此模 具周圍都設(shè)計有冷卻系統(tǒng) 。 現(xiàn)在投入工業(yè)生產(chǎn)的熱沖 壓模具一般使用的是水循環(huán)冷卻 。 國內(nèi)模擬試驗的模 具冷卻水系統(tǒng)位于凹模與凹模座之間 。 模具的材料也 是關(guān)鍵 , 有文獻報道國外采用的是 Al 2O 3/Cu復(fù)合材料 。 在連續(xù)高速批量生產(chǎn)過程中 , 模具應(yīng)保持相對一致的 溫度 , 以保證批量生產(chǎn)部件的質(zhì)量穩(wěn)定 。(5 切邊和沖孔 。 熱沖壓后的零件強度高 , 需要采 用激光切割進行切邊和沖孔 。 采用機械式?jīng)_壓 , 則要求 壓機噸位大 。 國外某典型熱沖設(shè)備提供商熱沖壓設(shè)備 如圖 4所示 。(a 熱沖壓機器人(b 熱

7、沖壓壓機 、 模具和 成形后的汽車零部件圖 4國外某公司生產(chǎn)的熱沖壓設(shè)備3. 熱沖壓工藝設(shè)備的優(yōu)缺點 。 采用熱沖壓工藝后 , 尤其是轎車車身所用高強度或超高強度鋼板的厚度可 以降低 , 同時由于部件的強度得到大幅度提高 , 車身上 的加強板 、 加強筋可以大量減少 , 從而減少了車身的重 量 , 同等條件下提高了車身的防撞安全性 。由于采用熱加工工藝 , 鋼板的熱變形能力得到大 幅提高 , 并且沖壓變形所需的壓力相對降低 , 一般而言 熱沖壓軋機的噸位 800t 就可以滿足生產(chǎn)要求 。 在熱狀 態(tài)下沖壓 , 也降低了回彈的程度 , 基本沒什么回彈 。相對冷沖壓而言 , 熱沖壓也有不足之處 。

8、 由于需要加熱爐對鋼板進行前處理 , 增加了加熱設(shè)備及其能耗 這一大環(huán)節(jié) 。 生產(chǎn)過程中由于需要加熱和保壓 (淬火 , 從而增加了生產(chǎn)時間 , 生產(chǎn)效率也因此降低 。此外 , 由于熱沖壓成熟的技術(shù)設(shè)備 , 特別是熱沖壓 壓機 、 模具 、 激光切割機以及全套設(shè)備的自動控制系統(tǒng) 基本由國外公司掌控 , 技術(shù)封鎖嚴(yán)密 , 現(xiàn)階段設(shè)備投資 大 , 一般的小型汽車廠難以承受 。二 、 國內(nèi)外對熱沖壓高強鋼的研究現(xiàn)狀汽車用高強度鋼板熱沖壓用的原料 , 要求抗拉強 度在 400600MPa左右 。 目前 , 主要用于熱沖壓的高強 度和超高強度汽車板為含硼鋼板 。 安賽樂米塔爾能批 量 生 產(chǎn) USIBOR

9、1500、 USIBOR1500P 、 熱 鍍 鋅 USI -BOR1500和帶 Al-Si 鍍層的熱沖壓鋼板 USIBOR1500。 帶 Al-Si 鍍層的熱沖壓鋼板 USIBOR1500由于有 Al-Si 鍍層不會產(chǎn)生氧化鐵皮 , 其典型化學(xué)成分如表 1所 示 。 此外 , 瑞典 SSAB 公司開發(fā)了熱軋硼鋼板 DocolBoron02、 04, 其 典 型 化 學(xué) 成 分 見 表 2, 與 USIBOR1500有些類似 。 蒂森克虜伯鋼鐵公司也能批量生產(chǎn)熱沖壓 鋼種 。 美國西沃斯巴公司和戴姆勒克萊斯勒共同研發(fā) 了熱沖壓硼鋼 。 日本 、 韓國等鋼廠也能生產(chǎn)熱沖壓用 鋼 。 此 外 ,

10、國 外 試 驗 研 究 比 較 多 的 是 22MnB5和30MnB5, 德 國 薩 爾 茨 吉 特 集 團 研 制 的 22MnB5和 30MnB5的化學(xué)成分見表 3, 表 3中未列出 30MnB5中 Ti 含量 , 其含量為 0.020%0.050%。 此外 , 該公司還能 生產(chǎn) 24MnB5和 26MnB5, 但都只有熱軋產(chǎn)品 。 目前 , 國 內(nèi)鋼廠只有寶鋼開發(fā)了不帶鍍層的熱沖壓用鋼 冷 軋 B1500HS 、 熱軋 B1500HS , 并實現(xiàn)批量供貨 ?？偟膩砜?, 熱沖壓高強鋼的化學(xué)成分主要特點是 , 含有微量的 B 和較多的 Mn , 此外還含有微量的 Ti , 因 此有些研究直

11、接稱為高強度硼鋼熱沖壓技術(shù)研究 。 表59鋼種Boron02Boron04USIBOR1500沖壓前 沖壓后 沖壓前 沖壓后 沖壓前 沖壓后4根據(jù)有關(guān)研究成果列出了 3種高強度汽車板熱沖壓 后的強度變化 。 可見熱沖壓后 , 高強度汽車板的抗拉強 度得到了大幅提高 , 都在原來的 2倍以上 。三 、 國內(nèi)外高強度汽車板熱沖壓成形工藝研究現(xiàn)狀1. 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 。 主要是同濟大學(xué) 、 哈爾濱工業(yè)大 學(xué) 、 吉林大學(xué) 、 上海大眾汽車和奇瑞汽車 、 寶鋼研究院 等相關(guān)研究單位在對熱沖壓技術(shù) 、 關(guān)鍵設(shè)備進行研究 , 上海市對此還設(shè)立了專門的科研項目進行資助 。 國內(nèi)大學(xué)研究高強度汽車板熱沖壓工藝取

12、得成果 較多的是同濟大學(xué)機械與材料學(xué)院 , 他們選用的是安 賽樂生產(chǎn)的 USIBOR1500高強度鋼板 , 采用熱模擬機 和量身訂制的模具進行試驗研究 。 主要研究了熱沖壓 過程中 , 鋼板的加熱溫度與鋼板內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化模 式 、 沖壓速度 、 保壓時間 、 冷卻臨界速度 (淬火速度 、 沖 壓模具溫度變化對成形的影響等方面的模擬研究 。 國內(nèi)實驗研究表明 :高強度汽車板熱沖壓加熱溫 度為 850950 為宜 ; 模具在室溫下 , 即原始溫度 10 50 對 熱 沖 壓 成 形 沒 有 明 顯 影 響 ; 保 壓 時 間 一 般 為 155260s, 冷卻速度一般 21 /s, 淬火后零件溫

13、度為 200 左右 , 冷卻水臨界經(jīng)濟流速為 0.7m/s。2. 國外研究現(xiàn)狀 。 國外對此工藝研究的比較早 , 由 于技術(shù)封鎖 , 很難見到有實際意義的生產(chǎn)線的技術(shù)文 獻和有關(guān)高強度汽車板熱沖壓生產(chǎn)實踐性資料 , 公開 發(fā)表的絕大部分都是試驗研究 。 大多集中在汽車工業(yè) 比較發(fā)達(dá)的歐洲國家 , 如瑞典得勒歐理工大學(xué) 、 德國紐 倫堡大學(xué) 、 德國 Munchen 理工大學(xué) 、 意大利帕瓦大學(xué) , 日本橫濱國立大學(xué) 、 豐橋科技大學(xué) , 此外伊朗 Arak 大 學(xué)都對高強度淬火鋼板熱沖壓成形原理和工藝進行了 研 究 , 主 要 采 用 熱 模 擬 機 、 用 安 賽 樂 生 產(chǎn) 的 USI -

14、BOR1500高強度鋼板進行研究 。但國外尤其是歐洲已有設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)能夠提供高 強度汽車板熱沖壓生產(chǎn)線 。 如 , 瑞典 AP&T公司具備提 供整套熱沖壓設(shè)備能力 、 德國舒勒公司能夠提供全套 的鋼板熱沖壓設(shè)備 , 舒勒已向一家德國汽車制造廠提 供 6條全自動熱成形生產(chǎn)線 , 國內(nèi)熱沖壓整套和部分 設(shè)備都還沒有廠家能夠生產(chǎn) 。四 、 鋼板熱沖壓技術(shù)主要應(yīng)用部件高強度汽車板熱沖壓技術(shù)主要用于生產(chǎn)轎車車身 結(jié)構(gòu)中對強度要求高的部件 , 如 :門內(nèi)側(cè)梁 、 柱 , 底板中 央通道 、 車身縱梁和橫梁 、 門檻 、 保險杠等安全防撞件 。 這些部件的強度級別直接關(guān)系轎車的安全性能 , 尤其 是

15、國家提高了對汽車防撞級別的要求 , 這些部件的強 度級別更是關(guān)系到整車的安全星級 。研究顯示 , 德國大眾 B6車型 、 沃爾沃 XC90和 C70、 馬自達(dá) 6采用了高強度硼鋼和熱沖壓成型工藝 。 國內(nèi)某自主品牌汽車也在部分車型中采用了此項技術(shù) 以提高碰撞安全級別 。結(jié)語 。 目前 , 國內(nèi)各大型汽車用鋼生產(chǎn)企業(yè) , 對高 強度和超高強度硼鋼板的開發(fā)還比較滯后 , 品種也相 對較少 , 還沒有研發(fā)出并批量生產(chǎn)帶涂層的熱鍍鋅品 種 , 需要鋼廠加大研發(fā) , 以滿足汽車生產(chǎn)企業(yè)對高強鋼 板的需求 。 國外對熱沖壓設(shè)備及其應(yīng)用技術(shù)的研究封 閉嚴(yán)密 , 國內(nèi)大型鋼廠可以與有關(guān)汽車生產(chǎn)企業(yè) 、 沖壓 設(shè)備制造企業(yè) 、 相關(guān)重點院校加強合作 , 以期在熱沖壓 設(shè)備制造領(lǐng)域取得突破 。 這樣可以加快高強鋼板的研 發(fā)與應(yīng)用 , 提高高強度汽車鋼板的應(yīng)用比重 , 打破國外 技術(shù)封鎖 , 降低設(shè)備成本 , 使該技術(shù)得到廣泛推廣 。 在 設(shè)備引進方面 , 鋼廠可以與汽車生產(chǎn)企業(yè)簽訂有關(guān)協(xié) 議 , 加強技術(shù)和設(shè)備投入合