高强度钢的成形.pdf

《高强度钢的成形.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高强度钢的成形.pdf（4页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、金加 专 题 M E T A L W O R K I N G F E A T U R E S 2008年第1期49汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 1 前言 冲压工程师习惯于用给定的技 术参数来确定材料，如屈服强度、 抗拉强度、伸长率和n值、r值。其 中，冲压模拟采用材料的拉伸曲线 作为输入。但经验表明，这种方法 可以导致错误的或意想不到的结 果，尤其是用复相钢作试验时。 汽车板成形方法通常包括一系 列独立的成形工艺。图1对基本的成 形工艺如深冲、延展、拉伸翻边、 弯曲成形等做出了定义。对于这 些特殊的成形方法来说，仅仅有应 力应变曲线是不足以来选择最合 适的材料的。每一种成形方法都会 对

2、Lankford参数（r值）、加工硬化 系数（n值）以及扩孔率（值） 等特定机械参数有额外要求。这些 参数和材料的微合金特性有密切的 关系，这样铌微合金化再加上一些 适当的处理会对它们造成很大的影 响。因此，下面主要阐述铌对不同 类型钢的影响。 2 高强度钢 2.1 高强度无间隙钢与烘烤强化无 间隙原子钢 在冷轧无间隙原子钢中剩余的 固溶碳和镍（采用真空脱碳后每项 都少于3010-6）的稳定性是通过 加入钛或镍或两者兼有来达到的。 无间隙原子钢的良好的冷成形性与 其高的Lankford参数（r值）和适 当的应变强化指数（n值）有关。 高强度无间隙原子钢主要基于铌 （0.02%）的强化。与同一级

3、别的 钛相比，铌强化的无间隙原子钢具 有更小的晶粒尺寸，进而具有更高 的屈服强度。因为铌的原子尺寸比 较大，具有拖曳作用，在终轧阶段 能够阻碍奥氏体的再结晶。此外， 奥氏体中固溶铌同样能够阻碍铁素 体转变，这也有进一步细化晶粒的 作用。但是值得注意的是，同钛强 化钢相比，铌强化钢在冷轧后需要 较高的退火温度来达到完全的再结 晶。 与传统的超低碳合金钢的设计 相比，文献中提到了两种新型的冶 金学方法。两种方法都将铌的含量 显著提高了，或者形成固相的铌， 或者在同时提升碳含量的情况下形 成细微的NbC沉淀。两种方法都可 以得到细化的晶粒，因此提高了强 度，并且在保持一个适当的r值的情 况下对材料的

4、二次冷加工脆性有了 改善。 通过一种特定的稳定的超低碳 钢冶金方法同样也可以生产烘烤 硬化钢。正如Voestalpine所描述 的，这种烘烤硬化的超低碳钢比传 统的烘烤硬化低碳钢更具优势。 ThyssenKrupp大致描述了一种典型 的通过加入铌和钛引起的硬化，而 且加入铌是最有效的方式。(510) 10-6碳的溶解量就可以获得至少 30 MPa的烘烤硬化效果，并且不会 产生过早的时效。在只有铌强化的 钢中，碳的溶解量比较容易确定。 这样，烘烤硬化钢机械性能的分散 性也降低了，从而改善了最终的零 高强度钢的成形 叙述了汽车板成形的不同工艺对钢板性能的要求，从而针对不同的需求选择合适 的高强度钢

5、，特别强调了铌如何改善这些高强度钢的性能。 中信金属公司中信微合金化技术中心 杨雄飞 图1 金属板材成形工艺及影响成形行为的典型材料性能 金加 专 题 M E T A L W O R K I N G F E A T U R E S 金属加工 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M2008年第1期50 件性能的再加工能力。烘烤硬化钢 非常适合做外侧板，因为它具有良 好的成形性，而且在喷烤漆后增强 了其耐冲击性，从而具有更高的强 度。除此之外，铌强化超低碳烘烤 钢的r值也就是各向同性很低，这 对拉伸成形是很有利的。 2.2 微合金化的高强度低合金钢 微合金化的高强度低合金钢是第 一批用于汽车结构生产

6、的高强度钢之 一，在一些现代客车中它们占了车身 总重的40%。这些钢种的特点就是高 的屈服率和由此产生的低加工硬化潜 能。这样便于确定零件的最小屈服强 度，因为局部的屈服强度对成形过程 中导致的变形程度相当的敏感。高强 度低合金钢的其他特性包括各相同性 以及良好的抗疲劳强度。高强度低碳 钢适用于生产低等或中等几何复杂度 的部件，如构成件、缓冲梁和底盘部 件等。 高强度低合金钢可以是热轧材 料，也可以是冷轧材料。现有的冷轧 厂都可以通过加热和连续退火生产冷 轧板带。并且，由于合适的晶粒尺寸 及经过了表面处理具有很强的韧性， 这种材料在全世界都有广泛的应用。 高强度低合金钢的生产依赖于 铌的微合金

7、化以及热轧厂中的热轧 工艺。这种处理能够得到细化的晶粒 和均匀的微观组织。尤其是渗碳体颗 粒的细化有利于成形行为的改善。理 想的强度级别是由铌的含量(0.02% 0.05%)以及Mn、Si等固溶强化决定 的。钛微合金化能够使屈服应力高于 400 MPa（如图2）。对于给定的化 学成分，热轧材料通常具有相对于冷 轧材料更高的强度值。 最近一种生产550 MPa屈服强 度的热轧板的方法就是降低碳含量 至大约0.04%，并且将铌含量提升到 0.09%以上。这样，不仅可以得到非 常好的细晶微观组织，同批的钢卷其 机械性能的离散程度也很低。显然， 屈服强度的低离散性对终轧部分保持 小的公差是有利的。由于

8、是铁素体 贝氏体组织，在机械剪切以后板材的 边部十分光滑。此外，当采用激光拼 焊技术时，相当低的含碳量同样也可 以防止边部硬化。因此，在板材边部 产生高的环应力的成形方法中，高强 度低合金钢无疑非常适合。 2.3 双相钢 通过在软的铁素体基体中形成硬 的马氏体相，双相钢的强度与韧性之 间得到了很好的协调。强度高低主要 是由硬的马氏体相的比例来决定的， 其变化范围为5%30%。这种类型的 钢特点是屈服强度低、拉伸强度高， 以及由此产生的高加工硬化。现在的 强度水平高达600 MPa冷轧双相钢商 品很少用铌合金化，然而在DP800和 DP1000中铌有利于形成细晶强化和 沉淀强化。这方面的内容SS

9、AB公司 和Voestalpine 有详细描述。 理论和实践都表明双相钢的细小 的微观组织也会带来良好的加工硬化 率。这样，在细小铁素体基体上均匀 弥散的马氏体岛使强度和成形性达到 了最优化的结合。互相连接的马氏体 聚结会导致材料在弯曲成形时过早失 效，因此应当尽量避免。冷轧双相钢 的细晶均匀组织是建立在热轧板已有 的合适的微观组织基础上，而这一点 可以通过铌微合金化和低的奥氏体区 终轧温度来达到。600 的卷曲温度 最适合铌的碳化物的析出。但是，当 达到630 时就会出现较多的带状组 织，从而使n值和屈强比下降。 在热轧双相钢中，铌的微合金化 引起明显的晶粒细化，进一步导致强 度的明显升高。

10、铌微合金化，高冷却 速率，再加上200 以下的卷曲温度 使铁素体晶粒的平均尺寸在2 m以 下。这时，其抗拉强度要明显高于没 有铌微合金化的粗大晶粒的材料。所 以，铌微合金化的材料可以在马氏体 含量很低的情况下达到要求的强度水 平，而低的马氏体含量对保证低屈强 比和高伸长率都是很有利的。 在成形过程中，低的屈服强度 使冲压时金属更容易开始塑性流 动，而双相钢的高应变强化能力也 增强了应变再分配，可以防止局部 减薄。由于成形方法的不同，最终 成品的实际屈服强度会因变形程度 的不同而在局部有所差别，这种差 别会影响零件的抗冲击性能。在弯 曲成形或拉伸翻边时，铁素体和马 氏体之间的强度的巨大差异会导致

11、 局部应力集中，从而削弱双相钢的 性能。铌微合金化和少量的贝氏体 有利于微观组织的细化，提高控制 这方面性能的值。 图2 铌、钛微合金化引起的低碳钢强度提高 金加 专 题 M E T A L W O R K I N G F E A T U R E S 2008年第1期51汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 2.4 相变诱发塑性钢 最近研制的相变诱发塑性钢达 到了在很高强度的同时有最高的伸长 率。优良性能的完美结合背后的机制 是在应变作用下亚稳的奥氏体向马氏 体的转变。经证明，相变诱发塑性的 效果发挥的程度取决于微观组织中残 余奥氏体的量及其稳定性。在热轧相 变诱发塑性钢中加入铌进行微合金化

12、可以稳定残余的奥氏体。神户制钢对 此有详细描述。少量铌的加入使残余 奥氏体的比例有了显著提高。而且， 铁素体基体的晶粒也得到了细化，这 有助于得到较高的强度。铌的这两种 功能相互协调，使材料的能量吸收能 力有了显著提高（如图3）。 在冷轧相变诱发塑性钢的生产 中，人们发现低的卷曲温度(500 ) 和铌的微合金化一起作用时会显著 降低马氏体出现的温度。在冷轧后 的临界区退火中，以非常细小粒子 形式溶解的铌的沉淀物可以控制晶 粒的尺寸，并保证微观组织的均匀 性。经过模拟发现，细晶粒的微观 组织对贝氏体的形成有滞后作用， 这样可以解释为什么在试验中只发 现少量的贝氏体。 与双相钢相似，相变诱发塑性钢

13、 因其显著的加工硬化行为和高度均匀 的延伸变形而在拉伸状态下有非常好 的表现。另外值得注意的是，相变诱 发塑性钢还显示了良好的深冲性。这 是因为其在收缩翻边状态下转变为马 氏体的奥氏体较少，而在模壁附近平 面变形时较多。因此，较硬的模壁附 近的部分会将较软的凸缘附近的部分 拉入模具中而不发生断裂。这种机制 的潜力在加入铌微合金化时会得到加 强，因为那样可以提高钢中奥氏体的 残余量。 双相钢和相变诱发塑性钢成形时 应该注意的一个主要问题就是各部分 的尺寸精度。冲压后的高残余应力会 导致反弹、扭曲、卷曲等形式的部分 变形。弥补这些影响的措施就是调整 零件的设计，优化冲压方法。这些措 施通用汽车公司

14、、福特公司、尼桑公 司和菲亚特公司有更详细的描述。 2.5 铁素体贝氏体钢和贝氏体钢 对底盘和车轮部分来说，主要的 成形方式有拉伸翻边、弯曲、扩孔和 电火花成形。这些成形方式要求材料 具有较高的值。这些零件要求高的 硬度和疲劳强度。局部的硬度可以通 过杨氏系数和厚度来确定，而疲劳强 度由拉伸强度和厚度决定。综合所有 的要求，高强度的铁素体贝氏体热 轧钢或贝氏体热轧钢是可选用的。图 4显示出通过选择钢的合适的微观组 织和化学成分可以使各项性能的结合 达到最优化。 低C-Mn-Si铁素体贝氏体钢的 微观结构达到了性能的最优结合， 抗拉强度高达600 MPa，且其离散 程度最低。在这些钢里，铌是标准

15、 的微合金化元素。 相对于传统的340 MPa的材 料，600 MPa级的钢种在理论上 的减重潜能大约为20%。然而，对 于800 MPa的材料，其减重潜能 会提高至30%以上。在这方面， Sumitomo公司的论文阐述了生产车 轮用的700 MPa 和800 MPa的热轧 钢的发展。可以达到目标强度的化 学成分为低碳、硅、锰、铬以及铌 和钛微合金元素。通过调整卷曲温 度，可以调整钢的微观组织来获得 更好的扩孔率或伸长率。 日本的几个钢厂在发展过程中遇 到的一个重要的问题就是对半镇静钢 种的设计，所谓的半镇静钢结合了高 的扩孔率和高的伸长率。这一点是通 过对微观组织的控制和避免微观组织 中出现

16、大的强度梯度来实现的。 2.6 马氏体钢 目前，部分马氏体钢或全马氏 体钢给车身和底盘部分提供了最高 的强度。热轧或冷轧的这些钢具有 高于1 000 MPa抗拉强度。当然，其 成形性很有限而且只能用来生产相 关的外形简单的零件。显微组织的 细化对成形性是有利的，因此正如 Voestalpine和SSAB公司描述的那样， 铌通常用来对这些钢进行微合金化。 (下转第58页） 图3 铌对热轧CSiMnAl相变诱导塑性钢 的能量吸收潜能以及残余奥氏体体 积分数的影响 图4 不同类型钢的扩孔率与抗拉强度之间的关系及其典型应用 生产 现 场 S H O P S O L U T I O N S 金属加工 汽

17、 车 工 艺 与 材 料 AT&M2008年第1期58 命，降低了噪声，其质量水平不断 提高，并开始向高档客车变速器市 场进军。 表1 成形法磨齿主要参数和加工方式 采用CBN砂轮采用氧化铝砂轮 砂轮直径/mm110 110 磨削速度/ms-140 30 磨削循环方式 从右向左粗磨第一个齿 从左向右精磨第一个齿 分度 从右向左粗磨第二个齿 从左向右精磨第二个齿 分度 直到完成全部齿的加工 相同 行程速度/mmmin-1 粗磨2 5002 000 精磨1 5002 000 磨削余量/mm0.2 单件节拍2555.1 王辉，1994年毕业于吉林工业大学汽 车拖拉机专业，高级工程师，工程硕士， 主要

18、研究领域为变速器零件工艺制造。 作者简介 （上接第51页） 几年来，热成形制造的零件的应 用越来越广泛。在最近的一款大众汽 车模型中，热成形的部分占据了整个 车身质量的15%。典型的模压硬化钢 (PH钢) 22MnB5是利用钛和硼微合金 化的。钢板在冲压前加热到950 附 近，然后在一个水冷模具中加压。这 种材料的热成形性非常好，而且由于 模具淬火最终的零件的强度可以达到 大众汽车提到的1 500 MPa。在丰田 汽车公司提到的另一种工艺中，零件 是经过恢复性退火的冷轧材料通过冷 变形得到的，然后在经过感应加热和 淬火使得冲压后的零件局部淬硬。马 氏体最终的强度是由钢中的含碳量水 平和冲压后的

19、冷却速率决定的。 模压硬化钢的冲击韧性受到越 来越多的关注。由于微观组织全是 由非常硬的马氏体构成，韧性就降 低了，这一点非常关键。因为在碰 撞试验中，这些零件通常都是放在 用来承受很高的冲击载荷的地方。 但是，现在还没有可靠的材料可以 用来进行韧性与脆性之间的转换。 在蒂森克虏伯公司最近对淬火回 火的厚坯的研究中提到，铌微合金 化的应用可以提高热成形钢的韧 性。在这种情况下，用来防止硼和 溶解的铌相结合的钛应该由铌和铝 的化合物取代。这样做的结果是造 成裂纹起始点的TiN粒子可以避免或 被细小的碳、氮铌化物沉淀取代， 从而降低热轧时晶粒尺寸，同样也 可以在冲压前加热到950 的过程 中限制晶粒的长大。通常，晶粒细 化对韧性是有利的。 3 结束语 随着新型高强度钢被用在汽车 车身结构，汽车工程师必须关注不 同钢种的组织类型，以选择合适材 料来符合特定工艺条件下的需要。 在这些钢种中，铁素体、珠光体、 贝氏体、马氏体和奥氏体以单相、 双相或者多相的形式出现，影响了 特定的机械参数。而铌微合金化进 一步加强了这些特性。 AT &M AT &M