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世界超高強度鋼板熱壓成形研究與進展

目前,汽車工業界對于汽車輕量化有著日益緊迫的要求。車身輕量化發展主要有兩個方向:

世界超高強度鋼板熱壓成形研究與進展 行業信息 第1張

一是優化汽車框架和結構,即利用有限元法和優化設計方法進行結構分析和結構優化設計,以減輕車身骨架、發動機和車身鋼板的重量;

世界超高強度鋼板熱壓成形研究與進展 行業信息 第2張

二是在車身制造上采用高強度低密度材料,如高強度和超高強度鋼板。在目前看來,車用高強度和超高強度鋼板以其輕質、高強度的特點在汽車生產中越來越受關注,并已成為滿足汽車減重和增強碰撞強度、提高安全性能的重要途徑。 

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但是,眾所周知,超高強度鋼板在室溫下變形能力很差。

一方面,超高強度鋼板強度高,在室溫下塑性變形范圍很窄,所需的沖壓力大,而且容易開裂;

另一方面,沖壓成形后零件的回彈增加,導致零件尺寸和形狀穩定性變差。因此傳統的冷沖壓方法難以解決超高強度鋼板在汽車車身制造中遇到的問題。超高強度鋼板的熱沖壓成形技術是能夠解決上述問題的一種新型的成形技術。

近年來,世界各國汽車業投入大量的精力來開展超高強度鋼板開發和熱沖壓成形技術的研究,歐美和日本的主要汽車制造企業已開始嘗試使用通過熱沖壓成形技術生產的超高強度鋼板構件,如車門防撞桿,保險杠加強梁,A、B、C柱,門框加強梁等。

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德國蒂森克虜伯公司、美國本特朗特公司、安賽樂米塔爾公司都可提供超高強度的熱沖壓部件。


1  熱沖壓成形對鋼板和模具的要求


熱沖壓超高強度鋼板。熱沖壓成形工藝一般是將板料加熱到再結晶溫度以上某個適當的溫度,使其完全奧氏體化后再進行沖壓成形,沖壓成形后須保壓一段時間使零件形狀尺寸趨于穩定。

在成形和保壓過程中,為了防止板料強度降低,須進行淬火處理以獲得在室溫下具有均勻馬氏體組織的超高強度鋼構件。

由于熱沖壓是在板料沖壓成形的同時進行了淬火處理,故熱沖壓用鋼板的成分設計要適應熱沖壓過程中的熱循環,如含硼鋼板,在鋼的組織轉變時,可以延遲鐵素體和貝氏體的形核進而增強了鋼的強度。

此外,鋼板被加熱至再結晶溫度以上時,在空氣中不可避免地會出現表面的氧化和脫碳,進而影響鋼板的強度。因此,熱沖壓成形鋼板應具備抗高溫和耐腐蝕的鍍層。

熱沖壓成形模具。在熱沖壓過程中鋼板和模具都要經過從900℃以上到室溫這一復雜的溫度變化。模具集對板料成形與淬火作用于一身,其材料選擇、結構設計都有嚴格的要求,對于熱沖壓部件最終性能有著重要影響。

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在超高強度鋼板的熱沖壓工藝中,不僅要求成形模具具有足夠的結構剛性、表面硬度和疲勞壽命,更要求模具能夠穩定地工作在劇烈的冷熱交替條件下,同時能夠抵抗高溫板料對模具產生的強力熱摩擦,以及脫落的氧化層碎片和顆粒在高溫下對模具表面的磨粒磨損效應。根據模具的加熱溫度,一般需要參考熱鍛用模具鋼,選用合理的模具材料。

為滿足熱沖壓成形零件淬火和批量生產的要求,在熱沖壓模具中須設置冷卻系統。在冷卻系統設計時既要使零件的冷卻速度足夠快,使奧氏體組織盡可能多地轉化成馬氏體組織,以保證零件的強度;還要通過該冷卻系統迅速帶走每次熱沖壓后模具儲存熱量,保證每次沖壓前模具初始條件相同,從而穩定沖壓質量和產品質量。

2  熱沖壓成形超高強度鋼板研究現狀


熱沖壓超高強度鋼板的開發現狀。目前,全球最大的鋼鐵公司安賽樂米塔爾開發了熱沖壓成形鋼板USIBOR1500。該鋼板為鍍鋅板,鍍層質量為120g/m2-160g/m2。淬火后力學特性明顯,強度值可達到1600MPa。

該鋼板可保持良好的韌性,沖擊韌度達到800J/m2。此外,該鋼板低溫脆性和焊接性能也較好。采用此種鋼板生產的汽車零件可以使同等強度、剛度的零件減重50%以上。

德國蒂森克虜伯開發了錳硼合金鋼,其熱沖壓淬火后最高強度可達1600MPa。此外,美國西渥斯托公司和戴姆-克萊斯勒公司共同開發出了熱沖壓硼鋼,用于取代載重車架橫梁以減輕重量,而且提高了耐疲勞性能。對汽車大梁的研究表明,由硼鋼制成的零件比原有模式制成的零件更加耐用。用硼鋼代替中等鋼制成的零件重量減輕了20%。

超高強度鋼板熱沖壓技術研究現狀。在汽車工業中,基于減重和環保的目的,超高強度鋼板的熱沖壓成形技術逐漸受到關注和重視,各大鋼鐵公司、汽車制造廠商和部、分大學紛紛開始了超高強度鋼板的熱沖壓成形技術的研究。

由于超高強度鋼板熱沖壓成形具有集成形與淬火工藝于一體的特殊性,其研究集中在以下幾個方面:

第一,從宏觀上探索超高強度鋼板連續冷卻工藝的特性和在高溫下的流動性能。超高強度鋼板連續冷卻工藝特性和高溫流動性能是制定熱沖壓工藝的基礎。

一方面,采用熱膨脹和淬火工藝試驗確定鋼板的連續冷卻轉變特征參數,如預熱溫度、預熱時間和冷卻速度;另一方面,通過熱模擬試驗,再現熱沖壓物理過程,獲得鋼板在高溫下的流變行為。

第二,采用數值模擬技術研究熱沖壓成形過程,分析各參數對部件性能的影響規律。隨著計算技術尤其是有限元理論和方法的不斷發展,描述宏觀尺度的塑性變形物理模型、數值計算方法日臻完善,數值模擬成為研究塑性變形過程的有力手段。借助數值模擬技術可以對熱沖壓變形過程中的溫度場進行模擬,并分析熱沖壓過程參數對于熱沖壓過程的成形力、板料厚度等的影響規律。

世界超高強度鋼板熱壓成形研究與進展 行業信息 第6張

第三,從微觀上研究熱沖壓成形過程中材料組織變化情況以期預測熱沖壓部件最終的強度性能。美國一些學者認為,產品的內部微觀組織結構是決定產品最終性能的重要因素。

通過研究熱沖壓過程中奧氏體分解和組織轉變,預測并控制產品最終組織分布和強度性能。

第四,超高強度鋼板熱沖壓成形試驗研究。試驗研究是一種直觀有效的方法。在熱沖壓成形工藝分析的基礎上,設計成形性能試驗裝置以期獲得材料高溫下成形性能,制造熱沖壓模具,進行熱沖壓零件制備,通過調節各工藝參數優化熱沖壓工藝。

3  熱沖壓成形技術的關鍵問題


目前,有關人員雖然對超高強度鋼板熱沖壓成形技術進行了研究,取得了一定的成果,但對其關鍵問題的研究還不夠系統和深入,從而限制了熱沖壓成形技術在工程中的廣泛應用,主要體現在以下兩個方面:

第一,應考慮成形溫度、降溫速率和相變形為的熱沖壓成形極限。在以彎曲為主的成形情況下,熱沖壓非常有利,不會發生冷加工成形時的問題,即彈性變形回復,但在對復雜部件進行成形時,須進行凸肚、深沖和凸緣等成形加工,因此必須弄清它們在高溫下的成形極限。變形阻抗不僅與溫度有關,而且沖頭接觸部分溫度的下降和氧化鐵皮的潤滑效果也會對其產生復合影響。通過改進常溫成形極限試驗裝置,考慮成形溫度、降溫速度和材料相變行為等,建立熱沖壓成形極限涵十分有必要。

第二,對熱沖壓零件的質量控制。熱沖壓零件最終質量既受宏觀工藝條件影響,又由材料微觀組織變化決定。沖壓過程中零件的溫度不均勻會直接導致最終零件性能的不均勻。

如果在沖壓零件沒有充分冷卻時就將其從金屬模具中取出,制品的硬度和形狀精度會下降。因此,針對不同零件,在進行模具結構及其冷卻系統設計、改進冷卻溝槽的布置、提高模具的冷卻速度的同時,保障零件均勻降溫是熱沖壓零件質量控制的可行之舉。

結語


隨著世界經濟和社會的發展,節能、舒適、降低排放和提高安全性已經成為現代汽車結構、性能和技術的重要發展方向。作為汽車輕量化的重要途徑,超高強度鋼板熱沖壓成形技術正備受世界各國學者的普遍關注。這項技術的發展歷史雖然并不長,但其在減輕車身質量、增強部件強度和尺寸精度方面所顯示出的潛力無疑是巨大的。因此,系統地、深層次地展開此方面的研究對世界汽車業的發展具有十分重要的現實意義。

原文出處:http://www.josen.net/post/Research-and-development-of-hot-forming-of-world-super-high-strength-steel-sheet.html 


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