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超高强度钢板热成形软区关键技术的研发

国“十一五”汽车产业发展规划中提出“扩大新材料和轻量化技术应用范围”为未来的重点研究发展项目,且国家已颁布的《乘用车燃料消耗量限值》以整车整备质量来确定汽车的耗油量,且对驾驶员及乘客的安全保护要求越来越高,更已增加正面25%偏置碰撞,因此在保证安全的前提下尽可能减轻车身自重已成为汽车工业的重中之重,而利用水冷和电热系统能精确定位生产超高强度汽车零件模具制造的热成形软区汽车车身部件,既可以做到节能减排,同时也可提高汽车安全性能,其作为汽车轻量化领域内最重要的组成部分,而在热冲压软区成形中如何有效的利用水冷和电热系统且能精确定位生产模具技术的研究变得十分重要。

热冲压超高强度钢板介绍

如图1所示,根据超轻量一体式车架(ULSAB)研究,超高强度钢板(UHSS)是指屈服强度大于550MPa的钢板,包括CP钢、MS钢等;高强度钢板(HSS)是指屈服强度在210~550MPa范围内的钢板,包括HSIF钢、BH钢、HSLA钢等;普通钢板(LSS)是指屈服强度小于210MPa的钢板,如图1所示。为了区别于一般的高强度钢板(HSS),把DP钢、TRIP钢等以相变强化为主的钢板称为先进高强度钢板(AHSS),其抗拉强度范围为500MPa~1500MPa。
热冲压成形高强度钢板化学牌号为22MnB5,是一种锰硼合金钢,淬透性很好,钢板的化学成分特点是在碳锰合金钢的基础上添加一定量的硼。如图2所示,22MnB5原始状态微观组织主要由铁素体和珠光体组成,屈服强度为300MPa左右,抗拉强度为500MPa左右,硬度为20HRC左右,具有良好的塑性和成形性能。材料加热到900℃~950℃并保温一段时间后微观组织转变为奥氏体,热冲压成形和保压淬火结束后微观组织转变为板条状马氏体。热冲压成形后材料屈服强度可以达到1100MPa左右,抗拉强度可以达到1500MPa左右,硬度可以达到50HRC左右,比原始状态提高2~3倍。

热冲压原理及工艺

热冲压成形技术是将热冲压高强度钢板料在防氧化加热炉中加热到奥氏体再结晶温度以上,其微观组织由铁素体和珠光体转变为奥氏体,并且保温一段时间使其充分均匀奥氏体化,再通过机械手等设备将高温板料转移到具有冷却水道的热冲压模具中,最后完成板料的冲压成形和保压淬火。板料在高温下冲压成形可以保证其成形性能和成形精度,热冲压成形后板料的微观组织由奥氏体转变为板条状马氏体,抗拉强度可以达到1500MPa左右,最终获得兼具高强度和高精度的热冲压零件。热冲压工艺原理如图3所示。
超高强度钢板热冲压工艺分为直接热成形(一次成形)和间接热成形(二次成形)两类,如图4所示。在直接热成形工艺中,首先把板料加热并保温至充分均匀奥氏体化,然后将高温板料转移至水冷模具一次完成冲压成形并保压淬火,获得最终热冲压零件。变形程度不大或者形状相对比较简单的零件适合使用直接成形工艺生产。在间接热成形工艺中,首先将板料冷冲压成形到一定形状,然后将其加热并保温至充分均匀奥氏体化,最后将高温板料转移至水冷模具完成最终形状的冲压成形并保压淬火。变形较大或者形状相对复杂的零件适合使用间接成形工艺生产。

热冲压软区原理及工艺

图5所示为汽车中支柱加强板零件料片,其中标注1为需要硬区位置,最终零件该位置抗拉强度需要大于1300MPa,屈服强度需要大于900MPa,通过对模具该位置的镶块进行水道加工,连接水冷系统,实现快速冷却,从而使原材料组织由奥氏体转变为均匀马氏体,达到我们的需要;标注2为需要软区位置,最终零件该位置抗拉强度需要大于600MPa,屈服强度需要大于400MPa,尺寸符合率大于90%。

实现该同一零件上存在不同的机械性能分布,本次工艺研发主要通过三项工艺来实现:(1)加热工序;(2)成形冷却工序;(3)模具加热工序。加热工序指料片在加热炉内加热升温,料片组织奥氏体化的过程;成形冷却工序指料片硬区部位在模具内部快速成形冷却,料片硬区部位组织在模具内由奥氏体转化为马氏体过程;模具加热工序指料片软区部位模具内部持续稳定加热,料片软区部位在模具内保留原有加热工序的奥氏体、珠光体和铁素体的多项组合组织。

技术要求:
硬区机械性能:抗拉强度1300~1650MPa,屈服强度1000~1300MPa,延伸率:A50≥5%,硬度HV10/HV30:400~520。
软区机械性能:抗拉强度640~865MPa,屈服强度420~550MPa,延伸率:A50≥15%,硬度HV10/HV30:200~270。

热冲压成形精确定位软区技术优点

(1)热冲压成形零件强度等机械性能显著提高,可以承受更大的撞击力,能够有效地提高汽车的碰撞安全性能,实现汽车轻量化,且回弹很小,在热冲压成形工艺中,板料在高温下冲压成形,几乎没有回弹,能够成形高精度的热冲压零件,由于成形性能的提高,减少了变形的工序数,从而提高了生产效率。
(2)热冲压成形软区零件可实现高强度部位抗拉、屈服强度等机械性能显著提高,达到可以承受更大的撞击力的效果,同时也可使需要低强度部位拥有较低抗拉、屈服强度,在碰撞时达到吸能和溃缩的作用,两者方式的结合能够有效地提高汽车的碰撞安全性能,实现汽车轻量化。实现同一个热成形零件在不同区域有不同的机械性能,优化零件在整车碰撞试验中的性能表现。
(3)可精确快速调节的定位杆装置以及调节可伸缩的定位杆装置在模具中的应用,通过精确定位和快速调节可有效减少工装上线调节时间,精确控制零件软区和硬区过渡区的长度,达到降低生产成本的目的。

工艺流程及工艺实施

开卷落料→转移→加热和保温→转移→冲压成形、保压淬火和模内持续加热保压→转移。
(1)开卷落料:使用落料压机和落料模具冲裁出所需外形轮廓的热冲压板料。
(2)转移:使用机械手等设备将毛坯转移至加热炉中。
(3)加热和保温:将板料加热到奥氏体再结晶温度以上,并且保温一段时间,使其充分均匀奥氏体化。奥氏体化参数加热温度和保温时间对板料的奥氏体化质量有重要影响。加热和保温过程中板料表面很容易氧化,影响后续冲压淬火效果并且增加了表面清理工序。对板料进行表面防氧化处理(防氧化涂层)或者向加热炉内充入保护气体(氮气等)能够显著减少甚至避免钢板产生氧化皮。
(4)转移:使用机械手等设备将奥氏体化后的板料从加热炉中取出转移至热冲压成形水冷模具中。
(5)冲压成形、保压淬火和模内持续加热保压:快速完成冲压成形并保压淬火一段时间,利用模具的冷却系统对高温板料进行淬火热处理,使热冲压零件硬区部位获得均匀的马氏体组织和良好的机械性能。模内持续加热保压使热冲压零件软区部位保留原有奥氏体,不让其进行马氏体转化。另外保压可以减小回弹,提高热冲压零件形状精度。
(6)转移:使用机械手等设备将热冲压成形零件从模具中取出。
图6所示模具内软区位置,布置电阻丝,用于模内持续加热。

图7所示硬区部位模具内部依然布置水道,通过水路系统和设备水路进行连接,通过外部设备的水流量控制及水温控制,确保硬区部位镶块表面温度小于80℃,以此保证零件硬区部位金相组织由奥氏体向马氏体的转化,满足技术要求。

实施效果验证

检测结果如图8、表1、表2所示。

关键技术及创新亮点

主要创新点

(1)运用温度模拟、水道布置、电加热系统等技术开发了全新热成形软区模具,建立了热成形软区模具设计标准;
(2)开发了热成形软区工艺参数数据库;

(3)开发了热成形模具可精确快速调节的定位杆装置以及调节可伸缩的定位杆装置,降低了工装上线的调节时间,达到了生产降成本的目的;

(4)实现热成形软区生产线设备模块化集成的自主设计。

国内外对比

热成形零件定制化生产,局部软化工艺是指板料为一个等厚料片,通过特殊设备或者模具实现不同区域、不同强度的功能。同一个零件上分成了2个区:硬区和软区,硬区抗拉强度为1300~1650MPa,屈服强度为900~1300MPa;软区抗拉强度为640~865MPa,屈服强度为420~550MPa。
实现该技术热成形生产单位主要通过加热炉设备分区加温控制进行料片的不同位置加热温度控制,该技术在温度控制上有着天然的优势,但要实现该功能,将产生巨大的设备投资费用,且在生产线建设完成后无法进行后期添加,因此并不适用于稳定持续发展的生产型企业实施。
本次研发利用水冷和电热系统能精确定位生产超高强度汽车零件模具是解决设备投资巨大,后期生产线无法变更的唯一途径,通过将板料整体加热至860℃~960℃,使料片完全奥氏体化,然后在模具料片硬区部位布置水道,增加冷却速度,并在模具合模时快速冷却,使料片全部形成高强度淬火马氏体。软区部位模具内部布置加热系统,外部连接加热控制系统,使软区部位持续稳定加热至500℃,保持高温加热10s以上,直至需要软化的部分保留原有奥氏体、珠光体和铁素体的多项组合组织,以实现同一零件上不同区域有不同的机械性能。
该项技术的研发相比传统设备改造或者追加设备类投资有着更低的投资成本,且在后期现场调试可有更多的变化点,可根据软区部位实际的检测效果来变更工艺参数(模具内镶块加热温度的控制,保压时间的控制)达到软区屈服强度420~550MPa,抗拉强度640~865MPa窗口下各种定制化生产,以此满足客户的需求。

结论

当前能源短缺及环境污染问题已成为制约中国汽车产业可持续发展的突出问题,低油耗、低排放的汽车都是节约型社会发展的需要。材料显示:汽车自重每减少10%,油耗降低6%~8%、排放降低5%~6%;车桥、变速器等装置的传动效率提高10%,燃油效率可提高3%;而燃油消耗每减少1升,CO2排放量减少2.45kg。
热成形软区技术的研发成功,不仅完善了东风实业的生产工艺,同时也填补了东风公司在热成形软区工艺及生产线上的空白,更是打破了国外的技术垄断,不仅从设备、工装上采用了国产化,大大降低了生产成本的投入,同时也最大化缩短了开发周期,简化了开发流程。本项目技术工艺的应用,可以在保证车辆控制稳定性、碰撞安全性的前提下,实现车身轻量化,可以有效提高单位承运能力和平均燃油效率,降低能耗和环境污染。这对国家能源战略以及汽车工业健康发展都具有重要意义。

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