了解热成型钢板成分与制造工艺，解析高强度钢冲压件新技术

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要了解热成型钢板的成分和制造工艺，我想首先必须了解这项技术的特点。

热成形技术是专门用于超高强度钢板冲压件的一项新型成形技术，该技术是为了解决超高强度钢强度与塑性之间的矛盾而产生的，一般的实施方法是将成形与强化分为两个步骤，利用相变强化形成马氏体。其优点是制备的热成形件强度高，成形精度高，可以避免高强度钢冷成形的回弹等问题。

高强度钢板热成型加工具体方法一般为：

首先将室温强度为500~600MPa的硼合金钢板加热到880~950℃，使其均匀奥氏体化，然后送入带有内部冷却系统的模具中进行冲压，最后快速冷却，使奥氏体转变为马氏体。

以22MnB5为例，下图为热处理过程中性能变化趋势。

此工艺又分为直接法与间接法两种，两者的区别在于直接法适用于形状简单、变形较小的零件，而间接法适用于形状复杂或拉深深度较大的零件。下图是两种加工工艺的对比。

以下是针对以上技术特征的补充和说明：

1）为什么要进行马氏体化？

下表为常用的汽车用钢

从上表我们可以看出，超高强度钢中，只有马氏体钢能达到1500MPa以上的强度。（按照USL-AB定义，高强度钢的屈服强度为210~550MPa，抗拉强度为270~700MPa，超高强度钢的屈服强度大于550MPa，抗拉强度大于700MPa。）

2）钢材的选择

硼钢现在被广泛应用的原因主要有以下几点：

a.微量的硼能有效提高钢的淬硬性，使零件在模具中以适当的冷却速度获得所需的马氏体组织（需要注意的是，硼只有在碳的质量分数较低时才能有效地发挥淬硬性作用，在碳含量超过0.8%的钢中，硼不再具有提高淬硬性的作用）；

b.在热成型钢中添加少量的硼，会聚集在奥氏体晶界处，延缓铁素体的形核，从而有效地阻止成型过程中铁素体的转移和形成；

c.硼合金钢板强度可达1500MPa，是普通钢板的3~4倍，可带来减轻车重、减少板材厚度、提高被动安全性等诸多好处。

下图是含硼热成型钢处理前后微观结构的典型对比。

以BTR165钢板为例，下图为其应力-应变曲线

3）主要元素组成

下表显示了更常见的热成型钢成分。

简单描述一下以上元素的作用：

a.碳、磷在马氏体中起固溶强化作用，但后者会降低塑性和抗冲击性能；

b.采用锰、铬来提高淬硬性；

c.铝、钛能阻止硼、氮形成BN，因为BN会使硼失去阻止铁素体形成的作用，而铝、钛能形成强度更高的氮化物，从而阻止这种现象的发生。另外，形成的AlN、TiN能抑制奥氏体晶粒长大，达到细化晶粒、强化的目的；

d.钼用于抑制珠光体的形成，但价格昂贵，不常用。

例如：

a.22MnB5是常用的热冲压高强度钢，其化学成分如下

b. Acelor公司开发的USIBOR1500热冲压钢板化学成分如下

c. SSAB开发的热轧硼钢板Boron02的化学成分如下

可以看出，热成型钢的主要成分就是上述这些。

4）裸板和涂层板（热成型钢表面成分）

在热成型过程中，钢板暴露在空气中的表面极易氧化，形成的氧化铁皮会造成一系列的问题，比如会影响焊接质量、油漆质量等。所以原则上热成型钢板应进行涂装。但由于种种原因，早期的热成型技术并未进行涂装处理。由于热成型技术是一项高投入、高能耗的生产技术，需要厂家控制成本，因此有涂装钢板和无涂装钢板。

目前，涂层钢板上的涂层主要有两种类型：铝硅涂层和锌或锌合金涂层。

两种方法的加工工艺有所不同，下图对比了两种方法的加工流程。

两种处理方式的影响都会延续到后续工序，具体比较如下：

5）制造工艺

我认为这里的制造工艺主要针对板材热成形过程的工艺参数的研究。

主要参数包括：

a.加热及保温时间

板材加热到奥氏体化温度之后，需要设定一定的保温时间来保证奥氏体的均匀化，一般来说保温时间为3~10分钟，具体时间需要根据板材厚度来确定；

b. 送货时间

即板料从加热炉到模具之间的转移时间。由于这个过程是在空气中进行的，所以必须尽可能快地完成。现在也有利用电阻加热直接加热模具中的材料的方法，这样奥氏体化处理、转移、成形和冷却硬化都在模具中进行，不需要将材料从加热炉转移到模具中，这样就省去了转移时间的问题；

c.初始成型温度

设定初始成形温度可以避免成形过程中出现开裂、起皱等缺陷，具体成形温度应根据具体情况确定；

d.烫印率

适当的热冲压速率可避免板料因成型前冷却过度和冲压速度过快而撕裂。

e. 冷却速度

冷却速度会影响板材的最终组织，合适的冷却速度可以保证板材的淬硬性。这里的冷却速度是指高温下成型的零件在模具内快速冷却到马氏体完成温度以下的速度。一般来说，冷却速度会控制在-40~-100℃/s。之后采用自燃冷却方式，一般在80℃左右就可以脱模了。

需要注意的是，由于板材厚度、尺寸、有无涂层、靶材性能等的差异，具体的加工参数也会有所不同。

注：以下视频与上述文章内容无直接关系。