热冲压成形综述外文翻译资料

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热冲压成形综述

H. Karbasian , A.E. Tekkaya

摘要：采用热冲压成形生产具有理想性能的高强度钢件（也称为模压淬火），需要深厚的知识以及对成形过程的控制。这样，在不同的工艺参数及其相互作用的基础上，最后一部分的性能变得可预测和可调。在热冲压成形过程中，除了对常规冷成形参数、热参数和微观结构参数的复杂化，还对热冲压成形过程中的力学现象进行了描述，这对于解释这种成形方法的所有物理现象都是必要的。在这篇文章中，对热冲压过程中的热，机械，微观结构和技术领域的工艺状态进行了检验。对全过程序列的研究，从坯料的加热到热冲压和随后的进一步处理，都被描述了。当前工作的研究，已经揭示了在成形相关相变领域的缺陷，全过程的连续流动行为，机械和几何零件特性之间的相关性，以及一些先进工序在工艺中的应用。这篇报告的目的是对成形过程背景提供一个洞察，并揭示了热板料成形领域进一步的研究和创新的巨大潜力。

关键词：热冲压、高强度钢、22MnB5

1.引言

由于对汽车质量减轻，安全性能提高，以及对耐撞性能的需求，利用超高强度钢生产汽车结构部件的需要是显而易见的(Aring;kerstrouml;m, 2006)。热冲压成形工艺首先是由瑞典一家公司（Plannja）研制并设为专利的(GB1490535, 1977)，用于锯片和割草机刀片的生产。在1984年萨博汽车公司是第一个采取淬火硼钢构件 生产萨博9000的汽车制造厂。生产零件的数量从1987年的300万/年增加到1997的800万/年。自从2000以后，越来越多的热冲压零件在汽车制造中使用，到2007年生产的零部件的年产量已经高达大约1.07亿。在汽车行业，热冲压零件已应用在汽车的底盘部件，如A柱、B柱、保险杠、车顶纵梁、摇臂轨道和地板通道（图.1）。

图1.热冲压件在某典型中级轿车上的应用

热冲压工艺目前存在两种不同的主要类型：直接热冲压和间接热冲压方式。在直接热成形过程中，坯料在熔炉中加热，再送移冲压设备上，随后成形并放在封闭的容器内淬火（图.2a）。间接热冲压工艺的特点是使用在奥氏体化后只在冲压设备上进行淬火和校准操作的几乎完全冷的预成形部件（图.2b）。在材料完全马氏体化后，抗拉强度可以增长至1500MPa。

本文包括对热冲压研究的综述。首先是用于热冲压中的工件材料的描述，然后，热冲压工艺链中的过程步骤的特殊特性被描述了。最后，介绍了热冲压件的后续加工过程和具有特定性能的零件的制造。本文包括在热冲压领域实验和数值的研究。

图.2 基本热冲压加工链：（a）直接热冲压（b）间接热冲压

2.材料及涂层

Naderi对超高强度钢的研究表明：22MnB5, 27MnCrB5和37MnB4钢牌号（表1）的硼合金钢是在经过热成形并使用水冷工具水冷之后产生完全马氏体组织的唯一钢号。其中，22MnB5是在热冲压中最常用的钢种。最初，材料组织为铁素体–珠光体的结构抗拉强度约600MPa。在经过热冲压后，工件最终获得马氏体结构，且总抗拉强度可达1500MPa（图.3a）。为了实现这样的显微组织和硬度的转变，须先将坯料放入950℃左右的加热炉中保温起码5分钟奥氏体化。之后边加工坯料，边使其与水冷模具接触持续5s至10s，以快速冷却。由于热坯料和冷工具之间的接触，坯料在密闭的器具中淬火。如果冷却速度超过最小冷却速度约27K/s，温度在400℃左右，材料内就会发生非扩散型的马氏体相变，这就是最终产生高强度零件的机理（图.3b） 。马氏体转变开始在425℃（马氏体转变开始点Ms），截止在280℃（马氏体转变终止点Mf）。

表1.几种硼钢的化学成分及力学性能

图.3. 22MnB5的机械性能及CCTA曲线

经淬火相变后的钢，其机械性能取决于其碳含量，因此适当的调整钢的含碳量即可控制其淬火后的强度。而诸如Mn，Cr 这样的合金元素虽然对材料淬火后强度的影响不大，然而，由于这些元素对淬透性有一定影响，他们对材料的内应力场是必不可少的。于是，Garcia Aranda等人2002研究发现，通过技术上可行的冷却率，所需的相变和淬透率是可以实现的。硼元素对钢的淬透性影响最大，而硼又能延缓钢的软化并促进马氏体微观组织在不分横截面上的形成。

在奥氏体化状态下，当钢与空气接触时，氧化膜立即形成。为了避免表面氧化和脱碳，大多数金属板坯应预涂保护层。在直接热冲压操作过程中，为了避免在钢表面的结垢，广泛使用是的铝-硅保护层。Borsetto等人2009年研究了热处理工艺参数对铝硅层化学性能的影响。这种金属涂层是用连续热镀锌工艺生产生的，其成分包括10%的硅，3%的铁，87%的铝。在涂层坯料的加热过程中，从涂层-基体界面区域到涂层表面的钢扩散过程是热激活的，铝–硅涂层的熔点约600℃。然而，由于基板中的铁的存在，具有较高熔点的铝-铁合金从基体金属的界面生长，并迅速到达表面。铝-铁合金，其迁移到表面，有更高的熔点，这可以防止涂层的融化。对于在加热温度为950 ℃的典型热冲压过程中，铁铝合金中铁和铝所占比重会交替变化而形成亚层结构。在直接热冲压过程中，该保护层可防止氧化膜的形成。然而，在室温下，相比于在初始状态的基体材料，铝-硅层具有更低的成形界限，因此热浸镀铝片不能用于间接成形工艺，也不适合冷成形，该涂层无法提供阴极保护，如锌，但具有高阻隔保护作用。跟冷成形件相似，阴极保护对于热冲压件也是可取的。这些汽车行业的需求可以使用具有阴极保护的金属镀层来满足，如镀锌层。在加热和热冲压过程中，热镀锌的锌层与基体材料反应形成金属间锌–铁相。为了尽量减少微裂纹从涂层扩散扩展到基材，热镀锌22MnB5只能用于间接烫热冲压成形。在热冲压结束后，工件必须通过喷丸处理以去除表面氧化膜以避免不好的油漆附着。另一种公认的22MnB5防护层是Goedicke等人于 2008 年开发的x-tec系列产品，适用于直接和间接热冲压工艺，用作线圈涂层工艺中的清漆，且附带积极的防腐功能。依据溶胶原-凝胶法，x-tec 层是由微米级别的颗粒形成。有机与无机材料连在一起，并与铝混合形成7mu;m厚的膜层。在冷成形过程中时，基于该膜层的摩擦学行为，即使不加润滑剂，材料仍可在一定范围内流动。

在2009年，Mori K和Ito D研发出一种防止氧化的新工艺，即通过在板材上涂抹防护油来抗氧化。研究表明，在电炉中，加热片的氧化可以被避免而且他们研究了两种不同油的效果，在没有成形的冷实验和热弯曲实验中，对氧化预防油的效果进行了评估。板材表面情况的分析结果显示润滑四次可以减少表面氧化。

3.加热

热冲压前，应将坯料加热至奥氏体状态，并在预定的操作范围内控制坯料的均匀奥氏体化过程，确保最终成品组织完全为马氏体。为此，Lechler和Merklein在兼顾奥氏体化温度与时间的情况下做了一系列退火测试，试验中，试样和低温模接触并快速冷却，接触压力为40MPa。为了评估相变的发生，根据硬度HV10，测量了淬火坯料的硬度。最小的奥氏体化时间和在不同奥氏体化温度下不同的板材厚度达到硬度最大值470 HV的关系如图4所示（图.4）。

这项研究的结果表明，对于均匀的奥氏体化淬火钢22MnB5，在最小的热处理时间上，奥氏体化温度（图4a）和板材厚度（图4b）具有重大的依赖性。在950℃炉内温度时，3分钟的停留时间足以获得最大马氏体含量且具有约470 HV最大硬度的淬火样品。随着炉内温度的降低，奥氏体化时间增加。在热处理过程中，硅-铝预涂板的时间上限是由铝-硅-铁三元合金的层厚度的确定（Austerhoff和Rostek，2002），以确保在后加工处理中热冲压件具有足够精确的焊接性。根据行业经验（Stopp等人，2007），在炉内奥氏体化时，板料的厚度不能超过40mu;m。

图.4. 奥氏体化温度的影响因素及加热时间、板材厚度对奥氏体化的最短时间的影响

根据2009年Lechler的研究结果，坯料的加热过程对工件件性能，加工时间以及热冲压的成本和效率有显著影响。因此，加热时保证坯料温度均匀且时间尽可能短都是加热系统的主要需求。炉内热辐射，感应加热以及电加热等都是坯料加热的可行手段（图.5）。

图.5. 加热系统：（a）滚筒加热 (b)感应加热 (c)电阻加热

3.1辊底式炉

现有生产线多采用辊底式或步进梁式加热炉来加热坯料。加热炉尺寸与负荷取决于物料通过量和所加热的材料。对于镀有硅铝层的坯料，由于基体与外层间存在必要的扩散过程，故需采取特定的加热方式以防止结垢。

目前热冲压生产线所采用的加热炉全长已达到30m到40m，高的空间需求和增长的投资经费表明取代加热炉的必要性日益显著。

冲压件的冲压周期主要取决于模具闭合时间及其在炉内的保温时间，保温目的其一是坯料的奥氏体化转变，其二实现防护层的完全合金化。理想的模具冷却过程及优良的模具钢都可减少模具闭合时间从而缩短周期。为了缩短工件在加热炉中的保温时间，Lenze等人提出了一系列快速加热的概念。然而这些方法仍不成熟，都还在发展阶段，若要应用于生产，必先经过实验验证。

3.2传导加热

可供选择的加热系统是传导加热。电流可以取代加热炉对工件进行加热，称为传导加热，具体做法是将工件夹在两对电极之间。电流通过钣金件，由于材料具有一定的电阻，根据焦耳定律，电流通过材料的金属部分时会产生热量，产生的热量与电路的功率成正比，由于导体本身的电阻，其中部分热损耗化为了材料的温升。组件的低表面质量和绝缘污染层都会增加材料的电阻，从而在接触区域产生更多德尔热量。因而，要保证工件受热均匀就得着重考虑工件与电极的接触区设计以及接触压力的控制。

传导加热使用的一个重要基本要素是热效率，而此参数直接取决于材料的电阻。由于与短的组件相比，长组件具有更大的电阻，传导加热主要用于具有良好的长度/直径比的组件，比如管材、棒材、线材以及带材。然而，采用这一加热体系会导致工件沿长度方向受热不均匀。在工业应用中，这种加热方法的另一个问题是对于具有复杂几何形状的工件难以加热均匀。

3.3感应加热

最后介绍的加热系统是感应加热。从原理上说，所有导体或半导体物质都可以通过感应加热，对于这项技术由此产生的应用领域很广，如：金属熔融，体积成形，回火以及产品的组装与包装行业。感应器的几何形状决定了磁场相对于工件的位置，且不同的形状对应不同热效率。感应器与片材之间的距离也会影响感应加热的效率。一方面要保证工件与感应器之间的电绝缘性；另一方面，加热会改变工件原有的形状。因此过小的间距会导致热坯料的拥塞而破坏了整个加热体系。与辊式炉相比，由于辊式加热炉有损耗较高的废气和轧辊，感应加热的效率最高可达辊底式炉的两倍以上。

4.成形

为避免工件还未成形就已冷却，加热后的坯料应尽可能快的从加热炉转移至冲压设备。此外，成形必须在马氏体相变开始前完成。因此，足够短的模具闭合时间及成形时间是成功的过程控制的前提。成形工序结束后，工件在密闭模具中快冷，而模具则通过水管来冷却以将热量转移出模具系统。为防止热冲压时模具与压边滑块之间的工件因与两者接触而冷却，大多数的热冲压模具系统与压边块应保持一定距离（图.6）。

图.6. 热冲压成形模具设计

另一个过程变量是热冲压的工作介质。如采用热空气为介质的新技术，将温度作为一项工艺参数且可使工件的成形与淬火同时进行，这给这项创新技术提供了增加应用领域的机会。其成形过程以工件的置位开始，待模具闭合后，再由特定介质对工件进行压力加工（图.7）。Neugebauer等人采用氮气为工作介质，而Lindkvist等人用的是空气，气压达到600巴。相比于传统热冲压工艺，气压成形技术的优势在于：最初工件的变形是无约束的且加工中工件与工具的接触时间很短，这种情况下，坯料受热更均匀，变形也更均匀。对于气压成形，人们对气压成型的工作介质颇为关注，尤其是绝热的或不可压缩介质。

图.7. 型材和板材的气压成形

由于对热板材成形过程有更高加工效率的强烈需求，这将必然引入一个问题——如何缩短加工周期。Casas、Hoffmann等人研究发现，通过应用改良的热效率的工具钢或者更有效的冷却系统，可以加速冷却。Casas开发的工具钢其导热能力经改善后可达到66 W/m K，这使得工件的冷却时间从10s缩减到了2s。

4.1冷却管道

热冲压过程中的淬火操作不仅影响加工过程的经济性，而且也影响构件的最终性能。冷却管道设计的目的是为了有效地冷却热零件，并实现在马氏体形成时至少27K/s的冷却速度。如果使用液体冷却剂，如水，冷却系统是很经济的，冷却液通过冷却管道流经组件的各个轮廓。在所形成的组件中的流动的热量依赖于从组件到模具转移的热量、模具内的热传导率和从模具传导到冷却剂的热量。为了实现模具和组件之间的最佳的热传导，它们的接触表面不应出现鳞片或间隙。模具材料的选择对模具内的热传导率有相当大的影响。另一个重要的因素——排热取决于冷却管道的设计，由尺寸、位置和冷却管道的分布定义。使用具有较低温度的冷却液以此增加模具和冷却液之间的温差来加速排热，促进热量的排出（Steinbeiss等人，2007）。

冷却孔可以被钻在模具中。对于这种方式，加工限制应该被考虑在孔的定位中（Steinbeiss等人, 2007）。因此，冷却系统的优化设计来实现传热是不可能的。另一种选择

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