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先进高强钢热冲压综述
热冲压综述
H.Karbasian,A.E.Tekkaya
轻型结构与成型工艺研究所,多特蒙德理工大学,BaroperStr.301,D-44227,多特蒙德,德国
摘要:
具有需求性能的热冲压（也被称之为硬压加工高强钢板零件的生产需要渊博的知识和成形规程的控制。
通过这种方式,在不同工艺参数和相互作用下,零件最后的性能具有可预见性和可调节性。
除了常见的冷成形参数,热参数和微观结构参数使得热冲压过程中的力学现象的描述变得复杂,而这正是这种成形方式所有物理现象所必须得到的阐述。
在这篇文章中,热冲压中的热、力学、微观结构和工艺领域的艺术状态得到了综述。
所有工艺流程的研究,从毛坯加热到热冲压和后续的进一步工艺均得到了描述。
现有著作的一项调查显示了一些差距,这些差距是在形成相依相改造,整个过程中不断的塑性流动行为,力学和几何的一部分属性之间的相关性,和一些先进工艺的工业应用领域中。
回顾分析目的在于提供对成形规程背景的深入了解和显示了在热金属板料成形领域进一步研究及创新的巨大潜力。
关键词:
热冲压高强钢板22MnB5
1.引言
出于对减轻整车重量,提高安全性和防碰撞性能的需要,采用高强钢板制造的汽车零部件的需求量是显然的。
热冲压是由瑞士一家公司（Plannja开发用来加工锯片和割草机刀刃的,并获得了专利（GB1490535,1977。
在1984年,萨博汽车公司是第一个采用硬化的硼钢作为萨博9000汽车组件的汽车制造商。
生产的零部件的产量从1987年的3亿件/年增加到1997年的8亿件/年。
自2000年以来,更多的热冲压件被应用在汽车上,每年的零部件的生产量已经达到了约1.07亿件/年。
热冲压件在汽车工业中的应用主要是底盘部件,如左右车柱,保险杠,车顶纵梁,摆臂横杆和隧道（图1。
热加工目前存在着两种不同的主要的变种:
直接和间接热冲压方法。
在直接热冲压加工中,毛坯在炉子里被加热后被转移到压床上,随后成形并在封闭的工具中进行淬火（图2a。
间接热冲压加工的特点是预先使用冷成形近乎完整的零件,该零件在奥氏体化之后在压床上进行校正后淬火（图2b。
在材料中发生全部的马氏体转变导致其抗拉强度可达1500MPa。
这篇论文包括了在热冲压研究方面的回顾分析。
论文将以对应用于热冲压工件的材料的描述开始。
然后,热冲压加工流程链中的特殊的流程步骤被加以描述。
最后,呈现了热冲压件和具有适宜性能的工件的加工过程。
本文包括了在热冲压领域的实验和数值研究。
2.材料与涂层
Naderi在超高强钢板方面的研究显示了硼合金钢种（表122MnB5,27MnCrB5和37MnB4是唯一一种在热冲压中采用水冷而产生全部马氏体微观组织的钢种。
在这里,22MnB5是最
图1.典型的中型轿车里的热冲压件
图2.基本的热冲压工艺链:
（a直接热冲压,（b间接热冲压
常用在热冲压加工中的钢种。
最初,材料展现出铁素体—珠光体的微观结构,其抗拉强度约为600MPa。
热冲压加工后其构成最终变为马氏体组织,抗拉强度约为1500MPa（图3a。
为了实现这种组织和硬度转化,毛坯必须在950℃的炉子保温至少5分钟使其奥氏体化。
然后毛坯成形且同时在水冷模具里淬火5——10秒。
由于热毛坯和冷机床的的接触,毛坯在封闭的机床里淬火。
如果在400℃附近冷却速率超过约27K/s的最小冷却速率,会引发无扩散的马氏体型转变,这将导致最终产生高强度的零件（图3b。
马氏体转变始于425℃（马氏体转变开始点Ms并终于280℃（马氏体转变结束点Mf。
钢淬火后的力学性能的改变依赖于其含碳量,因此,淬火后的强度可以通过适当调节含碳量来控制。
人们已经知道,一些合金元素,如Mn和Cr,对钢淬火后的强度影响很小。
然
表1
硼钢的化学成分和力学性能（Naderi,2007
钢AlBCCrMnNNiSiTi20MnB50.040.0010.160.231.05-0.010.400.03422MnB50.030.0020.230.161.180.0050.120.220.0408MnCrB30.050.0020.070.370.750.0060.010.210.04827MnCrB50.030.0020.250.341.240.0040.010.210.04237MnB40.030.0010.330.190.810.0060.020.310.046
钢马氏体化温度℃临界冷却速度K/s屈服强度MPa抗拉强度MPa配送热冲压配送热冲压20MnB545030505967637135422MnB541027457101060814788MnCrB3--44775152088227MnCrB5400204781097638161137MnB43501458013788102040*不可能得到全部的马氏体组织
图3.22MnB5的力学性能和CCT图（GarciaAranda等人2002
而,由于这些元素对淬硬性具有一定的影响,所以他们在改变一些存在领域是必不可少的。
因此,要得到想要的相变和可淬硬性要通过工艺上可行的冷却速度来实现。
硼是影响可淬硬性最大的元素,然而,硼减缓向较软的组织的转变,导致了在工件横截面上出现了马氏体组织。
在奥氏体化情况下,钢与空气一接触就会形成氧化层。
为了避免表面氧化和脱碳,大多数金属板料毛坯都预先涂敷了保护层。
普遍使用的防护层是Al—Si涂层,可以防止在直接热冲压过程中的结垢发生。
Borsetto等人（2009研究了在热过程中一些参数对Al—Si涂层化学行为的影响。
这种金属涂层是在持续的热浸镀锌加工中产生的,由10%的硅,3%的铁,87%的铝构成的。
在已涂有涂层的毛坯的加热过程中,热量激发了钢从涂层—基体的接触界面区域到表层的扩散过程。
Al—Si涂层有约为600℃的熔点。
然而由于Fe在基体中的存在,铝铁合金有更高的熔点并从基底金属界面到迅速延伸表层。
过渡到表层的铝铁合金有着更高的熔点从而阻止了表层的融化。
对于一个加热温度为950℃的典型的热冲压过程,以Al—Si化学百分比交互变化为特点的亚层型结构呈现出来。
在直接热冲压加工中,防护层阻止了结垢的形成。
由于Al—Si涂层在室温的起始状态时相对于基础材质具有较低的成形极限,热浸
镀铝板料不能用于间接加工并且也不适合冷成形。
这种涂层不能像锌一样提供阴极保护,除了高防护措施。
和冷成形件类似,阴极保护对热冲压零件来说是需要的。
这些在汽车工业上的需求可以使用具有阴极保护作用的金属涂层（如锌来满足。
在加热和热冲压过程中,热浸镀锌涂层和基础材质反应,生成了Zn—Fe相的金属间化合物。
为了使涂层中的微裂纹传播到基体材质最小化,经过热浸镀的22MnB5只能用于间接热冲压。
热冲压后,必须通过喷丸去除氧化物层以避免劣质的油漆喷涂。
另外的一种用于22MnB5的直接和间接热冲压工艺,具有附加有效的防腐能力的防护涂层是被应用于卷材涂料工艺中的亮光漆柠檬酸三乙酯混合物。
这种涂层是以根据溶胶—凝胶工艺形成的微米级别的材料的组合为基础的。
无机和有机材料被联系在一起且与铝粒子混合形成了防护涂层。
这种7µm厚的防护涂层的润滑性能使得在冷成形过程中具有可控的金属流动而不需要附加的润滑。
最新的防止氧化的方法包括给板料涂上防护油,正如Mori和Ito（2009的文章里描述的一样。
电炉里加热的板料的氧化是可以避免的,两种不同的防护油的效果已被加以研究。
在没有成行加工且进行了热弯曲的冷却试验中评估了防氧化油的作用。
板料的表面分析显示数倍（达到4倍的润滑作用减少了表面氧化。
3.加热
热冲压加工始于毛坯的加热并直到奥氏体化的温度。
为了测定在热冲压过程中作为想要获得全部奥氏体相变的先决条件——获得均匀奥氏体化的毛坯的工艺窗口,Lechler和Merklein（2008做了奥氏体化的时间和温度的热处理试验。
在这些试验中,样品在淬火的同时经受了在两边施加的整整40MPa的金属接触压力。
为了评估相变的发生带来的影响,根据维氏硬度计测量了淬火毛坯的维式硬度。
图4显示了不同的奥氏体化温度及不同厚度的板材达到470HV的最大硬度的最小的奥氏体化时间。
图4.奥氏体化温度、时间（a与板材厚度（b对达到最大470HV的硬度的最小的奥氏体化时间的影响（Lechler和Merklein,2008
研究结果显示了关于可冷却的均匀奥氏体化的22MnB5钢最小的热处理时间对奥氏体化温度（图4a和板料厚度（图4b的重要依赖性。
在950℃的炉温下,研究发现3分钟的保压时间足够获得淬火后最大硬度约为470HV的样品所需的马氏体含量。
随着炉温的下降,奥氏体化持续时间增加。
预先涂有铝硅合金涂层的毛坯的时间上限是由热处理过程中Al–Si–Fe三元合金层的厚度决定的,热处理的目的是保证热冲压件在后处理中有足够精确的可焊性。
根据工业经验,炉子中奥氏体化的涂层厚度不能超过约40µm。
Lechler的研究显示
了毛坯的加热过程对工件的性能、加工时间和热冲压的效率有很大的影响。
因此,毛坯的均匀化温度和较短的加热时间是加热系统主要所需求的。
毛坯可以利用不同的热现象来加热:
炉子的热辐射、感应加热、导电加热（图5。
图5.加热系统:
（a辊子床式反射炉,（b感应加热,（c导电加热
3.1.辊子床式反射炉
在目前的生产线上,毛坯加热经常是在辊子床式反射炉或具有活动梁的炉子里进行的。
炉子的规格和联结载荷依赖于加热的材料和物料通过量。
由于基体材质和涂层之间的扩散过程需要时间,有防止结垢的铝硅涂层的材料的加热需要一个特别的加热曲线。
现有的热冲压炉生产线的长度已经达到30——40m。
高的空间需求和上升的投资费用表明了变换毛坯加热方法的需求。
硬压加工零件的生产周期主要依赖于模具闭合时间和要使原材料奥氏体化及在有涂层的情况下获得过渡层的炉温保持时间。
关于模具闭合时间,最佳化的模具冷却时间和工具钢的应用可以减少生产周期。
炉温保持时间的减少只能通过应用接下来的快速加热概念来实现。
这些方法正处于发展阶段,实验室研究必须为工业应用检验。
3.2.导电加热
一种可选择的供热系统是传导加热系统。
在加热过程中,毛坯被夹在两队电极之间。
电流通过金属板材零件,金属材料的电阻引起了对零件的加热。
金属的导电加热依据的是焦耳定律——电路中产生的热量与电路的功率成比例。
导体的电阻导致了电路功率的损失,从而也使导体本身得到了加热。
零件有较低的表面质量和绝缘污染物层时会增加接触区域的电阻从而增加了热生成量。
接头的设计和接触压力的控制决定了零件加热的均匀化程度。
导电加热应用的一个重要的依据是有效因数。
这个参数直接决定与零件的电阻。
因为长的零件相对于短的零件而言具有较高的电阻,导电加热主要用于具有较大的长径比的零件,如管材,棒材,线材和带状材料。
这种加热系统的缺点是温度沿着零件的长度方向上具有不均匀性。
这种加热方法在工业应用中的另一个缺陷是加热同样复杂几何形状的毛坯有困难。
3.3.感应加热
最后一种加热方式是毛坯的感应加热。
从理论上来说,所有电导体或者半导体都可以应用感应加热,这种工艺的成果应用相对来说比较大:
金属的的熔化,毛坯的成型加工和回火以及装配和包装工业。
感应器的几何形状决定了磁场相对于工件的位置,这引起了不同程度的加热效率。
板料与感应器之间的距离对加热系统的效率也有一定的影响。
一方面,感应器和板料之间要保证有绝缘体;另一方面,成形的毛坯在加热的时候具有变形的趋势。
与感应器之间的小距离会引起加热毛坯与存在破坏加热系统的风险之间的干扰。
和辊子床式反射炉相比,感应加热的能量效率比它的两倍还高,这是因为床式反射炉有着更高的被排放额气体和辊子带走的能量损失。
4.成形
为了避免零件在成形前的冷却,毛坯必须尽可能快地从炉子转移到压床上。
此外,成型加工必须在马氏体转化之前完成。
因此,快速的机床闭合成形加工是获得一个成功加工控制的先决条件。
成形之后,工件在闭合的机床里淬火,冷却是通过水冷管道带走机床系统里的热量实现的。
为了避免毛坯与压边圈和模具在热冲压过程中的淬火,大多数热冲压机床系统里留有压边圈距离（图6。
图6.热冲压加工的磨具设计
另一个工艺变种是使用工作介质进行热冲压。
温度作为热气压成形和同时进行已成型零件淬火的工艺参数提供了增加这种创新性工艺应用领域的机会。
成形过程始于对型材或者毛坯的定位。
模具闭合之后执行的成形步骤是应用工作介质进行冲压（图7。
在Neugebauer等人和Lindkvist等人的研究中,氮气和空气分别被用作工作介质且达到了600巴（60MPa的压力。
热气压成形与传统热冲压成形相比的优势在于最开始时零件的自由成形。
另外,由于在成形过程中零件与模具具有较短的接触时间,毛坯温度的均匀分布导致了毛坯均匀成形。
气压成形的另外一个有意义之处是隔热介质和/或者不可压缩介质可能得到应用。
当前对热金属板料的高效率成型的强烈需求不可避免地引起了如何减少加工周期的问题。
提高了导热性的模具钢和/或者更有效的冷却系统的应用可以加速冷却。
通过对Casas等人开发的具有高达66W/mK的导热系数的模具钢的应用,保压时间可以从10s减少到2s。
4.1.冷却管道
在热冲压加工中淬火的操作不仅影响着过程的经济性,也影响着零件的最终性能。
冷却管道设计的目标是使热零件得到有效的淬火并且达到形成马氏体时的最小冷却速度27K/s。
如果使用通过沿着零件轮廓的冷却管道流动的冷却剂,如水,那么模具的冷却系统就很经济。
成型零件的热流是依靠零件与模具之间的热传递,模具之内的热传导,模具到冷却剂之间的热传递带走的。
要使零件和模具之间有最合适的热传递,其接触面不能有结垢和缺口。
模具材料的选择对模具内部的热传导具有相当大的影响。
关于热排放的另外一个重要因素是冷却
图7.型材（a和板材（b的气压成形
管道的设计,设计规定了冷却管道的由尺寸、位置、分布。
使用低温冷却液可以增加模具和冷却液之间的温差从而产生更多的热流量,加速热量排放。
冷却小孔是通过在成形模具上钻孔得到的。
对于这种方法,机械加工的限制也要考虑到孔的位置的设计中。
因此,对于热传递的最佳的冷却系统的设计是不可能的。
另一种可供选择的方法是在铸造模具的型腔中提供管状的冷却孔。
冷却系统的自由设计是这种方法的优点。
作为一种选择,可以通过应用激光加工分段的毛坯后用螺钉紧固起来形成有完整的冷却孔的模具的表面来制造模具。
这种方法非常划算,但是薄层设计对零件的表面质量和模具内的热传导都有负面影响。
4.2.模具表面的磨损
模具的耐磨性已经被Dessain等人应用适应高温测试的板条拉伸设备测量出来来。
电阻加热设备允许加热带有铝硅涂层的22MnB5板条钢。
加热的板条滑过模具的圆角。
在这次测试中,接触面被磨损和粘连了。
模具的磨损是主要的,并且在模具与毛坯最后的接触区域观察到了铝硅涂层的粘附。
人们已经知道这些在测试最开始就形成的涂层在模具滑过板条过程中在模具表面形成了紧密层,展现出较低的磨损。
热冲压中工具钢在高温下的暴露让摩擦力产生了较大的变化,这是由于其表面形貌的改变,氧化层的消除和模具的过分磨损。
一个克服摩擦力问题的方法是对模具钢采用合适的表面处理和/或者涂层。
Hardell和Prakash使用了滑动磨损测试机器就室温和400◦C下等离子氮化的模具钢和有PVD涂层（（CrN和TiAlN的钢滑移过超强钢材时的摩擦学进行了研究。
结果显示具有TiAlN涂层的钢具有最好的耐磨性。
可比较的其他板料涂层的研究并不存在。
此外,奥氏体化的时间和它对表面纹理的影响在接下来的研究的实验设计中要考虑到。
5.淬火
加热的毛坯在奥氏体化的温度范围内成形之后,零件在闭合的模具中进行淬火,直到零件组织完全发生了马氏体转变。
大于27K/s的冷却速度是22MnB5获得全部马氏体组织所必需的。
马氏体演变导致了屈服应力的增加（图8。
从奥氏体（fcc到马氏体（bct的转变引起了体积的增加,影响了淬火时的应力分布。
只有完整的转变行为的描述才能预言冷却后产生的材料的性能,不同相的体积分数,工件的残余应力和变形。
对于热塑性转变的行为模型来说,应变增量被描述为弹性应变,塑性应变,热应变及各向同性转变和相变诱发的塑性应变总和（表2。
由于奥氏体和产生的铁素体,珠光体,贝氏体及马氏体组织的不同晶格结构,相变过程中发生了体积改变,这可以借助于各向同性转变应变来描述。
如热应变增量一样,这种作用这引起了体积的改变。
此外,各组分的显微组织形貌非常不同,因此他们的力学性能有差异。
因此,材料宏观性能的研究变成了困难的均
匀化问题,这应归于新相连续不断的演变的事实,并且必须要对变形的历史做出解释。
图8.22MnB5在热冲压中的微观结构和应力—应变曲线
表2
热冲压中各分量的应变速率
总应变速率
ij=（1
:
弹性部分,:
塑性部分,:
相变诱导部分,
:
热及各向同性转变部分
热及各向同性转变部分
==（2
:
晶格常数,△t:
时间步长,克罗内克符号,
T:
温度
相变诱导应变速率
（3
:
奥氏体与生成相的致密度的差异,:
奥氏体
当前屈服应力,z:
生成相的体积分数,:
偏应力,
h:
根据外加应力的非线性确定的修正函数,:
当
前有效应力,:
当前球屈服应力
马氏体体积分数
（t=1—（4
:
马氏体转变开始温度,:
系数
如果相变发生时没有外加应力,材料仅仅在体积上作出反应,并且由于根源相和生成相的致密度不同,可以观测到体积的增加。
如果转变发生在外应力作用下,相变诱发的应力引发不可逆的变形。
Greenwood–Johnson描述了相变诱导应力依赖于奥氏体和生成相的分数。
因此,当偏应力被应用的时候微小的应力被引进以在奥氏体中产生塑性应变。
考虑到相变诱导应力的常用模型是Leblond等人创建的,并被Akerstrom更深一步应用于数值模拟。
被人们描述的流动行为分析模型可以用在不同成形模式下的连续冷却转变（CCT图来证实。
为了确定成形CCT（FCCT图,加热的样品进行成形直到达到测验的成形条件并且随后按照预先确定的速度冷却。
转化的程度也被加以测量。
6.有限元模拟
热冲压是一个有预估相变发生的热电及机械成形过程。
依赖于温度的历史和机械变形,不同的相与相的混合物逐渐形成。
在固态相变发生过程中,释放出了热量,影响了温度场。
此外,依赖于微小组分的混合物,机械性能和热力性质都随着温度和变形发生变化。
因此,过程模拟的现实的有限元模型必须考虑机械,热和微观领域之间的相互作用（图9。
这就需要加工特征曲线如传热系数,材料的流动特性和相变在相关的加工条件下。
由于微观组织转移的演化数据在过程模拟中,所以,最后的性质,如硬度和抗拉强度都可以适当的模型化。
图9.热,机械与微观组织之间的相互作用
对于一个金属的热电与机械成形的耦合一致性分析,Ghosh和Kikuchi开发了模拟金属在提升温度时的流动特性的有限元法。
该方法考虑了依赖于金属大变形成形加工的初始的各向异性和温度。
近年来,耦合各自在热冲压性能中专门从事的领域的两套有限元方案的个别思想已经被开发。
耦合系统考虑了热力和机械模型,这与实现几何形状和物理数据的转移有关联。
由于热现象和力学现象的分开计算,在有限元模型内调整参数的耦合思想非常灵活和高效。
这种方法的不足之处是在不同的两种有限元模型之间的数据转移有限,影响了模拟结果的精确
度。
另外一种可选的热冲压有限元模拟是专用程序的应用:
LS-DYNA,AutoForm和PamStamp。
有限元模型在现存的物理过程的定义和描述的选择中变化。
例如,使用有限元软件LS-DYNA的对金属板料的分析操作可以用热壳单元和机械壳单元的结合。
在力学问题被显示的时间积分方式处理的同时热学问题也被时间的隐式积分解决了。
LS-DYNA的特征允许联合每个积分法则的优点,同时克服联系解决方案的稳定性问题和热收敛的问题。
具有热行为的刚体可以用这种工具来模仿。
温度在毛坯和模具上的分布的预测在这个过程中扮演着重要的角色。
需要一个随温度变化的硬化函数来描述塑性变形,并且要考虑毛坯与模具之间的热量和由于对流和辐射引起的毛坯的热量散失。
为了模拟热成形过程,奥氏体到马氏体的相变也要考虑到。
在下文中,描述了热冲压中热电和机械性能及其检测的有限元模拟。
6.1.热特性
应用有限元模拟来预测热冲压件的机械性能需要一个在成形和淬火过程中准确的热现象的模型。
在贯穿整个成形操作过程中,传热系数h影响毛坯的热行为和各自的冷却速度,并且受接触压力和钢板温度以及表面情况（垢层厚度,粗糙度,涂层厚度等的影响。
基体金属22MnB5的机械性能强烈地依赖于温度,这是热辅助成形有限元建立模型时要被考虑的最重要的参数之一。
Hoff（2007开发了一种淬火钢用于传热系数的测量。
加热的毛坯在两个定义了接触压力的用水冷却的平板之间淬火。
在测试中记录下了毛坯和两个接触平板的温度。
在测量参数的基础上,在接触的情况下应用一种根据牛顿冷却定律得到的分析方法来计算传热系数。
T（t=（+（5A:
接触面积,:
热容量,:
传热系数,V:
体积,t:
时间,:
环境温度,:
密度
作为增加的接触压力的函数的传热系数h的取值显示了外加负载在工件和模具之间的热交换上重大的影响（图10。
增加的接触压力会导致热传递的增加。
这种影响与使两个接触件之间变光滑而让有效接触面积增加有关,尤其是在有铝硅涂层的板料的情况下。
因此,越来越多的实际的金属与金属之间的接触区域发生强制的直接热传导效应,通过这样两个接触体之间有了更多的热量传递。
图10.热板料成形中的传热系数
6.2.流动行为
Merklein和Lechler（2006使用导热拉伸试验描绘了22MnB5钢的流动特性,以测定
这种材料在压力条件下的热电机械性能（图11。
这项研究显示了不仅应变而且应变速率温度和升温速率对22MnB5钢在奥氏体状态下升高温度时的流动性的重大影响。
图11.（a试验装置,（b流动性曲线（MerkleinandLechler,2006
除了温度和应变速率在导热拉伸试验中对热电机械性能有重要的影响外,对塑性各向异性温度的依赖也被检
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