祝 哮，王忠堂,林 濤，盧 金，史麗坤

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043)

22MnB5硼鋼板熱沖壓成形組織及力學(xué)性能研究

祝 哮1，王忠堂1,林 濤1，盧 金1，史麗坤2

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043)

對22MnB5硼鋼板熱沖壓成形工藝進(jìn)行實驗研究，制定22MnB5硼鋼板奧氏體化工藝制度，分析奧氏體化時間和保壓時間對22MnB5硼鋼板成形性能及力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，22MnB5硼鋼板的奧氏體化時間為5min，保壓時間為60s時，熱沖壓效果較好，沖壓件的抗拉強(qiáng)度在1550 MPa，強(qiáng)塑積在15.6 GPa·%，加工件的金相組織為馬氏體。22MnB5硼鋼板合適的熱沖壓成形工藝制度為奧氏體化溫度950℃，奧氏體化時間為5min，保壓時間為60s。

22MnB5硼鋼板；熱沖壓；奧氏體化

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，環(huán)保、低碳的理念走入汽車制造業(yè)，汽車輕量化已經(jīng)成為汽車未來的發(fā)展趨勢。而實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一是超高強(qiáng)鋼在汽車結(jié)構(gòu)件上更多的應(yīng)用[1]。目前,汽車用高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用日益廣泛,并已成為汽車減重，提高碰撞性能和安全性能的重要途徑[2]。自重每減輕 10%，能降低油耗 3%～8%[3]，當(dāng)使用屈服強(qiáng)度超過1000MPa的高強(qiáng)度鋼板，減重率可達(dá) 40%以上?？梢姡谄囓嚿碇圃熘惺褂酶邚?qiáng)度鋼可滿足現(xiàn)代汽車對材料高強(qiáng)度、輕量化的要求[4]。

采用熱沖壓工藝的原因在于高強(qiáng)度鋼在室溫下難以成形，且易出現(xiàn)開裂、起皺等缺陷，成形件回彈量大，尺寸精度難以保證。此工藝可有效解決高強(qiáng)度鋼板成形局限性的問題，且成形件精度高，基本無回彈。過去近10年，國內(nèi)外的學(xué)者針對高強(qiáng)鋼板熱沖壓工藝及相關(guān)的問題展開了廣泛的研究[5-9]。包軍[10]研究了幾種硼高強(qiáng)度鋼板熱沖壓件的組織和性能，指出22MnB5硼鋼是適合熱沖壓工藝的鋼種，熱沖壓件組織為馬氏體組織，抗拉強(qiáng)度在1500MPa。為了提升硼鋼板材的性能，研究熱沖壓過程中板料加熱時間和保壓時間對硼鋼板材的組織與性能的影響具有一定的研究意義。

1 實驗方法

實驗方案：鋼板→奧氏體化處理→熱沖壓成形，奧氏體化處理工藝制度為加熱溫度950℃，保溫時間分別為5min、10min、15min、20min。熱沖壓成形工藝為保壓淬火時間分別為5s、30s、60s。模具溫度為室溫。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 奧氏體化時間對熱沖壓工件組織的影響

圖1為奧氏體化時間為5min、10min、15min、20min的熱沖壓件的金相照片。由圖1a、1b、1c、1d可以看到，不同奧氏體化時間的板料組織情況，熱沖壓板料的最終組織細(xì)致，為交錯分布的板條狀的馬氏體，無明顯差別。

圖1 不同加熱時間工件金相組織照片

圖2 不同加熱時間熱沖壓板料光學(xué)照片(晶粒)

針對不同奧氏體化時間的熱沖壓試樣采用面積法進(jìn)行晶粒尺寸測量，如圖2所示。圖2a奧氏體化時間5min，晶粒度為7.81；圖2b奧氏體化時間10min，晶粒度為8.11；圖2c奧氏體化時間15min，晶粒度為8.48；圖2d奧氏體化時間20min，晶粒度為8.41。晶粒的尺寸在8～8.5級，即為25～27μm。

由上述測量結(jié)果可以看出，隨著加熱時間增加，試樣的晶粒度略有增加。晶粒的大小對板料的性能影響較大，由于晶粒度的差別較小，因而板料的性能變化也較小。22MnB5硼奧氏體化在5～20min范圍內(nèi)，對板料組織與晶粒的影響較小，不同奧氏體化處理的平均晶粒度相差半級。

2.2 奧氏體化時間對盒型件性能的影響

沖壓件力學(xué)性能與奧氏體化時間的關(guān)系如圖3所示。圖3a為不同時間時的熱沖壓件的工程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。圖3b為不同時間下的熱沖壓件的強(qiáng)度、延伸率以及強(qiáng)塑積。由圖中可以看到，奧氏體化的時間在5～20min范圍內(nèi)，熱沖件的拉伸曲線差別較小。時間由5min增加至20min，工件抗拉強(qiáng)度由1573MPa變?yōu)?546MPa,差別較小。塑性無明顯變化，延伸率在9.2%～9.7%范圍內(nèi)。此外，不同奧氏體化時間的熱沖壓件強(qiáng)塑積接近15GPa·%。奧氏體化時間在5～20min范圍內(nèi)，熱沖壓工件的強(qiáng)度均達(dá)1500MPa以上，且性能(抗拉強(qiáng)度、延伸率以及強(qiáng)塑積)無明顯變化。說明22MnB5硼鋼板熱沖壓工藝奧氏體化的窗口較寬。

圖3 熱沖壓件性能與奧氏體化時間的關(guān)系

2.3 保壓時間對熱沖壓工件組織的影響

不同加熱時間的熱沖壓板料光學(xué)照片如圖4所示，保壓時間分別選取5s、30s、60s。由圖中可以看到熱沖壓板料的最終組織均為差別較小板條狀馬氏體。

圖4 不同保壓時間的熱沖壓工件組織

2.4 保壓時間對熱沖壓工件性能的影響

圖5a為不同保壓時間下熱沖壓件的工程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。保壓時間在5～60s內(nèi)，工件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線很接近，性能變化程度不大。圖5b為不同保壓時間下熱沖壓件的強(qiáng)度、延伸率以及強(qiáng)塑積?？估瓘?qiáng)度在1555～1570MPa，強(qiáng)塑積為15.6GPa·%。說明在保壓5s以上即可獲得延伸率9%，強(qiáng)度在1500MPa以上的熱沖壓件，且隨保壓時間的增加，工件性能更加穩(wěn)定。

2.5 盒型件組織及硬度

根據(jù)上述對熱沖壓工藝的板料加熱奧氏體化時間、板料保壓淬火的結(jié)果分析可知，采用將22MnB5硼奧氏體化5min，保壓60s的工藝條件，進(jìn)行22MnB5硼盒形件熱沖壓實驗。熱沖壓盒形件實物如圖6所示，表面平整，氧化程度輕。

圖5 熱沖壓件性能與保壓時間的關(guān)系

圖6 熱沖壓盒形件

圖7為盒形件不同位置的組織，可以發(fā)現(xiàn)，盒形工件底部、側(cè)邊、凸模圓角、凹模圓角處組織均為馬氏體，馬氏體的硬度與上述結(jié)果相符，硬度值在450HV以上，而側(cè)邊的位置硬度值偏低于450 HV，原因在于側(cè)邊的位置與凹模圓角的模具接觸面積小，因而冷卻相對慢。

盒底部位置各處性能均勻，在1600MPa，延伸率11%，硬度最高可達(dá)500HV，比目前商用22MnB5硼熱沖壓件抗拉強(qiáng)度高100MPa，延伸率提高3%～5%。

圖7 盒形件不同位置的金相組織

3 結(jié)論

(1) 對于22MnB5硼板材熱沖壓工藝，當(dāng)奧氏體化時間在5～20min范圍內(nèi)，加工件組織與性能差別較小。加工件的延伸率9.5%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1550MPa，強(qiáng)塑積達(dá)到15GPa·%。加工件組織均為馬氏體，晶粒度在8～8.5級。22MnB5硼鋼板合適的奧氏體化時間為5min。

(2)保壓時間5～60s內(nèi)，工件的性能變化較小，保壓時間60s時效果較好，抗拉強(qiáng)度在1550MPa，強(qiáng)塑積在15.6GPa·%。工件組織均為馬氏體。

(3)22MnB5硼鋼板材熱沖壓合適工藝條件為：奧氏體化時間為5min，保壓時間為60s。熱沖壓盒型件各位置硬度在450 HV以上，組織均為馬氏體。盒型件主體部分的抗拉強(qiáng)度在1600 MPa，延伸率為11%。

[1]康斌.國內(nèi)外高強(qiáng)度汽車板熱沖壓技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].冶金管理,2009,(8):58-60.

[2]林建平,王立影,田浩彬，等.超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形研究與進(jìn)展[J].熱加工工藝,2008,37(21):140-144.

[3]王利,朱曉東.汽車輕量化與先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼板[J].寶鋼技術(shù),2011,(5):53-57.

[4]王立影.超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形技術(shù)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2008:77-80.

[5]Karbasian H,Tekkaya A E.A review on hot stamping[J].Journal of Materials Processing Technology,2010,210(15):2103-2118.

[7]?kerstr?m P,Wikman B,Oldenburg M.Material parameter estimation for Boron steel from simultaneous cooling and compression experiments[J].Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering,2005,(13):1291-1308.

[8]?kerstr?m P,Bergman G,Oldenburg M.Numerical implementation of a constitutive model for simulation of hot stamping[J].Materials Science and Engineering, 2007,(15):105-119.

[9]Guo Y H,Ma M T,Zhang Y S,et al.Numerical Simulation of Hot Stamping of Front Bumper[J].Advanced Materials Research,2014,(912):715-722.

[10]包軍.超高強(qiáng)度硼鋼板熱沖壓成形及數(shù)值模擬研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2008:56-60.

(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Microstructure and Mechanics Property of 22MnB5 Boron Sheet during Hot Stamping Process

ZHU Xiao1，WANG Zhongtang1,LIN Tao1,LU Jin1,SHI Likun2

(1. Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Shenyang Liming Aero-Engine(Group)Corporation Ltd.,Shenyang 110043,China)

Hot stamping process for 22MnB5 Boron steel had been studied by experiment.Process of austenitized Boron steel had been developed.The effect law of austenitized time and dwell time on the properties of 22MnB5 Boron steel had been analyzed.The results show that when austenitizing time is 5min and pressure holding time is 60s,the workpiece of 22MnB5 Boron has a good effect of aging and the microstructure of workpiece is martensite,and tensile strength is 1550 MPa,and the product of strength and ductility is 15.6 GPa·%.The experimental conditions of 22MnB5 Boron sheet during hot stamping process should be that austenitizing temperature 950℃ ,and austenitizing time 5min and pressure keeping time 60s.

22MnB5 Boron sheet;hot stamping;austenitizing

2014-09-25

國家自然科學(xué)基金資助項目(51034009)

祝哮(1988—)，男，碩士研究生；通訊作者：王忠堂(1962—)，男，教授，博士，研究方向：先進(jìn)塑性加工技術(shù).

1003-1251(2015)06-0015-05

TG142

A