高冷弯性能热成形钢开发

文/宋磊峰，马鸣图，张钧萍·中国汽车工程研究院股份有限公司

路洪洲·中信金属公司

高冷弯性能热成形钢开发

文/宋磊峰，马鸣图，张钧萍·中国汽车工程研究院股份有限公司

路洪洲·中信金属公司

本文通过研究4种不同Nb和V含量的热成形钢的淬透性，并对平板模具淬火获得的热成形板材进行冷弯性能试验，观察金相组织、检测温度及相组成对材料冷弯性能的影响，讨论了冷弯角与冷弯吸能的关系。

自2009年以后，随着中国汽车工业飞速发展，汽车轻量化技术受到行业的广泛关注，热冲压技术也不断发展，热冲压技术主要用于生产提升汽车安全性的结构件，目前已得到各大汽车厂的认可，实现了批量化的应用。

汽车用超高强度钢结构件和安全件的韧性和弯曲性能被研究者广泛关注，针对热成形钢零件，宝马和奔驰汽车先后提出冷弯角大于60°～65°的要求，从目前传统22MnB5材料的热成形钢的冷弯性能来看，很难达到冷弯角大于60°的要求。有研究结果显示在热成形钢中添加0.05%Nb能够细化热成形钢的晶粒，并显著提高冷弯角。边箭博士的研究发现，在热成形钢中加入Nb能够延长热成形零件碰撞时的变形过程，吸收更多的碰撞能量，提升延迟断裂抗力。

试验及方法

试验材料选用商业化批量生产的22MnB5材料、中试的22MnB5材料、中试的22MnB5含Nb钢材料，及中试22MnB5含Nb/V复合的热成形钢，主要元素成分如表1所示。其中中试材料经过120kg铸锭的真空冶炼，经过锻造、热轧、冷轧成厚度为1.7mm的板材，冷轧板随后经过连退处理。

端淬试验的试样采用锻造后的试样进行，试样尺寸为φ25mm×100mm,端淬试验工艺如图1所示。

表1 试验钢化学成分(wt%)

图1 热处理工艺及端淬试样

试验材料被加热到930℃，分别保温250～300s，通过平板模具淬火至200℃，保压时间为12s.淬火后的样品分别进行金相组织观察、拉伸试验、硬度试验及弯曲试验，其中冷弯试验参考标准VDA 238-100执行，如图2所示。

图2 冷弯试验

试验结果及讨论

淬透性

试验钢的端淬曲线如图3所示，根据经验将显微硬度450HV以上作为全马氏体组织转变的界限，分别得到淬硬层的深度如表2所示。

图3 端淬试验曲线

表2 淬硬层深

淬硬层深的结果显示中试22MnB5+Nb(3#)和中试22MnB5+Nb/V复合(4#)拥有较好的淬透性,即在22MnB5材料中加入Nb或者Nb/V复合能够显著提高材料的淬透性；其次为批量生产的22MnB5(1#)，中试的22MnB5(2#)淬透性较差，这可能与中试冶炼过程中较大的成分波动造成酸溶B含量过低和夹杂物含量偏高等因素有关。

端淬试验后，试样硬度沿端淬面逐渐降低，微观组织由马氏体(M)向贝氏体(B)、珠光体(P)、铁素体(F)逐渐演变，如图4所示。

弯曲性能

依据标准VDA 238-100，针对试验材料进行冷弯试验来评价材料的韧性和弯曲性能，同时考察了试验温度对冷弯性能的影响，每个试验重复三个试样并求取平均值, 试验测试的参数如表3所示。

不同温度下的材料冷弯结果如图5所示，试验结果显示在室温到-40℃的温度区间，热成形钢的冷弯性能差别不大，在不同试验温度下，批量化生产的22MnB5材料的冷弯角及吸能值差别不大。

表3 冷弯试验参数

图4 沿端淬面的微观组织演变(500X)

图5 1# 材料不同试验温度下的冷弯角和吸能值

不同试验材料在室温下的冷弯试验参数参照表3执行，试验结果如图6所示，试验结果显示：22 MnB5加Nb和Nb/V复合的3#和4#的冷弯角（大于60°）有明显提升；2#材料由于淬透性较差，在淬火过程中出现了M+B组织，而相对于全马氏体组织的1#材料，冷弯性能略有提高。冷弯过程中的吸能值是基于冷弯曲线包围面积进行计算的，3#和4#材料由于具有较大的冷弯变形抗力和位移，拥有较高的吸能值，而2#材料的吸能值并没有提高，该样品中出现了贝氏体组织，导致冷弯过程中材料的变形抗力降低，各样品淬火组织对比见图7。3#和4#材料组织明显比1#样品细化，这可能是3#和4#材料具有较大的冷弯角和较高吸能值的原因。2#材料由于淬透性较差，经模具淬火后组织为马氏体+贝氏体，导致了2#材料有较大的冷弯角和较小的变形抗力。

图6 不同试验材料的冷弯角及吸能值

图7 试验材料微观组织

由图8试验材料的冷弯曲线可以看出，组织为全马氏体的样品(1#、3#、4#)相对于含有贝氏体组织的样品(2#)在同等位移条件下具备较高的冷弯变形抗力，2#材料尽管也具备较大的冷弯角，但由于变形抗力的降低，其吸能值均小于1#和3#，4#材料。

图8 试验材料冷弯曲线

结论

⑴中试的22MnB5样品2#拥有较差的淬透性，这是因为中试钢材的纯净度差，B的波动大，影响了材料的淬透性。

⑵当热成形钢拥有马氏体+非马氏体复相组织时，材料的冷弯角可能会提升，但变形抗力较全马氏体组织的材料小，并降低撞击吸能。

⑶在室温到-40℃温度区间内，热成形钢材料的冷弯性能差别不大。

⑷在热成形钢中添加Nb，特别是Nb/V复合添加，可明显提高22MnB5淬透性，在淬火后能够获得细小的板条马氏体组织，能够显著提升热成形材料的冷弯性能和冷弯抗力，从而提升撞击吸能。

宋磊峰，材料工艺工程师，主要从事汽车用高强钢及热成形工艺技术研究等工作，先后参与了国家“十二五”科技支撑计划课题“超高强度钢热成形技术开发及其在目标车型上集成应用(2011BAG03B02)”，科技部2016重点研发计划项目“超高强度钢汽车零部件成形与应用关键共性技术”(2016YFB0101605)等国家、地方课题10余项。