热冲压综述

热冲压概述文章信息•原名：Areviewonhotstamping•2010年收录于JournalofMaterialsProcessingTechnology•作者：H.Karbasian,A.E.Tekkaya•单位：InstituteofFormingTechnologyandLightweightConstruction,DortmundUniversityofTechnology；Germany随着对汽车的轻量化，安全化和抗碰撞性能要求不断提高，超高强度钢板在汽车中的应用具有更为广阔的前景。瑞典（Plannja）公司发明了热冲压技术（1977年专利）钢板热冲压技术在国外的4个主要称谓：hotstamping，presshardening，diequenching和hotpressing1984年Saab汽车公司是第一家采用硬化硼钢板的汽车制造商。自从2000年起，更多的热冲压零部件被用于汽车上，并且年生产量在2007年已达到1亿多件。1、热冲压技术的背景1、目前热冲压的方法：直接和间接热冲压。2、热冲压成形的优点：ⅰ成形后零件强度、硬度等性能指标大幅度提高ⅱ高温下材料塑性好，成形能力强，可成形冷冲压无法成形的复杂零件;因此需要模具数量少，成本低，周期短。ⅲ高温下材料变形阻力小，成形力小，所需压力机吨位小;可以大幅度削减设备投资，减少能耗。ⅳ高温下成形,没有回弹，完全消除了回弹对零件形状的影响，实现高精度成形（附图：热成形VS冷成形）内容1、热冲压技术的背景2、热冲压材料和涂层3、加热4、热冲压的成形与淬火5、FE模拟6、最终性能及热冲压的后续加工7、具有特殊性能的热冲压件8、应用9、结论10、读后感Naderi（2007）对于高强度钢的研究显示，仅使用22MnB5，27MnCrB5，37MnB4钢级才能在热冲压后再经过水淬的工艺中得到完全马氏体组织。22MnB5是热冲压中最为常用的钢级。经过热冲压工序后零部件获得马氏体组织并且其强度可高达1500MPa。在淬火后钢的机械性能变化将取决于碳含量，最终获得的强度可以通过适当调整碳含量来控制。硼是对淬透性影响最大的元素，鉴于硼延缓了软组织转变而导致马氏体组织的产生。在奥氏体化时，钢与空气接触很容易就形成氧化膜。为了避免表面氧化和脱碳，大量的金属板会涂覆上一层保护层。在直接热冲压中应用最为广泛的是Al-Si涂层。这种镀层通常是用持续热浸电镀工艺，溶液为10%Si和3%Fe和87%Al。Al-Si涂层的熔点接近600℃。然而，由于基体中存在Fe，加热时Fe扩散到界面形成Al-Fe合金，并很快迁移到表面。它们有更高的熔点，从而防止了表层被氧化。在热冲压后，喷丸处理，同时去除氧化层、涂层的附着。最新的防止氧化的方法是采用防护油LechlerandMerklein(2008)对22MnB5的研究。在不同的奥氏体化温度和不同厚度的钢板下，要获得最大的硬度（为470HV）所需的最短奥氏体化时间如图4所示。根据Stopp等人（2007年)实验，涂层厚度不超过40um最有利于奥氏体化。3、加热Lechler(2009)的研究中指出，钢板加热方式对零部件性能、加热时间、热冲压经济成本有着很大的影响。相对辊底式加热炉，感应加热的效率是其的两倍，因为辊底式加热炉中大量的热量将从辊轴和气体中散发走。为了避免在成形前工件的冷却，工件必须尽快在炉中冲压成型。而且，成型必须在马氏体相变之前完成。所以，迅速的闭模盒和成型工序是热冲压成功的关键。在成形之后，工件在封闭模内淬火，冷却系统是通过导管内的冷却水来将热量带走。4、热冲压的成形与淬火Neugebauer等人(2009年)和Lindkvist等人(2009)的研究中，分别加压到600bar的热气（氮气和空气）作为工作介质。提高模具材料的热导率可以提高冷却速率。Casaset等人在（2008年)是研究中指出，将热导率提高到66W/mK，可以使保压时间从10s减少到8s。工件上的热量依靠热传导从模具及冷却管散发带走。热导率是选择模具材料的关键之一。另外，冷却管的加工又要求模具材料具备较好的切削性能或焊接性能。Hardell和Prakash等人(2008年)在室温和400℃下研究了，等离子处理和两种PVD涂层（CrN和TiAlN）处理后对模具抗磨损能力的影响。结论是TiAlN涂层能获得最好的抗磨损能力。热冲压成形是一个预定相转变的热机械成形工艺。取决于温度，机械变形，不同相及其混合相的交互作用。固态相变时潜热释放也会影响热场。此外，随着微观成分的不同，机械性能和热性能都会根据温度和变形的不同而变化。因此，一个可行的有限元仿真模拟必须考虑机械，热，和微观组织等的交互作用。5、FE模拟6.1最终性能淬火过程中马氏体组织的演变使得抗拉强度高达1500MPa。经微观组织分析，完全马氏体组织是材料获得高强度机械性能的先决条件。由于冷却速率和相转变，最终的机械性能主要取决于各个工序的控制。6.2后续的加工切割类似于传统的金属成形，切割或者钻孔是热冲压成形后的一个步骤。激光切割是热冲压件最为常用的方法硬切割：剪切表面的质量和尺寸精度主要受下列参数，诸如冲压速度，落料角度，冲压模间隙，剪切模具边缘几何形状和材料的性能的影响。热切割：最新的工序是选择了工件在高温淬火时切割，在切割区域的冷却速率必须降低。6、最终性能及热冲压的后续加工6.3焊接热冲压件的可焊接性能是现实应用的先决条件之一。涂覆层或材料的某些化学成分可能引起焊接的失效。原因是氧化皮等电阻太大而使焊接电流不能充分流动。特殊性能的区域可以用不同的工序来控制或使用焊接。热冲压件的完全马氏体组织导致抗拉强度高达1500MPa，而延伸率低到5%。但是为了提高车辆的结构零部件（比如B-柱）的抗破裂能力，可以通过增加延伸率来提高吸收能量的能力。7、具有特殊性能的热冲压件从模具的温度、模具材料组合、模具接触表面积等方面控制•热冲压件在汽车工业的应用比如说汽车底盘，像A柱，B柱，保险杠，车顶纵梁和车门的防撞钢管等，如图。8、应用热冲压使得22MnB5钢成为汽车行业理想的结构，尤其是在需要穿透性保护的机窗或者汽车部件上。一些汽车的A-柱和B-柱，边缘冲击保护，底梁，车架，保险杆，保险架，加固门柱，车顶框架，管道，后部和前部边缘交叉部分（见图20）。这些板的厚度在1.0和2.5mm之间。1、从概括的调查显示，热冲压中的一些研究还存在空白。2、一些热冲压的创新性研究还有待进一步发展。冲压-硬化的循环时间主要取决于闭模时间和停留在炉内奥氏体化的时间。因此，不同的加热系统（热传导和感应加热）在未来具有较大的发展潜力。3、需采用更接近现实生产的有限元模型来进行模拟4、现存的研究工作详尽的说明了，使用热冲压生产高强度钢的具有很大的应用潜力。此外，想获得最佳的冲压工艺设计，物理学的基本知识也是很重要的。9、结论10、读后感想优点：1、整体思路清晰，概括也较齐全，对于入门者能起到一个基础指导的作用。2、综合了很多前人进行的研究，进行了有理的说明，以及一些优缺点的对比。缺点：1、模具材料，关键性也是研究难题的方面笔墨太少。2、泛与精不能兼得。补充：目前国内外尚无专门的适合热冲压成形的模具材料。世界顶级模具钢生产企业瑞典Uddeholm公司给出的建议是选用DIEVAR、HOTVAR或ORVAR，德国企业采用的是CR7V（C:0.45;Si:0.85;Mn:0.35;Cr:7.40;Mo:1.40;V:1.35）和1.2379，日本企业采用的是SKD61。热冲压模具材料的研究方向：化学成分、热传导系数、加工性能、热强度、热硬度、高的耐磨性和热疲劳性以及微观机理等方面。Thankyou!