應用于車身的下一代熱沖壓成形鋼設計和工藝

摘要

研究復雜載荷條件下的車身結構是鋼材料研發(fā)的重中之重。這種方法論使新型超高強度鋼和高延展性熱成形鋼的設計更具針對性。由于最終材料性能是在汽車制造的生產步驟中決定的，因此淬火和分配(Q&P)等新型熱沖壓工藝可以保證在應用層面獲得更好的材料性能。作為潛在新材料設計的一個方案，為了滿足特定的車輛碰撞性能要求，開發(fā)了一種新的貝氏體化、淬火和碳分配(BQP-)工藝路徑。為了進一步提升輕量化潛力，增加強度水平是必要的，但材料延展性通常非常低。一種新的“Sibora”--滿足“BQP”路線的鋼材料--有望為車身提供更高的碰撞延展性和更大的輕量化能力。

關鍵詞：熱沖壓成形、鋼板、淬火與分配、貝氏體化、輕量化設計、抗碰撞潛力、車身

1、下一代熱沖壓鋼性能潛力研究的方法論

1.1

在過去的十年里，輕量化車身結構已經成為汽車行業(yè)的真正創(chuàng)新，新材料生產技術、制造方法和計算方法是其背后的推動力量。減少二氧化碳排放的政策方針和開發(fā)新型電動汽車的要求汽車行業(yè)付出巨大努力來滿足所有需要高安全性能以及保持有吸引力且可以被客戶接受的成本水平的車輛將是不久的將來市場決定性作用的角色。由于90%公司的汽車產品仍然采用鋼制車身因此鋼的設計與創(chuàng)新工藝技術的結合將是至關重要的。在不久的將來，零碳足跡的需求將更加強調生產工藝流程。為了減少熱沖壓生產線的高能耗，新的工藝路徑對于基于全生命周期的新鋼材料潛力分析至關重要。對資源高效利用的輕量化設計、批量生產的需求、成本降低和更高安全的要求，將為創(chuàng)新的鋼轉化為車身應用做出更大的努力。雖然只有在車輛碰撞情況下才能真正看到輕量化結構的未來潛力，但應用仿真模擬工裝可以驗證其經濟性、輕量化和安全程度。通過計算機模擬預測結果的驗證有助于在不同的車輛碰撞場景中檢測新鋼材料新的輕量化潛力。新的超高強度等級可以提供額外的輕量化潛力，但往往受到較差延展性的限制。熱沖壓成形工藝會顯著影響材料性能，通過先進的材料設計和另一種熱成形工藝路徑的平衡結合，可能會實現(xiàn)新型鋼材料的應用開發(fā)。作為一種方法論的結果，可以為未來的鋼材料研究發(fā)展一些有益的性能[1，2，7]。超高強度鋼的數(shù)量可以隨著如圖1所示的潛在部件的增加而增加。

優(yōu)先應用具有改進的機械性能(如斷裂伸長率、屈服強度和局部延展性)的新型熱沖壓鋼等級，隨著鋼板材厚度的部分減少，優(yōu)化后的白車身重量減少了數(shù)公斤，但在碰撞和NVH(噪聲、振動與聲振粗糙度)方面，其性能仍與原白車身結構相當。

1、2

新的貝氏體化、淬火和碳分配(BQP-)工藝

淬火和碳分配(Q&P)的概念已成為熱成形鋼研究的一個重要主題，因為Q&P鋼有望實現(xiàn)非常有價值的強度和延展性組合[3]。從經濟性角度來看，與常見的先進高強鋼以及熱成形鋼(例如22MnB5)相比，可以用相對低合金含量實現(xiàn)性能的改善。隨著關注于工業(yè)化應用，這一方面的重要性越來越高，因為它不僅影響成本，而且影響良好的加工性能，適合現(xiàn)有生產線和精益生產線。一個重要方面是焊接能力，以保持材料更好的性能優(yōu)點。最初的Q&P工藝對傳統(tǒng)的熱沖壓成形工藝進行了延伸，預冷卻階段至低于馬氏體起始溫度的淬火點(淬火)，然后是淬火溫度水平(第一步)或高于馬氏體起始溫度(第二步的加熱階段(分配)。從工業(yè)化應用的角度來看，為實現(xiàn)批量生產的要求Q&P工藝的工業(yè)化生產需要經濟性和可靠的工藝路徑是顯而易見的[5，6]。到目前為止，Q&P工藝項目的重點是在不同含硅量的條件下，利用Q&P技術對22MnB5鋼進行熱沖壓成形。結果，Si含量為1.5%的合金顯示出斷裂伸長率的顯著提高，而與22MnB5鋼相比，觀察到其抗拉強度的降低。研究發(fā)現(xiàn)這一結果可以在相對較低的碳分配溫度下實現(xiàn)[5，6]。

在這項研究工作的基礎上，設計了一種新的1900MPa含硅硼合金鋼36SiB6并采用單步Q&P工藝路徑帶一套加熱模具[6，8]進行分析。從Q&P工藝路徑實施到批量生產中的第一個有希望的結果是尋找到適應現(xiàn)有熱沖壓成形生產線的其它工藝路徑，以實現(xiàn)高強度和高延展性的組合。為了最大限度地提高含硅材料Q&P工藝獲得的延展性，使奧氏體穩(wěn)定并使其具有更高的強度，下一步將在熱沖壓應用中引入多相設計。其想法是使用Q&P工藝與貝氏體化相結合的方法，在最后部分產生多相分布。其結果是貝氏體、殘余奧氏體和馬氏體在最終部分的結合。在圖2中，主要工藝路徑通過時間一溫度曲線與傳統(tǒng)的熱沖壓工藝路徑進行了比較。該示例中，在高于Ac3溫度幾分鐘的奧氏體化階段之后，快速預冷至貝氏體起始溫度和馬氏體起始溫度之間的溫度。在接下來的貝氏體保溫階段，根據時間和溫度的不同，一定量的奧氏體轉變?yōu)殍F素體和貝氏體。貝氏體化階段的典型溫度在380至450°C之間。雖然硅抑制了鐵碳化物的形成，但高碳含量也能夠穩(wěn)定奧氏體。下一步是在成形模具中進行最終的成形在該成形模具中，零件被壓延至其最終形狀，奧氏體迅速轉變?yōu)轳R氏體。所提出的BQP工藝路徑的最后一步是在150-200C的溫度范圍內進行20-30分鐘的碳分配相階段。該操作可以與陰極浸涂中的油漆烘焙過程相結合，并導致碳在結構中的重新分布。在配分相后的拉伸試驗中，壓延的拉伸長度得到了顯著提高

圖3顯示了新的BQP工藝的流程圖，而圖4顯示了metakus AutomotiveGmbH用于研究的已實現(xiàn)BQP工藝的試驗工廠圖片。BQP試驗工廠的設計與大眾汽車集團卡塞爾零部件工廠的現(xiàn)有熱沖壓成形生產線非常相似，測試結果和經驗可作為下一步進行批量化生產應用。與批量化生產的熱沖壓線的主要區(qū)別是，由于不需要生產大批零件，加熱爐只有8米長。

2、用于BQP-工藝的新型“Sibora”鋼設計

高強度通常是車身結構進一步輕量化的驅動力。因此，1900MPa抗拉強度的鋼材可以提供進一步輕量化的潛力。此外，如果增大潰能吸收，大約定義為產品拉伸強度Rm x斷裂伸長率At，則1200MPa或1500MPa鋼的抗拉強度可以加大其輕量化潛力。36SiB6合金體系在Q&P工藝中顯示出先進的延展性，適用于BQP工藝路徑的研究。總而言之，研究了具有最大碳和硅含量的另一個合金體系40SiB8，以顯示進一步的潛力以及可能的局限性，表1。

硅和碳是成本相對較低的元素，這是汽車大規(guī)模生產成功的重要因素。為了具有穩(wěn)健的熱沖壓成形過程，一個方面是避免不均勻的硬相(碳化物)。因此，即使在含Mn的情況下，這些元素的含量也會減少，以便在連續(xù)生產的Q&P工藝過程中產生均勻的微觀結構[5，6]

進行了進一步分析，顯示出不同工藝參數(shù)下的機械性能有所改善，如圖5所示。所生產板材的微觀結構顯示出鐵素體-貝氏體、馬氏體和殘余奧氏體的非常精細的分散織構，馬氏體針之間有針狀奧氏體組織[8]，圖6。

為了更好地進行內部溝通，研究級別被命名為硅硼鋼和殘余奧氏體“Sibora”鋼。

3、作為初步結果的半工業(yè)化示范加工

下一步將是將新一代熱成形鋼應用到批量化生產中。德國奇昊(KirchoffAutomotive)汽車在一條量產線上使用了B柱演示模具進行研究分析。由于“Sibora原型鋼材料的板材尺寸有限，因此試制了一個拼焊定制的B柱?！癝ibora"--40SiB8級鋼設置在部件的頂端，以便使用現(xiàn)有的預冷設施。B柱采用22MnB5鋼系列如圖7所示。

B柱采用不同的工藝參數(shù)，貝氏體化時間設定在6s至90s之間。該工藝在沒有爐內氛圍氣體的情況下運行，未涂層的“Sibora”級鋼板顯示出有粘性和氧化硅層，顯然不需要額外的保護。不幸的是，在這種狀態(tài)下，將需要噴丸進行進一步處理。A3o拉伸，正如從生產的B柱上切下彎曲角試樣一樣，測試結果如圖8所示。

因此，貝氏體短時效時間顯示出更高的強度水平和更好的可成形性。在較長貝氏體化的情況下，整體(斷裂伸長率)和局部延展性(彎曲角)增加。對于長貝氏體化時間，B柱法蘭的一側出現(xiàn)單一裂紋。因此，必須進一步研究貝氏體鋼板的溫成形行為。必須指出的是，現(xiàn)有的模具并沒有針對貝氏體熱沖壓成形進行優(yōu)化，例如，與AS涂層相比，氧化硅層顯示出更高的摩擦值。下一步的重要工作是進一步研究Q&P級鋼的可焊性和批量生產。

4、結論和展望

通過添加硅以在淬火和分配(Q&P-)路線中穩(wěn)定殘余奧氏體(RA)，可以提高延展性。在新開發(fā)的貝氏體化、淬火和分配(BQP-)工藝中產生的多相結構中，觀察到了更高的強度和更好的延展性。由于“BQP-”工藝只有在成本經濟的工藝條件和大規(guī)模生產的特性下才能成功，因此引入了一個在應用層面上進行進一步研究的試驗裝置。零件級的進一步系列測試將有助于“BQP”工藝適應現(xiàn)有的熱成形生產線。所提出的“Sibora”合金設計顯示，隨著貝氏體化參數(shù)的變化，可能出現(xiàn)廣泛的強度-延展性組合。硅合金鋼的工業(yè)化試驗以及用于碰撞試驗的半批量生產示范工裝的制造是下一步工作。

參考資料

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[2]Hatscher, A. et al: Neue Leichtbaustudie als Basis zukünftigerStahlwerkstoffe für den Einsatz in der Karosserie. Stahl und Eisen 137(2017)No.11,pp.158-165

[3] Speer, J.G. et al: Carbon partitioning into austenite after martensitetransformation.In: Acta Materialia 51 (2017)No.9, pp.2611-2622

[4]linke,B. et al: lmpact of Silicon on Microstructure and MechanicalProperties of 22MnB5 Hot Stamping Steel Treated by Quenching &Partitioning (Q&P). In:metallurgical and Materials Transactions A, November 2017

[5] Arribas, M. et al.: Elonhotstamp, New Hot Stamping Steel with lmprovedElongation, Final Project Report, Grand Agreement No. RFSR-CT-2013-00010.

[6]Hatscher, A: Design and potential analysis of a new ultra high strengthsteel(1900MPa) with Q&P processes for car body applications, In: 7thInternational Conference on Hot Sheet metal Forming of HighPerformance Steel (CHS2), 2-5 June 2019, Luleà Sweden

[7]Graul, M:Nachhaltige Karosseriebauweisen -Volkswagen Way tZero,Hamburger Karosseriebautage, 30.Sept.-1.Aug., Hamburg Germany

[8]Diekmann,U. et a.: Development and characterization of new lowalloyed ultra-high strength steel for structural body components, to bepresented at the6th Int. Conf. Steels in Cars and Trucks, Milan, ltaly, Jun21,2022.