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第31卷第5期

第31卷第5期2009年10月

山东冶金

Shandong Metallurgy

Vol.31No.5October 2009

摘要：对热成型钢的成分设计、热成型工艺过程以及表面氧化的处理进行了论述。热成型工艺可以通过直接热成型或者

间接热成型实现；热成型钢都是含硼钢，硼能抑制成型过程中铁素体形核；通过锰、铬和钼等提高淬透性防止珠光体形成；一般热成型钢中含有0.2%左右的碳。热成型钢可通过喷丸的方法消除表面氧化层或者镀层技术保护其表面不受氧化。关键词：热成型钢；奥氏体；马氏体；热成型图分类：TG142.41

文献标识码：A

文章编号：1004-4620（2009）05-0017-03

1前言

随着汽车工业的发展，世界各国对汽车的安全、节能和排放的要求越来越苛刻，采用超高强度钢既可减轻汽车重量、实现节能和减排，又可提高汽车的安全性。超高强度钢可以采取以下强化机制：固溶强化（间隙原子和置换原子）、沉淀强化（Ti、Nb、V、Mo 等析出碳化物）、细化晶粒、位错强化和相变强化（马氏体）。通常钢的成型性随着强度提高而下降，可以通过将成型和强化分为两个步骤来解决强度和成型性的矛盾。热成型即是将成型和强化分为两个步骤生产超高强度汽车零部件的一种新工艺，利用相变强化（形成马氏体）。热成型零件的优点在于具有超高强度，成型精确，还可避免高强度钢冷成型的回弹问题。表1［1］所列为典型汽车用钢，超高强度钢中，只有马氏体钢的强度可以达到1500MPa 以上，因此主要用于防止汽车碰撞过程中变形的加强件，如车门防撞梁、保险杠梁、侧边梁、A 柱B 柱加强件和腰轨加强件等。欧洲是汽车技术最发达的区域之一，热成型钢应用最早最广泛。2003年欧洲的热成型钢用量为6万～8万t，2009年可增加至约30万t，美国和日本也将跟随这种趋势［2］。

2热成型工艺

热成型的工艺包括奥氏体化处理、从加热炉转移到压机、热成型和淬火、剪边处理,见图1［3］。奥氏体化处理在有保护气氛的加热炉中进行，板材被加热到高于Ac 3的温度（通常900～950℃）保温3～10

min，保温时间根据板材的厚度而定。全奥氏体化后，将材料从加热炉转移到热成型的压机中，该过程在空气中进行，必须尽快完成，如果成型前材料温度降到780℃以下，就可能形成铁素体从而恶化热成型零件的机械性能。材料在模具中成型，在该成型温度下，材料有充分的延性而易于成型复杂形状的零件。热成型钢一般采用Al-Si 镀层、Zn 或Zn 合金镀层等方法以避免成型过程中表面氧化［4］。高温成形后的零件在模具中快速冷却（水冷）到马氏体完成温度以下（M f ～200℃），然后自然冷却到80℃左右从模具中取出，以保证后续空冷不变形。冷却速度一般在-40～-100℃/s 以保证零件的淬透性［5］。因此，一套热成型设备的产率为每分钟2、3个零件。从模具中取出后用常规的方法进行剪边处理和表面清理，最后热成型零件用点焊的方式装配到汽车车身上。

热成型钢及热成型技术

易红亮，董杰吉

（莱芜钢铁集团有限公司技术研发中心，山东莱芜271104）

收稿日期：2009-09-14

作者简介：易红亮，男，1981年生，2002年毕业于哈尔滨工业大学材料工程系，2009年毕业于韩国浦项工科大学钢铁学院，博士。现为莱钢技术研发中心贝氏体钢研究所所长，发表论文20余篇，获汽车工业科技进步二等奖一项。从事贝氏体相变理论研究和贝氏体钢，TRIP 钢及热成型钢等的开发。

表1

汽车用钢的典型机械性能［1］

钢种Mild 140/270BH 210/340BH 260/370IF 260/410DP 280/600IF 300/420DP 300/500HSLA 350/450DP 350/600DP 400/700TRIP 450/800HSLA 490/600DP 500/800SF 570/640CP 700/800DP 700/1000Mart 950/1200

MnB Mart 1250/1520

屈服强度/MPa 14021026026028030030035035040045049050057070070095012001250

抗拉强度/MPa 2703403704106004205004506007008006008006408001000120016001520

延伸率/

%38~4434~3929~3434~3830~3429~3630~3423~2724~3019~2526~3221~2614~2020~2410~1512~175~71~51~6

n 0.05~0.150.230.180.130.200.210.200.160.220.140.140.240.130.140.080.130.09n/a 0.07

r -1.81.81.61.71.01.61.01.01.11.00.91.01.01.01.00.90.9n/a 0.9

山东冶金

2009年10月第31卷

~900℃，5~10min

5~6

图1热成型工艺过程

根据工序过程的不同，热成型过程分为直接热成型和间接热成型两种工艺。直接热成型中，板材不经过预成型，直接将平板加热奥氏体化，然后放入模具中高速成型，一旦冲压深度到达预定值，零件立即被淬火硬化。在间接热成型中，材料首先在常规冷成型模具中成型到最终形状的90%～95%，然后将预成型的零件加热奥氏体化并热成型和淬火硬化。间接热成型工艺中，零件的预成型可以减小材料与模具之间的相对位移，从而减小模具表面在高温下的磨损［6］。

近年来，一种新的热成型工艺采用电阻加热在模具中直接对材料加热［7］，奥氏体化处理、转移、成型和冷却硬化都在模具中完成，不需要材料从加热炉转移到模具中，可以避免转移过程中的温度降低，如图2所示。给金属通电，由于金属的电阻直接加热（焦耳热），加热的速度足够快，所以加热和成型同时完成，可消除常规热成型工艺中的表面氧化。该工艺具有更高的能效且所需设备更简洁，但由于加热速度过快，

加热温度难以控制。

a通电电阻加热b成型和冷却

图2电阻加热热成型工艺

3合金元素及组织

典型热成型钢的成分见表2。碳可稳定奥氏体相，因而降低Ac3点，降低热成型温度，减少能源消耗，碳原子在马氏体中起到间隙固溶强化作用，对马氏体的强化效果远大于其与置换固溶强化合金元素，但由于热成型零件都需要用点焊的方式装配到汽车车身，为了满足良好的焊接性能，碳含量通常不超过0.2%。锰是提高淬透性最常用的合金元素。热成型钢中加入极少量的硼会聚集到奥氏体晶界处，延迟铁素体形核，从而非常有效地防止转移和在成型过程中形成铁素体［8-9］。目前对硼延迟铁素体形核机制有两种解释，有的研究者认为硼在奥氏体晶界处降低了奥氏体晶界的界面能，从而延迟体铁素体形核［10-12］；另一种观点则认为由于形成Fe23（CB）6微粒而阻止铁素体形核［13-14］。不管哪种机制，硼的加入都将TTT曲线的上半C曲线向右移而有效提高淬透性。硼只在碳的质量分数较低的情况下才能有效发挥增加淬透性的作用，在含碳0.8%以上的钢中，硼不再具有增加淬透性的作用。含硼钢的奥氏体化处理温度应在尽可能低的温度（高于A c3点）下进行［15-16］，因为在较高的温度下，硼有固溶分布于奥氏体晶粒的趋势（固溶分布的硼不具有提高淬透性的作用）以达到热力学平衡，而在相对较低的温度下硼才能偏聚到晶界处，在1000℃保温50～100s即会有硼从晶界处扩散回奥氏体晶粒中以趋向热力学平衡。0.0005%～0.003%的硼即可有效聚集到奥氏体晶界阻止铁素体形成［17］。但是硼和氮很容易形成化合物BN而使硼失去阻止铁素体形成的作用，因此在含硼钢中须加入更强的氮化物形成元素铝和钛，形成AlN和TiN以防止BN的形成，同时，细小的AlN和TiN沉淀可以抑制奥氏体晶粒长大，从而达到细化晶粒的目的，铝和钛的含量根据钢中的氮含量而定。磷也可固溶强化铁素体，提高强度和硬度，但降低塑性和冲击韧性（高碳的钢中尤为显著）。铬比锰更有效地提高钢的淬透性。钼是抑制珠光体形成最有效的合金元素，但因其价格昂贵不常采用。

表2热成型钢成分%

序号

0.22

0.23

0.21

0.29

0.25

1.10

1.30

2.14

0.21

0.15

0.013

0.002

0.015

0.003

0.005

0.0034

0.0030

0.050

0.025

0.040

0.05

轧制状态的热成型钢在成型之前通常由铁素体和珠光体组成（见图3a），强度低，成型性好；热成型工艺中，热成型钢在900℃左右被全奥氏体化，强度约200MPa，延伸率达到约50%，因而成型性好，成型精确；热成型后由全马氏体组织构成（见图3b），强度提高到约1500MPa，延伸率下降到低于

8%。

a热成型前b热成型后的组织

图3典型含硼热成型钢的组织［2］

4表面氧化

在较早的热成型技术中，钢板的表面没经过镀层处理，热成型过程中表面会发生一定程度的氧化，可采用铬喷丸的方法除去表面氧化物。随着热成型技术的发展，镀层技术越来越多地应用于热成型钢。镀层可以防止成型过程中表面氧化和脱碳，还能提高漆装后的防腐蚀性能。热成型钢的镀层有两种：Al-Si 镀层和Zn 或Zn 合金镀层。Al-Si 镀层主要由铝铁和铝硅铁等金属化合物构成。热成型时的奥氏体化温度远高于排放系统的温度，但由于其保温时间较短（几分钟），形成的AlN 保护层可以阻止铁向镀层的扩散，因此Al-Si 镀层技术现在被广泛地应用于热成型钢。Al-Si 镀层耐高温，主要应用在汽车的排放系统。镀锌技术是汽车工业中最成熟应用最广泛的镀层技术，但在热成型工艺中，由于温度高，表层的锌会氧化，镀层容易形成裂纹，因此实际应用中受到很多限制。

5结论

热成型钢作为汽车用钢中强度级别最高的钢种，广泛应用于汽车防碰撞的加强件。热成型技术的优点：高温下好的成型性，可以成型非常复杂的形状，可生产超高强度零件，成形精确，焊接性良好，没有回弹。热成型的工艺过程包括：奥氏体化处理、从加热炉转移到压机、热成型和淬火、剪边处理。热成型工艺可以通过直接热成型或者间接热成型实现，间接热成型需要首先对零件进行90%～95%预成型，然后进行热成型以保护模具在高温下的磨损。热成型钢都是含硼钢，硼是一种关键合金元素，抑制成型过程中铁素体形核。通过锰、铬和钼等提高淬透性防止珠光体形成。综合考虑碳对材料强度和焊接性的影响，一般热成型钢中含有0.2%左右的碳。热成型钢可以通过喷丸的方法消除表面氧化层或者镀层技术保护其表面不受氧化。

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Hot Press Forming Process and HPF Steel

YI Hong-liang,DONG Jie-ji

（The Technology Research And Development Center of Laiwu iron and steel Group Corporation,Laiwu 271104,China ）Abstract:Martensitic steels are widely used for anti-intrusion automotive parts due to their extreme high strength,which are difficult to be formed to complex shape by conventional forming.Hot stamping process does product automotive parts with complex shape.There are two kinds of process:direct hot stamping and indirect hot stamping.The steels for hot stamping usually contain boron to suppress ferrite formation during cooling from austenite.Addition of manganese,chromium and molybdenum can inhibit pearlite transformation to improve hardenability.Carbon,a strong solid solution strengthener,are added in the conventional hot stamping steels to strengthen martensite.Its concentration is usually limited at approximate 0.2wt%due to its effect on weldability.Oxide scale forms on the surface of uncoated steels during hot stamping,which are usually removed by chromium shot blasting.The Al-Si coating or Zn coating can effectively protect the surface against oxidization as well.Key words:hot press forming steel;austenite;martensite;hot press forming

热成型钢及热成型技术易红亮等2009年第5期