轎車車門高強(qiáng)度鋼制防撞桿熱處理工藝與性能的實(shí)驗(yàn)研究

夏曉宇，韋漢偉，王 申

（廣州豐東熱煉有限公司， 廣州 510880）

0 引言

汽車車門用的防撞桿是保證駕乘人員安全的重要零部件，安裝在側(cè)門內(nèi)，其力學(xué)性能決定了車輛發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)駕乘人員受保護(hù)的程度。當(dāng)車輛在發(fā)生側(cè)面撞擊時(shí)，防撞桿彎曲吸收撞擊能量，故防撞桿的剛性不能太強(qiáng)，以保證發(fā)生撞擊時(shí)的瞬間不會(huì)給駕乘人員造成加速度傷害。當(dāng)防撞桿彎曲到一定程度后仍需要能保持一定的抗壓強(qiáng)度，保證侵入量不會(huì)給駕乘人員造成二次損害；此外，當(dāng)防撞桿彎曲到侵入量停止時(shí)，其受力彎曲部位不得出現(xiàn)斷裂分離以防止刺傷駕乘人員。

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，防撞桿已經(jīng)成為現(xiàn)代轎車的必要配備之一，其需求量不斷上升。高強(qiáng)度鋼由于其優(yōu)異的力學(xué)性能，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，被廣泛使用的熱成形沖壓鋼主要有Arcelor 鋼鐵公司的USIBOR1500，瑞典SSAB 公司的Domex 系列熱軋可淬火鋼如20MnB5、22MnB5、27MnCrB5、37MnB4 等[1-3]，國(guó)內(nèi)如寶 鋼集團(tuán)的BR1500HS 鋼等，這些高強(qiáng)鋼經(jīng)熱成形處理后，不僅其力學(xué)性能明顯優(yōu)異于普通鋼材，而且可以有效降低鋼材的使用量，符合當(dāng)前汽車輕量化的發(fā)展需要[4]。此外，利用國(guó)產(chǎn)材料代替進(jìn)口材料，實(shí)行材料國(guó)產(chǎn)化，在保證質(zhì)量的前提下有利于降低汽車整車成本。BR1500HS 鋼是中國(guó)寶鋼集團(tuán)生產(chǎn)的熱軋酸洗高強(qiáng)鋼，作為國(guó)內(nèi)材料的防撞桿的一般用材，已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[5-11]表明，其熱處理后的各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到防撞桿的使用標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)對(duì)汽車車門防撞桿連續(xù)高頻淬火機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)熱處理后防撞桿的硬度及力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及規(guī)格

實(shí)驗(yàn)材料為中國(guó)寶鋼集團(tuán)生產(chǎn)的酸洗高強(qiáng)鋼板BR1500HS，主要化學(xué)成分如表1所示。通過(guò)冷軋加工后焊接形成圓管狀，再通過(guò)激光切割設(shè)備將其截?cái)啵湟?guī)格如表2所示。

表1 BR1500HS高強(qiáng)鋼板化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象材料及規(guī)格

1.2 實(shí)驗(yàn)要求

防撞桿的淬火范圍要求如圖1 所示。熱處理后的淬火范圍，硬度要求為：450～570 HV1.0。熱處理后的三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能要求如表3所示。

圖1 轎車車門防撞桿的淬火范圍

表3 三點(diǎn)彎曲要求實(shí)驗(yàn)對(duì)象力學(xué)性能要求

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用高頻DIB 連續(xù)淬火專用設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)備的運(yùn)行是通過(guò)推動(dòng)管身產(chǎn)生軸向移動(dòng)，同時(shí)管身需要圓周回轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)高頻感應(yīng)連續(xù)加熱淬火，設(shè)備實(shí)驗(yàn)加工過(guò)程如圖2所示。設(shè)備電源參數(shù)及設(shè)定參數(shù)如表4所示。

圖2 設(shè)備實(shí)驗(yàn)加工過(guò)程

表4 設(shè)備電源參數(shù)列表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 測(cè)試推進(jìn)速度與輸出功率對(duì)淬火硬度的影響

工件回轉(zhuǎn)速度及冷卻條件等其他設(shè)定參數(shù)不變，在120 mm/s、110 mm/s、105 mm/s 和100 mm/s 的 推 進(jìn) 速 度 下，驗(yàn)證淬火硬度滿足設(shè)計(jì)要求的最小輸出功率或加熱電壓，淬火后的防撞桿試樣切取中間部分，對(duì)其硬度梯度進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。測(cè)量方法如圖3所示，各推進(jìn)速度下的各位置硬度及硬度梯度的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖3 硬度檢測(cè)位置及點(diǎn)分布

圖4 不同推進(jìn)速度、不同淬火加熱電壓（功率）條件下的淬火硬度

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，圖4（a）實(shí)驗(yàn)樣品的淬火硬度值由外向內(nèi)逐漸降低，淬火梯度硬度值離散，且有些點(diǎn)已經(jīng)低于工件硬度要求的下限。據(jù)圖5所示的內(nèi)部淬火金相組織，推測(cè)在此推進(jìn)速度下，防撞桿連續(xù)加熱淬火過(guò)程中，內(nèi)部局部區(qū)域未能完全奧氏體化導(dǎo)致硬度低于要求。圖4（b）淬火硬度梯度值雖在要求范圍內(nèi)，但有局部的硬度值接近下限，據(jù)此，推進(jìn)速度120 mm/s、110 mm/s為不合適的條件。圖4（c）和圖4（d）實(shí)驗(yàn)樣品的淬火硬度值數(shù)據(jù)分布相對(duì)集中，均在硬度要求的中限，故推進(jìn)速度105 mm/s、100 mm/s 均可作為合適的實(shí)驗(yàn)條件。

圖5 推進(jìn)速度120 mm/s，淬火硬度異常位置的內(nèi)部金相組織

從圖4（b）～（d）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)的防撞桿，在得到合格淬火硬度時(shí)，推進(jìn)速度與加熱電壓（電源輸出功率）呈線性關(guān)系，如圖6所示，位于斜線的右上方（含斜線）為完全淬火組織區(qū)域，在斜線的左下方為未完全淬火組織區(qū)域。據(jù)圖6可推演出90 mm/s推進(jìn)速度時(shí)，淬火硬度合格的加熱電壓為425 V。

圖6 推進(jìn)速度與加熱電壓的關(guān)系

2.2 完全淬火組織中的研究

在105 mm/s 的推進(jìn)速度，其他設(shè)定條件不變，伴隨加熱電壓上升時(shí)，硬度及硬度梯度、三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能的變化實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)DIB 設(shè)備的電壓控制精度為±1.5 V 以內(nèi)，為了每個(gè)條件的加熱電壓實(shí)際輸出功率不重疊，每個(gè)條件中的設(shè)定電壓必須間隔在3 V 以上。則加熱電壓457 V、460 V、463 V、466 V、469 V、473 V、475 V 共7 組實(shí)驗(yàn)，分別經(jīng)過(guò)高頻加熱淬火和180 ℃箱式回火后，各測(cè)量5根試樣的三點(diǎn)彎曲數(shù)據(jù)如圖7所示。

根據(jù)各組數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，從設(shè)定的電壓457～475 V，其三點(diǎn)彎曲數(shù)值均達(dá)到各規(guī)格范圍值要求，試樣間各數(shù)據(jù)的數(shù)值波動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。從圖7 中加熱電壓從457 V 上升到472 V時(shí)，伴隨加熱電壓的上升在力學(xué)性能呈線性變化，475 V時(shí)其三點(diǎn)彎曲的吸收能量、最大壓力值、開始角度均低于其他加熱電壓的數(shù)據(jù)。

圖7 7組條件的三點(diǎn)彎曲數(shù)據(jù)

加熱電壓上升時(shí)回火后硬度的變化。檢測(cè)7 組條件各5根，一根分前端、中端、末端3個(gè)橫截面，前末端離端口各為60 mm 處的試樣。其檢測(cè)方法如圖3 所示，每組共600 個(gè)點(diǎn)位。將硬度范圍450～570 HV 均分6 個(gè)分段，每段間隔20 HV，該次硬度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布情況，如表5和圖8所示。

表5 7組條件回火后硬度范圍分布情況

圖8 回火后硬度范圍分布情況直觀圖

根據(jù)表5 中的數(shù)據(jù)分析，回火后硬度大多分布在470～510 HV1.0 之間，呈不規(guī)則的正態(tài)分布，如圖8 所示，出現(xiàn)471～490 HV1.0 的數(shù)值占比要比511～530 HV1.0 的數(shù)值占比高。隨著加熱電壓上升，硬度均值反而會(huì)出現(xiàn)下降且分布圖左移，當(dāng)電壓升高到475V（191 kW）時(shí)，硬度在491～510 HV1.0區(qū)間的分布比例下降，在471～490 HV1.0區(qū)間的分布比例上升。

結(jié)合圖7～8，得出回火后的硬度加權(quán)值及力學(xué)性能伴隨加熱電壓或輸出功率的上升在某一加熱電壓區(qū)間呈線性變化，各點(diǎn)硬度數(shù)據(jù)呈不規(guī)則非對(duì)稱的正態(tài)分布。

2.3 品質(zhì)穩(wěn)定性測(cè)試

高頻淬火條件和回火條件均不變的前提下，取2.2所述的7組條件中間的3組條件，用30根試樣進(jìn)行穩(wěn)定性、再現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)，其硬度結(jié)果如表6所示，力學(xué)性能如圖9所示。

表6 量產(chǎn)3組條件的硬度分布情況

圖9 3組條件的三點(diǎn)彎曲數(shù)據(jù)

如表6、圖9 所示，選擇加熱電壓（463～469 V）區(qū)間，通過(guò)30 根試樣的品質(zhì)穩(wěn)定性、再現(xiàn)性試驗(yàn)，防撞桿力學(xué)性能和硬度均穩(wěn)定再現(xiàn)，其中加熱電壓466 V（輸出功率185 kW）其力學(xué)性能及硬度最優(yōu)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)冷軋加工BR1500HS 高強(qiáng)度鋼材的防撞桿高頻淬火條件設(shè)定實(shí)驗(yàn)，得到如下3個(gè)結(jié)論。

(1) 得到完全淬火組織的推進(jìn)速度和加熱電壓（功率）呈線性關(guān)系。因BR1500HS 鋼管素材的規(guī)格壁厚（2.6 mm）較厚，若推進(jìn)速度過(guò)快，則會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)壁未熱透（加熱溫度不足），淬火后外壁能完全轉(zhuǎn)化為馬氏體，內(nèi)壁未完成淬透，故內(nèi)部有部分鐵素體，導(dǎo)致硬度未能達(dá)到規(guī)格范圍以內(nèi)。

(2) 經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)控的連續(xù)感應(yīng)加熱淬火條件如鋼管推進(jìn)速度、高頻電源的加熱電壓（輸出功率），BR1500HS 高強(qiáng)鋼鋼管的硬度與力學(xué)性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：防撞桿完全轉(zhuǎn)變馬氏體后，硬度及力學(xué)性能伴隨加熱電壓或輸出功率的變化，存在某一加熱電壓區(qū)間呈線性變化，各點(diǎn)硬度數(shù)據(jù)呈不規(guī)則非對(duì)稱的正態(tài)分布。

(3) 在推進(jìn)速度為105 mm/s，其他參數(shù)不變時(shí)，選擇加熱電壓(463～469 V)或功率區(qū)間，通過(guò)30根品質(zhì)穩(wěn)定性、再現(xiàn)性試驗(yàn)，防撞桿力學(xué)性能和硬度均穩(wěn)定再現(xiàn)，其中加熱電壓466 V（輸出功率185 kW）其力學(xué)性能及硬度最優(yōu)。