随着能源消耗和环境问题的 日益突出 ,  通过 汽车轻量化实现节能减排已成为汽车领域的研究 热点[ 1- 2] 。其中 ,  高强钢作为一种能够显著实现汽 车轻量化的材料得到了广泛关注和应用 。然而较差的成 形 性 能 使 得 高 强 钢 常 采 用 热 冲 压 进 行 加工 [ 3] 。使用传统热冲压模具进行热成形时 ,  冲压件 的组织均为马氏体组织 , 强度一般可达 1500 MPa 以 上 , 大幅增加了后续冲孔及焊接难度 , 严重影响了 生产效率 。如何降低热冲压件后期冲孔和焊接的 难度成为了一个亟待解决的问题 。而冷却条件对 材料组织性能有较大影响[ 4]  ,  采用局部软化技术 对冲孔及焊接区域进行局部处理可解决上述问题。 

热冲压局部软化技术常采用 3 种方式 :  分区加热 、局部定制化回火和分区冷却 。分区加热通过使  板料在不同区域达到不同的奥氏体化程度 , 进而在  保压淬火后各区域得到不同的组织和力学性能 。薛飞等[5] 采用电极加热和局部覆盖屏蔽材料两种方法  研究了利用局部加热实现变强度热冲压的可行性。MORI K 等[6] 开发了一种局部加热工艺 ,  利用电阻  加热使毛坯奥氏体化 , 并在毛坯的特定区域设置电  流旁路 , 使不同区域加热功率不同 , 然而这种方法  很难应用到形状复杂的毛坯中 。慕延宏等[7- 10] 对分  区加热热冲压变强度汽车零件工艺进行了系统性研  究 , 通过实验验证了利用分区加热技术实现变强度  的可行性 , 然而当局部软化区域较小时 , 分区加热  较难实现 。董正达[11] 和桂中祥等[12] 采用局部定制  化回火技术实现了零件不同区域的变强度分布 , 有  效实现了热冲压零件的局部软化 , 但其在热成形后  又增加了回火工序 , 增加了生产成本 。在热冲压模  具淬火过程中 , 对零件采取不同的冷却速率可以获  得不同强度的材料组织 , 如马氏体 、贝氏体 、铁素  体和 珠 光 体 ,  进 而 可 以 实 现 零 件 的 变 强 度[13] 。TANG B T 等[14] 采用加热棒和冷却管道将模具进行  分区 , 实现了热冲压 U 型件的性能梯度分布 。王子  健等[15] 通过使用冷热分块模具研究了高强钢板热冲  压变强度工艺以及模具温度和冷却速率对零件力学  性能和组织转变的影响规律 。翟韧[16] 通过改变模具  不同模块的初始温度 , 使板料的各区域间具备不同  的冷 却 速 度 ,  进 而 实 现 了 零 件 性 能 的 梯 度 分 布。MORI K 等[17] 采用模具局部加工凹槽 , 使模具与板  料局部区域在热成形过程中脱离接触 , 进而降低局  部区 域 冷 却 速 度 ,  实 现 热 成 形 零 件 局 部 软 化。LECHLER J[18]研究了模具与板料的间隙对晶体组织的发展以及零件硬度的影响 ,  实验中分别采用 02 mm 的 模 具 间 隙 ,  实 现 了 板 料 的 显 微 硬 度 由471 HV 降低至 195 HV。

由上述研究可知 , 采用调整模具间隙的方法使 得软化区板料与模具存在一定的间隙 , 仅允许软区 板料通过辐射和对流传热方式将热量传递至模具中 , 进而实现零件的局部软化 ,  可以较好地适用于小尺 寸的局部软化行为 。基于此 , 本文针对分区冷却热 冲压技术 , 对局部冷却过程中的温降行为进行研究 , 建立了热冲压模具淬火过程有限元模型 , 通过对模 具进行局部脱空处理 ,  开展不同参数下局部软化区 域的温降行为研究 , 探索通过分区冷却实现局部微 小区域软化的可行性。

采用 Abaqus 仿真软件建立热冲压平板模具换热 有限元模型 , 如图 1 所示 , 上下模分别设置为刚体 , 板料设置为变形体 , 板料边长 a = 150 mm ,  厚度 t = 2. 0 mm , 通过上下模局部加工圆孔实现板料局部不 均匀冷却 , 板料选用 22MnB5 , 密度为 7600 kg · m-3 , 该材料不同温度下的比热容如表 1 所示 ,  热导率如 表 2 所示 , 初始板料温度设置为 800 ℃ ,  忽略膨胀 因素的影响 。模具采用 H13 ,  密度为 7900 kg ·m- 3 , 其不同温度下的比热容和热导率如表 3 和表 4 所示。

2. 1   不同模具温度下温度变化

为研究模具温度对淬火过程中板料局部变冷却 速度的影响 , 设置模具温度为 100 、150 和 200 ℃ , 模具孔径为 Φ30 mm 。为跟踪板料温度的变化 , 从 板料中心位置开始每间隔 1. 5 mm 取 1 个跟踪点 , 共计 10 个跟踪点 ,  跟踪点位置如图 4 所示。

图 6 为不同模具温度下跟踪点温降速度的变化 曲线 。由图可以看出 , 模具温度对边部跟踪点温降 速度的影响较大 ,  当模具温度为 100 ℃ 时边部跟踪 点最大温度降速可达 86 ℃ ·s-1 ; 随着模具温度升高至 200 ℃ , 边部跟踪点最大温度降速降至 56 ℃ ·s-1 。而 对于中心位置跟踪点 ,  当模具温度为 100 ℃ 时 ,  最 大温 度 降 速 为 56  ℃  · s- 1 ;  随 着 模 具 温 度 升 至 200 ℃ , 其最大温度降速降至 45 ℃ · s- 1 , 模具温度 对边部跟踪点温度降速的影响相对较小 , 这是因为 在模具局部脱空淬火过程中 ,  板料-模具接触位置 因接触换热温度迅速下降 , 靠近模具脱空位置受热 传导的作用温度随之迅速下降 , 进而对脱空边部位 置板料温降影响较大 ,  而脱空中心位置距离边部相对较远 , 温度梯度传至中心位置时有所减缓 , 故而 模具温度对其影响相对较小。

2. 2   不同模具孔径下温度变化

为研究模具孔径对淬火过程中板料局部变冷却 速 度 的 影 响 ,  设 置 模 具 孔 径 为  Φ20 、 Φ30  和 Φ40 mm , 模具温度为 150 ℃ ,  对板料淬火过程进 行仿真 , 跟踪板料温度的变化 。图 7 为不同模具孔 径下跟踪点温度变化曲线 ,  图 8 为不同模具孔径下 跟踪点温降速度变化曲线 。由图 7 可知 ,  模具孔径 对脱空位置处板料温度变化有显著影响 ,  当模具孔 径为 Φ20 mm 时 ,  温降 20 s 后脱空位置处板料温度 降至 180 ℃ 左右 ;  当模具孔径增至 Φ40 mm 时 ,  温降 20 s 后边部跟踪点温度为 287 ℃ ,  中心跟踪点温 度为 384 ℃ ,  远高于 Φ20 mm 孔径情况 。由图 8 可 知 ,  随着模具孔径直径由 Φ20 mm 增至 Φ40 mm , 中心 跟 踪 点 最 大 温 降 速 度 由 80  ℃  · s- 1    降 至 30 ℃ · s- 1 , 且随着模具孔径的增大 ,  中心跟踪点处 温降较边部跟踪点滞后幅度逐渐增大 ,  当模具孔径 为 Φ20 mm 时 ,  其最大温降速度出现在温降 7 s 左 右 , 而当模具孔径增至 40 mm 时 , 其最大温降速度 出现在 17 s 左右 , 增大模具孔径有利于削弱中心位 置受边部接触换热导致的快速温降响应 ,  扩大模具 脱空中心位置与边部的温度梯度 , 进而有利于局部 性能梯度的实现。

2. 3   不同间隙换热系数下温度变化

为研究间隙换热系数对模具淬火过程中局部变  冷却速度的影响 , 基于文献  [ 19]  中不同模具间隙  和不同温度下板料模具换热系数变化范围 ,  选用  50 、100 和 150 W · m-2   · K- 1  这 3 个间隙换热系数  对板料模具淬火过程进行仿真 , 模具温度为 100 ℃ ,  模具孔径为 Φ20 mm , 跟踪板料温度的变化。图 9 为  不同间隙换热系数下跟踪点温度变化曲线 ,  图 10 为  不同间隙换热系数下跟踪点温降速度的变化曲线。由图 9 可知 ,  间隙换热系数对脱空位置处板料温度  影响较小 ,  当间隙换热系数由 50 W ·m-2   ·K-1  增至  150 W · m-2   · K-1   时 , 温降 10 s 后脱空位置中心跟  踪点温度均降至 200 ℃ 左右 。由图10可知 ,  间隙换热系数对脱空位置处板料温降影响较小 ,  间隙换  热系数为 50 W · m- 2   · K- 1  时 , 脱空中心位置板料最  大温降速度为 111 ℃  · s-1 ;  当间隙换热系数增至  150 W ·m-2   ·K- 1  时 ,  脱空中心位置板料最大温降  速度为 120 ℃  · s- 1 。随着间隙换热系数的增大 ,  中  心位置处最大温降略有增大 , 但变化幅度较小 , 说明  在模具局部脱空平板淬火过程中 , 脱空位置处平板与  模具间隙换热系数对温降的贡献较小 , 脱空位置板料  温降略滞后于边部位置 , 说明中心位置温降主要通过  与边部位置温度差导致的热传导实现 ,  由图 3 也可  知 , 模具局部脱空后 , 脱空位置处换热系数较其他  位置急剧降低 , 改变模具局部脱空深度仅使得间隙  换热系数在低位波动 , 对该处的温降行为影响较小。

2. 4   不同板料-模具接触换热系数下温度变化

为研究板料-模具接触换热系数对模具淬火过 程中局部变冷却速度的影响 ,  采用不同的板料-模 具接触换热系数对板料模具淬火过程进行仿真 , 基 于文献  [19]  中不同压力 、不同温度下板料模具换 热 系 数 变 化 范 围 ,   选 用  1500 、 2000 、 2500  和 3000 W ·m-2   ·K- 1  这 4 个板料-模具接触换热系数进 行仿真 , 模具温度为 100 ℃ , 模具孔径为 Φ20 mm ,跟踪板料温度的变化。图 11 为不同板料-模具接触 换热系数条件下跟踪点温度的变化曲线 ,  图 12 为不 同板料-模具接触换热系数下跟踪点温降速度的变 化曲线 。由图 11 可知 ,  随着接触换热系数的增大 , 中心跟踪点温降略有增大 , 但影响相对较小 ; 边部 跟踪点温降受接触换热系数的影响较大 。由图 12 可 知 ,  随着接触换热系数由 1500 W · m-2   · K- 1   升至 3000 W · m-2   · K- 1 ,  边部跟踪点最大温降速度由173 ℃  · s- 1  增至 324  ℃  · s- 1 ,  温降速度明显增大。中心 跟 踪 点 最 大 温 降 速 度 由 94  ℃  · s- 1   增 至  113 ℃ · s- 1 , 温降速度增大幅度较边部跟踪点明显  降低 。这是因为板料模具接触后 , 接触区域直接参  与同模具间的接触换热 ,  因而受板料-模具换热系  数的影响较大 , 边部跟踪点距离接触区域较近 , 受  接触区域温降影响较大 ,  而中心跟踪点距离接触区  域较远 , 其最大温降出现在 5 s 以后 , 此时不同接  触换热系数下 ,  接触区域温度均已降至较低水平 ,  因而对中心点温降的影响相对较小。

将以上 4 种因素对中心跟踪点温降速度的影响 进行对比 , 如图 13 所示 。从图中可以看出 ,  中心跟 踪点温降速度受模具温度和模具孔径的影响较大 ,受间隙换热系数和接触换热系数的影响较小 , 其中模 具孔径对中心跟踪点温降速度的影响最大 , 通过合理 控制模具孔径可以有效降低淬火后模具局部脱空位 置板料强度 。此外 ,  由以上分析可知 ,  板料脱空位 置温降明显滞后于接触位置 , 通过合理控制保压淬 火时间 , 在保证接触位置完成马氏体相变的前提下 取出板料进行空冷 , 进而避免脱空位置的马氏体相 变 ,  同样可以实现脱空位置板料的局部软化。

3. 1   实验设备及实验方案

模具局部脱空平板淬火实验采用板材快速热压成形试验机进行 , 模具采用平板淬火实验模具 , 采 用带有中间孔的板料分别固定在平板模具的上下表面实现模具局部脱空 ,  固定后的模具如图 14 所示 , 采用中间孔直径分别为 Φ20 和 Φ40 mm 研究不同模具 脱 空 直 径 的 影 响 ,  实 验 材 料 为 首 钢 生 产 的 22MnB5 正方形板料 ,  尺寸规格为 150 mm× 150 mm× 2 mm ,  实验时将板料放入加热炉中加热至 930 ℃ 后 , 转移至平板模具中进行模具淬火 , 保压时间分别 为 7、14 和 21 s , 实验完成后分别对脱空位置板料硬 度及显微组织进行测量 , 研究模具脱空直径及保压时 间对板料性能的影响。淬火后板料如图 15 所示。

3. 2   实验结果分析

3. 2. 1   硬度检测结果分析

图 16 为不同模具孔径下保压淬火 21 s 后板料  硬度检测结果 , 其中直径为 ∞ 代表空泛条件下结果。由图可知 ,  随着模具孔径的增加 , 板料硬度逐渐增  加 ,  当模具孔径为 Φ20 mm 时 ,  模具脱空位置板料  硬度为 423 HV , 与模具淬火条件下板料硬度值差异  较小 , 说明当模具孔径为 Φ20 mm 时 ,  模具脱空位  置板料冷速较大 , 板料在冷却过程中发生了马氏体  相变 ,  因而硬度较高 。当模具孔径为 Φ40 mm 时 ,  模具脱空位置板料硬度为 309 HV , 较模具淬火条件  下板料硬度值下降 137 HV ,  说明此时模具脱空位置处板料冷速较其他位置冷速明显降低 , 促进了贝氏 体相变 , 减少了组织中马氏体的比例 , 进而实现了 板料局部软化 , 这与前述仿真结果是一致的。

图 17 为不同保压淬火时间后模具脱空位置板料 硬度检测结果 ,  随着淬火时间的增加 , 模具脱空位 置板料硬度逐渐增大 ,  当模具脱空孔径为 Φ40 mm , 淬火时间为 7 、14 和 21 s 时硬度分别为 231 、276 和 309 HV ;  当模具脱空孔径为 Φ20 mm ,  淬火时间为 7 、14 和 21  s 时硬度分别为 352 、399 和 423 HV , 说明合理控制保温时间可以实现板料的局部软化 , 即便脱空直径较小时亦可实现局部软化 。这是因为 板料-模具接触位置换热系数较大 ,  在较短的淬火 时间即可完成马氏体相变 ,  而脱空位置处板料温降 主要通过与相邻位置处热传导实现 , 其温降略滞后 于周围区域 ,  当淬火时间较短时 ,  脱空位置来不 及发生热传导 ,  温度较高 ,  尚未完成马氏体相变 , 此时将板料从模具取出进行空冷 ,  可以有效抑制 马氏体的产生。

3. 2. 2   微观组织检测结果分析

图 18 为不同模具孔径下保压淬火 7 s 后板料扫  描电子显微镜  ( Scanning Electron Microscope ,  SEM)  图 。由图可知 ,  当模具脱空位置孔径为Φ0 mm  ( 无  脱空)  时 , 板料组织为板条状马氏体组织 ;  当模具  脱空位置孔径为 Φ20 mm 时 ,  板料脱空位置开始出  现少 量 贝 氏 体 组 织 ,  当 模 具 脱 空 位 置 孔 径 增 至  Φ40 mm 时 ,  板料脱空位置贝氏体比例进一步增大。当脱空位置孔径为无穷大时 ,  板料组织为铁素体 +  珠光体组织。

图 19 和图 20 分别为模具孔径 Φ20 和Φ40 mm  时不同保 压 淬 火 时 间 后 模 具 脱 空 位 置 微 观 组 织。保压时间对板料组织有显著影响 ,  对于 Φ20 mm脱空直径下保压淬火板料 ,  结合图 18b 和图 19 可  知 , 保压 7 s 时的组织为马氏体组织 +少量贝氏体  组织 , 但是增加保压时间后 ,  组织为马氏体组织。结合图 18c 和图 20 可知 ,  对 Φ40 mm 模具脱空直  径下保压淬 火 板 料 ,  保 压 7 s 的 组 织 为 马 氏 体 组  织 +少量贝氏体组织 ;  而增加保压时间后 ,  组织中  贝氏体含量降低。

在 Φ20 mm 脱空直径条件下 , 板料脱空位置中 心点附近最大温降速度为 70 ℃  · s- 1 。结合图 21 中 22MnB5 的过冷奥氏体连续冷却转变曲线  ( Continu- ous Cooling  Transformation ,  CCT )   曲 线 数 据 可 知 , 模具脱空直径为 Φ20 mm 时 ,  脱空中心位置板料 主要为马氏体相变 。当保压 7 s 时 ,  板料脱空中心 位置温度为 560 ℃  ( 图 7a) , 卸载试样空冷 , 冷速 降低 , 局部区域进入贝氏体相变区 ,  发生贝氏体 相变。

当脱空直径增加至 Φ40 mm 时 ,  脱空中心位 置最大冷却速度降低至 35 ℃  · s- 1 ,  当保压 7 s 时 , 板料脱空位置中心温度为 700 ℃  ( 图 7c) , 局部区 域空冷发生贝氏体相变 ,  脱空位置组织为马氏体 组织+少量贝氏体组织 ,  结合图 7c 和图 20 可知 , 随着保压时间的增加 ,  板料脱空位置中心温度持 续降低 ,  空冷贝氏体相变区域逐渐减小 ,  同时相 变时间缩短 ,  贝氏体组织比例逐渐降低 。以上分 析进一步证明通过合理控制孔径和模具淬火时间 可以实现和控制模具脱空位置板料的局部软化程度。

(1)  在模具局部脱空淬火过程中 , 脱空位置处板料温降主要通过该处与相邻区域的热传导进行实 现 。其中 , 对脱空位置处板料温降速度影响较大的 因素为模具孔径和模具温度 , 影响较小的因素为板料-模具接触换热系数和间隙换热系数。

(2)  随着模具孔径和模具温度的增大 ,  脱空位置板料温降速度逐渐降低 ,  当模具孔径为 Φ40 mm 时 , 可以有效抑制脱空位置板料的马氏体相变 , 进 而实现局部软化。

(3)  板料脱空位置处温降滞后于边部位置 , 在 合理脱空孔径下通过合理控制保压淬火时间 , 在保 证接触位置完成马氏体相变的前提下 ,  缩短保压 淬火时间 ,  实现板料取出后脱空位置温度的控制 , 进而空冷获得实现局部所需软化程度的贝氏体组织含量。