熱成形淬火工藝中加熱爐關鍵技術參數

李立臣，任曉琪

（1.上海凌云汽車模具有限公司，上海 201708；2.山東大王金泰集團有限公司，山東 東營 257300）

熱成形淬火工藝中加熱爐關鍵技術參數

李立臣1，任曉琪2

（1.上海凌云汽車模具有限公司，上海 201708；2.山東大王金泰集團有限公司，山東 東營 257300）

汽車輕量化是降低燃油消耗及減少排放的有效途徑之一。為了給汽車用戶提供最高等級的安全性能，同時又要實現汽車減重，現多數商用汽車制造商開始采用高強度輕重量的熱成形零部件。然而根據熱成形件質量的要求，需要著重考慮加熱過程中的幾個關鍵技術參數（溫度均勻性，氣氛保護，露點控制），并結合不同加熱爐的結構特點，比較了相互的優缺點。結果表明，輥底式加熱爐性能要優于多層箱式爐。

熱成形；加熱爐；溫度均勻性；氧化保護；露點控制

車身輕量化是實現節能減排的有效途徑之一。但輕量化不能作為降低車輛安全性的借口。熱成形件因其強度高、安全性好而獲得廣泛應用。

如圖1所示，熱成形工藝原理是把硼鋼板（22MnB5）置入加熱爐內加熱到Ac3以上某一溫度（850～950℃，3～10min）；完全奧氏體化后，將其從加熱爐中取出，迅速轉移至有冷卻系統的熱沖壓模具中，快速沖壓成形并保壓淬火，使板料組織由奧氏體轉變為馬氏體。成形后的制件強度可達1500MPa左右，零件尺寸精度高，回彈較小。

圖1 熱成形淬火工藝

熱成形件在生產和使用過程中需重點關注幾個問題：加熱過程氧化保護，零件使用過程中的碰撞性能（晶粒尺寸）和氫脆引起的延遲開裂（露點保護）。而在熱成形淬火工藝中，這些關鍵性能的控制階段是板料的加熱奧氏體化過程。

1 加熱爐

加熱爐的功能是將板料加熱至奧氏體化狀態，在此過程中要保證板料溫度均勻、氧化小、露點低（防止氫脆）。目前應用中的加熱爐主要分為兩大類：輥底式加熱爐和箱式加熱爐。

1.1 輥底式加熱爐

如圖2所示，輥底式加熱爐用爐內輥道運送熱成形料片，沿爐子整個長度每隔一定距離安裝一根爐輥，料片在輥子上運行，在輥子的上面和下面的爐膛都可布置高效燃燒器或陶瓷輻射管，通過管道向爐內輸入保護氣體。該加熱爐特點是：料片運動、爐門少（板料入口和板料出口各一個）。

圖2 輥底式加熱爐

1.2 箱式加熱爐

箱式加熱爐是近年來為適應試模、實驗等需求進入熱沖壓市場的。料片放在箱式爐內部支架上進行加熱，由于料片在加熱爐內不運動，所以可以在爐膛上層、下層及兩側布置電阻絲進行加熱，如圖3所示。該加熱爐特點是：料片不動、爐門多（每個爐膛都有一個爐門）。

圖3 多層箱式加熱爐

2 關鍵技術參數

由上文可知，根據熱成形件性能要求，需重點關注加熱過程中的幾個關鍵參數：板料溫度均勻性、氧化保護和露點控制。

2.1 溫度均勻性

輥底爐中板料溫度差小于5℃，而箱式爐中板料的溫度差大于20℃[1]；加熱溫度對抗拉強度、屈服強度和延伸率的影響不大[2]。然而晶粒尺寸對碰撞性能影響較大，如圖4所示，晶粒尺寸的增大大大降低了成形件的碰撞吸能功；而根據Cai H.L.的研究可知，奧氏體化溫度對原奧氏體晶粒尺寸影響很大，分別為 ：9.7μm （875℃）、23.4μm （900℃）、25.8μm（925℃）、29.9μm（950℃）。

圖4 22MnB5原奧氏體晶粒尺寸對于碰撞吸能功的影響[3]

為此，為保證力學性能均勻性，輥底式加熱爐效果最好；如果是箱式爐，最好在內部設計風道，讓爐內強制流動，提高爐內溫度的均勻性。

2.2 氧化保護

在熱成形淬火工藝中，板料要經過加熱奧氏體化階段；板料在高溫狀態下會發生氧化，表層脫碳（脫碳層將產生大量鐵素體，如圖5所示），形成氧化皮。在沒有保護氣體的情況下，脫碳層厚度為50～100μm，相當于板料厚度減薄；另外導致摩擦嚴重，模具磨損，工作環境惡劣。目前沖壓過程中的板料主要分為兩種：裸板和涂層板。

圖5 22MnB5熱成形淬火后脫碳層微觀組織

裸板：料片進入加熱爐后，為防料片氧化，通常通入惰性氣體進行保護，常用惰性氣體為氮氣，或者氮氣+少量氫氣（或少量甲烷）。然而往加熱爐通入的純氮氣中會夾雜少量雜質（氧氣和水），裸板上的油里會殘留水分，長時間工作的加熱爐的保溫材料里也含有大量水分和氧氣；并且由于爐門的頻繁開啟，會使空氣進入加熱爐內部；輥底式加熱爐只有兩個爐門；而箱式加熱爐每個爐膛都有一個爐門。因此，輥底式爐比箱式爐的保護效果好。

涂層板：是在裸板表面鍍一層涂層（目前大批量應用的是Al-Si涂層），加熱過程中不再需要保護氣氛，“涂層與氣氛”以及“涂層與基體”會發生復雜的化學反應，從而保護基體免受氧化。然而，在輥底式加熱爐中，棍子會粘結涂層，會侵蝕陶瓷管；而對于箱式爐，則沒有此問題，這是箱式爐的優勢。

2.3 露點控制

氫致延遲開裂現象的表現形式為：由于游離氫進入鋼鐵內部，使鋼材的塑形顯著下降，脆性急劇增加，并在靜載荷下（往往低于材料的抗拉強度）經過一段時間后發生破裂破壞現象。如圖6所示，熱成形件中，隨著氫含量的上升，斷裂形貌由“韌窩斷裂”轉變為“沿晶斷裂”。

圖6 氫含量對斷裂形貌的影響[4]

氫裂的主要來源是：在料片生產中，由于保護不徹底導致氫進入料片中；露點是指濕空氣中水蒸氣的分壓力所對應的飽和溫度，可用露點檢測儀測定。

施瓦茨研究表明，為防止氫致延遲開裂，爐內露點要低于-5℃[5]。在熱成形生產中，為防氫裂產生，在加熱爐內部通入保護氣氛，與游離氫發生反應，保護料片；且在加熱爐中設露點檢測儀，對露點進行檢測。在輥底式加熱爐中，由于只有一個爐膛，所以露點檢測儀的數量比較少，一般放置一個，也可以分區放置多個；而對于箱式爐，每個爐膛是獨立的，需要在每個爐膛都有一個露點檢測儀。

3 總結

根據熱成形件質量要求，對不同加熱爐的幾個關鍵技術參數進行比較，得出以下結論：

（1）輥底式爐的溫度均勻性好，加熱料片力學性能也相應均勻，包括碰撞吸能功。

（2）在裸板加熱過程中，由于輥底式爐只有兩個爐門，在其他保護條件相同的條件下，輥底式爐的保護效果最好；但在涂層板加熱過程中，陶瓷輥會被涂層侵蝕，需要經常更換，成本較高。

（3）在露點檢測方面，由于輥底爐爐膛只有一個，露點保護效果較好；且露點檢測儀放置數量少。

[1]施瓦茨機械設備昆山有限公司.施瓦茨熱沖壓成型加熱爐技術進展[A].2014中國汽車輕量化技術國際研討會[C].重慶，2014.

[2]Cai,H.L.,Du,P.J.,Yi,H.L.,Wu,D.Effects of Austenitizing Temperature on Microstructure and Propertiesof Hot-Formed Steel.in：Advanced Materials Research：Trans Tech Publ,vol.1063,2015.88-92.

[3]Mohrbacher,H.Martensitic Automotive Steel Sheet-Fundamentals and Metallurgical Optimization Strategies.in：Advanced Materials Research：Trans Tech Publ,vol.1063,2015.130-142.

[4]Lovicu,G.,Bottazzi,M.,D'Aiuto,F.,De Sanctis,M.,et al.Hydrogen Embrittlement of Automotive Advanced High-Strength Steels.Metallurgical and Materials Transactions A.2012,43(11):4075-4087.

[5]Lehmann,H.New developments in furnace for press-hardening.in:5th international conference of hot sheet metal forming of high-performance steel Canada:2015.331-341.

Key technical parameters of heating furnace for hot forming quenching process

LI Lichen1,REN Xiaoqi2
（1.Shanghai Lingyun Auto Mould Co.,Ltd.,Shanghai 201708,China;2.Shandong Dawang Jintai Group Co.,Ltd.,Dongying 257300,Shandong China）

With the development trend of automobile energy saving,safety,environmental protection and comfort,the light weight of vehicle is the most effective way to reduce fuel consumption and reduce emissions.In order to not only provide the highest level of safety performance,but also achieve weight loss,now high strength light weight hot forming parts have been adopted by most commercial vehicle manufacturers.However,according to quality requirements of hot formed parts,some key technical parameters(temperature uniformity,oxidation protection and dew point controlling)of heating process have to be emphatically considered.By combining with structural characteristics of different heating furnace,respective advantages and disadvantages have been compared.The results show that performances of roller-hearth furnace are superior to multi-layer box-type furnace.

Hot forming;Heating furnace;Temperature uniformity;Oxidation protection;Dew point controlling

TG315.1+1

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.03.015

1672-0121（2017）03-0058-03

2016-10-29；

2017-01-25

李立臣（1972-），男，高工，從事熱成形方向研究。E-mail：rcxing2012@163.com