轎車車門高強度鋼制防撞桿熱處理工藝與性能的實驗研究

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，安裝在側門內，其力學性能決定了車輛發生側面碰撞時駕乘人員受保護的程度。當車輛在發生側面撞擊時，防撞桿彎曲吸收撞擊能量，故防撞桿的剛性不能太強，以保證發生撞擊時的瞬間不會給駕乘人員造成加速度傷害。當防撞桿彎曲到一定程度后仍需要能保持一定的抗壓強度，保證侵入量不會給駕乘人員造成二次損害；此外，當防撞桿彎曲到侵入量停止時，其受力彎曲部位不得出現斷裂分離以防止刺傷駕乘人員。

隨著汽車行業的發展，防撞桿已經成為現代轎車的必要配備之一，其需求量不斷上升。高強度鋼由于其優異的力學性能，在汽車行業得到了廣泛的應用。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]，國內如寶 鋼集團的BR1500HS 鋼等，這些高強鋼經熱成形處理后，不僅其力學性能明顯優異于普通鋼材，而且可以有效降低鋼材的使用量，符合當前汽車輕量化的發展需要[4]。此外，利用國產材料代替進口材料，實行材料國產化，在保證質量的前提下有利于降低汽車整車成本。BR1500HS 鋼是中國寶鋼集團生產的熱軋酸洗高強鋼，作為國內材料的防撞桿的一般用材，已有實驗數據[5-11]表明，其熱處理后的各項指標均能達到防撞桿的使用標準。本文通過對汽車車門防撞桿連續高頻淬火機的參數進行設定及實驗數據分析，對熱處理后防撞桿的硬度及力學性能進行研究。

1 實驗材料及設備

1.1 實驗材料及規格

實驗材料為中國寶鋼集團生產的酸洗高強鋼板BR1500HS，主要化學成分如表1所示。通過冷軋加工后焊接形成圓管狀，再通過激光切割設備將其截斷，其規格如表2所示。

表1 BR1500HS高強鋼板化學成分的質量分數

表2 實驗對象材料及規格

1.2 實驗要求

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。熱處理后的三點彎曲力學性能要求如表3所示。

圖1 轎車車門防撞桿的淬火范圍

表3 三點彎曲要求實驗對象力學性能要求

1.3 實驗設備

采用高頻DIB 連續淬火專用設備進行實驗，設備的運行是通過推動管身產生軸向移動，同時管身需要圓周回轉，經過高頻感應連續加熱淬火，設備實驗加工過程如圖2所示。設備電源參數及設定參數如表4所示。

圖2 設備實驗加工過程

表4 設備電源參數列表

2 實驗結果與分析

2.1 測試推進速度與輸出功率對淬火硬度的影響

工件回轉速度及冷卻條件等其他設定參數不變，在120 mm/s、110 mm/s、105 mm/s 和100 mm/s 的 推 進 速 度 下，驗證淬火硬度滿足設計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，對其硬度梯度進行多點測量。測量方法如圖3所示，各推進速度下的各位置硬度及硬度梯度的測量結果如圖4所示。

圖3 硬度檢測位置及點分布

圖4 不同推進速度、不同淬火加熱電壓（功率）條件下的淬火硬度

根據實驗結果可知，圖4（a）實驗樣品的淬火硬度值由外向內逐漸降低，淬火梯度硬度值離散，且有些點已經低于工件硬度要求的下限。據圖5所示的內部淬火金相組織，推測在此推進速度下，防撞桿連續加熱淬火過程中，內部局部區域未能完全奧氏體化導致硬度低于要求。圖4（b）淬火硬度梯度值雖在要求范圍內，但有局部的硬度值接近下限，據此，推進速度120 mm/s、110 mm/s為不合適的條件。圖4（c）和圖4（d）實驗樣品的淬火硬度值數據分布相對集中，均在硬度要求的中限，故推進速度105 mm/s、100 mm/s 均可作為合適的實驗條件。

圖5 推進速度120 mm/s，淬火硬度異常位置的內部金相組織

從圖4（b）～（d）的實驗數據，對于本次實驗的防撞桿，在得到合格淬火硬度時，推進速度與加熱電壓（電源輸出功率）呈線性關系，如圖6所示，位于斜線的右上方（含斜線）為完全淬火組織區域，在斜線的左下方為未完全淬火組織區域。據圖6可推演出90 mm/s推進速度時，淬火硬度合格的加熱電壓為425 V。

圖6 推進速度與加熱電壓的關系

2.2 完全淬火組織中的研究

在105 mm/s 的推進速度，其他設定條件不變，伴隨加熱電壓上升時，硬度及硬度梯度、三點彎曲力學性能的變化實驗。本次實驗DIB 設備的電壓控制精度為±1.5 V 以內，為了每個條件的加熱電壓實際輸出功率不重疊，每個條件中的設定電壓必須間隔在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 組實驗，分別經過高頻加熱淬火和180 ℃箱式回火后，各測量5根試樣的三點彎曲數據如圖7所示。

根據各組數據的對比分析，從設定的電壓457～475 V，其三點彎曲數值均達到各規格范圍值要求，試樣間各數據的數值波動相對穩定。從圖7 中加熱電壓從457 V 上升到472 V時，伴隨加熱電壓的上升在力學性能呈線性變化，475 V時其三點彎曲的吸收能量、最大壓力值、開始角度均低于其他加熱電壓的數據。

圖7 7組條件的三點彎曲數據

加熱電壓上升時回火后硬度的變化。檢測7 組條件各5根，一根分前端、中端、末端3個橫截面，前末端離端口各為60 mm 處的試樣。其檢測方法如圖3 所示，每組共600 個點位。將硬度范圍450～570 HV 均分6 個分段，每段間隔20 HV，該次硬度實驗數據的分布情況，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

根據表5 中的數據分析，回火后硬度大多分布在470～510 HV1.0 之間，呈不規則的正態分布，如圖8 所示，出現471～490 HV1.0 的數值占比要比511～530 HV1.0 的數值占比高。隨著加熱電壓上升，硬度均值反而會出現下降且分布圖左移，當電壓升高到475V（191 kW）時，硬度在491～510 HV1.0區間的分布比例下降，在471～490 HV1.0區間的分布比例上升。

結合圖7～8，得出回火后的硬度加權值及力學性能伴隨加熱電壓或輸出功率的上升在某一加熱電壓區間呈線性變化，各點硬度數據呈不規則非對稱的正態分布。

2.3 品質穩定性測試

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根試樣進行穩定性、再現性實驗，其硬度結果如表6所示，力學性能如圖9所示。

表6 量產3組條件的硬度分布情況

圖9 3組條件的三點彎曲數據

如表6、圖9 所示，選擇加熱電壓（463～469 V）區間，通過30 根試樣的品質穩定性、再現性試驗，防撞桿力學性能和硬度均穩定再現，其中加熱電壓466 V（輸出功率185 kW）其力學性能及硬度最優。

3 結束語

本文通過對冷軋加工BR1500HS 高強度鋼材的防撞桿高頻淬火條件設定實驗，得到如下3個結論。

(1) 得到完全淬火組織的推進速度和加熱電壓（功率）呈線性關系。因BR1500HS 鋼管素材的規格壁厚（2.6 mm）較厚，若推進速度過快，則會導致管內壁未熱透（加熱溫度不足），淬火后外壁能完全轉化為馬氏體，內壁未完成淬透，故內部有部分鐵素體，導致硬度未能達到規格范圍以內。

(2) 經過適當調控的連續感應加熱淬火條件如鋼管推進速度、高頻電源的加熱電壓（輸出功率），BR1500HS 高強鋼鋼管的硬度與力學性能完全滿足設計要求，通過實驗發現：防撞桿完全轉變馬氏體后，硬度及力學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間呈線性變化，各點硬度數據呈不規則非對稱的正態分布。

(3) 在推進速度為105 mm/s，其他參數不變時，選擇加熱電壓(463～469 V)或功率區間，通過30根品質穩定性、再現性試驗，防撞桿力學性能和硬度均穩定再現，其中加熱電壓466 V（輸出功率185 kW）其力學性能及硬度最優。