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304L不锈钢汽车油箱壳冲压工艺研究
返回列表 来源: 发布日期: 2020.08.25

304L不锈钢供货商—无锡中兴溢德今天和大家分享下304L不锈钢汽车油箱壳冲压工艺研究。

汽车油箱是汽车动力系统供给的关键部件,也是重要的安全部件。传统的汽车油箱采用镀铅锡合金板(terne板)及各种无铅镀层钢板制造,近年来塑料汽车油箱凭借其密度小、弹性大、成型性好等优点受到越来越多的汽车厂商的青睐。随着各种环保法规出台、钢铁制造工艺的进步以及PZEV标准的兴起,金属汽车油箱凭借其固有不渗透的优点重新回到人们的视线,目前汽车油箱材料向无铅化、环保化及更强耐腐蚀方向发展。

奥氏体不锈钢具有优良的抗腐蚀性、塑性、韧性、良好的低温和高温性能、无需涂装等优点,同时还具有应变强化的特性,能最大限度降低汽车油箱质量,符合汽车轻量化的趋势,是汽车油箱理想的材料。但是奥氏体不锈钢在塑性变形过程中会发生马氏体转变,使材料的强度急剧升高、韧性降低(trip效应),容易产生开裂,近年来发生的多起奥氏体不锈钢压力容器泄露事故都与过度晶间腐蚀有关,以上多种原因限制了奥氏体不锈钢在汽车油箱上的使用。

现利用304L奥氏体不锈钢应变强化的特性,采用新的冲压成形工艺解决了其塑性变形过程中由于trip效应导致的开裂问题,控制马氏体转变量在15%以下,最大限度提高了汽车油箱的安全性能。

图1汽车油箱壳

汽车油箱壳如图1所示,最大深度为250mm,整体呈马鞍形,中间部位过渡比较急剧,材质为304L亚稳态奥氏体不锈钢,厚度为1mm。

制件在拉深过程中发生异响,并且随着拉深深度的增加响声越大,压力机压力由初始的6000kN增大为8500kN,最终在制件拉深到底前50mm出现开裂(见图2),到底前50mm塑性变形量如图3所示,说明材料的屈服强度随着塑性变形的增大而增大,压力机需要克服的材料抗力越来越大。

图2拉深到底前50 mm开裂

图3拉深到底前50 mm塑性变形量

针对制件开裂问题现场试验采用以下6种方案:

①拉深分6次完成,开裂无法消除;

②板料两面均匀涂抹润滑油,拉深到底前50mm制件开裂;

③使用聚氯乙烯薄膜作为润滑剂拉深到底前30mm制件开裂;

④将凹模圆角由R8mm改为R20mm,拉深到底前25mm制件开裂;

⑤将凹模圆角由R8mm改为R20mm,两面粘贴聚氯乙烯薄膜,拉深到底前20mm开裂;

⑥减小压边力,周圈法兰边起皱严重,开裂无法消除。

按照传统的调试方法无法解决制件开裂问题,需要从304L材料性能方面研究解决开裂问题。

图4单向拉伸试样

304L材料在室温下发生塑性变形时会有部分奥氏体转变为马氏体,为了确认塑性变形量和马氏体转变量的关系,在室温(25℃)进行马氏体转变量标定试验。加工8个拉伸试样(见图4),板料厚度为1mm,使用万能拉伸试验机将试样拉伸到指定的变形量,保持一段时间后卸载,用铁素体测量仪FerriteDetermSP10a测量马氏体转变量,结果如图5所示。

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图5不同塑性变形量时马氏体转变量

由图5可以看出,室温下304L材料马氏体转变量随着塑性变形量增加而增加,当塑性变形量<15%时马氏体转变速率较慢;当塑性变形量>15%时,马氏体转变速率较快;当塑性变形量为40%时,马氏体转变量达到30.7%,高于马氏体转变量在15%以下的压力容器要求,不能满足汽车油箱高温高压的使用要求。

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图6 CAE分析拉深塑性变形量

通过Autoform分析汽车油箱壳成形过程,如图6所示,成形结束后制件塑性变形量平均在35%左右,最大塑性变形量为47%。按照常规工艺方法不能很好地控制马氏体转变量,马氏体转变量过大,材料强度增加,韧性降低,导致制件拉深到底前50mm出现开裂,通过调整材料流入和使用聚氯乙烯薄膜润滑均不能控制马氏体转变量。

查阅相关文献发现304L材料马氏体转变量与温度有一定关系,为了确定马氏体转变量与温度的关系,进行了不同温度下马氏体转变量标定试验。

按图4所示加工8个拉伸试样,板料厚度为1mm,采用加热炉将试样加热到指定温度,在万能拉伸试验机上将试样拉伸到35%塑性变形量,保持一段时间后卸载,用铁素体测量仪FerriteDetermSP10a测量马氏体转变量,结果如图7所示。

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图7不同温度下35%塑性变形量时马氏体转变量

由图7可以看出,随着温度的升高马氏体转变量逐渐降低,对于发生35%塑性变形的试样,当温度为0时马氏体转变量为50%;当温度为80℃时,马氏体转变量为13%;当温度升高到120℃时,马氏体转变量仅为4%。这是因为304L材料形变诱发马氏体转变的初始温度为Ms,最高温度为Md,当温度在Ms~Md时,奥氏体在应力和塑性变形的作用下会发生部分马氏体转变,而当温度高于Md时即使发生很大的塑性变形奥氏体也不会转变为马氏体。通过试验发现当板料温度为80℃时,马氏体转变量为13%,当板料温度>100℃时,马氏体转变量均在5%以下,理论上将板料加热到80℃以上即可控制马氏体转变量低于15%。

图8成形后制件

基于上述试验研究,将板料在感应加热炉中加热至100℃并保温30min,在原有冲模上一次拉深成形,制件没有出现开裂,成形后制件如图8所示,经检测制件马氏体转变量最高为7%,达到了预期的效果。

本文转载《模具工业》2019年第4期

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