CN102127675B

CN102127675B - 高效率低能耗高质量的钢板温成形零件的生产方法

Info

Publication number: CN102127675B
Application number: CN2011100415453A
Authority: CN
Inventors: 董瀚; 干勇; 翁宇庆; 时捷; 曹文全; 李晓源; 王存宇; 徐乐; 王毛球; 惠卫军
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2031-02-21
Also published as: CN102127675A

Abstract

一种高效率低能耗高质量的钢板温成形零件及其生产方法，属于零件成型技术领域。用于生产零件的钢板的成分为：C：0.02-0.45wt％、Mn：3.50-9.0wt％、P≤0.020wt％，S≤0.020wt％，余为Fe及不可避免的不纯物；在此基础上另加以下一种或多种元素：Ni：0.1-3.0wt％、Cr：0.2-3.0wt％、Mo：0.1-0.8wt％、Si：0.3-2.3wt％、Cu：0.5-2.0wt％、B：0.0005-0.0050wt％、Nb：0.02-0.30wt％、[N]：0.002-0.250wt％、Ti：0.05-0.25wt％、V：0.02-0.25wt％、Al：0.015-3.0wt％、RE：0.002-0.005wt％、Ca：0.005-0.03wt％。工艺流程为：钢板加热+钢板移送+钢板预冷+零件成形+零件冷却+零件控温处理。优点在于，实现低成本、高效率；提高工件的成形率和工件的最终力学性能。

Description

高效率低能耗高质量的钢板温成形零件的生产方法

技术领域

本发明属于零件成型技术领域，特别是提供了一种高效率低能耗高质量的钢板温成形零件及其生产方法，适合于厚度规格为0.6mm-20mm厚度钢板，获得抗拉强度800-2200MPa的以马氏体组织为基体的零件。

背景技术

伴随汽车轻量化，节能减排及提高安全性的要求，高强度乃至超高强度钢比以往任何时候更加引起了材料生产和汽车应用技术人员的重视。目前对钢铁材料而言，其成形工艺按其成形温度可以划分为冷成形(室温)，中温成形(如400-700℃)及高温成形(900℃以上)等三类。由于零件回弹、模具损耗、零件质量等难以克服的问题，冷成形一般应用于强度小于1000MPa的钢板。目前，只有高温成形才能实现钢的相变强化，使零件的抗拉强度达到1000MPa级以上。传统中温成形主要目的是降低钢材强度和提高塑性，以利于冲压，在此过程中不能实现强化，而且容易弱化钢的性能。

高温成形技术之一的热成形技术(Hot stamping/Hot pressing/Hot hardening)目前已被广泛应用在高强及超高强度钢(Rm≥1GPa)的成形技术中，它的特点之一是将钢材在高温进行奥氏体化(950℃左右)，然后在高温(900℃以上)对钢板在模具中进行成形，最后在通过带有冷却装置的模具实现零件的快速冷却(通常要求零件的冷却速度在100℃/s以上)，通过冷却相变得到高强度的马氏体组织。该技术的优点是把钢材在高温的优良成形能力和相变强化能力结合在一起，从而保证了最终成形件的超高强度要求。但是，现有的热成形工艺也有明显缺点，主要表现在：1、加热温度高对设备要求高，主体设备投资大；2、成形保压时间长(20秒左右)，生产效率低；3、构件在加热过程和移送过程中，钢板表面高温氧化严重，后序需要喷沙设备清除表面氧化铁皮；4、高温成形也容易造成局部减薄或形变的不均匀，无法成形具有拉延要求的复杂零件；5、冷却模具设计难度大，成本高(较冷成形模具高数倍)；6、加热温度高，能源消耗大。7、成形零件的硬度高，边缘和孔的切割只能依靠激光切割，成本高，生产效率低。造成热成形钢生产的上述缺点主要归结于传统热成形用钢的本质特征，主要基于以下几个方面原因：1、传统用以22MnB5为代表的合金结构钢的奥氏体化温度高(A_C3点约为860℃)；2、传统用22MnB5钢的淬透性较低，需要较高的奥氏体过热度和达到100℃/s的冷却速率；3、基于过冷奥氏体稳定时间短，只能在高温形变，高温是虽然延伸率很高，但加工硬化率较低，很难进行具有拉延要求的成形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率低能耗高质量的钢板温成形零件及其生产方法，通过降低奥氏体化温度和提高淬透性的合金设计，结合钢材在不同温度时的力学性能特征和组织演变规律，实现热成形工艺过程中降低生产成本、提高生产效率。可以减少钢板高温加热引起的表面氧化和翘曲，提高工件的成形率和工件的最终力学性能。同时，还可以降低设备投资、减少能源消耗、减轻环境污染和降低生产成本。有效地解决了热成形过程中常见的问题，并形成了具有特色的温成形技术。

本发明用来成型零件钢板的成分为：C：0.02-0.45wt％、Mn：3.50-9.0wt％、P≤0.020wt％，S≤0.020wt％，余为Fe及不可避免的不纯物。在此基础上可以另加以下一种或多种元素：Ni：0.1-3.0wt％、Cr：0.2-3.0wt％、Mo：0.1-0.8wt％、Si：0.3-2.3wt％、Cu：0.5-2.0wt％、B：0.0005-0.0050wt％、Nb：0.02-0.30wt％、[N]：0.002-0.250wt％、Ti：0.05-0.25wt％、V：0.02-0.25wt％、Al：0.015-3.0wt％、RE(稀土)：0.002-0.005wt％、Ca：0.005-0.03wt％。

本发明基于这种钢板的材料特性：

1、通过扩大奥氏体区元素的加入使钢的A_C3温度大幅度下降，可降低150-250℃，见附图1-3；

2、当Mn含量达到3.50wt％以上时，淬透性神奇地大幅度提高，见附图4。通过上述材料特性的应用将有效简化热成形设备，提高生产效率和解决表面氧化和零件的耐腐蚀问题。采用上述特性将有效解决传统热成形工艺问题，并形成新型成形工艺技术：

(1)由于加热温度降低，简化了加热装备(如辐射管用材料、传送辊用材料(原用陶瓷辊)、气氛保护装置；由于钢板淬透性大幅度提高，减化对冲压机的要求，可采用机械式或普通液压机生产；

(2)减少零件移运控制要求及减少移运过程中的表面氧化程度；

(3)大幅度提高冲压成形生产效率(较传统热成形工艺可提高3-10倍)；

(4)提高钢板的成形能力，可实现较复杂零件的成形；

(5)通过炉内气氛控制或钢板表面涂层，实现表面形成致密Fe₃O₄氧化层，提高零件耐腐蚀能力；

(6)获得马氏体组织的零件，抗拉强度为1200-2200MPa。

为了达到上述目的，本发明采用如下解决方案：

本发明的制造工艺主要流程为：钢板加热+钢板移送+(钢板预冷)+零件成形+零件冷却+(零件控温处理)

具体制造工艺操作如下：

1、钢板加热：钢板加热到Ac3至Ac3以上100℃的温度(通常采用730-780℃)，保温时间按钢板厚度计算，为1.0-5min/mm；同样，可以将钢板加热到Ac3以下50℃至Ac3，实现钢的亚奥氏体温度加热，这样虽然降低钢的强度，但提高了钢的塑性。钢板的加热通常采用辊底式加热炉进行，同样也适用于感应或电阻加热等方法。在上述工艺基础上，为了获得良好的表面质量，还可以通过钢板表面涂层和炉内气氛和温度控制，在钢板表面形成致密Fe₃O₄氧化层，以达到零件的防腐蚀的目的(即黑皮零件)，无需对零件再进行喷砂处理。

2、钢板移送：通常采用辊道滚出，钢板定位，然后机械手移送至冲压成形模具上，保证移送至模具时钢板的温度不低于Ms(马氏体开始转变点)点以上30℃。当然，此过程也完全可以采用手工移送等方式完成，对于大型零件可以采用辊道滚动方式移送。

3、钢板预冷(可选择采用)：为了进一步提高零件的成形能力，基于钢在不同温度时的加工硬化率变化特征，可通过钢板的预冷实现钢板获得设定的温度，控制温度在(350-600℃)。可将钢板直接送入板状模具进行平板压实或在辊道上的滞留等手段，作为本行业人员完全可以通过采用控制板状模具的温度、冷却条件和时间等手段单独采用或组合，实现钢板获得均匀一致的设定温度。随后，将钢板移送至冲压模具上进行冲压成形为零件。

4、钢板成形：钢板在冲压模具上可实现钢板的冲压成型。本发明不要求成形后仍实施保持压力状态以实现热成形零件快速冷却，也不要求成形模具带有冷却系统以实现热成形零件获得大于较高的临界冷却速度。本发明基于高效生产要求，可采用机械式冲压机，零件冲压成形后，可移送出模具，无需在模具中冷却。本发明也可以采用液压机，不要求液压机快速压下速度，零件冲压成形后，可以采用带有或不带有冷却系统的模具保压冷却至室温，或不保压，随后成形零件移送出模具。同样，本步骤对于辊压成形也完全适用。

5、零件冷却：成形零件可以在具有压力状态模具上以冷却至室温，也可以零件移送出模具后，采用空冷或风冷等方式冷却至室温。

6、零件控温(可选择)：在上述操作基础上，可将冲压成型后的零件冷却至Ms点以下30-150℃(通常为150-280℃)时，将零件装入温度为150-450℃的加炉内，保温1-5min后空冷或炉冷，以进一步提高零件的塑性和减少零件变形。

7、切边和冲孔(可选择)：当钢制零件温度在Ms点温度以上，本发明钢仍存在较多比例的奥氏体组织，此时钢的强度较低、塑性和韧性较高，可以采用机械式冲压机进行零件的剪切边和冲孔，同时也可对钢制零件发挥出矫正作用。

本发明的有点在于：

1、降低了钢板的奥氏体化温度，从而减少钢板在加热和移送过程中的表面氧化；

2、大幅度提高钢的淬透性，可实现采用非快速冷却的方法就可获得良好的组织和性能，大幅度减少保压时间(传统工艺为保证零件获得高的冷却速度)，提高生产效率；

3、通过中温成形提高材料在成形过程中的抗流变能力，以减少局部减薄所带来的成形缺陷并提高材料的成形能力；

4、同时中温成形可以在保证成形的前提下尽量强化材料以提高成形零件的最终强度。

5、通过加热炉气氛控制，在钢板表面形成致密的氧化层，提供钢板的防氧化保护。

附图说明

图1为Mn含量为3％时钢的计算相图。

图2为Mn含量为5％时钢的计算相图。

图3为Mn含量为7％时钢的计算相图。

图4为2#钢的连续冷却转变曲线。

图5为模拟成形用试验模具。

图6为采用750℃奥氏体化后冲压形成的零件。

图7为6#钢采用6A工艺成形获得了马氏体组织。

具体实施方式

(1)钢的制备：

本发明钢由试验室真空感应炉冶炼或转炉冶炼。真空感应炉冶炼钢的浇铸锭型为150kg的圆锭，共冶炼5炉钢；6#钢为采用80吨转炉+LF+RH+连铸+热轧连的工业生产工艺流程生产。化学成分见表1。其中1-5#钢经锻造开坯+试验室轧机热轧+试验室轧机冷轧，最终轧成1.5mm厚冷轧板；6#钢为热连轧成4mm厚钢板，经四辊单机冷轧机进行轧制成1.5mm厚钢板。

表1钢的化学成分

(2)钢板的加热和成形试验

1-6#钢的加热，以及冲压成形零件的缓冷采用带氮气保护的电阻式箱炉，钢板零件的移运采用人工操作，以便于控制时间。在本试验条件下，移运的时间决定了钢板进入模具的温度。1-5#钢的冲压采用40吨快速油压机，6#钢采用630吨快速油压机。1-5#采用尺寸较小的模拟成形模具，为见附图5。6#采用轿车侧门防撞梁模具进行冲压成零件，见附图6。具体工艺见表2。

表2钢板的热成形工艺

对钢制成形零件进行解剖分析的力学性能见表3。对于6#钢按A工艺生产的组织为马氏体组织，见附图7。

表3温成形零件的拉伸力学性能

Claims

1.一种高效率低能耗高质量的钢板温成形零件的生产方法，工艺流程为：钢板加热+钢板移送+钢板预冷+零件成形+零件冷却+零件控温处理；其特征在于，在生产工艺中控制如下技术参数：

（1）钢板加热：钢板加热到Ac3至Ac3以上100℃的温度，保温时间按钢板厚度计算，为1.0-5min/mm；或者将钢板加热到Ac3以下50℃至Ac3，实现钢的亚奥氏体温度加热；钢板的加热采用辊底式加热炉、感应或电阻加热；

通过钢板表面涂层和炉内气氛和温度控制，在钢板表面形成致密Fe₃O₄氧化层，以达到零件的防腐蚀；

（2）钢板移送：采用辊道滚出，钢板定位，然后机械手移送至冲压成形模具上，保证移送至模具时钢板的温度不低于Ms点以上30℃；

（3）钢板预冷：将钢板直接送入板状模具进行平板压实或在辊道上的滞留手段，通过采用控制板状模具的温度、冷却条件和时间，实现钢板获得均匀一致的设定温度；随后，将钢板移送至冲压模具上进行冲压成形为零件；控制温度在350-600℃；

（4）钢板成形：采用机械式冲压机，零件冲压成形后，移送出模具，或者采用液压机，零件冲压成形后，采用带有或不带有冷却系统的模具保压冷却至室温，或不保压，随后成形零件移送出模具；

（5）零件冷却：成形零件在具有压力状态模具上以冷却至室温，或者零件移送出模具后，采用空冷或风冷方式冷却至室温；

（6）零件控温：将冲压成型后的零件冷却至Ms点以下30-150℃时，将零件装入温度为150-450℃的加炉内，保温1-5min后空冷或炉冷，以进一步提高零件的塑性和减少零件变形；

所述的钢板成分为：C：0.02-0.45wt%、Mn:3.50-9.0wt%、P≤0.020wt%，S≤0.020wt%，余为Fe及不可避免的不纯物；在此基础上另加以下一种或多种元素：Ni:0.1-3.0wt%、Cr:0.2-3.0wt%、Mo:0.1-0.8wt%、Si:0.3-2.3wt%、Cu:0.5-2.0wt%、B：0.0005-0.0050wt%、Nb:0.02-0.30wt%、[N]:0.002-0.250wt%、Ti：0.05-0.25wt%、V：0.02-0.25wt%、Al：0.015-3.0wt%、RE:0.002—0.005wt%、Ca:0.005-0.03wt%。