CN103409613A - 实现热冲压制件梯度性能分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现热冲压制件梯度性能分布的方法，包括以下步骤：根据对热冲压制件的性能要求，确定热冲压制件在不同位置处应具有的力学性能；根据最终力学性能与淬火过程中冷却速度的关系，确定热冲压制件的不同位置在热冲压淬火阶段的冷却速度；根据得到热冲压制件的不同位置处应具有的冷却速度，确定需要在模具内表面涂覆的热障涂层的位置、热障涂层的材料和涂覆厚度；选用相应的涂覆方式，在模具的相应位置处涂覆热障涂层；采用热冲压工艺对板料进行成形和淬火处理以获得热冲压制件，利用热冲压制件不同位置处冷却速度的不同，获得力学性能的梯度分布。本发明实施起来简单方便、节省了大量的制造成本和生产周期，使用灵活高效。

Description

实现热冲压制件梯度性能分布的方法

技术领域

本发明涉及一种热冲压方法，特别是涉及一种实现热冲压制件梯度性能分布的方法。

背景技术

目前，超高强钢的应用成为汽车及其他制造领域的主流发展趋势之一，而热冲压成形是实现超高强钢制件的一种重要的方式。现有的热冲压成形技术采用的工艺流程为：选择专用热冲压材料——下料——板料加热保温（板料充分奥氏体化）——移至模具内——完成成形的同时淬火冷却——最终获得超高强度冲压制件（组织为马氏体，强度在1500MPa左右甚至更高）。对于现代汽车行业中的防撞部件，就需要同一部件的不同部位具有不同的力学性能（即梯度性能分布）。

模内淬火是热冲压成形的重要特色，只有当冷却速度大于某临界值时（约27℃/s）时，奥氏体才能充分转换为马氏体，制件表现出高强度；当冷却速度偏小时，制件性能则体现出强度较低、但韧性相对较好，因此通过控制制件不同位置的冷却速度可以实现最终制件不同位置的梯度性能分布。现有的实现梯度性能的方法都是基于上述原理设计，主要包括板料分块加热法、模具分块加热/冷却法、模具分块材料法（包括陶瓷镶块法）、模具间隙法等。板料拼焊法也能实现梯度性能分布，但还要多一道焊接工序。这些方法一般都需要针对制件不同的性能要求设计制作不同的模具，需要经过多次修模和调试试验，存在设计复杂、生产周期长、成本较高等不利因素。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种通过在模具内表面不同位置涂覆热障涂层能够简单、高效地实现热冲压制件材料梯度性能分布的方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种实现热冲压制件材料梯度性能分布的方法，包括以下步骤：根据对所述热冲压制件的性能要求，确定所述热冲压制件在不同位置处应具有的力学性能；根据最终力学性能与淬火过程中冷却速度的关系，确定所述热冲压制件的不同位置在热冲压淬火阶段的冷却速度；根据得到所述热冲压制件的不同位置处应具有的冷却速度，确定需要在模具内表面涂覆的热障涂层的位置、热障涂层的材料和涂覆厚度；选用相应的涂覆方式，在所述模具的相应位置处涂覆所述热障涂层；采用热冲压工艺对板料进行成形和淬火处理以获得所述热冲压制件，利用所述热冲压制件不同位置处冷却速度的不同，获得力学性能的梯度分布。

优选地，所述板料在所述模具内的冷却速度通过所述热障涂层的材料的导热系数、涂覆厚度控制。

优选地，所述涂覆方式包括单种材料单层涂覆、单种材料多层涂覆、多重材料复合涂覆。

优选地，所述模具中设置有冷却水道。

优选地，所述热冲压工艺包括：将所述板料放置到加热炉中加热到奥氏体化温度以上并保温；待所述板料充分奥氏体化后，打开加热炉并迅速将所述板料转移到压力机上涂覆有所述热障涂层的模具内；快速启动所述压力机，使所述板料在所述模具内成形并进行淬火处理。

优选地，在对所述板料的加热过程中所述加热炉内始终保持真空状态。

优选地，所述板料为高强度钢时，在加热炉中加至950℃并保温3分钟，或加热至900℃并保温4分钟，或加热至860℃并保温5.5分钟。

如上所述，本发明的实现热冲压制件梯度性能分布的方法，具有以下有益效果：

1.不用改变现有的模具结构以及热冲压制件的材料，实施起来简单可行；

2.热障涂层的清理和重新涂覆都很方便，可以根据需要边调试边涂覆，甚至可以多重材料复合涂覆，使用灵活，不需要多次修模，试验流程较短；

3.热障涂层可以直接涂覆在现有的热冲压模具上，节省了大量的制造成本和生产周期，效率高；

4.相对于陶瓷镶块法来说，热障涂层克服了陶瓷自身脆性大、耐冲击能力低、易碎、后续加工能力差等缺点，应用起来方便、快捷、高效。

附图说明

图1显示为本发明的实现热冲压制件梯度性能分布的方法的流程图。

图2显示为本发明实施例的热冲压工艺装置的示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1和图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明在现有的热冲压工艺的基础上，提供了一种能够使热冲压制件具有梯度性能分布的方法。由于热障涂层具有较低的热导性，一般都作为隔热材料用以防止基体材料温度上升过快，还可以起到转移辐射热的作用。本发明利用了热障涂层的隔热作用，使热冲压用板料不同的位置在热冲压工艺中具有不同的冷却速度，从而实现热冲压制件的梯度性能分布。

图1所示为这种实现热冲压制件梯度性能分布的方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S101：根据对热冲压制件的性能要求，确定热冲压制件在不同位置处应具有的力学性能。

以汽车B柱为例，要求其底部具有较高的强度以防止碰撞时发生变形从而保护乘客安全，而其顶部则要求具有良好的韧性，强度不能太高，以便在碰撞时能最大程度地吸收能量，且在安装时便于与其他部件焊接。

S102：根据最终力学性能与淬火过程中冷却速度的关系，确定热冲压制件的不同位置在热冲压淬火阶段的冷却速度。

例如冷却速度低于27℃/s时，热冲压用板料的微观组织的奥氏体只有部分转变成马氏体，最终得到的热冲压制件具有较小的强度；冷却速度高于27℃/s时，奥氏体全部转变成马氏体，热冲压制件的强度可达到1500Mpa左右。

S103：根据步骤S102得到热冲压制件的不同位置处应具有的冷却速度，确定需要在模具内表面涂覆的热障涂层的位置、热障涂层的材料和涂覆厚度。

模具上未涂覆热障涂层的位置具有较好的吸热能力，因此热冲压用板料在相对应的位置冷却速度较快，奥氏体完全转化成马氏体，热冲压制件在该位置处的强度很高。模具上涂覆有热障涂层的位置由于热障涂层的隔热性能，使热冲压用板料在相应的位置处的冷却速度较慢，因而强度就较低。

热冲压用板料在模具内的冷却速度由热障涂层材料的导热系数、涂覆厚度控制。导热系数小的材料或者较厚的涂覆都会导致较慢的冷却速度。热障涂层的材料、涂覆厚度可以采用不同的组合方式，但达到的力学性能分布效果相同。热障涂层材料的导热系数、涂覆厚度与冷却速度的关系可以根据经验或者有限元仿真确定。经常采用的热障涂层材料有氧化铝类陶瓷材料、氧化锆类陶瓷材料或氧化镁类陶瓷材料等，具体材料有Al₂O₃、ZrO₂、MgO等。

S104：选用相应的涂覆方式，在模具的相应位置处涂覆热障涂层。

涂覆方式包括单种材料单层涂覆、单种材料多层涂覆、多重材料复合涂覆等。可选择人工喷涂或自动喷涂的方法将热障涂层涂覆在模具的相应位置。采用较多的是自动喷涂的方法，其喷涂均匀性较好，效率较高。

S105：采用热冲压工艺对板料进行成形和淬火处理以获得热冲压制件，利用热冲压制件不同位置处冷却速度的不同，获得力学性能的梯度分布。

步骤S105中的热冲压工艺包括以下步骤：

S201：将板料放置到加热炉中加热到奥氏体化温度以上并保温。

S202：待板料充分奥氏体化后，打开加热炉并迅速将板料转移到压力机上涂覆有热障涂层的模具内。

S203：快速启动压力机，使板料在模具内成形并进行淬火处理。

以下通过一实施例说明本发明提供的实现热冲压制件梯度性能分布的方法。图2为本实施例采用的热冲压工艺装置的示意图。

本实施例的热冲压制件为超高强钢制件（组织为马氏体，强度在1500MPa左右甚至更高）。该超高强钢制件为一深冲筒体，要求筒体底部强度高，上部边缘处强度低，以便于后续机加工等工艺操作。

因此，该热冲压制件强度高的底部在热冲压淬火过程中应具有较快的冷却速度，强度低的上部边缘处应具有较慢的冷却速度。

如图2所示，在与筒体上部边缘相对应的压边圈3的底面以及凹模5的凸面处都涂覆了热障涂层2。热冲压用板料4的相应位置在热冲压淬火过程中就会具有较慢的冷却速度，这些位置处的奥氏体只有部分转变成马氏体，因而强度较低，但却具有很好的延伸率和二次加工性。本实施里中通过自动喷涂的方法在压边圈3和凹模5的相应位置涂覆了100～300μm厚的氧化锆涂层，在该范围内的氧化锆涂层具有较好的隔热效果。

将涂覆有热障涂层2的模具安装在压力机上，开始采用热冲压工艺对板料4进行成形和淬火处理以获得具有梯度性能分布的热冲压制件。

首先将热冲压用板料4放置到加热炉中加热到奥氏体化温度以上，并保温适当的时间。不同的加热温度需要保温的时间不同。对于高强钢材料（屈服强度达到210～550MPa），如果加热到950℃需保温3分钟，如果加热到900℃需要保温4分钟，如果加热到860℃需要保温5.5分钟。为防止加热过程中板料被氧化，加热炉内应始终保持真空状态。经过奥氏体化后，板料原有的铁素体和珠光体组织转变为奥氏体组织。

待板料充分奥氏体化后，打开加热炉并迅速将板料4转移到压力机上的模具内。

快速启动压力机，使板料4在密封、涂覆有热障涂层2的模具内进行成形并同时淬火处理。凸模1和凹模5配合，将板料4冲压为一个深冲筒体，该筒体上部边缘在淬火过程中由于热障涂层2的隔热作用冷却速度较慢，筒底部分的冷却速度则较快，因此该筒体上部边缘处强度较低、筒底的强度较高，实现了梯度性能分布。

通过热障涂层实现梯度性能分布对模具本身没有特殊要求，一般情况下如果是用于热冲压流水线上的模具，需要在模具中设置冷却水道。在实验室非连续生产的环境下，则可省略冷却水道。

最后将热冲压制件取出，再进行后续处理。

综上所述，本发明提供了一种实现热冲压制件梯度性能分布的方法，通过在模具表面喷涂热障涂层的方式，改变模具相应部位的导热能力，进而改变高温板料的淬火相变规律，从而使热冲压制件的不同位置具有不同的最终力学性能。本发明实施起来简单方便、使用灵活高效，有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种实现热冲压制件梯度性能分布的方法，其特征在于，包括：

1）根据对所述热冲压制件的性能要求，确定所述热冲压制件在不同位置处应具有的力学性能；

2）根据最终力学性能与淬火过程中冷却速度的关系，确定所述热冲压制件的不同位置在热冲压淬火阶段的冷却速度；

3）根据所述步骤2）得到所述热冲压制件的不同位置处应具有的冷却速度，确定需要在模具内表面涂覆的热障涂层的位置、热障涂层的材料和涂覆厚度；

4）选用相应的涂覆方式，在所述模具的相应位置处涂覆所述热障涂层；

5）采用热冲压工艺对板料进行成形和淬火处理以获得所述热冲压制件，利用所述热冲压制件不同位置处冷却速度的不同，获得力学性能的梯度分布。

2.根据权利要求1所述的实现热冲压制件梯度性能分布的方法，其特征在于：所述板料在所述模具内的冷却速度通过所述热障涂层的材料的导热系数、涂覆厚度控制。

3.根据权利要求1所述的实现热冲压制件梯度性能分布的方法，其特征在于：所述涂覆方式包括单种材料单层涂覆、单种材料多层涂覆、多重材料复合涂覆。

4.根据权利要求1所述的实现热冲压制件梯度性能分布的方法，其特征在于：所述模具中设置有冷却水道。

5.根据权利要求1所述的实现热冲压制件梯度性能分布的方法，其特征在于，所述热冲压工艺包括：

1）将所述板料放置到加热炉中加热到奥氏体化温度以上并保温；

2）待所述板料充分奥氏体化后，打开加热炉并迅速将所述板料转移到压力机上涂覆有所述热障涂层的模具内；

3）快速启动所述压力机，使所述板料在所述模具内成形并进行淬火处理。

6.根据权利要求5所述的实现热冲压制件梯度性能分布的方法，其特征在于：在对所述板料的加热过程中所述加热炉内始终保持真空状态。

7.根据权利要求5所述的实现热冲压制件梯度性能分布的方法，其特征在于：所述板料为高强度钢时，在加热炉中加至950℃并保温3分钟，或加热至900℃并保温4分钟，或加热至860℃并保温5.5分钟。

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