CN103521581A - 获得力学性能梯度热冲压零件的方法及模具 - Google Patents

获得力学性能梯度热冲压零件的方法及模具 Download PDF

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本发明涉及一种获得力学性能梯度热冲压零件的方法及模具，其方法包括以下步骤：S1、在冲压模具凸模和凹模外表面的部分区域涂覆陶瓷热障涂层；S2、获得冲压件坯料；S3、将坯料置于加热炉中加热，使坯料组织均匀化；S4、将加热后的坯料放入上述表面具有陶瓷热障涂层的冲压模具中，利用压力机完成后续冲压成形工艺；其模具的凸模和凹模外表面的部分区域设有陶瓷热障涂层。本发明通过喷涂陶瓷热障涂层使冲压件不同区域具有不同相组织，从而获得力学性能梯度零件，进而实现单一零件的多性能要求。这种方法不仅简单实用、易于实现，并且有效地改善了冲压件的相组织，可用于多种汽车覆盖件及零部件的热冲压成形中，具有广阔的应用前景。

Description

获得力学性能梯度热冲压零件的方法及模具
技术领域
本发明涉及热冲压成形领域，更具体地说，涉及一种获得力学性能梯度热冲压零件的方法及模具。
背景技术
随着生态环境恶化和能源短缺，节能、减排已经成为当今世界汽车行业发展的主要发展方向之一，其中高强度钢板热冲压技术是实现汽车的轻量化，达到节能、减排的有效途径。由于高强度钢板具有较高的机械强度，在保证性能的前提下可以通过减小板厚或者截面尺寸等方式减轻零件质量，从而实现汽车轻量化。因此其在汽车领域内的应用越来越广泛。
热冲压成形技术是一项专门用于成形高强度钢板冲压件的新技术。通过这种方法制得的冲压件组织为马氏体，强度高达1500MPa，而且热冲压成形后几乎没有回弹。然而，随着汽车轻量化及碰撞安全要求的提高，用具有不同组织的力学性能梯度热冲压零件替代传统的全马氏体组织的热冲压零件是一个新的发展方向。力学性能梯度零件是指力学性能根据功能要求而各部分不同的一种新型功能零件。以B柱为例，其理想结构为上部区域具有较高的强度以抵抗外界碰撞，下部区域则具有较低的强度以吸收碰撞能量。单一零件的多性能要求，这是传统热冲压零件无法达到的，而力学性能梯度零件在单一零件上实现了力学性能的渐变，实际上就要求在热冲压过程中对不同部位实现不同的成形和成性，从而满足不同需求下的碰撞安全性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种获得力学性能梯度热冲压零件的方法及模具。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种获得力学性能梯度热冲压零件的方法，包括以下步骤：
S1、在冲压模具凸模和凹模外表面的部分区域涂覆陶瓷热障涂层；
S2、获得冲压件坯料；
S3、将坯料置于加热炉中加热，使坯料组织均匀化；
S4、将加热后的坯料放入上述表面具有陶瓷热障涂层的冲压模具中，利用压力机完成后续冲压成形工艺。
在上述方法中，所述步骤S1进一步包括以下步骤：
S11、喷涂金属粘结底层：利用等离子喷涂技术，在热冲压模具上涂覆金属粘结底层，厚度为0.1～0.2mm；
S12、喷涂陶瓷面层：利用等离子喷涂技术，在所述金属粘结底层上涂覆陶瓷面层，厚度为0.1～0.5mm。
在上述方法中，所述金属粘结底层为NiCoCrAlY、CoCrAlY或NiCoCrAlY。
在上述方法中，所述陶瓷面层为6wt%～8wt%Y2O3稳定的ZrO2。
在上述方法中，在所述步骤S3中，所述坯料升温到900～950℃，保温3～5min。
在上述方法中，所述冲压模具采用热作模具材料。
在上述方法中，所述冲压件坯料通过热冲压钢板加工而成，热冲压钢板在轧制成形后，材料组织为均匀的铁素体和珠光体，屈服强度为280MPa～400MPa，抗拉强度大于450Mpa；淬火组织为均匀的马氏体，抗拉强度为1400MPa～2000MPa。
本发明还提供了一种获得力学性能梯度热冲压零件的模具，包括凸模和凹模，所述凸模和凹模外表面的部分区域设有陶瓷热障涂层。
在上述模具中，所述陶瓷热障涂层包括金属粘结底层和陶瓷面层，所述金属粘接底层涂覆在所述凸模和凹模的外表面，所述陶瓷面层在所述金属粘接底层上，所述金属粘结底层厚度为0.1～0.2mm，所述陶瓷面层的厚度为0.1～0.5mm。
在上述模具中，所述金属粘结底层为NiCrAlY、CoCrAlY或NiCoCrAlY，所述陶瓷面层为6wt%～8wt%Y2O3稳定的ZrO2。
实施本发明的获得力学性能梯度热冲压零件的方法及模具，具有以下有益效果：
在热冲压模具表面涂覆陶瓷热障涂层，并利用该涂层在热冲压件淬火时对需要得到较低强度的区域进行保温，降低冷却速度，该区域的相组织与其它部位不同。
通过喷涂陶瓷热障涂层使冲压件不同区域具有不同相组织，从而获得力学性能梯度零件，进而实现单一零件的多性能要求。这种方法不仅简单实用、易于实现，并且有效地改善了冲压件的相组织，可用于多种汽车覆盖件及零部件的热冲压成形中，具有广阔的应用前景。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1a为本发明所用等离子弧发生器涂覆凸模示意图；
图1b为本发明所用等离子弧发生器涂覆凹模示意图；
图2为本发明热冲压成形模具截面图；
图3为本发明热冲压成形模具中凸模与凹模接触部位的局部放大图；
图4为本发明凸模所对应的陶瓷热障涂层示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1a-图4所示，本发明的获得力学性能梯度热冲压零件的方法包括以下步骤：
S1、在冲压模具凸模3和凹模4外表面的部分区域涂覆陶瓷热障涂层8，冲压模具选用热作模具材料。这里的陶瓷热障涂层8，一般是指由耐腐蚀抗氧化的金属粘接底层10和陶瓷面层9所构成的涂层系统。
步骤S1进一步包括以下步骤：S11、喷涂金属粘结底层10：利用等离子喷涂技术，在热冲压模具上涂覆金属粘结底层10，厚度为0.1～0.2mm；S12、喷涂陶瓷面层9：利用等离子喷涂技术，在金属粘结底层10上涂覆陶瓷面层9，厚度为0.1～0.5mm。如图1a、图1b所示，等离子弧发生器1产生等离子弧2，进行喷涂。等离子喷涂只是一种优选的涂覆方式，还可以采用电子束物理气相沉积、超音速火焰喷涂、静电喷涂辅助气相沉积等方式。
金属粘结底层10可以为NiCrAlY、CoCrAlY或NiCoCrAlY。陶瓷面层9优选为6wt%～8wt%Y2O3稳定的ZrO2，但其还可以是Al2O3或者掺杂CeO2的6wt%～8wt%Y2O3稳定的ZrO2。本实施例中6wt%～8wt%Y2O3稳定的ZrO2，具体是指Y2O3占Y2O3和ZrO2混合物总质量的6%～8%。例如，采用6wt%Y2O3稳定的ZrO2，则Y2O3的质量为混合物总质量6%，ZrO2的质量为混合物总质量94%。
S2、获得冲压件坯料6。本实施例中的冲压件坯料6通过高强度的热冲压钢板加工成所需形状。冲压件坯料6通过热冲压钢板加工而成，热冲压钢板在轧制成形后，材料组织为均匀的铁素体和珠光体，屈服强度为280MPa～400MPa，抗拉强度大于450Mpa；淬火组织为均匀的马氏体，抗拉强度为1400MPa～2000MPa。
S3、将坯料6置于加热炉中加热，使坯料6组织均匀化。坯料6升温到900～950℃，保温3～5min，以获得均匀的奥氏体组织。
S4、将加热后的坯料6放入上述表面具有陶瓷热障涂层8的冲压模具中，利用压力机完成后续冲压成形工艺。
本发明还提供了一种获得力学性能梯度热冲压零件的模具，包括凸模3和凹模4，凸模3和凹模4外表面的部分区域设有陶瓷热障涂层8。凸模3的两侧设有压边圈5，凸模3和凹模4内设有冷却水通道7。
进一步的，陶瓷热障涂层8包括金属粘结底层10和陶瓷面层9，金属粘接底层10涂覆在凸模3和凹模4的外表面，陶瓷面层9在金属粘接底层10上，金属粘结底层10厚度为0.1～0.2mm，陶瓷面层9的厚度为0.1～0.5mm。金属粘结底层10可以为NiCrAlY、CoCrAlY或NiCoCrAlY。陶瓷面层9优选为6wt%～8wt%Y2O3稳定的ZrO2，但其还可以是Al2O3或者掺杂CeO2的6wt%～8wt%Y2O3稳定的ZrO2。
本发明在热冲压模具表面涂覆陶瓷热障涂层8，并利用该涂层8在热冲压件淬火时对需要得到较低强度的区域进行保温，降低冷却速度，该区域的相组织与其它部位不同。通过喷涂陶瓷热障涂层8使冲压件不同区域具有不同相组织，从而获得力学性能梯度零件，进而实现单一零件的多性能要求。这种方法不仅简单实用、易于实现，并且有效地改善了冲压件的相组织，可用于多种汽车覆盖件及零部件的热冲压成形中，具有广阔的应用前景。
本发明还提供了以下具体的实施例：
实施例1：
将本发明中的方法应用于B1500HS高强度钢板热冲压成形工艺上。
S1、采用如下等离子喷涂技术在冲压模具表面形成陶瓷热障涂层8，该涂层由金属粘结底层10和陶瓷面层9组成，此过程包括两个步骤：
S11、喷涂金属粘结底层10：利用等离子喷涂技术，在热冲压模具凸模3和凹模4外表面中部涂覆NiCoCrAlY金属粘结底层10，厚度为0.1mm。
S12、喷涂陶瓷面层9：利用等离子喷涂技术，在NiCoCrAlY金属粘结底层10上涂覆7%Y2O3稳定的ZrO2陶瓷面层9，厚度为0.1mm。
S2、将B1500HS高强度钢板加工成200mm×60mm×1.6mm的冲压件坯料6；所述的高强度钢板（轧制后）常温下抗拉强度为500MPa～600MPa。
S3、将加工好的坯料6置于加热炉中，升温到900℃，保温5min，使组织均匀化。
S4、将加热后的坯料6放入上述表面具有陶瓷热障涂层8的冲压模具中，利用压力机完成后续冲压成形工艺。
通过对冲压成形后的坯料6取样并进行金相分析和单向拉伸试验发现，与陶瓷热障涂层8接触的中间区域冷却后得到马氏体相（约94%）+铁素体相+残余奥氏体，抗拉强度约为1300MPa。而未与陶瓷热障涂层8接触的区域冷却后得到的是马氏体相（约97%）+残余奥氏体，抗拉强度约为1500MPa。也就是说，因为陶瓷热障涂层8很薄，所以隔热效果不是很明显，所得的力学性能梯度零件强度变化也不明显。
实施例2：
将本发明中的方法应用于B1500HS高强度钢板热冲压成形工艺上。
S1、采用如下等离子喷涂技术在冲压模具表面形成陶瓷热障涂层8，该涂层由金属粘结底层10和陶瓷面层9组成，此过程包括两个步骤：
S11、喷涂金属粘结底层10：利用等离子喷涂技术，在热冲压模具凸模3和凹模4外表面中部涂覆NiCoCrAlY金属粘结底层10，厚度为0.2mm。
S12、喷涂陶瓷面层9：利用等离子喷涂技术，在NiCoCrAlY金属粘结底层10上涂覆7%Y2O3稳定的ZrO2陶瓷面层9，厚度为0.1mm。
S2、将B1500HS高强度钢板加工成200mm×60mm×1.6mm的冲压件坯料6；所述的高强度钢板（轧制后）常温下抗拉强度为500MPa～600MPa。
S3、将加工好的坯料6置于加热炉中，升温到900℃，保温5min，使组织均匀化。
S4、将加热后的坯料6放入上述表面具有陶瓷热障涂层8的冲压模具中，利用压力机完成后续冲压成形工艺。
通过对冲压成形后的坯料6取样并进行金相分析和单向拉伸试验发现，与陶瓷热障涂层8接触的中间区域冷却后得到马氏体相（约90%）+铁素体相+珠光体相+残余奥氏体，抗拉强度约为1000MPa。而未与陶瓷热障涂层8接触的区域冷却后得到的是马氏体相（约97%）+残余奥氏体，抗拉强度约为1500MPa。也就是说，与陶瓷热障涂层8接触的中间区域发生非完全马氏体转变，而未与陶瓷热障涂层8接触的区域发生完全马氏体转变，因此获得了所需的力学性能梯度零件。这样利用较低强度区域碰撞时发生变形，从而增加能量的吸收，同时利用较高强度区域减少碰撞时变形的产生，从而提高零件的安全性能。
实施例3：
将本发明中的方法应用于22MnB5高强度钢板热冲压成形工艺上。
S1、采用如下等离子喷涂技术在冲压模具表面形成陶瓷热障涂层8，该涂层由金属粘结底层10和陶瓷面层9组成，此过程包括两个步骤：
S11、喷涂金属粘结底层10：利用等离子喷涂技术，在热冲压模具凸模3和凹模4外表面中部涂覆NiCoCrAlY金属粘结底层10，厚度为0.2mm。
S12、喷涂陶瓷面层9：利用等离子喷涂技术，在NiCoCrAlY金属粘结底层10上涂覆7%Y2O3稳定的ZrO2陶瓷面层9，厚度为0.3mm。
S2、将B1500HS高强度钢板加工成200mm×60mm×1.6mm的冲压件坯料6；所述的高强度钢板（轧制后）常温下抗拉强度为500MPa～600MPa。
S3、将加工好的坯料6置于加热炉中，升温到920℃，保温4min，使组织均匀化。
S4、将加热后的坯料6放入上述表面具有陶瓷热障涂层8的冲压模具中，利用压力机完成后续冲压成形工艺。通过对冲压成形后的坯料6取样并进行金相分析和单向拉伸试验发现，与陶瓷热障涂层8接触的中间区域冷却后得到马氏体相（约73%）+铁素体相+珠光体相+残余奥氏体，抗拉强度约为800MPa。而未与陶瓷热障涂层8接触的区域冷却后得到的是马氏体相（约98%）+残余奥氏体，抗拉强度约为1500MPa。也就是说，与陶瓷热障涂层8接触的中间区域发生非完全马氏体转变，而未与陶瓷热障涂层8接触的区域发生完全马氏体转变，因此获得了所需的力学性能梯度零件。这样利用较低强度区域碰撞时发生变形，从而增加能量的吸收，同时利用较高强度区域减少碰撞时变形的产生，从而提高零件的安全性能。
实施例4：
将本发明中的方法应用于22MnB5高强度钢板热冲压成形工艺上。
S1、采用如下等离子喷涂技术在冲压模具表面形成陶瓷热障涂层8，该涂层由金属粘结底层10和陶瓷面层9组成，此过程包括两个步骤：
S11、喷涂金属粘结底层10：利用等离子喷涂技术，在热冲压模具凸模3和凹模4外表面中部涂覆NiCoCrAlY金属粘结底层10，厚度为0.2mm。
S12、喷涂陶瓷面层9：利用等离子喷涂技术，在NiCoCrAlY金属粘结底层10上涂覆7%Y2O3稳定的ZrO2，厚度为0.5mm。
S2、将B1500HS高强度钢板加工成200mm×60mm×1.6mm的冲压件坯料6；所述的高强度钢板（轧制后）常温下抗拉强度为500MPa～600MPa。
S3、将加工好的坯料6置于加热炉中，升温到920℃，保温4min，使组织均匀化。
S4、将加热后的坯料6放入上述表面具有陶瓷热障涂层8的冲压模具中，利用压力机完成后续冲压成形工艺。
通过对冲压成形后的坯料6取样并进行金相分析和单向拉伸试验发现，与陶瓷热障涂层8接触的中间区域冷却后得到铁素体相+珠光体相+残余奥氏体，抗拉强度约为500MPa。而未与陶瓷热障涂层8接触的区域冷却后得到的是马氏体相（约98%）+残余奥氏体，抗拉强度约为1300MPa。也就是说，与陶瓷热障涂层8接触的中间区域未发生马氏体转变，而未与陶瓷热障涂层8接触的区域发生完全马氏体转变，因此获得了所需的力学性能梯度零件。这样利用较低强度区域碰撞时发生变形，从而增加能量的吸收，同时利用较高强度区域减少碰撞时变形的产生，从而提高零件的安全性能。
实施例5：
将本发明中的方法应用于USIBOR1500高强度钢板热冲压成形工艺上。
S1、采用如下等离子喷涂技术在冲压模具表面形成陶瓷热障涂层8，该涂层由金属粘结底层10和陶瓷面层9组成，此过程包括两个步骤：
S11、喷涂金属粘结底层10：利用等离子喷涂技术，在热冲压模具凸模3和凹模4外表面中部涂覆NiCoCrAlY金属粘结底层10，厚度为0.1mm。
S12、喷涂陶瓷面层9：利用等离子喷涂技术，在NiCoCrAlY金属粘结底层10上涂覆7%Y2O3稳定的ZrO2陶瓷面层9，厚度为0.1mm。
S2、将USIBOR1500高强度钢板加工成200mm×60mm×1.6mm的冲压件坯料6；所述的高强度钢板（轧制后）常温下抗拉强度大于450MPa。
S3、将加工好的坯料6置于加热炉中，升温到950℃，保温3min，使组织均匀化。
S4、将加热后的坯料6放入上述表面具有陶瓷热障涂层8的冲压模具中，利用压力机完成后续冲压成形工艺。
通过对冲压成形后的坯料6取样并进行金相分析发现，与陶瓷热障涂层8接触的中间区域冷却后得到马氏体相（约92%）+铁素体相+珠光体相+残余奥氏体，抗拉强度约为1200MPa。而未与陶瓷热障涂层8接触的区域冷却后得到的是比较均匀的马氏体相，抗拉强度约为1500MPa。也就是说，与陶瓷热障涂层8接触的中间区域发生非完全马氏体转变，而未与陶瓷热障涂层8接触的区域发生完全马氏体转变，因此获得了所需的力学性能梯度零件。这样利用较低强度区域碰撞时发生变形，从而增加能量的吸收，同时利用较高强度区域减少碰撞时变形的产生，从而提高零件的安全性能。
实施例6：
将本发明中的方法应用于USIBOR1500高强度钢板热冲压成形工艺上。
S1、采用如下等离子喷涂技术在冲压模具表面形成陶瓷热障涂层8，该涂层由金属粘结底层10和陶瓷面层9组成，此过程包括两个步骤：
S11、喷涂金属粘结底层10：利用等离子喷涂技术，在热冲压模具凸模3和凹模4外表面中部涂覆NiCoCrAlY金属粘结底层10，厚度为0.2mm。
S12、喷涂陶瓷面层9：利用等离子喷涂技术，在NiCoCrAlY金属粘结底层10上涂覆7%Y2O3稳定的ZrO2陶瓷面层9，厚度为0.5mm。
S2、将USIBOR1500高强度钢板加工成200mm×60mm×1.6mm的冲压件坯料6；所述的高强度钢板（轧制后）常温下抗拉强度大于450MPa。
S3、将加工好的坯料6置于加热炉中，升温到950℃，保温3min，使组织均匀化。
S4、将加热后的坯料6放入上述表面具有陶瓷热障涂层8的冲压模具中，利用压力机完成后续冲压成形工艺。
通过对冲压成形后的坯料6取样并进行金相分析和单向拉伸试验发现，与陶瓷热障涂层8接触的中间区域冷却后得到铁素体相+珠光体相+残余奥氏体，抗拉强度约为500MPa。而未与陶瓷热障涂层8接触的区域冷却后得到的是比较均匀的马氏体相，抗拉强度约为1500MPa。也就是说，与陶瓷热障涂层8接触的中间区域未发生马氏体转变，而未与陶瓷热障涂层8接触的区域发生完全马氏体转变，因此获得了所需的力学性能梯度零件。这样利用较低强度区域碰撞时发生变形，从而增加能量的吸收，同时利用较高强度区域减少碰撞时变形的产生，从而提高零件的安全性能。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种获得力学性能梯度热冲压零件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在冲压模具凸模和凹模外表面的部分区域涂覆陶瓷热障涂层；
S2、获得冲压件坯料；
S3、将坯料置于加热炉中加热，使坯料组织均匀化；
S4、将加热后的坯料放入上述表面具有陶瓷热障涂层的冲压模具中，利用压力机完成后续冲压成形工艺。
2.根据权利要求1所述的获得力学性能梯度热冲压零件的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括以下步骤：
S11、喷涂金属粘结底层：利用等离子喷涂技术，在热冲压模具上涂覆金属粘结底层，厚度为0.1～0.2mm；
S12、喷涂陶瓷面层：利用等离子喷涂技术，在所述金属粘结底层上涂覆陶瓷面层，厚度为0.1～0.5mm。
3.根据权利要求2所述的获得力学性能梯度热冲压零件的方法，其特征在于，所述金属粘结底层为NiCrAlY、CoCrAlY或NiCoCrAlY。
4.根据权利要求2所述的获得力学性能梯度热冲压零件的方法，其特征在于，所述陶瓷面层为6wt%～8wt%Y2O3稳定的ZrO2。
5.根据权利要求1所述的获得力学性能梯度热冲压零件的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述坯料升温到900～950℃，保温3～5min。
6.根据权利要求1所述的获得力学性能梯度热冲压零件的方法，其特征在于，所述冲压模具采用热作模具材料。
7.根据权利要求1所述的获得力学性能梯度热冲压零件的方法，其特征在于，所述冲压件坯料通过热冲压钢板加工而成，热冲压钢板在轧制成形后，材料组织为均匀的铁素体和珠光体，屈服强度为280MPa～400MPa，抗拉强度大于450Mpa；淬火组织为均匀的马氏体，抗拉强度为1400MPa～2000MPa。
8.一种获得力学性能梯度热冲压零件的模具，包括凸模和凹模，其特征在于，所述凸模和凹模外表面的部分区域设有陶瓷热障涂层。
9.根据权利要求8所述的获得力学性能梯度热冲压零件的模具，其特征在于，所述陶瓷热障涂层包括金属粘结底层和陶瓷面层，所述金属粘接底层涂覆在所述凸模和凹模的外表面，所述陶瓷面层在所述金属粘接底层上，所述金属粘结底层厚度为0.1～0.2mm，所述陶瓷面层的厚度为0.1～0.5mm。
10.根据权利要求8所述的获得力学性能梯度热冲压零件的模具，其特征在于，所述金属粘结底层为NiCrAlY、CoCrAlY或NiCoCrAlY，所述陶瓷面层为6wt%～8wt%Y2O3稳定的ZrO2。
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