CN104525676B - 硼钢钢管的气胀热成形分段强化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硼钢钢管的气胀热成形分段强化工艺，其特征是，在热成形分段强化模具中进行分段强化，热成形分段强化模具包括上模座和下模座，在上模座下表面安装上模硬区成形镶块和上模软区成形镶块，在下模座上表面安装下模硬区成形镶块和下模软区成形镶块，上模硬区成形镶块、下模硬区成形镶块、下模软区成形镶块、下模软区成形镶块的成形面分别对应于硼钢钢管工件上的硬区和软区；具体包括以下工艺步骤：（1）弯管和预成型；（2）加热硼钢钢管零件，预热上模软区成形镶块和下模软区成形镶块；（3）传送工件；（4）高压气胀成形；（5）保压淬火；（6）卸压开模。本发明可以生产根据产品设计需要分区与定制的、截面形状和周长变化的零件。

Description

硼钢钢管的气胀热成形分段强化工艺

技术领域

本发明涉及一种硼钢钢管的气胀热成形分段强化工艺，属于热处理塑性成形技术领域。

背景技术

汽车硼钢钢管作为一种新兴超高强度热成形钢管，为分段强化技术提供了可能——同一个零件，可以根据汽车设计的需要，在该零件的不同区域采用不同的热处理工艺，从而获得不同强度和塑性。热成形硼钢材料的软区技术的生产工艺分为4个阶段：

（1）加热：将硼钢钢管加热至热处理所需要的温度；

（2）传输：将硼钢钢管传送至待冲压的模具中；

（3）成形：在高温下由模具冲压成形；

（4） 淬火冷却：在不同区域控制不同的冷却速度，可以发生：

a、硬区快速冷却（>25°/秒）。从奥氏体微观组织向马氏体微观组织的转变，得到强度和硬度极高、塑性较低的零件。其强度可以达到1500～2000MPa，塑性大于5%；

b、软区慢速冷却（<25°/秒）。通过控制不同的冷却速度，在奥氏体组织转化的过程中，可以缓慢冷却，向铁素体和珠光体微观组织的转变，得到强度和硬度较高、塑性良好的零件；也可以较快冷却，向贝氏体微观组织的转变，得到强度和硬度很高、塑性适中的零件。

可获得不同强度及塑性的硼钢材料典型分为：

表1

该类硼钢最常见一种可达到1500MPa强度（HS1150）的化学成分为：

表2

另一方面，管件内高压成形工艺，利用高压流体产生的压力，充塞在管件内部充当凸模，外部随产品形状的模具钢充当凹模，经历投料、模具闭合、管件内预充流体、加压、同时轴向液压缸轴向推料成形和开模取料几个阶段完成管件成形。其中，根据产品及成形性的需要，过程先后会有交叉。

管件内高压成形工艺，通常其前道要配合有弯管和/或预成型工艺，在内高压成形工艺之前，得到与最终工件形状尺寸基本相似的零件，同时避免高压成形模具闭合过程中产生夹料，避免成形过程中出现开裂和起皱等缺陷。如果以上问题可以避免，可以省去弯管和/或预成型工艺，直接进行内高压。为简略计，弯管和/或预成型工艺本发明不再详细讨论。

目前常见管件成形工艺为常温下内高压成形。受限于制管工艺及材料自身机械性能的限制，所应用的管件强度有限，抗拉强度很难超过1000MPa。

目前常见硼钢钢管热成形多为普通热冲压工艺，成形过程内部无高压媒介，只能适应等截面周长的产品，产品形状十分受限。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种硼钢钢管的气胀热成形分段强化工艺，可以生产出材料机械强度在500～1500MPa范围内，根据产品设计需要分区与定制的、截面形状和周长变化的零件。

按照本发明提供的技术方案，所述硼钢钢管的气胀热成形分段强化工艺，其特征是，在热成形分段强化模具中进行分段强化，热成形分段强化模具包括上模座和下模座，在上模座下表面安装上模硬区成形镶块和上模软区成形镶块，在下模座上表面安装下模硬区成形镶块和下模软区成形镶块，上模硬区成形镶块、下模硬区成形镶块、下模软区成形镶块、下模软区成形镶块的成形面分别对应于硼钢钢管工件上的硬区和软区；具体包括以下工艺步骤：

（1）弯管和预成型：在常温下对硼钢钢管进行弯管和/或预成型加工，将硼钢钢管加工成与最终工件形状尺寸基本相似的零件；

（2）加热：将硼钢钢管零件在加热装置中加热到850～950℃，加热装置中采用保护气氛；同时，通过模具电加热元件对热成形模具的上模软区成形镶块和下模软区成形镶块进行热成形前的预热，温度为350～650℃；

（3）传送工件：将经步骤（2）加热后的硼钢钢管零件传送至热成形压力机的模具中；当硼钢钢管零件的厚度在0.5～3.5mm范围内时，传送时间控制在3～10秒，室温传送；当硼钢钢管零件的厚度小于0.5mm时，传送速度控制在3秒以内；

（4）高压气胀成形：模具闭合前或部分区域闭合或全部闭合完成后，轴向缸向工件移动，轴向缸前端的封头用于将工件两端密封；随后高压气站进气阀门打开，高压气体从封头最前端的通孔向工件内部通入高压气体；高压气体压力为5～250MPa；

（5）保压淬火：经步骤（4）高压成形后模具保持闭合状态，热成形压力机的压力和/或内高压压力保持不变，进行淬火；高压气体内压力为5～250MPa，保压淬火时间为1～20s，上模软区成形镶块和下模软区成形镶块的温度为350～650℃之间；

（6）卸压开模：经保压淬火后冷却，高压气站进气阀门处于关闭状态，出气阀打开，高压气体排出工件；随后轴向缸向外侧移动复位，压机上行，模具打开，取走工件。

所述步骤（2）中，当硼钢钢管零件为无镀层硼钢钢管零件时，采用氮气保护或氮气加甲醇或甲烷保护气氛；当硼钢钢管零件为铝硅镀层的硼钢钢管零件时，采用干燥空气或者氮气保护；当硼钢钢管零件为锌镀层的硼钢钢管零件时，采用干燥空气保护。

所述步骤（4）中，内压力为5～100MPa。

所述步骤（4）中，高压气体为自然空气、氮气或二氧化碳，高压气体的进气通道和出气通道分别与模具轴向缸前端的封头相连，高压气体的初始压力为5～250MPa，高压进气和高压出气相分离，可以经泵站处理后再连通，从而循环使用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明可以得到强度最高达1500MPa（延伸率5%左右）的高强度钢管；

（2）本发明可以得到延伸率最高达15%（强度600MPa左右）的高强度钢管；

（3）本发明可以根据产品设计的需要，在任意位置，在抗拉强度500～1500MPa，相应延伸率15～5%的范围内任意实现工件的机械性能。

（4）本发明充分利用气体内高压吹胀成形，可以得到横向截面周长变化的产品。现有技术中，有利用硼钢管件进行热成形的工艺，得到的大多是断面周长不变的产品，限制了产品设计的自由；本发明允许在材料成形性能许可的范围内，自由变化产品的断面周长，使产品达到不同的强度、刚度、装配和空间要求，为零部件功能的优化提供了更大的空间；

（5）本发明在高温下对工件进行气胀成形，可以有效降低成形需要的压力机成形力。随着温度的升高，硼钢材料的屈服强度迅速降低，延伸率提高，因此，和常温下内高压成形工艺比较，压力机成形力大为降低。要达到同等或相似强度的零件，和常温下内高压成形相比较，热成形气胀所需压力机压力可以降低到常温下内高压成形的1/3甚至更低，例如汽车用DP1000双相钢的强度为1000MPa，比热成形后硼钢的强度1500MPa要低很多，但是常温下内高压DP1000钢管所配备的压力机通常为5000吨，而热成形气胀钢管所配备的压力机可设为1200吨；

（6）本发明在淬火过程中，向管件内通入高压气体，可以有效调节硼钢的淬火冷却速度。由于管件成形上下模均为凹模，在现有管件直接热成形技术中，没有凸模而只能在两侧尽量用芯棒完成凸模的功能，所以在管件的芯棒无法达到的区域便没有凸模，工件的贴模性很差；没有足够的压力，热量无法快速传导到冷却介质——模具上，得到的产品在该区域强度难以满足设计要求。本发明利用高压气体充当凸模，工件贴模性好，能够提供足够的保压压力，从而得到合适的冷却速度，得到的产品强度在任一区域均可满足要求。

附图说明

图1a～图1f为管件内高压成形工艺的流程图，其中：

图1a为投料过程的示意图。

图1b为模具闭合过程的示意图。

图1c为管件内预充流体的示意图。

图1d为加压的示意图。

图1e为轴向液压缸轴向推料成形的示意图。

图1f为开模取料的示意图。

图中序号：上模硬区成形镶块1、下模硬区成形镶块2、上模软区成形镶块3-1、下模软区成形镶块3-2、工件4、高压气体通路5、封头6、冷却水路7、软区加热通路8、封头通路9。图中箭头表示液体流动方向。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

本发明在热成形分段强化模具中进行分段强化，所述热成形分段强化模具包括上模座和下模座，在上模座下表面安装上模硬区成形镶块1和上模软区成形镶块3-1，在下模座上表面安装下模硬区成形镶块2和下模软区成形镶块3-2，上模硬区成形镶块1、下模硬区成形镶块2、下模软区成形镶块3-1、下模软区成形镶块3-2的成形面分别对应于硼钢钢管工件4上的硬区和软区；在所述上模硬区成形镶块1的下部和下模硬区成形镶块2的上部分别设置冷却水路7，通过冷却水路7中的冷却水在成形加压时对工件4进行快速冷却，冷却水路7直接或通过上模座和下模座与设备的水管相连；在所述上模软区成形镶块3-1和下模软区成形镶块3-2上接近工件4的一侧区域设置用于加热的软区加热通路8，软区加热通路8内部放置模具加热元件（如加热棒），对工件4进行缓慢冷却，模具加热元件与生产设备加热系统相连；在所述工件4的两端分别设置封头6，封头6的前端与工件4的管端接触，封头6的后端与轴向液压缸或气缸连接，封头6的前端直径小于后端直径，在工件4两端的封头6中心分别设置高压气体通路5，高压气体通路5的前端与工件4的内部连通，高压气体通路5的后端连接高压气站；在所述封头6内部沿封头6的外轮廓布置封头通路9，封头通路9内部根据工件4材料流动的工艺需要排布冷却水管路或模具电加热元件（如加热棒）。

本发明所述硼钢钢管的气胀热成形分段强化工艺，包括以下工艺步骤：

（1）弯管和预成型：在常温下对硼钢钢管进行弯管和/或预成型加工，将硼钢钢管加工成与最终工件形状尺寸基本相似的零件；

（2）加热：将硼钢钢管零件在加热装置中加热到850～950℃，使硼钢钢管零件均匀奥氏体化；其中，硼钢钢管零件可分为带镀层和不带镀层两种；加热装置内的保护气氛根据硼钢钢管表层特点采用适当配方，例如：无镀层硼钢钢管零件采用氮气保护或氮气加甲醇或甲烷等保护气氛；如果为铝硅镀层的硼钢钢管零件采用干燥空气或者氮气保护；如果为锌镀层的硼钢钢管零件，采用干燥空气保护；

同时，通过模具电加热元件对热成形模具的上模软区成形镶块3-1和下模软区成形镶块3-2进行热成形前的预热，温度为350～650℃；

（3）传送工件：如图1a所示，将经步骤（2）加热后的硼钢钢管零件传送至热成形压力机的模具中；传送速度及传送环境温度应当控制在合理的范围内，一般随硼钢钢管零件的厚度而变化，例如：当硼钢钢管零件的厚度在0.5～3.5mm范围内时，传送时间应随着厚度的减小而缩短，控制在3～10秒，室温传送；当硼钢钢管零件的厚度小于0.5mm时，传送速度控制在3秒以内，使降温度速度慢于室温下的自然冷却速度；

（4）高压气胀成形：硼钢钢管零件在管件气胀热成形生产设备中进行热成形冲压，热成形冲压包括以下过程：

a、模具闭合成形：如图1b所示，模具的上、下模表面分别对应最终工件的上下型面，以得到和最终工件一致的形状；模具的上、下模内部具有冷却装置，为高压胀气之后的淬火工艺提供冷却源；上、下模设置适当定位装置和导向装置，确保模具上下运动及投取工件的稳定性和准确性；

b、轴向缸推料：如图1c、图1d、图1e所示，模具闭合前或部分区域闭合或全部闭合完成后，轴向缸向工件移动，轴向缸前端设置有封头，用于将工件两端密封；随后高压气站进气阀门打开，高压气体从封头最前端的通孔通入具备初始压力的高压气体，充塞硼钢钢管零件；高压气体向硼钢钢管零件内部增压，同时配合以轴向缸轴向推料动作，形成内压力——轴向缸位移曲线，完成硼钢钢管零件在高温下的高压成形；其中，所述轴向缸的行程0～200mm可调，轴向缸推力随着硼钢钢管零件的管径大小及内压力而变化，一般为5～100吨，内压力是指5～250MPa全程可调，优选5～100MPa；

步骤b中，高压气体可以为自然空气、氮气、二氧化碳等非爆炸、非有毒有害气体，高压气体的进气通道和出气通道分别与模具轴向缸前端的封头相连，高压气体的初始压力为5～250MPa瞬时可调，高压进气和高压出气相分离，可以经泵站处理后再连通，从而循环使用，也可以将高压出气引导至安全区域直接排入大气；

（5）保压淬火：如图1e所示，经步骤b硼钢钢管零件高压成形后模具保持闭合状态，热成形压力机的压力和/或内高压压力保持不变或进行调整，以适当的冷却速度淬火；从压力调整到位开始，高压气站进气阀门可以关闭；具体为：内压力一般应控制在5～250MPa范围内，从而保证冲压方向的单位投影面积压力不低于5MPa，保压淬火时间随工件厚度不同而不同，优选1～20s；其中，上模软区成形镶块3-1和下模软区成形镶块3-2温度的设置随所需得到的工件机械性能不同而有不同，即温度设置在350～650℃之间，得到的工件抗拉强度就在500～1500MPa之间，延伸率就在5～15%之间；

（6）卸压开模：如图1f所示，硼钢钢管零件经保压淬火后冷却至晶相转变完成后，高压气站进气阀门处于关闭状态，出气阀打开，高压气体沿出气通道排出工件；随后轴向缸向外侧移动复位，压机上行，模具打开，取走工件。

实施例一：一种硼钢钢管的气胀热成形工艺，硼钢钢管的材质：硼钢22MnB5，料厚2.6mm，圆管外径100mm，长度850mm。欲成形工件长度不变，两端区域截面周长不变，仍为100mm，中央区域膨胀成形，从100mm渐变至中心位置截面周长105mm。工件的材料性能在两端区域要求为硬区HS1150，中央膨胀变形区域为分段强化软区HS400；

上述工件通过以下步骤进行具体加工处理：

1、硼钢直管备料，料厚2.6mm，外径100mm，长度1000mm；

2、在加热装置中加热至900℃将硼钢管完全奥氏体化，同时通过加热设备对热成形模具软区成形镶块进行热成形前的预热，温度550℃；；

3、在6秒钟内将硼钢管料放置在模具中，压机初始开口高度800mm；

4、模具两侧轴向缸推动其前端封头封住管件，形成密闭腔体，通过模具封头前端气体通路，向管件密闭腔体内充入高压气体，压强25MPa，压机压力300吨，压机以300mm/s的速度下行，模具闭合、成形，如图1所示；

5、热成形完成后，压力机继续停留在达下死点位置，保持闭合状态，维持300吨的压机压力和25MPa的气体压强15秒，零件保压淬火完成；

6、取出工件，两端得到HS1150强度为1500MPa的马氏体组织，中央区域得到HS400强度为600MPa的铁素体珠光体组织；

8、镭射热压胀形件两端，得到所需尺寸工件。

Claims (1)

1.一种硼钢钢管的气胀热成形分段强化工艺，其特征是，在热成形分段强化模具中进行分段强化，热成形分段强化模具包括上模座和下模座，在上模座下表面安装上模硬区成形镶块和上模软区成形镶块，在下模座上表面安装下模硬区成形镶块和下模软区成形镶块，上模硬区成形镶块、下模硬区成形镶块对应于硼钢钢管工件上的硬区，上模软区成形镶块、下模软区成形镶块的成形面对应于硼钢钢管工件上的软区；具体包括以下工艺步骤：

（1）弯管和预成型：在常温下对硼钢钢管进行弯管和/或预成型加工，将硼钢钢管加工成与最终工件形状尺寸基本相似的零件；

（2）加热：将硼钢钢管零件在加热装置中加热到850～950℃，加热装置中采用保护气氛；同时，通过模具电加热元件对热成形模具的上模软区成形镶块和下模软区成形镶块进行热成形前的预热，温度为350～650℃；

（3）传送工件：将经步骤（2）加热后的硼钢钢管零件传送至热成形压力机的模具中；当硼钢钢管零件的厚度在0.5～3.5mm范围内时，传送时间控制在3～10秒，室温传送；当硼钢钢管零件的厚度小于0.5mm时，传送时间控制在3秒以内；

（4）高压气胀成形：模具闭合前或部分区域闭合或全部闭合完成后，轴向缸向工件移动，轴向缸前端的封头用于将工件两端密封；随后高压气站进气阀门打开，高压气体从封头最前端的通孔向工件内部通入高压气体；高压气体压力为5～100MPa；

（5）保压淬火：经步骤（4）高压成形后模具保持闭合状态，热成形压力机的压力和/或内高压压力保持不变，进行淬火；高压气体内压力为5～250MPa，保压淬火时间为1～20s，上模软区成形镶块和下模软区成形镶块的温度为350～650℃之间；

（6）卸压开模：经保压淬火后冷却，高压气站进气阀门处于关闭状态，出气阀打开，高压气体排出工件；随后轴向缸向外侧移动复位，压机上行，模具打开，取走工件；

所述步骤（2）中，当硼钢钢管零件为无镀层硼钢钢管零件时，采用氮气保护或氮气加甲醇或氮气加甲烷保护气氛；当硼钢钢管零件为铝硅镀层的硼钢钢管零件时，采用干燥空气或者氮气保护；当硼钢钢管零件为锌镀层的硼钢钢管零件时，采用干燥空气保护；

所述步骤（4）中，高压气体为自然空气、氮气或二氧化碳，高压气体的进气通道和出气通道分别与模具轴向缸前端的封头相连，高压气体的初始压力为5～250MPa，高压进气和高压出气相分离，可以经泵站处理后再连通，从而循环使用。