CN104550391A - 集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涉及金属板料热冲压加工领域的集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺，本发明的工艺增加了转运及冷却步骤，在该步骤中，将加热好的板料移出加热炉，在将所述板料转运至模具的过程中，采用冷却介质将所述板料的温度降到冲压温度，所述板料的温度降到冲压温度的降温速度不小于80℃/s。本发明利用分段冷却使生产的热冲压成形零件的强度与现有的采用冷却水道的热冲压工艺生产的热冲压成形零件的强度基本持平，而延伸率提高了20％～50％，并能确保板料在模具内冲压时具有最佳的成形性能，使生产的热冲压成形零件不易出现破裂起皱等质量问题。

Description

集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺

技术领域

本发明涉及金属板料热冲压加工领域，特别是涉及一种集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺。

背景技术

基于减重和环保等目的，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，而超高强钢室温变形能力差，采用传统冷冲压成形非常困难，由此热冲压成形应运而生，现已成为超高强钢制件的最重要生产途径之一。现有的热冲压成形技术采用的普遍工艺流程为：落料→加热保温→快速转移到模具内→在模具内冲压成形并完成保压淬火→开模后完成去氧化皮等后续处理。该工艺中，加热保温的目的是使板料充分及均匀奥氏体化，该工艺中的一个关键环节是模具内淬火需要确保足够的冷却速度，因此，一般均要求模具内设置冷却水道，由此造成热冲压成形模具的造价远高于冷冲压模具。

利用上述热冲压成形工艺获得的零件，组织为马氏体，优点是强度很高，有些材料的零件的强度甚至可以达到1500MPa以上；缺点是塑性较差，延伸率一般在5％左右，导致制件的综合性能尤其是碰撞过程中的吸能性能并不高。

一般的热冲压成形是将冲压成形与热处理结合的工艺，冲压成形决定产品的最终形状，热处理通过控制温度变化引起组织变化最终决定产品性能，产品性能主要包括强度和塑性两个方面。采用一般的热冲压成形工艺生产的产品，要使产品达到所采用的材料所相应的强度有一个决定因素是要求淬火过程的平均冷却速度大于等于材料的马氏体转变临界冷却速度，一般的热冲压成形工艺为了达到该马氏体转变临界冷却速度，在模具内设置了冷却水道。

现有热冲压成形工艺本质上是将普通的淬火热处理技术结合到冲压成形过程中。若能将其它先进热处理工艺与冲压技术结合，则有望提出新的热冲压成形工艺。

淬火-碳分配(Q&P，Quenching and partitioning,淬火和分配)工艺是一种较新的热处理工艺，它将中碳含硅钢先加热并完全奥氏体化，然后淬火至马氏体转变开始温度Ms与马氏体转变结束温度Mf之间的某一温度，此时的温度称为PT；并再在一定温度等温使碳由马氏体分配至残留奥氏体，此时温度称为PT，称为碳分配过程；然后淬火至室温。采用Q&P工艺热处理后获得马氏体与奥氏体的复合组织，能在确保高强度的同时有效提高钢的塑性和韧性。

中国发明专利《一种基于Q&P一步法的热冲压成形工艺》申请号为CN201310335780.0公开了一种热冲压成形工艺，该工艺中包括以下步骤：1)下料：根据热冲压成形零件尺寸切割板料；2)模具预热；将带有加热模块的模具加热到230℃～410℃之间的某一温度；3)板料加热：将板料放入加热炉，抽真空，以不低于15℃/s的加热速度将板料加热到850℃～950℃，保温3～6分钟，使板料奥氏体化均匀；4)热冲压成形与模内淬火：将加热好的板料快速移动到预热好的热冲压成形模具上冲压成形淬火，由于模具温度远低于板料温度，在完成成形的同时完成之间的模内淬火过程；5)碳分配：模具保持闭合状态，保温10s～180s；6)最终淬火：将碳分配保温之后的热冲压成形零件快速放入水中淬火到室温；7)去除氧化皮：通过抛丸或酸洗处理去除成形零件的氧化皮。

采用基于Q&P一步法的热冲压成形工艺由于增加了碳分配过程，所以，采用该工艺生产的热冲压成形零件的塑性好于一般的热冲压成形生产的产品；但是，在实际应用中，由于模内淬火阶段的冷却速度不够，即该基于Q&P一步法的热冲压成形工艺的模内淬火阶段的冷却速度无法达到材料的马氏体转变临界冷却速度，所以采用该工艺生产的热冲压成形零件的强度却比采用一般的热冲压成形工艺生产的热冲压成形零件低。而且，采用基于Q&P一步法的热冲压成形工艺，在热冲压成形与模内淬火步骤中，是将加热到850℃～950℃的板料直接进行热冲压成形操作，此冲压温度范围一般不是板料的最佳成形温度，复杂成型件成形质量不高。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明解决的技术问题在于提供一种将分段冷却工艺、Q&P热处理工艺和热冲压工艺相结合的集成工艺，提供一种在确保热冲压成形零件具有高强度的同时，使热冲压成形零件具有良好的塑性，即延伸率，从而提升制件的抗冲击性能，并且模具上不需要设置冷却水道的集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺，所述工艺为分段冷却工艺、Q&P热处理工艺和热冲压工艺的集成工艺，所述工艺包括以下步骤：

1)落料：根据热冲压成形零件的尺寸切割板料；

2)模具预热：将带有加热模块的模具加热到200℃～450℃之间的某一温度；

3)板料加热：将板料放入加热炉，抽真空，以不低于15℃/s的加热速度将板料加热到900℃～950℃，保温3～6分钟，使板料奥氏体化均匀；

4)转运及冷却：将加热好的板料移出加热炉，在将所述板料转运至模具的过程中，采用冷却介质将所述板料的温度降到冲压温度，所述板料的温度降到冲压温度的降温速度不小于80℃/s；

5)热冲压成形与模内淬火：启动压力机，完成冲压成形淬火，由于模具温度远低于板料温度，在完成热冲压成形的同时通过模具传热完成模内淬火过程；

6)碳分配：模具保持闭合状态，保温时间为10s～180s；

7)开模与最终淬火：打开模具，取出热冲压成形零件，使热冲压成形零件冷却至室温；

8)后处理：去除热冲压成形零件的氧化皮。

优选地，所述冷却介质为压缩空气、冷却液体或者水汽混合喷雾。

优选地，所述冲压温度为600℃～800℃。

优选地，所述碳分配步骤中的保温时间为40s～80s。

如上所述，本发明所述的集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺，具有以下有益效果：

1)采用本发明的工艺生产热冲压成形零件，由于采用了分段冷却工艺，板料的转运及冷却步骤和板料的热冲压成形与模内淬火步骤构成了板料的热成形淬火过程，保证本发明的热成形淬火过程中的平均冷却速度大于材料的马氏体转变临界冷却速度，使本发明的工艺的生产的热冲压成形零件的强度与现有的采用冷却水道的热冲压工艺生产的热冲压成形零件的强度基本持平；同时，本发明的工艺中，结合碳分配过程也使采用本发明的工艺生产热冲压成形零件的延伸率相比采用冷却水道的热冲压工艺生产的热冲压成形零件的延伸率提高了20％～50％；因此最终生产的热冲压成形零件具有更好的综合力学性能。

2)利用分段冷却，能够将板料在模具外降至板料所采用的材料合适的冲压温度，确保板料在模具内冲压时具有最佳的成形性能，使生产的热冲压成形零件不易出现破裂起皱等质量问题。

3)本发明不需要在模具内设置冷却水道，仅需设置加热模块，且随着批量成形的逐渐进行，加热模块可关闭。

4)板料加热过程中将板料加热到900℃～950℃，能够使板料的奥氏体化均匀程度更好，使最终得到的产品的硬度更高。

附图说明

图1显示为本发明的流程图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。

请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

如图1所示，本实施例的集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺为分段冷却工艺、Q&P热处理工艺和热冲压工艺的集成工艺，包括以下步骤：

1)落料：根据热冲压成形零件的尺寸切割B1500HS板料；

2)模具预热：将带有加热模块的模具加热到350℃，350℃就是本实施例的PT温度；

3)板料加热：将板料放入加热炉，抽真空，以20℃/s的加热速度将板料加热到920℃，保温5分钟，使板料奥氏体化均匀；

4)转运及冷却：将加热好的板料转运到模具上，在转运过程中，采用压缩空气将板料降至冲压温度，本实施例所采用的板料的冲压温度为600℃，将板料降至600℃的降温速度为80℃/s；

5)热冲压成形与模内淬火：使用100T液压机进行冲压成形淬火，由于模具温度远低于板料温度，在完成热冲压成形的同时通过模具传热完成模内淬火过程；

6)碳分配：模具保持闭合状态，在350℃进行碳分配保温，保温时间为40s；

7)开模与最终淬火：打开模具，取出碳分配保温之后的热冲压成形零件，并放入水中最终淬火到室温；

8)后处理：通过抛丸处理去除热冲压成形零件的氧化皮。

本实施例中，热冲压成形零件的强度为1500Mpa，热冲压成形零件的延伸率为7.5％；而采用现有热冲压成形工艺的生产相同材料的热冲压成形零件的强度为1420Mpa，延伸率为6％；本实施例中，热冲压成形零件的延伸率提高了25％左右。

本实施例中，采用压缩空气将板料降至600℃是将压缩空气直接喷射在板料上或者通过涡流管制冷器产生冷气对板料进行制冷。

本发明的分段冷却就是将板料的热成形淬火过程分为模具外冷却和模具内冷却两个阶段。当板料在加热炉内完全奥氏体化后出炉，在转运及冷却步骤中，采用压缩空气、冷却液体或者水汽混合喷雾对板料进行降温，奥氏体化后的板料温度降至所用材料的冲压温度，冲压温度为600℃～800℃，且此步骤中板料降温的速度不小于80℃/s，为模具外冷却；然后在模具内完成热冲压成形与模内淬火的步骤，此步骤中由于模具温度低于板料温度，因此板料在模具内继续降温淬火，至马氏体转变开始温度Ms～马氏体转变结束温度Mf之间的某一温度PT，该PT温度一般在200℃～400℃之间，不同的材料有所差异，此冷却过程为模具内冷却。在PT温度上保温保压一段时间进行碳分配后，将成形后的板料移出模具，采用水淬或自然冷却的方式进行最终淬火，使产品的温度降至室温。

板料的转运及冷却步骤和板料的热冲压成形与模内淬火步骤共同构成了板料的热成形淬火过程，本发明的热成形淬火过程中的平均冷却速度是在板料经过模具外冷却和模具内冷却两个过程后所降低的温度除以降低温度所用的时间。

由于本发明采用了分段冷却的工艺，模具外的冷却淬火速度快，达到80℃/s以上，在将板料放入模具后，即使模具的温度有所上升，仍然能够保证板料在热成形淬火过程中的平均冷却速度大于马氏体转变临界冷却速度，控制淬火成形后板料的马氏体相变,保证热冲压成形零件的强度与采用一般的热冲压成形工艺生产的热冲压成形零件的强度相当，且能够改善产品的塑性，即提高了热冲压成形零件的延伸率，也就是提高了产品的强塑积。同时将板料在模具外降至板料所采用的材料相应的冲压温度，使开始冲压温度与所采用的材料最佳的冲压温度相符合，保证了热冲压成形零件的成形性能佳。

与一般的热冲压成形工艺相比，本发明的工艺要求模具全程维持在PT温度上，因此不需要设置冷却水道，仅需在模具上设置加热模块，加热模块用于对模具进行加热，随着批量成形的逐渐进行，模具温度受到高温板料传热的影响，自然就可达到PT温度，即可关闭加热模块。

实施例2

如图1所示，本实施例的集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺为分段冷却工艺、Q&P热处理工艺和热冲压工艺的集成工艺，包括以下步骤：

1)落料：根据热冲压成形零件的尺寸切割板料；

2)模具预热：将带有加热模块的模具加热到300℃；

3)板料加热：将板料放入加热炉，抽真空，以15℃/s的加热速度将板料加热到900℃，保温6分钟，使板料奥氏体化均匀；

4)转运及冷却：将加热好的板料转运到模具上，在转运过程中，采用水汽混合喷雾将板料温冷却至650℃，将板料降至650℃的冷却速度为100℃/s；

5)热冲压成形与模内淬火：在压机上冲压成形淬火，由于模具温度远低于板料温度，在完成成形的同时完成之间的模内淬火过程；

6)碳分配：模具保持闭合状态，在300℃进行保温，保温时间是80s；

7)最终淬火：将碳分配保温之后的热冲压成形零件自然冷却淬火到室温；

8)后处理：通过酸洗处理去除热冲压成形零件的氧化皮。

本实施例中，热冲压成形零件的强度为1400Mpa，热冲压成形零件的延伸率为8.7％；而采用现有热冲压成形工艺的生产相同材料的热冲压成形零件的强度为1420Mpa，延伸率为6％；本实施例中，热冲压成形零件的延伸率提高了45％。

实施例3

本实施例的集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺为分段冷却工艺、Q&P热处理工艺和热冲压工艺的集成工艺，包括以下步骤：

1)落料：根据热冲压成形零件的尺寸切割板料；

2)模具预热：将带有加热模块的模具加热到200℃；

3)板料加热：将板料放入加热炉，抽真空，以15℃/s的加热速度将板料加热到950℃，保温3分钟，使板料奥氏体化均匀；

4)转运及冷却：将加热好的板料转运到模具上，在转运过程中，采用液氮将板料降温冷却至800℃，将板料降至800℃的降温速度为120℃/s；

5)热冲压成形与模内淬火：在压机上冲压成形淬火，由于模具温度远低于板料温度，在完成成形的同时完成之间的模内淬火过程；

6)碳分配：模具保持闭合状态，在200℃进行保温，保温时间是60s；

7)最终淬火：将碳分配保温之后的热冲压成形零件自然冷却淬火到室温；

8)后处理：通过酸洗处理去除热冲压成形零件的氧化皮。

本实施例中采用的液氮降温冷却就是将液氮喷在板料上。

本实施例中，热冲压成形零件的强度为1370Mpa左右，热冲压成形零件的延伸率为9％；而采用现有热冲压成形工艺的生产相同材料的热冲压成形零件的强度为1420Mpa，延伸率为6％；本实施例中，热冲压成形零件的延伸率提高了50％。

实施例4

如图1所示，本实施例的集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺为分段冷却工艺、Q&P热处理工艺和热冲压工艺的集成工艺，包括以下步骤：

1)落料：根据热冲压成形零件的尺寸切割板料；

2)模具预热：将带有加热模块的模具加热到450℃；

3)板料加热：将板料放入加热炉，抽真空，以20℃/s的加热速度将板料加热到900℃，保温6分钟，使板料奥氏体化均匀；

4)转运及冷却：将加热好的板料转运到模具上，在转运过程中，采用水汽混合喷雾降将板料温冷却至650℃，将板料降至650℃的降温速度为100℃/s；

5)热冲压成形与模内淬火：在压机上冲压成形淬火，由于模具温度远低于板料温度，在完成成形的同时完成之间的模内淬火过程；

6)碳分配：模具保持闭合状态，在450℃进行保温，保温时间是80s；

7)最终淬火：将碳分配保温之后的热冲压成形零件自然冷却淬火到室温；

8)后处理：通过酸洗处理去除热冲压成形零件的氧化皮。

液氮的冷却速度大于水汽混合喷雾的冷却速度，且水汽混合喷雾的冷却速度大于压缩空气的冷却速度。冲压温度越高，快速急冷的速度应越高。

本实施例中，热冲压成形零件的强度为1550Mpa左右，热冲压成形零件的延伸率为7.2％；而采用现有热冲压成形工艺的生产相同材料的热冲压成形零件的强度为1420Mpa，延伸率为6％；本实施例中，热冲压成形零件的延伸率提高了20％。

综上所述，本发明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 (4)

1.一种集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺，其特征在于：所述工艺为分段冷却工艺、Q&P热处理工艺和热冲压工艺的集成工艺，所述工艺包括以下步骤：

1)落料：根据热冲压成形零件的尺寸切割板料；

2)模具预热：将带有加热模块的模具加热到200℃～450℃之间的某一温度；

3)板料加热：将板料放入加热炉，抽真空，以不低于15℃/s的加热速度将板料加热到900℃～950℃，保温3～6分钟，使板料奥氏体化均匀；

4)转运及冷却：将加热好的板料移出加热炉，在将所述板料转运至模具的过程中，采用冷却介质将所述板料的温度降到冲压温度，所述板料的温度降到冲压温度的降温速度不小于80℃/s；

5)热冲压成形与模内淬火：启动压力机，完成冲压成形淬火，由于模具温度远低于板料温度，在完成热冲压成形的同时通过模具传热完成模内淬火过程；

6)碳分配：模具保持闭合状态，保温时间为10s～180s；

7)开模与最终淬火：打开模具，取出热冲压成形零件，使热冲压成形零件冷却至室温；

8)后处理：去除热冲压成形零件的氧化皮。

2.根据权利要求1所述的集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺，其特征在于：所述冷却介质为压缩空气、冷却液体或者水汽混合喷雾。

3.根据权利要求1所述的集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺，其特征在于：所述冲压温度为600℃～800℃。

4.根据权利要求1所述的集成分段冷却及碳分配过程的热冲压成形工艺，其特征在于：所述碳分配步骤中的保温时间为40s～80s。