CN106086648A - 一种实现具有trip效应的中锰钢件性能梯度分布的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种实现具有TRIP效应的中锰钢件性能梯度分布的方法。本发明方法，包括选取中锰钢板为待用钢件，将待用钢件局部加热至完全奥氏体化，加热温度在750℃‑850℃之间，保温3～5分钟；同时，待用钢件的非加热区温度不超过200℃，以保持与室温微观组织结构一致；将待用钢件整体转运到冲压模具上进行冲压成形并淬火，利用非加热区的TRIP效应和局部奥氏体化板材的易成形特征，使得待用钢件整体能够在同一模具、同一加载上完成成形过程，成形为具有一定形状、同时具备高强度和高塑性、性能梯度分布的中锰钢件，以同时满足轻量化和安全性的需求。

Description

一种实现具有TRIP效应的中锰钢件性能梯度分布的方法
技术领域
本发明属于冲压成形技术领域，尤其涉及一种实现具有TRIP效应的中锰钢件性能梯度分布的方法。
背景技术
随着汽车先进钢生产工艺的改善和技术更新，现有汽车钢已划分为第一代、第二代和第三代。其中，中锰钢和Q&P钢作为第三代汽车钢的一种，因其较好的力学性能，受到了各大汽车制造商的青睐。
关于轻量化汽车钢材的制备以及各种性能的实现技术方面，比如中国专利公开号为：CN101638749B《一种低成本高强塑积汽车用钢及其制备方法》所描述的技术，其原始板材具有超细的组织结构、很高的强塑积和较低的生产成本。但关于板材如何成形为汽车上所需的各种性能要求却没有提及。在具有性能梯度的高强钢制备技术上，比如中国专利公开号为：CN103028645A《一种变强度分布高强钢板材零件的热冲压成形方法》所描述的技术，是在热成形之前通过将钢板加热不同温度和不同保温时间等热处理方法来实现高强钢板的变强度分布，属于热成形技术范畴，但正如该专利中所描述的，不是所有的高强钢都可以通过调节温区来实现性能梯度的，尤其是当某些具有TRIP效应的高强钢，需要通过成形工艺的调控技术来实现其力学性能的最优化，而TRIP效应只局限在冷成形组织结构中，通过热成形工艺限制了因TRIP效应引起的钢板塑性提高，使其高塑性的优势得不到发挥。
中锰钢为具有TRIP效应的组织细化钢材，既有TRIP效应的冷成形性能特征又有当前热成形硼钢无法超越的高塑性温热成形性能特征。当原始板材的亚稳奥氏体达到一定含量时，冷成形时能够获得明显TRIP效应的高塑性；温热成形时能够获得超高抗拉强度≥1400MPa同时延伸率≥10％。那么，针对车用先进的中锰钢，如何将冷成形与温热成形技术协调，从性能上满足双重成形条件下的板材性能优势的发挥，又在工艺上实现一组模具、相同加载条件完成成形过程，在成形效果上既有高强度、高塑性的获得，又有性能梯度的实现，是汽车钢轻量化和安全性目标实现的技术突破。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种实现具有TRIP效应的中锰钢件性能梯度分布的方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种实现具有TRIP效应的中锰钢件性能梯度分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选取中锰钢板为待用钢件，该中锰钢板的化学成分重量百分比为：C：0.05-0.50％；Mn：4.0-6.0％；P≤0.015％；S≤0.02％，余下为Fe及不可避免的杂质；
S2、将待用钢件局部加热至完全奥氏体化，升温速率不低于10℃/s，加热温度在750℃-850℃之间，保温3～5分钟；同时，待用钢件的非加热区温度不超过200℃，以保持与室温微观组织结构一致；
S3、将待用钢件整体转运到冲压模具上进行冲压成形并淬火，冷却速率不低于5℃/s，得到具有一定形状和性能梯度的中锰钢件。
进一步地，所述步骤S1中，在所述中锰钢板的化学成分的基础上加入重量百分比如下的一种或多种元素：Ni：0.1-3.0％；Cr：0.2-3.0％；Mo：0.1-0.8％；Si：0.3-2.3％；Cu：0.5-2.0％；B：0.0005-0.005％；Nb：0.02-0.10％；[N]：0.002-0.25％；Ti：0.05-0.25％；V：0.02-0.25％；Al：0.015-0.060％；Re：0.002-0.005％；Ca：0.005-0.03％。
进一步地，所述步骤S1中待用钢件的原始晶粒是由超细尺寸的亚稳奥氏体和铁素体基体组成，其中，亚稳奥氏体含量不少于10％。
进一步地，所述步骤S2中待用钢件的局部加热方式为通过嵌入加热元件的平板模具加热。
进一步地，所述步骤S2中待用钢件的非加热区通过带有冷却装置的铜质平板模具冷却因待用钢件自身导热而导致的升温。
进一步地，所述步骤S3中的待用钢件的非加热区和局部奥氏体化的温热区可在同一冲压模具、同一加载力上完成成形过程，其中，冲压模具可以具有冷却介质，冷却速率不低于5℃/s。
进一步地，所述步骤S3中得到的中锰钢件具有超高强度区：抗拉强度≥1400MPa和延伸率≥10％；高塑性区：抗拉强度≥600MPa和延伸率≥30％的性能梯度分布。
较现有技术相比，本发明是基于中锰钢的力学性能对加热温度、降温速率不敏感，温热成形加载过程中Ms点的变化很小，很难通过调节热处理工艺、冲压温度、降温速率、加载参数或成形过程中选择性冷却等方式来实现性能梯度；同时，充分利用中锰钢既具备冷成形的TRIP效应，以获得高塑性，又具备温热成形的超高强度特征，通过将冷成形和温热成形技术科学结合，在冲压模具和加载上能够保持一致，既发挥其细晶强化和“TRIP”效应的高塑韧性优势，又实现其通过温热成形后获得超高强度的性能梯度。另外，利用温热成形回弹小、成形精度高的特点，成形脱模前利用温热成形区域的板材对冷成形(非加热区)部分高强钢的回弹现象进一步限制，提高中锰钢的成形性。
本发明通过冷成形和温热成形的复合工艺技术，在同一钢件上既实现超高强度又获得高塑性的性能梯度分布，满足轻量化和安全性的需求，具有广泛的推广意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明钢件微观组织形貌图，其中，(a)是待用钢件原始微观形貌，是细晶的铁素体基体和亚稳奥氏体；(b)是待用钢件温热成形区域的微观形貌，是细化的马氏体结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种实现具有TRIP效应的中锰钢件性能梯度分布的方法，包括如下步骤：
S1、选取中锰钢板为待用钢件，该中锰钢板的化学成分重量百分比为：C：0.05-0.50％；Mn：4.0-6.0％；P≤0.015％；S≤0.02％，余下为Fe及不可避免的杂质；在所述中锰钢板的化学成分的基础上加入重量百分比如下的一种或多种元素：Ni：0.1-3.0％；Cr：0.2-3.0％；Mo：0.1-0.8％；Si：0.3-2.3％；Cu：0.5-2.0％；B：0.0005-0.005％；Nb：0.02-0.10％；[N]：0.002-0.25％；Ti：0.05-0.25％；V：0.02-0.25％；Al：0.015-0.060％；Re：0.002-0.005％；Ca：0.005-0.03％。
所述待用钢件的原始晶粒是由超细尺寸的亚稳奥氏体和铁素体基体组成，其中，亚稳奥氏体含量不少于10％，以保证具有高塑性的TRIP效应和细晶强化的微观结构。
S2、将待用钢件通过嵌入加热元件的平板模具加热至完全奥氏体化，升温速率不低于10℃/s，加热温度在750℃-850℃之间，保温3～5分钟；同时，待用钢件的非加热区温度不超过200℃，非加热区通过带有冷却装置的铜质平板模具冷却因待用钢件自身导热而导致的升温，以保持与室温微观组织结构一致；
S3、将待用钢件整体转运到冲压模具上进行冲压成形，此时，具有TRIP效应的待用钢件的非加热区和局部奥氏体化的温热区可在同一冲压模具、同一加载力上完成成形过程，其中，冲压模具可以具有冷却介质，冷却速率不低于5℃/s，得到具有一定形状和性能梯度的中锰钢件，中锰钢件具有超高强度区：抗拉强度≥1400MPa和延伸率≥10％；高塑性区：抗拉强度≥600MPa和延伸率≥30％的性能梯度分布。
实施例
选取中锰钢件化学成分重量百分比为：C：0.1％；Mn：5.0％；Al：0.03％；P：0.013％；S：0.01％，余下为Fe及不可避免的杂质；原始中锰钢件具有大于10％含量的亚稳奥氏体，其余为铁素体；具有细化的原始组织结构。
将厚度为1.8mm的待用钢件切割为钢件所需尺寸，放置平板模具，其中具有加热元件的模具恒温在800℃，将其放在待用钢件需要局部加热的区域，持续恒温加热，钢板升温速率15℃/s，当板材局部达到800℃之后，保温3分钟，同时，周围放置具有水冷装置的铜质模具，以消除因局部加热而引起待用钢件非加热区的升温。随后，将板料整体放在冲压模具上冲压，保压并淬火，冷却速率10℃/s，最终成形为具有一定形状，且具有一定性能梯度分布的中锰高强钢件。
微观结构方面，如图1所示，原始中锰钢件是具有大于10％含量的亚稳奥氏体(图1(a)中白色区域)和细化的铁素体基体，其具有很好的TRIP效应，既满足与温热成形同时加载的成形条件，又具有高塑性；图1(b)是经过局部温热成形后原始组织结构变成了细化的马氏体板条结构。
同时，冲压成形后从冷成形(非加热区)和温热成形区域分别取样，通过单轴拉伸试验可知(如表1所示)，冷成形区域获得了37％的高延伸率，抗拉强度为750MPa，实现了高塑性的性能需求；温热成形区域获得了抗拉强度为1420MPa、屈服强度为1020MPa，延伸率为11％，实现了超高强度的性能需求。
表1冷成形区域和温热成形区域的力学性能
分区\性能 抗拉强度(MPa) 屈服强度/Rp0.2(MPa) 总延伸率(％)
冷成形区域 750 523 37
温热成形区域 1420 1020 11
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种实现具有TRIP效应的中锰钢件性能梯度分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选取中锰钢板为待用钢件，该中锰钢板的化学成分重量百分比为：C：0.05-0.50％；Mn：4.0-6.0％；P≤0.015％；S≤0.02％，余下为Fe及不可避免的杂质；
S2、将待用钢件局部加热至完全奥氏体化，升温速率不低于10℃/s，加热温度在750℃-850℃之间，保温3～5分钟；同时，待用钢件的非加热区温度不超过200℃，以保持与室温微观组织结构一致；
S3、将待用钢件整体转运到冲压模具上进行冲压成形并淬火，冷却速率不低于5℃/s，得到具有一定形状和性能梯度分布的中锰钢件。
2.根据权利要求1所述的实现具有TRIP效应的中锰钢件性能梯度分布的方法，其特征在于，所述步骤S1中，在所述中锰钢板的化学成分的基础上加入重量百分比如下的一种或多种元素：Ni：0.1-3.0％；Cr：0.2-3.0％；Mo：0.1-0.8％；Si：0.3-2.3％；Cu：0.5-2.0％；B：0.0005-0.005％；Nb：0.02-0.10％；[N]：0.002-0.25％；Ti：0.05-0.25％；V：0.02-0.25％；Al：0.015-0.060％；Re：0.002-0.005％；Ca：0.005-0.03％。
3.根据权利要求1或2所述的实现具有TRIP效应的中锰钢件性能梯度分布的方法，其特征在于，所述步骤S1中待用钢件的原始晶粒是由超细尺寸的亚稳奥氏体和铁素体基体组成，其中，亚稳奥氏体含量不少于10％。
4.根据权利要求3所述的实现具有TRIP效应的中锰钢件性能梯度分布的方法，其特征在于，所述步骤S2中待用钢件的局部加热方式为通过嵌入加热元件的平板模具加热，升温速率不低于10℃/s。
5.根据权利要求4所述的实现具有TRIP效应的中锰钢件性能梯度分布的方法，其特征在于，所述步骤S2中待用钢件的非加热区通过带有冷却装置的铜质平板模具冷却因待用钢件自身导热而导致的升温。
6.根据权利要求5所述的实现具有TRIP效应的中锰钢件性能梯度分布的方法，其特征在于，所述步骤S3中的待用钢件的非加热区和局部奥氏体化的温热区可在同一冲压模具、同一加载力上完成成形过程，其中，冲压模具可以具有冷却介质，冷却速度不低于5℃/s。
7.根据权利要求6所述的实现具有TRIP效应的中锰钢件性能梯度分布的方法，其特征在于，所述步骤S3中得到的中锰钢件具有超高强度区：抗拉强度≥1400MPa和延伸率≥10％；高塑性区：抗拉强度≥600MPa和延伸率≥30％的性能梯度分布。
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