CN106424280A - 一种高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法，包括如下步骤：(1)在高强钢坯料成形后需获得具有高强度的位置表面涂覆涂料；(2)将坯料置于加热炉中加热使涂覆涂料区域完全奥氏体化而未涂覆涂料区域非奥氏体化或非完全奥氏体化；(3)将坯料从加热炉中取出快速转移至成形模具上；(4)闭合模具使坯料成形并冷却，涂覆有涂料的区域冷却后发生相变得到完全的马氏体组织，强度提升塑性下降，未涂覆涂料的区域冷却后得到其他组织。本发明通过在坯料表面局部区域涂覆高吸收率的涂料，以提升局部加热速率使其提前进入奥氏体化，可柔性调节高强度钢坯料不同区域的强度和塑性，具有操作简单，自动化程度高，设备投入少等优点。
Description
技术领域
本发明属于高强钢热成形领域，更具体地，涉及一种高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法。
背景技术
近年来，为了满足安全性和节能减排(减重)的需要，高强度钢受到普遍的重视，越来越多地被用来制造车身的重要结构件和安全件。由于强度级别的提高，传统的冷冲压成形技术无法克服高强度钢成形后的回弹和保证汽车零件的尺寸精度。热成形能利用高强度钢来生产复杂部件，成形和淬火同时进行，通过相变强化来实现高强度。高强钢热冲压成形后的零件抗拉强度可以达到1500MPa及以上，在节能减重的同时满足安全性需求，热成形技术已经成为汽车制造领域的前沿实用技术。
在汽车安全件应用中，零件的力学性能往往需要和车身安全需求相匹配，不同的区域需要不同的强塑性来满足整体的安全需求，即有些区域需要高强度防侵入，有些区域需要高塑性来吸收碰撞能量。同时，柔性的控制强塑性分布可以降低成形零件切边及打孔难度，减少昂贵的激光切割设备投入和时间投入。
为满足力学性能的差异化分布，目前已经有多种技术，如非均一板料，选择性加热，选择性冷却，选择性退火等。非均一板料指的是化学成分不同、板厚不同的通过激光拼焊、电阻点焊、铆钉和螺栓连接的板料，其主要包括拼焊板、差厚板和补丁板三类，其中：拼焊板是利用激光拼焊技术将不等厚板、不同材质的板材焊接在一起得到的非均一板材，该技术存在毛坯加工成本高，焊缝位置难以确定，不适用于涂层板等问题；差厚板技术是在轧制过程中通过调节轧制辊轮的间隙轧制出厚度不均一，化学成分均一的板材，然后使用该板材进行热成形，该技术生产成本高，难以实现曲面拼接，柔性差；补丁板是通过电阻点焊连接技术或者激光焊接技术将局部需要强化的位置连接叠加一块板，用于增加该处的厚度，该种方法和差厚板的效果类似，都是通过板料的厚度来控制零件结构上的刚度强弱，其实际性能却不如差厚板工艺。选择性加热是通过将板料部分加热至奥氏体化状态，部分板料不加热(或者加热至Ac1以下某一温度)，最后将温度梯度化分布的板料转移至模具上成形淬火，该方法中主要有采用隔热板，电加热，电磁感应局部加热，火焰喷火局部加热等技术手段实现，但使用隔热板过程麻烦，电加热受坯料截面影响柔性差，电磁感应加热均匀性性差，火焰加热温度控制差等问题。选择性冷却是指完全奥氏体化的板料在转移或者成形淬火过程中，控制部分板料冷却速率降低，相变形成复相组织(铁素体，贝氏体和马氏体)，从而实现成形件力学性能柔性分布，主要技术手段有模具局部加热，采用不同模具材料等方法，这些方法均增大了模具设计制造成本，模具加热还会降低模具寿命，增加能耗，而且还存在温度控制差等问题。选择性退火是指已完全淬火的热成形件局部再次加热最后空冷的工艺，主要包括电磁感应局部加热，火焰局部加热等，这种方法缺点是又增加了一个工序，生产效率不高，且在退火过程中，零件会发生变形。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法，其通过在坯料表面局部区域涂覆高吸收率的涂料，以提升局部加热速率使其提前进入奥氏体化，可柔性调节高强度钢坯料不同区域的强度和塑性，具有操作简单，自动化程度高，所用时间短，设备投入少等优点。
为实现上述目的，本发明提出了一种高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法，包括如下步骤：
(1)在高强钢坯料成形后需获得具有高强度的位置表面处涂覆具有高吸收率且耐高温的涂料；
(2)将涂覆有涂料的所述高强钢坯料置于加热炉中加热1-6min，在加热过程中，涂覆有涂料的区域比未涂覆涂料的区域加热速度快，从而使涂覆涂料的区域提前完全奥氏体化，而未涂覆涂料的区域非奥氏体化或非完全奥氏体化；
(3)将加热处理后的所述高强钢坯料从加热炉中取出后在1-10s内快速转移至成形模具上；
(4)所述成形模具在压力机的带动下闭合使坯料成形并保压冷却5-20s，获得成形零件，在成形过程中，涂覆有涂料的区域冷却后发生相变得到完全的马氏体组织，强度提升塑性下降，未涂覆涂料的区域冷却后得到其他组织。
作为进一步优选的，所述步骤(1)中高吸收率且耐高温具体指吸收率为0.3-1，耐高温范围为300-1000℃。
作为进一步优选的，所述步骤(1)中的高强钢坯料包括板材和管材。
作为进一步优选的，所述步骤(2)中的奥氏体化温度为800-1000℃。
作为进一步优选的，所述步骤(4)中涂覆涂料的区域冷却到马氏体转变温度的冷却速率为30℃/s-100℃/s。
作为进一步优选的，还包括步骤(5)：将成形零件转移至冲裁模具上进行模具切边冲孔，优选的，该步骤(5)中的切边冲孔在常温下进行。
作为进一步优选的，若只需要切边冲孔则在需要切边冲孔过程中去除区域之外涂覆涂料。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明利用涂覆涂料后坯料表面对加热炉辐射的吸收率增加而提升局部加热速率而使其提前完全奥氏体化，而未涂覆区域则没有奥氏体化或没有完全奥氏体化的原理，使其在利用冷模具成形冷却后即可分别获得高强度低塑性的马氏体组织和低强度高塑性的其他组织，柔性的调节了高强钢力学性能的差异化分布，实验和研究均证明涂覆本发明中的涂料后均改善加热速度，从而使涂覆涂料区域更快更早完全奥氏体化。
2.本发明简单实用，可柔性调节高强度钢坯料不同区域的强度和塑性，并可在模具上进行切边冲孔，一定程度上减少生产周期和能耗，提升生产效率，节约成本。
3.本发明属于选择性加热技术中的一种，相比于现有技术存在柔性好，操作简单，自动化程度高，所用时间短，设备投入少等优点。
附图说明
图1是本发明的高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法的流程框图；
图2是本发明的非切边零件差异化力学性能分布示意图；
图3是本发明的零件切边区域示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法，该方法包括如下步骤：
(1)将包含高吸收率且耐高温的适量(涂覆厚度低于0.1mm)涂料物质涂覆于高强钢坯料在成形完毕后需获得高强度的位置表面，若只需切边冲孔则在切边冲孔过程中需要去除区域之外涂覆涂料。
其中，高吸收率且耐高温涂料物质的吸收率为0.3-1，耐高温范围为300-1000℃，其还具有导热性好等性质，例如选用氮化硼、石墨等，选用具有上述性能的材料作为涂料，可以在加热过程中增加对辐射的吸收而加快加热速度，使涂覆涂料的区域更早完全奥氏体化，同时可以经受加热过程中的高温冲击以及不大幅影响成形冷却过程中坯料和模具之间热量的传导。所述高强钢坯料包括板材、管材，例如22MnB5板料和管料。在涂覆过程中，具有高吸收率的涂料物质可根据需要柔性的涂覆，该柔性涂覆是指可以方便地不受空间或技术手段限制在需要涂覆的区域进行涂覆操作，通过柔性涂覆可根据需要获得不同区域具有不同力学性能的成形零件。
(2)将涂覆有涂料的坯料置于加热炉中加热一定时间，以使其局部奥氏体化，该加热时间比未涂覆涂料区域的奥氏体化加热时间短，具体为1-6分钟。在加热过程中，由于涂料的存在，增加了涂覆涂料区域对热辐射的吸收率，使其比未涂覆涂料区域加热速度快，提前奥氏体化，其中，奥氏体化温度为800-1000℃，通过控制加热及保温时间，使涂覆涂料区域奥氏体化而其他区域非奥氏体化。
(3)将加热处理后的高强钢坯料从加热炉中取出后在1-10s内快速转移至成形模具上，以尽量降低转移过程中的温度损失，减少氧化和脱碳，提高效率。
(4)压力机下行带动模具闭合使坯料成形并保压冷却5-20s，在成形过程中，涂覆有涂料的区域冷却后发生相变得到完全的马氏体组织，强度提升塑性下降，未涂覆涂料的区域由于没有奥氏体化冷却后得到其他组织，强度较低塑性较高，其中，涂覆涂料的区域冷却到马氏体转变温度的冷却速率为30℃/s-100℃/s。
优选的，本发明在步骤(1)-(4)的基础上，在步骤(4)之后还包括步骤(5)：将成形零件转移至冲裁模具上进行模具切边冲孔，完成成形零件的切边与冲孔处理。具体的，该切边冲孔操作在常温下进行。
以下为本发明的具体实施例。
实施例1
步骤(1)：按照图2零件所示高强度低塑性区域对应的某高强钢(其成分质量分数C：0.23％，Mn：0.95％，B：0.0019％)板料区域(图2的A处)涂上厚度约为50μm的氮化硼涂料(主要物质为氮化硼)。其中该涂料的吸收率在0.6-0.8，在氧化氛围中的工作温度上限为1200℃。
步骤(2)：将该板料置于炉膛温度为850℃的加热炉中加热并保温2min。
步骤(3)：开启炉门后将加热过的板料在10s内快速转移至成形模具上。
步骤(4)：压力机下行带动模具闭合使坯料成形并保压冷却20s。
如图2所示，涂覆涂料后的区域A为马氏体组织，具有高强度低塑性的特点，其强度约为1532MPa，延伸率约为7％；未涂覆涂料的区域B具有比较复杂的组织，主要是珠光体和铁素体，具有低强度高塑性的特点，其强度约为490MPa，延伸率约为30％；除此之外，两个区域之间还有过渡区域，包含马氏体，珠光体和铁素体等组织，力学性能也介于两个区域之间。
实施例2
步骤(1)：按照图3零件所示非切边区域对应的某高强钢(其成分质量分数C：0.23％，Mn：0.95％，B：0.0019％)板料区域(图3的A处)用静电吸附厚度约为50μm的石墨涂料。其中该涂料的吸收率约为0.8，并满足耐高温要求。
步骤(2)：将该板料置于炉膛温度为850℃的加热炉中加热并保温2min。
步骤(3)：开启炉门后将加热过的板料在10s内快速转移至成形模具上。
步骤(4)：压力机下行带动模具闭合使坯料成形并保压冷却20s。
步骤(5)：将成形零件转移至冲裁模具上进行模具切边。
如图3所示，涂覆涂料后的区域A为马氏体组织，具有高强度低塑性的特点，其强度约为1500MPa，延伸率约为8％；未涂覆涂料的区域B(切边区域)具有低强度高塑性的特点，其强度约为450MPa，延伸率约为32％。这种情况下，由于切边区域有比较低的强度，采用模具即可完成冷切边。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在高强钢坯料成形后需要获得具有高强度的位置表面处涂覆具有高吸收率且耐高温的涂料；
(2)将涂覆有涂料的所述高强钢坯料置于加热炉中加热1-6min，在加热过程中，涂覆有涂料的区域比未涂覆涂料的区域加热速度快，从而使涂覆涂料的区域提前完全奥氏体化而未涂覆涂料的区域非奥氏体化或非完全奥氏体化；
(3)将加热处理后的所述高强钢坯料从加热炉中取出后在1-10s内快速转移至成形模具上；
(4)所述成形模具在压力机的带动下闭合使坯料成形并保压冷却5-20s，在成形过程中，涂覆有涂料的区域冷却后发生相变得到完全的马氏体组织，强度提升塑性下降，未涂覆涂料的区域冷却后得到其他组织，以此获得具有热成形差异化力学性能的成形零件。
2.根据权利要求1所述的高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中高吸收率且耐高温具体指吸收率为0.3-1，耐高温范围为300-1000℃。
3.根据权利要求2所述的高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中的高强钢坯料包括板材和管材。
4.根据权利要求3所述的高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中的奥氏体化温度为800-1000℃。
5.根据权利要求4所述的一种高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中涂覆涂料的区域冷却到马氏体转变温度的冷却速率为30℃/s-100℃/s。
6.根据权利要求5所述的一种高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法，其特征在于，还包括步骤(5)：将成形零件转移至冲裁模具上进行模具切边冲孔，优选的，该步骤(5)中的切边冲孔在常温下进行。
7.根据权利要求6所述的一种高强钢热成形差异化力学性能分布柔性控制方法，其特征在于，若只需要切边冲孔则在需要切边冲孔过程中去除区域之外涂覆涂料。
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