CN106583544A - 一种马氏体钢非对称复杂回转体的多工步成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种马氏体钢非对称复杂回转体的多工步成形方法，属金属先进制造及塑性成形领域；首先将马氏体钢板坯通过热旋压或热渐进成形等柔性成形方法进行预成形，随后对预成形构件加热以奥氏体化，并对其实施热冲压或气胀成形；最后，通过快速淬火获得马氏体组织，并对构件进行激光冲孔、切边，完成马氏体钢非对称回转体的形、性协调控制。本发明可显著提高超高强度马氏体钢的塑性变形能力，解决该类材料在制造非对称回转体结构中的技术难题，并为其它难变形材料的非对称回转体结构成形制造提供了重要思路和参考，具有突出的工程应用价值。

Description

一种马氏体钢非对称复杂回转体的多工步成形方法
技术领域
本发明涉及属于金属塑性成形技术领域，尤其涉及一种马氏体钢非对称复杂回转体的多工步成形方法。
背景技术
马氏体钢是一种以马氏体组织为基体的超高强度钢，其抗拉强度可达1500MPa，是近年来备受关注的一种高性能结构材料，在航空、汽车等领域存在迫切的应用需求。然而高强度钢板的应用，对现有钢类构件的成形制造带来了一系列新的挑战。与普通钢板相比，高强度钢板具有更高的屈服应力和抗拉强度，而硬化指数、厚向异性系数及延伸率均较低，成形性能差，且回弹量大难以控制，容易破裂。尤其是当强度达到1500MPa后，冷成形工艺几乎无法完成其成形制造。
目前，超高强度马氏体钢板主要通过热冲压技术进行成形。热冲压技术是把马氏体钢加热使之奥氏体化，随后将红热的板料送入有冷却系统的模具内冲压成形，同时被具有快速均匀冷却系统的模具冷却淬火，钢板组织由奥氏体转变成马氏体，从而得到超高强度钢板构件的方法。然而，传统热冲压是通过刚性模对板材进行塑性变形，变形量过大极易导致破裂等失效行为的发生；同时，热冲压仅能实现板材的冲压成形，对于管材或复杂回转体则无法实现。
目前，航空航天器及其它特殊工业领域对马氏体钢非对称复杂回转体存在迫切的应用需求，该类回转体结构整体成形的难度高，一般无法通过传统板材或管材的成形方式进行制造。而对于马氏体钢来说，变形难度大且需要在成形非对称复杂回转体构件时，同步进行快速淬火以获得马氏体组织，使其成形难度进一步增大。目前，该类构件不仅无法通过常规热冲压技术进行成形，现有的先进气胀成形技术也无法实现。
发明内容
基于以上研究背景，本发明提出了一种马氏体钢非对称复杂回转体的多工步成形方法，首先通过旋压或渐进成形技术对马氏体钢板坯进行预成形；随后对预成形构件加热以奥氏体化，并对其实施热冲压或气胀成形；最后，通过快速淬火获得马氏体组织，提高产品性能。该方法的提出，对金属材料非对称复杂回转体构件的成形具有重要的参考意义，为马氏体钢复杂形状构件的制造提供了有效途径，可满足航空、航天及其它工业领域对马氏体钢非对称复杂回转体构件的迫切需求。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
1）冲裁：选择马氏体钢板材，并将其冲裁至需要尺寸；
2）预成形：根据目标构件的结构特征，通过旋压成形或渐进成形方法对马氏体钢板材进行预成形，获得回转体基本形状；
旋压成形工艺是一种使毛坯连续局部塑性累积成形为空心回转件的先进的成形工艺方法；
渐进成形是通过局部加压变形的连续积累而达到材料的整体成形；
二者的共同点是：都通过连续局部塑形变形使材料获得很大的整体变形，是提高材料成形极限最有效的方法；
非对称回转体的变形量大，仅通过一步热成形，无法获得足够的变形。通过可提高材料成形性能的旋压和渐进成形等预成形方法，可先成形出回转体基本形状，再进行热成形和淬火，获得最终形状和性能；
3）奥氏体化：对马氏体钢预成形构件在氮气保护下加热至930℃-950℃，使其奥氏体化；
4）热成形：将已奥氏体化的马氏体钢预成形构件置于热成形装置中，闭合模具并施加一定的合模力，合模力大小范围30 KN -200KN，对其进行热冲压或气胀成形，获得最终构件形状；
5）淬火：通过与模具一体化的快速冷却系统，对构件进行快速淬火，使奥氏体完全转化成马氏体；
6）表面处理：对成形构件进行激光冲孔、切边，得到马氏体钢最终构件。
作为优选，所述步骤（2）中进行的旋压或渐进成形均为火焰加热或电阻加热下的热成形，成形温度范围为200℃-1000℃。
作为优选，所述步骤（3）包括无模成形和有模成形。
作为优选，所述步骤5）中的快速冷却系统，其冷却速率在50℃/s-100℃/s范围内。
本发明的有益效果是：
1. 本发明将金属柔性成形技术与超高强度钢热成形技术相结合，通过渐进成形和旋压成形等利用局部连续塑形变形原理提高材料成形极限的方法预成形，先成形出回转体基本形状；在利用热成形及快速淬火获得最终形状及马氏体组织；利用这种多工步手段，较传统热冲压，可进一步提高材料的塑性变形能力，为难变形材料复杂形状的成形制造提供重要参考。
2. 本发明通过多工步手段，由马氏体钢板坯，通过预成形+热成形+快速淬火，获得非对称回转体形状及马氏体组织，是目前超高强度马氏体钢非对称回转体的唯一可行方法，可满足航空航天及其它工业领域对此类构件的迫切需求。
3. 本发明的多工步成形思路，适合于具有复杂型面的其它金属材料的整体成形，尤其是非对称回转体，其成形精度高，回弹小，具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明实施例1成形构件形状图。
图3为本发明实施例2成形构件形状图。
图4为本发明实施例3成形构件形状图。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例一：参照附图1、2所示，一种马氏体钢非对称复杂回转体的多工步成形方法，包括以下步骤：
1）冲裁：选择0.8mm厚40CrNiMo马氏体钢板材，并将其冲裁至直径为500mm圆形板坯；
2）预成形：通过电阻加热，在200℃下进行热旋压成形至对称锥形体；
3）奥氏体化：将预成形的锥形体构件加热至930℃，采用氮气保护，保温50s使其奥氏体化；
4）热成形：将已奥氏体化的锥形体构件置于热冲压装置中，闭合模具并施加合模力，合模力大小范围30 KN -200KN，使其可在成形过程中可实现部分补料；
控制坯料温度不低于750℃时对预成形锥形体进行热冲压，贴模后保压10s；
5）淬火：通过凸、凹模内的水冷装置系统对钢板进行淬火，冷却速度控制在90℃/s左右；
6）表面处理：采用激光切割对成形构件进行切边，得到马氏体钢最终构件。
实施例二：参照附图1、3所示，一种马氏体钢非对称复杂回转体的多工步成形方法，包括以下步骤：
1）冲裁：选择1.5mm厚30CrMnSiNi2A马氏体钢板，将其冲裁至直径为700mm圆形板坯；
2）预成形：通过火焰加热，在600℃下进行热渐进成形，预先成形出与目标构件形状接近的非对称回转体；
3）奥氏体化：将预成形构件加热至940℃，采用氮气保护，保温300s使其奥氏体化；
4）热成形：将已奥氏体化的预成形构件置于气胀成形装置中，闭合模具并施加合模力，合模力大小范围30 KN -200KN，控制板坯不在成形过程中补料；
控制坯料温度不低于750℃时用纯气胀成形方法使构件贴膜，保压5s；
5）淬火：通过凹模内的水冷装置系统对钢板进行淬火，冷却速度控制在100℃/s左右；
6）表面处理：采用水切割对成形构件进行切边，得到马氏体钢最终构件。
实施例三：参照附图1、4所示，一种马氏体钢非对称复杂回转体的多工步成形方法，包括以下步骤：
1）冲裁：选择1mm厚22MnB5并具有铝-硅镀层的马氏体钢板材，并将其冲裁为直径500mm圆形板坯；
2）预成形：通过火焰加热，在1000℃下进行热旋压，预成形出对称回转体；
3）奥氏体化：将预成形的对称回转体加热至950℃，采用氮气保护，保温150s使板坯奥氏体化；
4）热成形：将预成形构件置于气胀成形装置中，闭合模具并施加合模力，合模力大小范围30 KN -200KN，控制板坯在成形过程中可完全补料；
控制坯料温度不低于750℃时对钢板上表面进行气胀加载至构件贴模，保压10s；
5）淬火：通过凹模内的水冷装置系统对钢板进行淬火，冷却速度控制在50℃/s左右；
6）表面处理：采用激光切割对成形构件进行切边，得到马氏体钢最终构件。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种马氏体钢非对称复杂回转体的多工步成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）冲裁：选择马氏体钢板材，并将其冲裁至需要尺寸；
2）预成形：根据目标构件的结构特征，通过旋压成形或渐进成形方法对马氏体钢板材进行预成形，获得回转体基本形状；
3）奥氏体化：对马氏体钢预成形构件在氮气保护下加热至930℃-950℃，使其奥氏体化；
4）热成形：将已奥氏体化的马氏体钢预成形构件置于中，闭合模具并施加一定的合模力，合模力大小范围30 KN -200KN，对其进行热冲压或气胀成形，获得最终构件形状；
5）淬火：通过与模具一体化的快速冷却系统，对构件进行快速淬火，使奥氏体完全转化成马氏体；
6）表面处理：对成形构件进行激光冲孔、切边，得到马氏体钢最终构件。
2.根据权利要求1所述的一种马氏体钢非对称复杂回转体的多工步成形方法，其特征在于：所述步骤（2）中进行的旋压或渐进成形均为火焰加热或电阻加热下的热成形，成形温度范围为200℃-1000℃。
3.根据权利要求1所述的一种马氏体钢非对称复杂回转体的多工步成形方法，其特征在于：所述步骤（3）包括无模成形和有模成形。
4.根据权利要求1所述的一种马氏体钢非对称复杂回转体的多工步成形方法，其特征在于：所述步骤5）中的快速冷却系统，其冷却速率在50℃/s-100℃/s范围内。
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