CN107475623A - 一种热成形高强钢及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热成形高强钢及其加工方法，加工方法包括如下步骤：(A)选择包括如下化学组成的钢板毛坯：C≤0.2wt％，Si≤0.6wt％，Mn≤1.8wt％，还有Cr，Nb，Ti，Al和Fe元素；(B)将上述钢板毛坯先冷冲压落料，然后在加热炉内加热保温2‑6min，将所述加热高温钢板毛坯置于热成型模具中热冲压，保压冷却5‑20s，期间用成型模具对高温钢板进行急速冷却，后激光割孔及抛丸处理，即可。该加工方法得到的高强钢，碳含量、硅含量、锰含量明显低于现有技术，焊接性能优良，通过热成型模具快速冷却，高强钢淬透性好，无需添加较昂贵的合金元素来增强淬透性即可实现高强性能，钢材成本低。

Description

一种热成形高强钢及其加工方法

技术领域

本发明涉及高强钢加工领域，具体而言，涉及一种热成形高强钢及其加工方法。

背景技术

随着汽车工业的日益发展，人们对汽车的节能环保及安全性要求也越来越高。采用高强钢轻量化技术，在不降低安全性能的前提下降低整车重量，从而降低汽车的燃料消耗已经成为汽车行业发展的主要选择之一。

一方面，抗拉强度为600-800MPa的高强钢在汽车零件中应用日益广泛。钢厂是通过选取特定化学成分的钢材，经过轧制后对带钢在热处理设备上进行特定热处理工艺后获得机械性能。这些高强钢的金相组织普遍为铁素体+珠光体，或铁素体+贝氏体，或铁素体+马氏体，或铁素体、贝氏体、马氏体的复相组织。这些珠光体高强钢，或铁素体贝氏体双相钢，或铁素体马氏体双相钢都是目前车身和底盘承载件上广泛应用的高强钢。其强度高，塑性好，冲击韧性和抗疲劳裂纹能力均可。这样的带钢在冲压设备上主要靠多工序的冷冲压来获得抗拉强度为600-800MPa级的冲压产品，但产品易冲压起皱、开裂、回弹，冷加工性能普遍有限。另一方面，一直以来传统热冲压工艺主要采用的钢材为22MnB5，加热温度为钢材的Ac3温度以上(如930℃)。这些热冲压零件的金相组织为全马氏体组织，抗拉强度为1500MPa。全马氏体组织具有强度高而塑性和韧性低，抵抗疲劳裂纹能力差，抗冲击能力差，低温脆性大的特点，许多冲压零件是汽车承载部件，对疲劳强度和冲击韧性要求高，这些特点导致采用传统热冲压工艺和传统马氏体钢不适用这些承载零件。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种热成形高强钢的加工方法，该加工方法非常适用于热成形高强钢的加工，现有技术中的高强钢总是在钢厂生产出高强钢带钢，再由冲压厂进行冷冲压来获得高强钢的零件。一般来说，钢板强度越高，冷冲压成形越困难。本发明通过热冲压成形，可以将在钢厂所做的钢板热处理获得高强钢机械性能的工序放在零部件厂的热冲压生产线上与冲压成形同时完成。这样就避开了高强钢冷成型困难的问题，使得加工得到的高强钢不仅本身各方面性能比较优异，并且零件加工工艺操作步骤简单易行，为高强钢的加工提供了更广泛的原材料，并提高了高强钢本身的相关性能，具有较强的应用价值，无形之中扩展了超高强钢的广泛适用度。

本发明的第二目的在于提供一种由上述加工方法加工得到的热成形高强钢，该高强钢所含的材料成分中无需添加或少量添加较昂贵的合金元素即可实现其高强性能，成本低，合金含量明显低于现有技术。同时热冲压制成的零件，冲压起皱、开裂、回弹风险低于冷冲压零件，尺寸和机械性能波动优于冷冲压成型。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种高强钢的加工方法，具体包括如下步骤：

(A)选择包括如下化学组成的钢板毛坯：C≤0.2wt％，Si≤0.6wt％，Mn≤1.8wt％，还有Cr，Nb，Ti，Al和Fe元素；

(B)将上述钢板毛坯先冷冲压落料，然后加热保温2-6min，将所述高温钢板毛坯置于冲压模具中热冲压，保压冷却5-20s后，用热成型模具进行快速冷却，激光割孔及抛丸处理，即可。

现有技术中，高强钢零件是首先由钢厂把带钢先热轧和/或冷轧后经过连续退火线/或退火炉热处理后，制成供货态为抗拉强度为600-800MPa，延伸率为10-25％的高强度带钢。再经过冷冲压落料成形等工序制成高强度零件。

一方面，受钢厂退火设备对带钢的热处理能力特别是冷却能力的限制，钢的成分里往往需要添加一些较贵合金成分以获得在较慢冷速下依然可以得到淬火后的所需金相组织。例如某钢厂DP780供货带钢材质中，含有2.5％wt的Mn，0.2％wt的Ti。另一方面，受高强度钢冷成形能力的限制，零件形状受到一定限制，复杂形状的零件无法用这种材料冲压出来。另外，受供货状态带钢材料的机械性能在较大区域波动影响，冲压制品的尺寸和机械性能也出现较大幅度波动。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种超高强钢的加工方法，该方法中首先需要选择具有特定的化学组成的钢板毛坯：C≤0.2wt％，Si≤0.6wt％，Mn≤1.8wt％，还有Cr，Nb，Ti，Al和Fe元素，尤其是碳、硅以及锰含量，如果量太大可能会影响会使得加工得到的钢材的焊接性能、涂镀性能和疲劳强度等，因此需要严格控制在本发明的要求范围内。

本领域人员均知晓，钢的机械性能是由其化学成分和热处理工艺双重决定的。在不同的热处理设备和工艺条件下，要获得相同的高强钢机械性能，需要不同的化学成分来配合。在热冲压成形生产线上所做的热处理，因为冷却条件和加热条件相对钢厂的热处理设备要更精准，更易于控制，并配合了特定的化学成分。

优选地，为了提高产品的性能，钢板毛坯的的化学组成成分包括：C 0.1-0.2wt％之间，Si 0.5-0.6wt％之间，Mn1.5-1.7wt％之间，Cr≤0.5wt％，Nb≤0.1wt％，Ti≤0.05wt％，Al≤0.05wt％。

更优地，C 0.11-0.15wt％之间，Si 0.55-0.58wt％之间，Mn 1.55-1.65wt％之间，Cr 0.1-0.5wt％之间，Nb 0.01-0.03wt％之间，Ti 0.01-0.02wt％之间，Al 0.01-0.02wt％之间。尤其是当钢板厚度超过3mm时。

一般钢板供货状态为热轧或冷轧态，供货态金相组织为铁素体和珠光体。

整个加工方法的具体原理为：钢板毛坯经热成形冲压时，在完成制件成形的同时进行了淬火热处理。获得了高强度及良好韧性的高强钢组织。

可见，本发明采用热成形的手段，通过热成形兼热处理的工艺，可以避免钢材高强钢冷成形能力的限制，采用本发明的方法可以成形出比较复杂形状的零件。同时所采用的热冲压设备比较容易对加热炉内料片加热温度和保温时间的实施精确控制。含冷却液通道的模具可以对成形后零件以较高冷却速度实施快速冷却淬火。这样制造抗拉强度同样为600MPa以上级别的高强钢零件所需的材料成分中就无需添加或较少添加昂贵的合金元素。如本发明中材料成分里贵金属含量明显低于现有技术。同时热冲压制成的零件，尺寸和机械性能波动也较小。

总之，该工艺步骤中涉及到的操作参数，均是发明人根据具体的操作要求进行优化得到的，现有技术中虽然也有相关的热冲压技术，但是本发明并不是简单的热冲压工艺，相关的操作参数均作了适应性的优化调整，可见传统的热冲压技术并不适用于本发明的高强钢的加工，发明人是通过各个操作步骤的合理细化，从而形成系统的高强钢的加工工艺。

优选地，本发明步骤(B)中，加热保温的加热温度最好控制在Ac1温度与Ac3温度之间，其中，Ac1温度指在某具体加热规范时的相变温度，它是平衡状态下共析转变温度A1变化来的，因为相变的滞后效应导致的。它的意义在于随加热速度的改变,相应的奥氏体化温度也要改变，加热速度越快，增加的温度就越高，Ac3温度是指加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度，本发明在确定具体的加热温度时根据具体的工艺，具体钢板毛坯的化学组成来进行实际确定的。

另外，整个加工方法中涉及到的其他操作参数，比如保温时间一般为2-6min之间，更优为3-5min，保压冷却的时间控制在10-15s，还有为了得到不同组织、性能的高强钢，可在冲压过程中将冲压模具加热到特定温度，获得铁素体+贝氏体组织或预热获得铁素体+马氏体组织，这些参数也是为了得到符合本发明所要求性能的高强钢而特意设计的。

优选地，用热成型模具对高温钢板进行快速冷却。

优选地，冲压模具在进行使用时，可将冲压模具加热。

由于热冲压在做淬火冷却时是由模具接触零件制品完成的，冷速高，淬透性好。因此不需要在材料成分里添加其他贵重合金元素以提高钢材的淬透性。而现有技术中在对带钢做连续热处理时，连续退火线设备的冷却能力往往不够。冷却速度偏低，马氏体含量不足。因此只有在材料成分里添加其他合金元素作为补偿，但是通过采用本发明的工艺后完全不需要添加其他金属元素作为补偿。

通过上述加工方法得到的高强钢的抗拉强度可以达到600MPa以上，更优为600-1100MPa，各方面性能较优。现有技术中制造高强钢带钢时，在连续退火线上快速冷却后需要做过时效或回火处理，以提高钢板的延伸率，有利于后面的冷冲压成形。本发明中高强度钢经过热成形在模具内保压淬火冷却后，不需要再做回火处理。可直接利用后序汽车涂装时的烘烤，做制件的回火处理，以增强服役期内的冲击韧性。制造成本上优势比较明显。

该加工方法所采用的设备为制造高强钢的直接或间接热冲压成形的一套生产线设备，生产线由拆垛小车，上料机器人，加热装置，取料机器人，压机，取件机器人，传送带及附属设备构成，整套设备占地面积小，操作简单，对环境要求不高，适用范围广。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)该加工方法非常适用于热成形高强钢的加工，现有技术中的高强钢在钢厂通过热处理获得组织形态和机械性能时往往需要考虑冷成形性能，本发明通过选用具有特定的化学组成的钢板毛坯，并且配合本发明的特有加工工艺，使得加工得到的高强钢不仅本身各方面性能比较优异，在做零件成形时无需考虑成形性，既扩大了零件使用高强钢的范围，又可以提高零件采用的强度而无需考虑成形性。无形之中扩展了该超高强钢的适用度；

(2)本发明的高强钢所含的材料成分中无需添加较昂贵的合金元素即可实现其基本性能，成本低，贵金属含量明显低于现有技术。同时热冲压制成的零件，尺寸和机械性能波动也较小。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

热成形高强钢的加工方法按照如下步骤进行：

1)钢板毛坯包括如下化学组成：C≤0.2wt％，Si≤0.6wt％，Mn≤1.8wt％，Cr0.1wt％,，Nb≤0.02wt％，Ti≤0.02wt％，Al≤0.02wt％，余量为铁及不可避免的不纯物；

2)先将钢板毛坯经过落料和/或冷冲压预成形，然后将预成形制件进行两相区加热，在加热炉中加热，加热温度为800℃；

3)加热保温2-3min，使其部分奥氏体化，然后将高温制件移送至压机模具内进行压制成产品最终形状；

4)压制过程中，实行保压并由模具进行急速冷却，保压冷却5-15s，以后将制件由模具内取出；

经检测高强钢的抗拉强度在740MPa，屈服强度在450MPa。

实施例2

热成形高强钢的加工方法按照如下步骤进行：

1)钢板毛坯包括如下化学组成：C 0.1wt％，Si 0.5wt％，Mn 1.5wt％，Cr≤0.2wt％,，Nb≤0.02wt％，Ti≤0.02wt％，Al≤0.02wt％，余量为铁及不可避免的不纯物；

2)先将钢板毛坯经过落料和/或冷冲压预成形，然后将预成形制件进行两相区加热，在加热炉中被加热，加热温度为860℃；；

3)加热保温2-3min，使其充分均匀奥氏体化，然后将高温制件移送至压机模具内进行压制成产品最终形状；

4)压制过程中，实行保压并由模具进行急速冷却，保压冷却15-20s，以后将制件由模具内取出；

经检测高强钢的抗拉强度在1100MPa，屈服强度为885MPa。

实施例3

热成形高强钢的加工方法按照如下步骤进行：

1)钢板毛坯包括如下化学组成：C 0.2wt％，Si 0.6wt％，Mn 1.7wt％，Cr0.3wt％，Nb≤0.02wt％，Ti≤0.02wt％，Al≤0.02wt％，余量为铁及不可避免的不纯物

2)先将钢板毛坯经过落料和/或冷冲压预成形，然后将预成形制件进行两相区加热，在加热炉中被加热，加热温度为900℃；

3)加热保温5-6min，使其充分均匀奥氏体化，然后将高温制件移送至压机模具内进行压制成产品最终形状；

4)压制过程中，实行保压并由模具进行急速冷却，保压冷却10-15s，以后将制件由模具内取出；

经检测高强钢的抗拉强度在1038MPa，屈服强度为953MPa。

实施例4

热成形高强钢的加工方法按照如下步骤进行：

1)钢板毛坯包括如下化学组成：C 0.11wt％，Si 0.58wt％，Mn1.65wt％，Cr0.5wt％，Nb≤0.02wt％，Ti≤0.02wt％，Al≤0.02wt％，余量为铁及不可避免的不纯物；

2)先将钢板毛坯经过落料和/或冷冲压预成形，然后将预成形制件进行两相区加热，在加热炉中被加热，加热温度为920℃；

3)加热保温3-4min，使其充分均匀奥氏体化，然后将高温制件移送至压机模具内进行压制成产品最终形状，模具预热到200℃；

4)压制过程中，实行保压并由热成型模具进行快速冷却，将保温板料进行急速冷却，保压冷却5-10s，以后将制件由模具内取出；

经检测高强钢的抗拉强度在1100MPa，屈服强度为850MPa。

实施例5

热成形高强钢的加工方法按照如下步骤进行：

1)钢板毛坯包括如下化学组成：C 0.15wt％，Si 0.55wt％，Mn 1.55wt％，Cr0.1wt％,，Nb≤0.02wt％，Ti≤0.02wt％，Al≤0.02wt％，余量为铁及不可避免的不纯物；

2)先将钢板毛坯经过落料和/或冷冲压预成形，然后将预成形制件进行两相区加热，在加热炉中被加热，加热温度控制在920℃；

3)加热保温5min，使其充分均匀奥氏体化，然后将高温制件移送至压机模具内进行压制成产品最终形状，模具预热到300℃；

4)压制过程中，实行保压并由模具进行冷却，将保温板料进行急速冷却，保压冷却5-10s，以后将制件由模具内取出；

经检测高强钢的抗拉强度在978MPa，屈服强度为915MPa。

实验例1

将本发明实施例1-5加工得到的高强钢与市场上常用的冷冲压高强钢DP780和热冲压高强钢22MnB5进行加工比较，加工得到的高强钢的具体性能参数指标进行检测后，具体结果如下表1所示：

表1高强钢的力学性能比较

组别

价格

抗拉强度

屈服强度

伸长率

焊接性

冲压工序

零件形状

DP780

高

780MPa

450MPa

22％

优

多

简单

22MnB5

较高

1400MPa

960MPa

6％

差

少

较复杂

实施例1

低

740MPa

450MPa

17％

优

少

复杂

实施例2

低

1100MPa

885MPa

13％

优

少

复杂

实施例3

低

1038MPa

953MPa

12％

优

少

复杂

实施例4

低

1100MPa

850MPa

12％

优

少

复杂

从上表1中可以看出，采用本发明的工艺制备得到的高强钢的各方面性能俱佳，其他实施例通过对比也有相同的试验结果。

本发明在与现有技术的零件获得相同强度下，许多在现有技术下无法冲压成形的零件可以通过本发明热成形冲压出来。在对钢材热处理中，加热需要耗能。本发明只加热已经落好料的料片，现有技术中需要加热落料前的整体带钢。因此针对每个零件的加热而言，本发明更加节能。整体零件制造成本相当。

另外，现有技术中的带钢每个钢卷甚至钢卷的外圈和内圈的材料机械性能有较大波动。这是由于钢厂热处理设备对钢卷的不同部位的温度控制偏差较大。这导致冲压后零件的尺寸精度和机械性能都有较大的波动。本发明中所用热冲压设备只需对料片进行加热和保温，温度控制精度较高，每个冲次模具内保压淬火参数完全控制精准。冲压成形后零件的尺寸精度和机械性能的波动较小。

本发明中材料中的碳含量和锰含量都明显低于现有技术。而低C和低Mn都有利焊接。因而使用本发明所制造的零件的焊接性能明显高于现有技术。

当采取不同厚度钢板做拼焊时，现有技术制造的钢板的焊缝热影响区有软化现象，这导致拼焊板在做冲压成形时，会出现焊缝附近的变形不均匀甚至开裂。而本发明中，拼焊板经过两相区加热后，焊缝及附近组织已经发生再结晶。焊缝附件组织均匀，在热冲压中不会出现变形不均匀现象。拼焊板的热冲压成形性能更加优良。

现有技术中的高强度高强钢，为创造良好的冲压成形性能，钢厂供货状态的屈服强度较低，依靠冲压变形中加工硬化提高零件制品的屈服强度。但由于冲压过程中，产品不同部位的变形程度相差极大，导致冲压后零件制品的各个不同部位的屈服强度相差极大。零件制品上无变形或变形小的区域屈服强度很低。不利于零件在服役中的承载能力。本发明采用的热冲压工艺中由于不需要考虑零件制品的冷成形能力，可以将热处理中的将零件制品的屈服强度提高。而且零件制品所有部位屈服强度均匀。使得零件在服役中的承载能力提高。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种热成形高强钢的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

(A)选择包括如下化学组成的钢板毛坯：C≤0.2wt％，Si≤0.6wt％，Mn≤1.8wt％，还有Cr，Nb，Ti，Al和Fe元素；

(B)将上述钢板毛坯先冷冲压落料，然后在加热炉里加热保温2-6min，将所述加热高温钢板毛坯置于冲压模具中热冲压，期间热成型模具对高温钢板快速冷却，保压冷却5-20s后，激光割孔及抛丸处理，即可。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤(A)中，钢板毛坯的的化学组成成分包括：C 0.1-0.2wt％之间，Si 0.5-0.6wt％之间，Mn1.5-1.7wt％之间，Cr≤0.5wt％，Nb≤0.1wt％，Ti≤0.05wt％，Al≤0.05wt％。

3.根据权利要求2所述的加工方法，优选地，C 0.11-0.15wt％之间，Si 0.55-0.58wt％之间，Mn 1.55-1.65wt％之间，Cr 0.1-0.5wt％之间，Nb 0.01-0.03wt％之间，Ti 0.01-0.02wt％之间，Al 0.01-0.02wt％之间。

4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤(B)中，加热保温的加热温度控制在Ac1温度与Ac3温度之间。

5.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤(B)中，保温的时间控制在3-5min之间。

6.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤(B)中，保压冷却的时间控制在10-15s。

7.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤(B)中，用热成型模具对高温钢板进行快速冷却。

8.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述步骤(B)中，冲压模具在进行使用时，可将冲压模具加热。

9.权利要求为1-8任一项所述的热成形高强钢的加工方法得到的热成形高强钢。

10.根据权利要求9所述的热成形高强钢，其特征在于，所述高强钢的抗拉强度在600MPa以上，更优为600-1100MPa。