CN107597966B - 一种超高强度钢复杂构件气动热成形淬火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高强度钢复杂构件气动热成形‑雾化淬火方法及装置，属金属先进制造及塑性成形技术领域。首先，将冲裁好的板材加热至奥氏体化完全，随后将其置于气压成形装置中，闭合模具，采用逐步加大气压的方式使板材与凹模完全贴合，并保压一段时间；通过气体循环控制系统，使用循环保护气体配合雾化过冷液滴，使冲压设备内形成高速流动的高压雾化气体，对超高强度钢板材进行快速、均匀淬火，得到完全的马氏体组织；最后进行裁剪、冲孔等操作；本发明可以有效解决超高强度钢冷却过程中产生的不均匀淬火现象，能够提高模具使用寿命，减少工序，提高产品表面质量；能够提高超高强度钢的成形效率，降低成本，具有较高的工程应用价值。

Description

一种超高强度钢复杂构件气动热成形淬火方法

技术领域

本发明属于金属塑性成形技术领域，特别涉及超高强度钢板材的快速混合雾化气淬成形方法。

背景技术

汽车制造业的技术创新对推动我国经济发展和工业现代化具有重要意义。其中，通过关键安全组件结构强度的提高，强化汽车的被动安全性是汽车制造业发展的核心要素。同时，发展汽车轻量化技术是目前汽车制造业的重要主题，是解决全球能源危机和环境问题的重要途径。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和《中国制造2025》明确将研发“轻量化材料”和发展“低能耗汽车”作为重点发展方向。如何实现汽车高性能、轻量化设计制造，减少碳排放和环境污染，改善空气质量，是汽车制造业亟待解决的关键问题。超高强度钢是一种超高抗拉强度(1300MPa以上级)，组织为马氏体的一种钢种，因其优异的力学性能，用于汽车车身关键安全构件可有效提高汽车被动安全性能，促进其轻量化制造。

高强度钢板一般采用热成形技术(也称热冲压)制造，该方法是把特殊的硼合金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，从而得到超高强度的钢板，

相关专利包括：一种基于Q&P一步法的热冲压成形工艺(申请号CN201310335780.0)、一种超高强度钢板热冲压及模内淬火工艺(申请号CN201610778308.8)、一种超高强度钢热冲压成形工艺及成形模具(申请号CN200810249740.3)一种马氏体钢板材复杂形状构件的热成形方法 (CN201611217511.4)等。

然而，传统的热冲压技术存在以下缺陷：(1)包括前文提及的专利，其冲压工艺流程通过凹凸模组合模具直接接触板材进行，模具受到的热冲击损伤大，模具寿命短，成本较高；(2)一种马氏体钢板材复杂形状构件的热成形方法 (CN201611217511.4)可实现冲压负角构件的成型，但其采用传统模内冷却方式冷却管路设计成本高，且高压腔内气体热导率较低易使淬火过程表面受热不均产生开裂现象；(3)现阶段专利中涉及的传统的刚性接触式冲压模具 (CN201610778308.8、CN200810249740.3、CN201110109510.9、CN201410529046.2等)，厚度方向不均，冷却系统需要针对不同模具形状区分设置，而冷却系统的设计成本高，技术难度大。不仅如此，热冲压产品淬火后工件表面质量较差，且还存在表面氧化现象，需要后续喷丸操作去除其表面氧化层以及表面浮凸，造成了冗余的操作。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出在高温下采用高压雾化混合气体淬火配合气压成形的方法完成超高强度钢的复杂形状的成形，可以有效解决超高强度钢 (1400MPa以上级)冷却过程中产生的不均匀淬火现象，能够提高模具使用寿命，减少工序，提高产品表面质量；能够提高超高强度钢的成形效率，降低成本，减少能源损耗，具有较高的工程应用价值。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种超高强度钢复杂构件气动热成形雾化淬火方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)冲裁：选择1～2mm厚的超高强度钢板材，按加工要求冲裁尺寸；

2)奥氏体化：将冲裁好的超高强度钢板材在保护气氛下加热至920～940℃，使其完全充分的奥氏体化；

3)高压气体热成形：将已奥氏体化的超高强度钢板置于气压成形装置中，闭合模具，使用高压气体输送装置增大气压并加大合模力，合模力大小范围 60kN～350kN，使之完全贴模；

4)高压雾化混合气体淬火：通过气体循环，在保持冲压腔内气压不变前提下，对高压腔体内输送雾化水汽，使冲压腔内雾化混合气体快速流动，对结构件进行气体淬火，使奥氏体完全转变为马氏体；

5)裁剪，冲孔：在凹模表面对应位置预留冲孔头，在淬火完成后进行冲孔操作。由于本身气体处于快速流动状态，冲孔时产生的废料将被吹离表面，使其与表面不产生粘连。最后使用水刀、激光切割等手段进行最后的裁剪操作，获得成品件；

作为优选，其特征在于：所述步骤(2)中的保温时间为：t＝d×1.5，其中d 为板材厚度，单位为mm，t为保温时间，单位为min；

作为优选，所述步骤(3)中施加的气压为10MPa～30MPa，分级或缓速增加；

作为优选，所述步骤(3)中增加气压如采取分级加压方式，则每级压强增加量为2MPa，对应每阶段保压时间为1s～3s；如采用缓速加压方式，加压速率 1MPa/s～3MPa/s；

作为优选，所述步骤(3)中高压气体为氮气和/或氦气混合气；

作为优选，所述步骤(3)中高压气体为氮气和氦气混合气，氮气与氦气的体积比为3:1；

作为优选，所述步骤(4)中雾化水汽在进入高压腔体内前先与冷却块接触使之过冷，以提高冷却速率；

作为优选，所述步骤(4)中的雾化水气为流量为2300m³·h^-1～2500m³·h^-1，过冷温度为-10℃～-20℃，且高压气体压强为20MPa～25MPa。如雾化水汽流量过高，则冷却速率过快，且水汽易使板料表面产生氧化脱碳现象；如雾化水汽流量过低，则冷却速率不足，最终成品件马氏体转化率不够，强度等级较低。如过冷液滴温度过低，则易在开始淬火时使板料直接产生淬火裂纹；而温度过高则冷却速率不能达到60℃/s的要求，马氏体不能转化完全。

本发明的有益效果是：

1.现有热冲压技术的核心在于如何科学合理的设计凹模中的冷却管道系统，使超高强度钢可以获得足够的冷却速度以实现马氏体转变，技术难度高，模具成本高且寿命短。本发明提出采用雾化冷却形式代替传统工艺所采用的凹模水冷，技术实施难度小，可稳定实现超高强度钢的快速、稳定淬火，技术通用性强，利于打破现有热冲压技术的设计和制造瓶颈，降低超高强度钢构件的成形技术难度和制造成本；

2.本发明相较于传统热冲压设备，无需刚性凸模，且在凹模中无需加入冷却管道，模具受到的热冲击显著减小，有效解决了热冲压模具因热冲击导致变形、开裂及寿命过短的问题；显著降低模具的设计和制造成本。本发明中涉及的雾化气体淬火能够使工件淬火均匀，表面光洁，且能够明显降低超高强度钢构件表面的氧化，即使在原始板料无抗氧化涂层的情况下，冲压完成后也无需喷丸操作，同时，本发明为金属材料的快速淬火和冷却提供了新的思路，并可推广应用于其他金属材料在塑性成形及热处理过程中的在线淬火；

3.本发明中采用气体介质对超高强度钢实施成形，可提高其成形极限并有效解决带有冲压负角零件的制造；同时冲压过程与淬火过程使用气体介质相同，可通过循环处理系统实现循环，能够有效减少加工成本，节省能源使用；

4.在传统的热冲压基础上，将上模取消，变为成型-淬火一体化装置，隔绝工件热冲压过程易造成氧化现象的空气介质，解决了马氏体钢热成型过程易氧化的难题。一方面，高压雾化混合气体代替水冷介质能够使板材冷却更为均匀，能够解决传统冷却方式下，热冲压板材马氏体转变不均匀的问题；另一方面，高压雾化混合气体冷却能够很好的保证产品的表面质量，且无氧气气氛的条件可以避免其表面产生氧化层；再者，由于气压成形与混合气体淬火的工艺介质均为气体，故而可以减少工序，直接将气压成形与淬火的过程一次结合，减少操作，提高工作效率。此种工艺可显著降低生产成本，解决汽车轻量化用超高强度钢复杂构件的快速、稳定及高性能制造，并可为航空航天、轨道交通等领域的超高强度钢复杂构件的成形提供有效思路和方法。

附图说明：

图1为本发明的模具装配示意图；

图2为本发明的工艺流程图；

图3为本发明实例一的成形构件形状图；

图4为本发明实例二的成形构件形状图；

图5为本发明实例三的成形构件形状图；

1-气体循环控制系统，2-带冷却块的进气口，3-冲压设备高压腔体，4-在线冲孔冲头，5-凹模，6-气液分离冷凝装置，7-气压控制设备，8-出气口，9-超高强度钢板材，10-板料温度检测系统。

具体实施方式：

为了使本领域的普通技术人员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、3所示，一种气动控制的超高强度钢热冲压成形方法，包括以下步骤：

1)冲裁：选择2mm厚22MnB5无镀层超高强度钢板材，将其冲裁至 1500mmx500mm；

2)奥氏体化：在高压氮气保护气氛下使用电加热方式将板料加热至920℃，保温180s使板料完全奥氏体化；

3)高压气体成形：将奥氏体化完全的22MnB5板材快速转移至高压雾化气体成形装置中，控制转移时间在20s以内。闭合模具后缓慢增加合模力至300kN，控制板坯不在冲压过程中补料；

通过快速转移装置将奥氏体化完全的钢板置于高压气体成形装置中，打开带冷却块的进气口2、出气口8，通入氮气3min使腔内气体全部为氮气后关闭出气口；通过气压控制设备7以及合模装置对板料进行合模，控制板坯在温度不低于 800℃阶段对冲压设备高压腔体4内充入高压氮气，采用分级加压，加压增量为 2MPa，每级保压时间为1s，增加至21MPa时停止加压，至超高强度钢板材9 与凹模5完全贴合后继续保压10s；

4)高压雾化气体淬火：通过气体循环控制系统，对冲压模上22MnB5板材进行淬火，控制雾化水气进口流量为2300m³·h^-1，温度为-20℃，保持通入气体 20s，使板料温度降至25℃；

高压雾化气体淬火装置一般由气体循环控制系统、气液分离冷凝装置以及温度检测装置组成；开始淬火时，冷却块制冷至-20℃，打开带冷却块的进气口2 以及出气口8，通过气体循环控制系统1控制水气进入量，配合气压控制设备7 保证腔内气压的稳定性；通过气液分离冷凝装置6实现水汽以及保护气体的循环使用；通过板料温度检测系统10，检测板料温度，使之充分冷却；

本发明采用高压雾化气体淬火的优点是：雾化气体流动速度快，相较于传统的模内淬火工艺，气体形状适应性强，不会产生局部冷速过快现象，更适合超高强度钢复杂构件的快速淬火；采用过冷液滴的优点在于能够进一步提高淬火冷却速度，使板料更倾向于发生完全的马氏体转变；

5)裁剪、冲孔：进行在线冲孔后使用水刀对成品件进行裁剪操作，去除毛刺，得到超高强度钢最终构件；

在线冲孔操作具体过程为：在模具内冲孔位置设置冲头5，在淬火过程完成后，保持腔内压力及气体流速不变，控制冲头冲出，在板材上对应位置直接进行冲孔。由于模具高压腔内气体高速流动，板料由于冲孔过程产生的废料会随高速气流脱离板料，避免了粘连现象的发生。

本发明采用在线冲孔的优点是：在线冲孔定位准确，相较于离线冲孔而言其效率高，减少了运输步骤；并且，由于本身本专利采用高压混合气体进行淬火，高速流动的气体能够保证冲孔操作冲出的余料能够被及时的去除。

实施例二：参照附图1、2、4所示，一种气动控制的超高强度钢热冲压成形方法，包括以下步骤：

1)冲裁：选择1.2mm厚30CrNi3MoV并具有铝-硅镀层的超高强度钢板材，将其冲裁至1100mmx800mm；

2)奥氏体化：在高压氮气/氦气混合气(体积比3：1)保护气氛下使用电加热方式将板料加热至930℃，保温180s使板料完全奥氏体化；

3)高压气体成形：将奥氏体化完全的30CrNi3MoV板材快速转移至高压雾化气体成形装置中，控制转移时间在15s以内。闭合模具后缓慢增加合模力至 300kN，控制板坯可以在冲压过程中补料；

控制板坯在温度不低于800℃阶段对型腔上半部充入高压氮气/氦气混合气，混合比例为3：1，采用分级加压，加压增量为5MPa，增加至25MPa时停止加压，直至板料与凹模完全贴合后继续保压15s；

4)高压雾化气体淬火：通过气体循环控制系统，对冲压模上30CrNi3MoV 板材进行淬火，控制气体进口流量为2400m³·h^-1，温度为-15℃，保持通入气体 15s；使板料温度降至25℃；

5)裁剪、冲孔：进行在线冲孔后使用激光切割对成品件进行裁剪操作，去除毛刺，最终得到超高强度钢最终构件。

实施例三：参照附图1、2、5所示，一种气动控制的超高强度钢热冲压成形方法，包括以下步骤：

1)冲裁：选择1.5mm厚43CrNiSiMoV并具有纯锌镀层的超高强度钢板材，将其冲裁至1300mm×500mm；

2)奥氏体化：在高压氦气保护气氛下使用电加热方式将板料加热至940℃，保温160s使板料完全奥氏体化；

3)高压气体成形：将奥氏体化完全的43CrNiSiMoV板材快速转移至高压雾化气体成形装置中，控制转移时间在17s以内。闭合模具后缓慢增加合模力至 300kN，控制板坯可以在冲压过程中补料；

控制板坯在温度不低于800℃阶段对型腔上半部充入高压氦气，采用缓慢加压，加压速率为2MPa/s，增加至23MPa时停止加压，直至板料与凹模完全贴合后继续保压15s；

4)高压雾化气体淬火：通过气体循环控制系统，对冲压模上43CrNiSiMoV 板材进行淬火，控制气体进口流量为2500m³·h^-1，温度为-10℃，保持通入气体 18s，使板料温度降至25℃；

5)裁剪、冲孔：进行在线冲孔后使用气动切割对成品件进行裁剪操作，去除毛刺，最终得到超高强度钢最终构件。

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，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都将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力要求书及等效物界定。

Claims (9)

1.一种超高强度钢复杂构件气动热成形雾化淬火方法，其特征在于，包含以下步骤：

1）冲裁：选择1~2mm厚的超高强度钢板材，按加工要求冲裁尺寸；

2）奥氏体化：将冲裁好的超高强度钢板材在保护气氛下加热至920~940℃，使其完全充分的奥氏体化；

3）高压气体热成形：将已奥氏体化的超高强度钢板置于气压成形装置中，闭合模具，使用高压气体输送装置增大气压并加大合模力，合模力大小范围60kN~350kN，使之完全贴模；

4）高压雾化混合气体淬火：通过气体循环，在保持冲压腔内气压不变前提下，对高压腔体内输送雾化水汽，使冲压腔内雾化混合气体快速流动，对结构件进行气体淬火，使奥氏体完全转变为马氏体；

5）裁剪，冲孔：在凹模表面对应位置预留冲孔头，在淬火完成后进行冲孔操作；由于本身气体处于快速流动状态，冲孔时产生的废料将被吹离表面，使其与表面不产生粘连；最后使用水刀和/或激光切割的手段进行最后的裁剪操作，获得成品件。

2.根据权利要求1所述的一种超高强度钢复杂构件气动热成形雾化淬火方法，其特征在于，所述步骤（2）中的保温时间为：t=d×1.5，其中d为板材厚度，单位为mm，t为保温时间，单位为min。

3.根据权利要求1所述的一种超高强度钢复杂构件气动热成形雾化淬火方法，其特征在于，所述步骤（3）中施加的气压为10MPa~30MPa，分级或缓速增加。

4.根据权利要求3所述的一种超高强度钢复杂构件气动热成形雾化淬火方法，其特征在于，所述步骤（3）中增加气压采取分级加压方式，每级压强增加量为2MPa，对应每阶段保压时间为1s~3s。

5.根据权利要求3所述的一种超高强度钢复杂构件气动热成形雾化淬火方法，其特征在于，所述步骤（3）中增加气压采用缓速加压方式，加压速率1MPa/s~3MPa/s。

6.根据权利要求1所述的一种超高强度钢复杂构件气动热成形雾化淬火方法，其特征在于，所述步骤（3）中高压气体为氮气和/或氦气混合气。

7.根据权利要求6所述的一种超高强度钢复杂构件气动热成形雾化淬火方法，其特征在于，所述步骤（3）中高压气体为氮气和氦气混合气，氮气与氦气的体积比为3:1。

8.根据权利要求1所述的一种超高强度钢复杂构件气动热成形雾化淬火方法，其特征在于，所述步骤（4）中雾化水汽在进入高压腔体内前先与冷却块接触使之过冷。

9.根据权利要求8所述的一种超高强度钢复杂构件气动热成形雾化淬火方法，其特征在于，所述步骤（4）中的雾化水气流量为2300 m³•h^-1~2500 m³•h^-1，过冷温度为-10℃~-20℃，高压气体压强为20MPa~25MPa。