CN107626767B - 一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法及装置，属于金属复杂结构件先进制造技术领域。将管材加热至奥氏体化完全后快速转移至模具中，随后进行合模；合模后向管坯内部快速填充陶瓷准流态介质，完成填充后推动推进冲头，使管材未合模部位发生胀型；完全合模后，充入冷却水并调节流速，使组织完全转变为马氏体。成形过程结束后，通过裁剪、冲孔、喷丸等操作获得最终的结构件。本发明中内壁胀型采用准流态介质，可以降低气体胀型所带来的巨大风险，提高其疲劳寿命；此外，成形过程中，管壁减薄率小，管材的成形精度高。对于特种装备的关键管型结构件的成形，具有良好的适应性，具有较高的工程应用价值。

Description

一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法

技术领域

本发明属于金属复杂结构件先进制造技术领域，特别涉及超高强度钢复杂管型结构件的高性能、快速制造。

背景技术

在结构减重及轻量化背景下，航空、汽车及轨道交通等领域都对材料的结构设计及性能提出了更高的要求。一方面要求材料具有更高的比强度、比刚度；另一方面，要求可实现复杂形状的一体化成形，以满足功能化设计要求及结构的进一步减重。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1400MPa，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。马氏体钢的成形制造需将马氏体钢加热使之奥氏体化，随后将红热的坯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构件的方法。

目前，基于上述成形原理，马氏体钢的热冲压技术已能实现该类材料板材构件的成形制造；而对于复杂管型零件，尤其是复杂构件，则缺乏成熟的技术及装备。现有专利中，超高强度钢空心构件气压胀形方法(CN201610244774.8)对超高强度钢管材采用直接气压胀型的方式，配合冷却淬火使其达到高强的同时能够具有很好的成形性能。但是对于异形管件而言，空气压缩比大，气压胀形安全性较差，若在成形过程中产生裂纹，极易发生伤害性较大的爆炸；尤其对于马氏体钢构件，需在高温下气压成形，危险系数大，很难实现实际应用。

本发明提出了马氏体钢的准流态成形方法及装置，以陶瓷颗粒等准流态介质施加载荷，已获得复杂的马氏体钢构件，较气压加载方法，安全系数高；同时，通过管壁与介质之间的摩擦，在成形过程中，能够有效缓解管件的壁厚减薄率，从而能够提高成形精度，降低产品的废品率；此外，还基于陶瓷颗粒的尺寸效应，在成形过程中于马氏体钢内壁产生局部塑形变形，通过残余压应力的形成，显著改善材料的疲劳性能。

现有技术中，一种超大尺寸双相不锈钢三通整体成形方法(CN201710124639.4)也提出了采用准流态介质辅助超大尺寸异形三通管的成形，但其成形对象为普通不锈钢，成形效率低，且不涉及马氏体钢快速成形、快速淬火等技术难题，对技术及装置的要求不高。针对马氏体钢复杂管件，如何在奥氏体化温度以上，实现准流态介质的快速填充和加载，以完成胀形工艺；并如何在成形后实现准流态介质的负压抽出，通入冷却介质以保持60℃以上的冷却速度，进行马氏体化组织转变，是本想发明需解决的关键难题。此外，马氏体钢构件的强度等级钢，塑韧性较差，如何在成形加工过程中，提高其疲劳性能与损伤容限，对于马氏体钢构件在航空航天、轨道交通及汽车工业中的长时期安全服役具有重要意义。

发明内容：

针对上述技术问题，本发明提出了一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法及装置，对于特种装备的关键管型结构件的成形，具有良好的适应性，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：

一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法，包含以下步骤：

1)下料，选择壁厚为2～3mm，直径为60～80mm，轴向尺寸为300～400mm 的空心管坯进行下料；

2)奥氏体化：将管坯置于电阻炉中整体加热至920℃～950℃，保温 2min～5min，加热完成后将管坯送入准流态成形模具中，并将带有流态- 准流态介质双管路的冲头装夹至两端；

3)准流态成形：管坯装夹完毕后，将上模下压，上下模接触后继续增大合模力至300kN，随后通过冲头内部的管槽向管材内部充入预先加热至管坯温度的准流态陶瓷颗粒，填满管坯内部后推动冲头，使得管坯发生胀型，实时监测管坯的管壁压力，当管壁压力达到25MPa时即确认管坯完全合模，随后保压2～3min；成形过程中，控制冲头推进速度为 15～22mm/s，控制补料速度为13～21mm/s；

4)快速淬火：保压完成后，将管内准流态陶瓷颗粒换为冷却水进行快速淬火，淬火时控制水流速度为2m/s～4m/s；此外，淬火阶段通过温度反馈系统进行水流流速调节，控制管材冷却速度不大于110℃/s，当管材冷却至室温后，通入氮气将管内冷却水完全排出；

5)裁剪、冲孔。

作为优选，所述步骤(1)中管坯轴向长度与径向长度比值大于3：1；

作为优选，所述步骤(2)中奥氏体化的保温时间为t＝d×1～1.5；其中t为保温时间，单位min；d为管壁厚度，单位mm；

作为优选，所述步骤(2)中加热完成后将管坯送入准流态成形模具的时间不超过8s，避免超高强度钢管材在送料过程中产生氧化；

作为优选，所述步骤(3)中合模速度根据加工过程管坯形变量大小做出合理的修正；对于形变量特别大，推进冲头一次无法使管坯完全合模，即需要进一步填充准流态介质的管材，应在直管段推进冲头推进完成后，继续充入准流态介质并退回冲头至原始位置，在补料的同时进行多次挤压至完全合模；

作为优选，所述步骤(3)中准流态介质对应陶瓷颗粒直径为0.2mm～0.5mm，充入及抽出过程的时间均不超过3s，以免发生氧化现象；

作为优选，所述步骤(3)中补料速度应较冲头推进速度低，一般情况下补料速度应为冲头推进速度-1mm/s，如成形过程管坯变形量较大可适当提高补料速度；

作为优选，所述步骤(4)中冷却水在循环超过50次后进行更换，以保证通入冷却水的过程中不会造成管材内壁氧化；

作为优选，所述步骤(4)中管壁与模具接触压力不小于2.5MPa，以保证管坯不会发生回弹效应；

作为优选，对于没有防氧化涂层的马氏体钢管材，在所述步骤(5)后应对其表面进行喷丸操作去除氧化层，要求丸粒材质为AZB系列的陶瓷介质，粒径大小为1mm～1.5mm，丸粒运动速度为30～45m/s。

本发明的有益效果是：

1)本发明中提出了一种马氏体钢的准流态快速成形方法，利用陶瓷球状介质进行填充和加载，解决了马氏体钢复杂管型结构件，尤其是带有冲压负角零件的成形技术难题，以满足航空航天、轨道交通及汽车工业对复杂马氏体钢管材构件的应用亟需；

2)本发明较气胀成形方法而言，当成形过程中管壁产生破裂时，准流态介质缓速流出，逸散速度远小于气体或液体介质，具有较高的安全性；并且，在成形过程中，准流态陶瓷介质与管壁内侧产生摩擦，能够使壁厚减薄率下降，减少坯料损耗，提高成形精度，进一步改善生产效率；

3)本发明基于陶瓷球尺寸的优化选择，将准流态快速成形方法与金属材料喷丸强化技术相结合，在马氏体钢管件的内壁引入残余压应力，一方面，改善该类材料的疲劳性能和损伤容限；另一方面，残余压应力又可作为冷却阶段马氏体转变的驱动力，进一步提高马氏体转变量，提高产品的强度等级，同步实现马氏体钢构件静强度和疲劳性能的改善；

4)为了保证马氏体钢的高强度，本发明还设计了一种双介质管路快速切换成形介质与冷却介质，并配合反馈调节装置调节冷却水流速度实现均匀快速淬火。一方面，通过在连接部位内外均进行准流态介质的填充，能够很好的保证连接处的力学性能，并且维持其表面的完整性；另一方面，微小的准流态介质在成形过程中对管坯内壁充分挤压，能够对表面施加残余压应力，为下一步的快速淬火操作的马氏体转变提供动力学依据，进一步提高管型件的马氏体转变率，提高管型件的整体力学性能。此外，由于本身管内成形采用准流态介质，故而可以很快的将介质转换为高速流动的冷却水，在胀型完成后，进行介质替换的阶段，即可完成管型件的整体淬火，能够保证其冷却阶段不接触空气，不产生氧化，可以减少镀层的使用。

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1的成形构件形状图；

图4为本发明实例2的成形构件形状图；

图5为本发明实例3的成形构件形状图；

图1中，1-隔热墙；2-上模；3-密封圈；4-流态-准流态双介质管路；5-准流态介质；6-管坯；7-带有喷嘴的推进冲头；8-温度监测装置；9-温度-流速-压力反馈调节系统。

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1：参照附图1、2、3所示，一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法及装置，包括以下步骤：

1)下料：选择外径为20mm、壁厚3mm的四棱22MnB5无镀层超高强度钢管坯，将管坯裁剪至轴向长度为75mm；

2)奥氏体化：将裁剪好的管坯置于电阻炉中整体加热至920℃后保温两分钟；加热过程中选用分段式加热，每段加热温度分别为320℃、610℃、 920℃，每段加热入炉前需将管材旋转90°以保证其受热均匀；加热温度通过温度监测装置8进行监测操作；

本发明中采用分段式加热的优点在于：普通加热炉加热速度快，管材受热冲击较大，在送料过程中管体易发生破裂；选用分段式加热能够降低管材发生破裂的倾向，提高良品率，降低生产成本；

3)准流态成形：加热完成后，使用机械手臂快速将管坯放入成形模具内，将两端冲头装夹完毕后即进行使用丸径为0.2mm的AZB210准流态陶瓷介质进行成形。在准流态成形过程中，准流态介质充型时间为2s，模具内温度保持在920℃；管坯完全合模后，继续保压2min；成形期间，控制冲头推进速度为18mm/s，控制补料速度为18mm/s；准流态成形的具体操作为：将上模2下压至上下模接触后继续加大合模力至300kN，要求隔热墙1不阻碍上模2的滑动过程，密封圈3密封性能良好，且隔热墙1及密封圈3均能隔绝热量及空气的进入；随后通过流态-准流态介质管路4将准流态介质5送至带有喷嘴的推进冲头7，使准流态介质完全充满管坯6内部后推动推进冲头并进行补料，使管坯发生胀型。成形过程中，通过温度-流速-压力反馈调节系统9对模具胀型变化量最大处进行检测，如压力达到20MPa时停止推进与补料操作；

4)快速淬火：保压完成后，向管内通入冷却水进行快速淬火，通过调节装置控制冷却速度小于110℃，保持管壁内部压力不小于2.5MPa。最终，管坯实际冷却速度为101℃/s，冷却水流速最大值为2.3m/s；

温度-流速-压力反馈调节系统的具体工作过程为：实时监测管坯内部温度变化，监测各个过渡段水流流速并获取最大值，监测管壁与模具内壁接触压力。如接触压力较小则提高水流流速，如冷却速度过快则降低水流流速，通过二者协同作用最终确定最佳流速并记入相应数据库供下次调用；

5)裁剪、冲孔；使用水刀对成品件进行切边、冲孔；

6)喷丸处理：使用铸钢丸对材料的外表面进行100％覆盖的喷丸处理。丸粒直径为1.5mm，丸粒运动速度为50m/s。

实施例2：参照附图1、2、4所示，一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法及装置，包括以下步骤：

1)下料：选择外径为12mm、壁厚2mm的四棱30MnB5无镀层超高强度钢管坯，将管坯裁剪至轴向长度为60mm；

2)奥氏体化：将裁剪好的管坯置于电阻炉中整体加热至930℃后保温两分钟；加热过程中选用分段式加热，每段加热温度分别为330℃、620℃、 930℃，每段加热入炉前需将管材旋转90°以保证其受热均匀；

3)准流态成形：加热完成后，使用机械手臂快速将管坯放入成形模具内，将两端冲头装夹完毕后即进行使用丸径为0.35mm的AZB300准流态陶瓷介质进行成形。在准流态成形过程中，准流态介质充型时间为2.5s，模具内温度保持在930℃；管坯完全合模后，继续保压2.5min；成形期间，控制冲头推进速度为16mm/s，控制补料速度为15mm/s；

4)快速淬火：保压完成后，向管内通入冷却水进行快速淬火，通过调节装置控制冷却速度小于110℃，保持管壁内部压力不小于2.5MPa。最终，管坯实际冷却速度为105℃/s，冷却水流速最大值为2.6m/s；

5)裁剪、冲孔；使用激光切割对成品件进行切边、冲孔；

6)喷丸处理：使用铸钢丸对材料的外表面进行100％覆盖的喷丸处理。丸粒直径为2mm，丸粒运动速度为30m/s。

实施例3：参照附图1、2、5所示，一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法及装置，包括以下步骤：

1)下料：选择外径为20mm、壁厚2mm的圆柱30CrMnSiA带有Al-Si镀层的超高强度钢管坯，将管坯裁剪至轴向长度为70mm；

2)奥氏体化：将裁剪好的管坯置于电阻炉中整体加热至950℃后保温两分钟；加热过程中选用分段式加热，每段加热温度分别为350℃、640℃、 950℃，每段加热入炉前需将管材旋转90°以保证其受热均匀；

3)准流态成形：加热完成后，使用机械手臂快速将管坯放入成形模具内，将两端冲头装夹完毕后即进行使用丸径为0.5mm的AZB425准流态陶瓷介质进行成形。在准流态成形过程中，准流态介质充型时间为3s，模具内温度保持在950℃；管坯完全合模后，继续保压2.5min；成形期间，控制冲头推进速度为22mm/s，控制补料速度为22mm/s；

4)快速淬火：保压完成后，向管内通入冷却水进行快速淬火，通过调节装置控制冷却速度小于110℃，保持管壁内部压力不小于2.5MPa。最终，管坯实际冷却速度为109℃/s，冷却水流速最大值为2.8m/s；

5)裁剪、冲孔；使用等离子切割对成品件进行切边、冲孔，并去除毛刺，获得最终成品件。

Claims (8)

1.一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)下料：选择壁厚为2～3mm，直径为60～80mm，轴向尺寸为300～400mm的空心管坯进行下料；

2)奥氏体化：将管坯置于电阻炉中整体加热至920℃～950℃，保温2min～5min，加热完成后将管坯送入准流态成形模具中，并将带有流态-准流态介质双管路的冲头装夹至两端；

3)准流态成形：管坯装夹完毕后，将上模下压，上下模接触后继续增大合模力至300kN，随后通过冲头内部的管槽向管材内部充入预先加热至管坯温度的准流态陶瓷颗粒，填满管坯内部后推动冲头，使得管坯发生胀型，实时监测管坯的管壁压力，当管壁压力达到25MPa时即确认管坯完全合模，随后保压2～3min；成形过程中，控制冲头推进速度为15～22mm/s，控制补料速度为13～21mm/s；准流态介质对应陶瓷颗粒直径为0.2mm～0.5mm，充入及抽出过程的时间均不超过3s；

4)快速淬火：保压完成后，将管内准流态陶瓷颗粒换为冷却水进行快速淬火，淬火时控制水流速度为2m/s～4m/s；此外，淬火阶段通过温度反馈系统进行水流流速调节，控制管材冷却速度不大于110℃/s，当管材冷却至室温后，通入氮气将管内冷却水完全排出；

5)裁剪、冲孔。

2.根据权利要求1所述的一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法，其特征在于，所述步骤(1)中管坯轴向长度与径向长度比值大于3：1。

3.根据权利要求1所述的一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中奥氏体化的保温时间为t＝d×1～1.5；其中t为保温时间，单位min；d为管壁厚度，单位mm。

4.根据权利要求1所述的一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中加热完成后将管坯送入准流态成形模具的时间不超过8s。

5.根据权利要求1所述的一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法，其特征在于，所述步骤(3)中合模速度根据加工过程管坯形变量大小做出合理的修正；对于形变量特别大，推进冲头一次无法使管坯完全合模，即需要进一步填充准流态介质的管材，应在直管段推进冲头推进完成后，继续充入准流态介质并退回冲头至原始位置，在补料的同时进行多次挤压至完全合模。

6.根据权利要求1所述的一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法，其特征在于，所述步骤(3)中补料速度为冲头推进速度-1mm/s。

7.根据权利要求1所述的一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法，其特征在于，所述步骤(4)中冷却水在循环超过50次后进行更换。

8.根据权利要求1所述的一种马氏体钢复杂管型结构件的准流态快速成形方法，其特征在于，对于没有防氧化涂层的马氏体钢管材，在所述步骤(5)后对其表面进行喷丸操作去除氧化层，丸粒材质为AZB系列的陶瓷介质，粒径大小为1mm～1.5mm，丸粒运动速度为30～45m/s。