CN107828954B - 面向高强度钢力学性能梯度分布零件的预处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向高强度钢力学性能梯度分布零件的预处理工艺，包括：1）将预处理装置安装热冲压工艺中的第一加热炉和热冲压压机之间；2）在预处理装置前后均安装机械手；3）对有涂层的硼钢板，预处理装置的第二加热炉内保持均匀化温度设定，料片一部分保持在炉内加热，剩余部分在炉外；持续加热的部分保持奥氏体化，在随后的热冲压工序中转变为马氏体硬相；剩余部分温度降到奥氏体化温度以下，随后成形保持为铁素体和珠光体的混合物；4）对无涂层的硼钢板，第二加热炉内采用多点控温，实现分区加热和保温；第二加热炉中通有保护气体。本发明无需更换原有的热冲压生产线，既能生产全马氏体高强度零件，也能生产力学性能梯度分布零件。

Description

面向高强度钢力学性能梯度分布零件的预处理工艺

技术领域

本发明涉及一种冲压成形技术，尤其是一种面向高强度钢力学性能梯度分布零件的预处理工艺。

背景技术

降低油耗、节能减排和提高汽车的安全新能已成为目前汽车制造领域普遍关注和亟待解决的问题，而降低车重是实现汽车节能减排的有效手段。而高强钢板的大量采用，来替代低强度钢板，是实现汽车轻量化最有效的途径。然而高强度导致钢板的成形性下降，压力机吨位要求提高，并且会造成零件及模具的各种缺陷。另外，高强钢零件的回弹问题非常严重，难以保障零件的尺寸精度。热冲压工艺集成了传统热锻、冲压和淬火工艺（如图1所示），首先将硼钢加热至奥氏体化，随后将红热的钢板快速放入冷模当中冲压成形，并冷却淬火，钢板的组织由奥氏体快速转变为马氏体，从而得到超高强度的工件。

硼钢的热冲压工艺已成为国内外制造业的热门技术，但是零件的超高强度带来了吸收碰撞能不足的问题。而面对日益严格的关于碰撞及环境方面的法规，对热成形零件提出了更高的要求：减少车辆碰撞发生的变形、出色地吸收车辆碰撞能，从而最大程度地保护车内人员安全并实现车身轻量化。

一些发达国家已经研制出局部加热形式，即同一个料片差别加热，使得料片的不同区域产生不能的力学性能。而局部加热方式有两种：模具局部加热和料片局部加热。

中国发明专利申请201110445968.1，《一种高强钢局部加热成形方法》提出将高强钢拉深时易拉裂区域附近、在凹模和压边圈之间的处于变形区的毛坯进行局部加热，降低其变形抗力；对传力区材料进行冷却，保持其强度。该工艺的缺点是只针对冷冲压工艺，对热冲压工艺不再适合，且加热元件的导入会造成模具的复杂性。

中国发明专利申请201510096852.X，《一种高强度钢材零部件性能梯度化分布的热冲压方法》提出一种两次加热和冷却的方式实现力学性能不同的热冲压成形件，该工艺的缺点适是工艺较为复杂，生产效率较低，不适合规模化的生产。

中国发明专利申请201410671896.6，《一种高强零件多工位热成形装置及热成形方法》提出将加热部件嵌入到模架当中，包括安装在上模架的活动加热部件和安装在下模架的固定加热部件，在成形之前对坯料进行局部加热。该工艺缩短了坯料的加热时间，但是模具结构复杂，尤其生产大型复杂零部件，造成模具维护维修的困难。

中国发明专利申请201110278746.5，《超高强钢高温拼接淬火成形工艺及装置》公开了一种拼接淬火成形工艺，模具的局部区域采用加热棒加热方式，实现零件不同的区域进行程度不一的热传递，从而强度和硬度能够按需分布。该工艺的问题是对于模具的不同镶块存在较大的温度差异，造成模具的热胀系数存在差异，导致零件的尺寸精度难以控制，且对于规模化生产，长时间的模具加热造成大量的能耗。

另外一些国内外学者提出了其他的工艺方法，比如日本的Mori在模具特定的位置上采用沟槽结构，减少热量的传递，从而实现料片局部软化，但是适用性不是特别好。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种面向高强度钢力学性能梯度分布零件的预处理工艺，该工艺能够节约成本，适用性高。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种面向高强度钢力学性能梯度分布零件的预处理工艺，包括以下步骤：

1）将预处理装置安装在热冲压工艺中的第一加热炉和热冲压压机之间；

2）在预处理装置前安装第一机械手，实现需要处理的料片从加热炉到预处理装置的快速传递；预处理装置后安装第二机械手，实现需要处理的料片从预处理装置到压机的快速传递；

3）对于有涂层的硼钢板，预处理装置中的第二加热炉的炉内保持均匀化温度设定，需要处理的料片一部分保持在炉内加热，剩余部分在第二加热炉外；持续加热的部分保持奥氏体化，在随后的热冲压工序中转变为马氏体硬相；在第二加热炉外空冷的部分温度降到奥氏体化温度以下，随后成形保持为铁素体和珠光体的混合物；

4）对于无涂层的硼钢板即裸板，预处理装置中的第二加热炉的炉内采用多点控温，实现分区加热和保温；预处理装置中的第二加热炉由PID控制器自整定，自动升温、保温和降温，可通过计算机控制第二加热炉的启动、停止、暂停升温和设定升温曲线；第二加热炉中通有保护气体，以降低硼钢板的氧化程度；加热和保温的两个温区的隔热层厚度为20mm，控制温度从两个温区过渡的区域宽度在20～30mm之间；

5）对步骤3）和步骤4）处理的硼钢板保温，保温时间为5～10s。

所述步骤1）中，如果基于原有热冲压生产线基础上进行改造，只需要在热冲压压机及加热炉之间留好足够空间，将预处理装置安装于该空间中即可。

所述预处理装置内设置的辊道具有防止或减少粘连Al-Si涂层的作用；垂直料片运动方向安装有料片限位块，保证料片在预处理装置的炉膛内能准确定位，确保机械手的快速抓取。

所述预处理装置为一台辊底式加热炉，即第二加热炉。

所述步骤3）中，针对1.6mm厚的硼钢板，第二加热炉出口的高度控制在2～3mm之间，从而减少炉内热量的流出。

所述步骤4）中PID控制器对温度控制精度为±1℃，炉温均匀度为±1℃。

所述步骤5）中的保护气体为氮气或氩气。

本发明中的机械手、预处理装置即辊底式加热炉为现有设备，料片限位块也是现有设备，而且将料片限位块垂直料片运动安装在预处理装置内，也是现有技术，不再赘述。

本发明为了降低成本、充分发挥现有热冲压生产线的生产潜力，提出一种面向力学性能梯度分布零件的预处理工艺。本发明的工艺特点是：

1）无需更换原有的热冲压生产线，既可以生产全马氏体高强度零件，如防撞梁，也可以生产力学性能梯度分布零件，如B柱加强板，从而大量节约成本，提高生产的柔性；

2）相对通过模具加热来实现零件力学性能定制的热冲压工艺，本工艺具有工艺可控性强、节能环保、产品质量稳定等优点；

3）新增一预处理辊底式加热炉，成本较低，后期也可以根据生产需要更换成其他型号的加热炉，如箱式分层感应加热炉，具有良好的可扩展性；

4）由于冲压模具内嵌冷却水道，相对于模具加热工艺，其高温耐磨性、耐疲劳性要求相对较低，模具选材可以采用价格适中的H13热作模具钢，减低成本；

5）保持低温状态的冲压模具能够保障最终冲压零件的尺寸精度保持不变；

6）本发明可操作性强，为高性能零件的定制生产提供了一种有效手段，具有广阔市场应用前景。

附图说明

图1是传统的热冲压工艺；

图2是增加了预处理工艺的有涂层硼钢板的热冲压工艺；

图3是增加了预处理工艺的无涂层硼钢板的热冲压工艺；

图4是测定的硼钢CCT曲线图；

图5是预处理加热炉保温时间5s的硬区微观组织图；

图6是预处理加热炉保温时间5s的软区微观组织图；

图7是预处理加热炉保温时间10s的硬区微观组织图；

图8是预处理加热炉保温时间10s的软区微观组织图；

图9是预处理加热炉保温时间15s的硬区微观组织图；

图10是预处理加热炉保温时间15s的软区微观组织图；

图11是预处理加热炉保温时间20s的硬区微观组织图；

图12是预处理加热炉保温时间20s的软区微观组织图；

图13是预处理加热炉保温时间25s的硬区微观组织图；

图14是预处理加热炉保温时间25s的软区微观组织图；

图15是预处理加热炉保温时间30s的硬区微观组织图；

图16是预处理加热炉保温时间30s的软区微观组织图；

图17是过渡区硬度分布曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图2-图17所示，高强度钢面向力学性能梯度分布零件的预处理工艺，包括以下步骤：

1）将预处理装置安装在第一加热炉和热冲压压机之间；如果基于原有热冲压生产线基础上进行改造，只需要在热冲压压机及第一加热炉之间留好足够空间，将预处理装置安装于该空间中即可；

2）预处理装置前安装有第一机械手，实现料片从加热炉到预处理装置的快速传递；预处理装置后安装有第二机械手，实现料片从预处理装置到压机的快速传递；

3）对于有涂层的硼钢板，预处理装置中的第二加热炉的炉内保持均匀化温度设定，料片部分保持在第二加热炉的炉内加热，部分在第二加热炉外；持续加热的部分保持奥氏体化，在随后的热冲压工序中转变为马氏体硬相；在第二加热炉外空冷的部分温度降到奥氏体化温度以下，随后的成形保持为铁素体和珠光体的混合物；针对1.6mm的硼钢板，第二加热炉出口的高度控制在2～3mm之间，从而减少炉内热量的流出；

4）对于无涂层的硼钢板即裸板，预处理装置的中的第二加热炉的炉内采用多点控温，实现分区加热和保温；温度控制精度±1℃，炉温均匀度±1℃；预处理装置中的第二加热炉PID自整定，自动升温、保温和降温，可通过计算机控制加热炉的启动、停止、暂停升温、设定升温曲线；第二加热炉通有保护气体，保护气体为氮气或氩气降低硼钢板的氧化程度；两个温区隔热层20mm，控制温度过渡区在20～30mm之间；

5）对步骤3）和步骤4）处理的硼钢板保温5～10s。

预处理装置内辊道具有防止或减少粘连Al-Si涂层的作用；垂直料片运动方向安装有料片限位块，保证料片在预处理装置的炉膛内能准确定位，确保机械手的快速抓取；

预处理装置为一台辊底式加热炉。

下面以有涂层的料片为例（图2工序）解释本工艺的可行性。

图4为测得的硼钢的CCT冷却曲线，从冷却曲线可以看出：加热保温端（硬区）在各种保温时间条件下能够确保在热冲压结束实现马氏体转变，从而作为难变形区域。冷却端（软区）最终的组织性能与保温时间有关系：保温时间短，比如小于25s，基本全部转变为贝氏体组织；保温时间超过30s，则最终的组织可能为铁素体+贝氏体的混合物，需要通过微观组织及显微硬度测试予以判定。

情况之一：预处理加热炉保温时间5s，热冲压完毕获得的零件硬区的微观组织如图5所示，为马氏体组织；软区微观组织如图6所示，为贝氏体组织。

情况之二：预处理加热炉保温时间10s，热冲压完毕获得的零件硬区的微观组织如图7所示，为马氏体组织；软区微观组织如图8所示，为贝氏体组织。

情况之三：预处理加热炉保温时间15s，热冲压完毕获得的零件硬区的微观组织如图9所示，为马氏体组织；软区微观组织如图10所示，为贝氏体组织。

情况之四：预处理加热炉保温时间20s，热冲压完毕获得的零件硬区的微观组织如图11所示，为马氏体组织；软区微观组织如图12所示，贝氏体组织为主。

情况之五：预处理加热炉保温时间25s，热冲压完毕获得的零件硬区的微观组织如图13所示，为马氏体组织；软区微观组织如图14所示，贝氏体组织为主。

情况之六：预处理加热炉保温时间30s，热冲压完毕获得的零件硬区的微观组织如图15所示，为马氏体组织；软区微观组织如图16所示，为少量屈氏体和贝氏体组织。

对各种情况下的零件沿过渡区进行显微硬度测试，通过HV硬度测试（图17），得到实验结果：

（1）对于保温时间5s的情况，软区的组织为贝氏体，过渡区的长度为25～30mm；

（2）对于保温时间10s的情况，软区的组织为贝氏体，过渡区的长度为30～40mm；

（3）对于保温时间15s的情况，软区的组织为贝氏体，过渡区的长度为40mm；

（4）对于保温时间20s的情况，软区的组织为贝氏体为主，过渡区的长度为40mm；

（5）对于保温时间25s的情况，软区的组织为贝氏体为主，过渡区的长度为40mm；

（6）对于保温时间30s的情况，软区的组织为贝氏体为主，过渡区的长度为40～50mm；

验证了：每种保温时间，硬区冷却后均为马氏体组织，且硬度值几乎没有差异。软区的硬度值与保温时间密切相关，且随着保温时间的增加，显微硬度趋于一固定值220HV0.1。可见，对于该工艺，保温时间超过20s已无实际意义。保温5～10s即可满足力学性能梯度分布的工艺需求。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种面向高强度钢力学性能梯度分布零件的预处理工艺，其特征是， 包括以下步骤：

1）将预处理装置安装热冲压工艺中的第一加热炉和热冲压压机之间；

2）在预处理装置前安装第一机械手，实现需要处理的料片从加热炉到预处理装置的快速传递；预处理装置后安装第二机械手，实现需要处理的料片从预处理装置到压机的快速传递；

3）对于有涂层的硼钢板，预处理装置的第二加热炉的炉内保持均匀化温度设定，需要处理的料片一部分保持在第二加热炉的炉内加热，剩余部分在第二加热炉外；持续加热的部分保持奥氏体化，在随后的热冲压工序中转变为马氏体硬相；在第二加热炉外空冷的部分温度降到奥氏体化温度以下，随后成形保持为铁素体和珠光体的混合物；

4）对于无涂层的硼钢板即裸板，预处理装置的第二加热炉的炉内采用多点控温，实现分区加热和保温；第二加热炉由PID控制器自整定，自动升温、保温和降温，通过计算机控制第二加热炉的启动、停止、暂停升温和设定升温曲线；第二加热炉中通有保护气体，以降低硼钢板的氧化程度；加热和保温的两个温区的隔热层厚度为20mm，控制温度从两个温区过渡的区域宽度在20～30mm之间；

5）对步骤3）和步骤4）处理的硼钢板保温，保温时间为5～10s。

2.如权利要求1所述的面向高强度钢力学性能梯度分布零件的预处理工艺，其特征是，所述步骤1）中，如果基于原有热冲压生产线基础上进行改造，只需要在热冲压压机及第一加热炉之间留好足够空间，将预处理装置安装于该空间中即可。

3.如权利要求1所述的面向高强度钢力学性能梯度分布零件的预处理工艺，其特征是，所述预处理装置内设置的辊道具有防止或减少粘连Al-Si涂层的作用；垂直料片运动方向安装有料片限位块，保证料片在预处理装置的炉膛内能准确定位，确保机械手的快速抓取。

4.如权利要求1所述的面向高强度钢力学性能梯度分布零件的预处理工艺，其特征是，所述预处理装置为一台辊底式加热炉，即第二加热炉。

5.如权利要求1所述的面向高强度钢力学性能梯度分布零件的预处理工艺，其特征是，所述步骤3）中，针对1.6mm厚的硼钢板，第二加热炉出口的高度控制在2～3mm之间，从而减少炉内热量的流出。

6.如权利要求1所述的面向高强度钢力学性能梯度分布零件的预处理工艺，其特征是，所述步骤4）中PID控制器对温度控制精度为±1℃，炉温均匀度为±1℃。

7.如权利要求1所述的面向高强度钢力学性能梯度分布零件的预处理工艺，其特征是，所述步骤4）中的保护气体为氮气或氩气。