CN107904550A - 一种1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法及应用 - Google Patents

一种1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法及应用，属于热成形零件技术领域。所述加工方法包括：坯料落料、选择性碳封闭处理、渗碳处理、冷却、热成形冲压及精整过程；其中，所述选择性碳封闭处理是根据热成形零件梯度性能的区域分布要求选择性设置碳封闭遮掩层；所述渗碳处理包括活化处理和扩散处理；其中，所述扩散处理采用12～14％或16～18％的丙烷气氛，渗碳温度为900～930℃、时间1.0～1.6h；所述热成形冲压中控制坯料加热温度为830～850℃、均热时间为5～8min。该方法能够保证热成形零件的性能均匀性，且无需制造模具，实现了1700MPa级梯度性能热成形零件的低成本批量稳定生产。

Description

一种1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法及应用
技术领域
本发明涉及热成形零件技术领域，特别涉及一种1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法及应用。
背景技术
目前，热冲压成形材料主要用22MnB5以及在此基础上添加Nb或Mo，包括铝硅涂层、纳米锌涂层和裸板，用以制造汽车保险杠、B柱等零件。为满足某些构件，如汽车门B柱在不同部位变强度以保证小变形与提高吸收碰撞能的差异性要求，开发热成形零件的梯度性能控制技术成为热成形前沿研究热点和发展趋势。
当前主要通过两条途径实现热成形零件的梯度强度性能，途径一是热冲压坯料的差异化，即经金属模具淬火无法达到高强度的材料与22MnB5钢板的激光拼焊连接。拼焊板技术(Tailored Welded Blank，TWB)，即将先进高强度和其他低强度钢拼焊、实现性能按区域分布，但TWB中的焊缝限制了板料的成形性能，从而大大降低了零件形状的复杂性。该技术存在以下缺点：对激光焊接的技术要求较高，要保证焊缝的质量，否则容易出现裂纹，在发生碰撞的过程中可能会发生断裂，使得焊接质量下降，不能保证安全性。其次，焊接过程中的能量密度大，熔池深，使得焊缝及其周围的厚度在焊接的过程中不像一次成形那样均匀，会给后续加工带来不便。而且，采用激光焊接的方法也就意味着要增加一道工序，势必会增加成本。
途径二是在热成形过程中，控制坯料加热温度或冷却速率在不同部位上的差异性，以实现零件多元化组织和性能柔性分布。例如，通过改变冲压模具中冷却水管道的形状和分布可以实现强度的连续变化，但实现方法比较困难，只能制造几种变强度的汽车结构件，不能实现结构件强度的定制，且模具制造成本大大提高了零件制造成本。
发明内容
本发明通过提供一种1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，解决了激光拼焊工艺无法确保焊缝处性能均匀性、差异化热成形模具成本高且无法保证热成形零件的性能均匀过渡的技术问题。
本发明提供了一种1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，包括：坯料落料、选择性碳封闭处理、渗碳处理、冷却、热成形冲压及精整过程；其中，
所述选择性碳封闭处理是根据热成形零件梯度性能的区域分布要求选择性设置碳封闭遮掩层；
所述渗碳处理包括活化处理和扩散处理；其中，所述扩散处理的温度为900～930℃，根据坯料板厚选择丙烷气氛浓度及渗碳时间：坯料板厚度小于1.5mm，选择12～14％的丙烷气氛，渗碳时间1.0～1.2h；厚度大于1.5mm，选择16～18％的丙烷气氛，渗碳时间1.4～1.6h；
所述热成形冲压中控制坯料加热温度为820～840℃、均热时间为5～8min。
进一步地，所述选择性设置碳封闭遮掩层，具体是在低强需求区域设置碳封闭遮掩层，高强区域不设置碳封闭遮掩层。
进一步地，所述碳封闭遮掩层的形式为涂层、黏胶、电镀铜、电镀镍中任意一种。
进一步地，所述活化处理采用5～15％的卤化氢气氛，活化温度700～800℃、时间10～15min。
进一步地，所述卤化氢为氯化氢。
进一步地，在所述扩散处理中，根据坯料板厚选择丙烷气氛浓度及渗碳时间，具体为：
1.0mm≤厚度<1.5mm，选择12～14％的丙烷气氛，渗碳时间1.0～1.2h；
1.5mm≤厚度≤2.0mm，选择16～18％的丙烷气氛，渗碳时间1.4～1.6h。
进一步地，所述渗碳处理采用流化床、渗碳炉或连续式渗碳热处理炉；其中，流化床进行抽真空，渗碳炉或连续式渗碳热处理炉采用氮气气氛保护，压强500～6500Pa。
进一步地，所述冷却采用淬火槽、油浴或沙浴冷却。
进一步地，所述热成形零件的组织类型包含：马氏体组织或马氏体+贝氏体组织。
本发明还提供了所述加工方法在制备汽车热成形零件中的应用。
本申请实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例提供的1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，包括：坯料落料、选择性碳封闭处理、渗碳处理、冷却、热成形冲压及精整过程；通过选择性碳封闭处理进行选择性区域渗碳，实现热成形零件不同区域碳含量差异化，最终在热成形后实现不同组织差异化，获得梯度性能，从而解决激光拼焊工艺无法确保焊缝处性能均匀性、差异化热成形模具成本高且无法保证热成形零件的性能均匀过渡的技术问题，实现了抗拉强度1700MPa级梯度定制性能热成形零件的低成本批量稳定生产。
附图说明
图1是本申请实施例1700MPa级热成形零件涂层碳封闭遮掩层示意图；
图2是本申请实施例平板样件碳封闭遮掩层示意图；
图3是本申请实施例1制备的热成形零件厚度方向上的碳含量分布曲线；
图4是本申请实施例1制备的热成形零件高强区域组织的金相组织照片。
具体实施方式
本申请实施例提供一种1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法及应用，解决了激光拼焊工艺无法确保焊缝处性能均匀性、差异化热成形模具成本高且无法保证热成形零件的性能均匀过渡的技术问题，实现了抗拉强度1700MPa级梯度定制性能热成形零件的低成本批量稳定生产。
为解决上述技术问题，本申请实施例总体思路如下：
本申请提供了一种1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，包括：坯料落料、选择性碳封闭处理、渗碳处理、冷却、热成形冲压及精整过程；其中，
所述选择性碳封闭处理是根据热成形零件梯度性能的区域分布要求选择性设置碳封闭遮掩层；
所述渗碳处理包括活化处理和扩散处理；其中，所述扩散处理的温度为900～930℃，根据坯料板厚选择丙烷气氛浓度及渗碳时间：坯料板厚度小于1.5mm，选择12～14％的丙烷气氛，渗碳时间1.0～1.2h；厚度大于1.5mm，选择16～18％的丙烷气氛，渗碳时间1.4～1.6h；
所述热成形冲压中控制坯料加热温度为820～840℃、均热时间为5～8min。
通过以上内容看出，本申请通过选择性区域渗碳技术实现热成形零件不同区域碳含量差异化，最终在热成形工艺过程后实现不同组织差异化，即高碳含量区域转变为马氏体或马氏体+贝氏体组织、低碳含量区域转变为铁素体+珠光体组织，从而获得梯度性能，该方法能够保证热成形零件的性能均匀性，且无需制造模具，实现了1700MPa级梯度性能热成形零件的低成本批量稳定生产。
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。
本申请实施例提供一种1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，包括：坯料落料、选择性碳封闭处理、渗碳处理、冷却、热成形冲压及精整过程；其中，
按重量百分比，坯料的化学成分包含：C：0.02～0.06％，Si：0.001～0.20％，Mn：0.2～0.5％，P：0.001～0.02％，S：<0.015％，Al：0.02～0.06％，N：≤0.008％，其余为Fe及不可避免的杂质。优选的，所述坯料中还包含0.0001～0.0010％的B和/或0.01～0.30％的Cr。
所述选择性碳封闭处理是根据热成形零件梯度性能的区域分布要求选择性设置碳封闭遮掩层；
具体而言，根据热成形零件梯度定制性能需求确定相应的区域进行碳封闭，实现定制化渗碳处理，即：在低强(高韧)需求区域设置碳封闭遮掩层，高强区域不做特殊处理。在特定区域设置碳封闭遮掩层的目的是在后续渗碳处理过程中阻止该区域的碳富集，以实现梯度性能。其中，碳封闭遮掩层可以选择涂层或黏胶，以及电镀铜或镍。涂层举例示意图如图1所示。
渗碳处理以获得全厚度碳富集为目的，渗碳处理适用于流化床、渗碳炉或连续式渗碳热处理炉，采用真空低压渗碳工艺生产。所述渗碳处理分为活化处理和扩散处理阶段，通过控制扩散处理时间和温度实现不同目标碳含量。其中，
所述活化处理采用5～15％的卤化氢气氛，活化温度700～800℃、时间10～15min。卤化氢气体的作用是去除表面氧化物，提高后续渗碳效率。若浓度超出上述范围，达不到活化效果，即材料表面仍存在氧化物、抑制渗碳扩散，且浓度过高将使成本增加；配合上述温度和时间可保证较好的活化效果。优选的，考虑低成本制造卤化氢气氛优选氯化氢气氛。
所述扩散处理采用12～14％或16～18％的丙烷气氛，渗碳温度为900～930℃、时间1.0～1.6h。丙烷是渗碳的来源，其浓度对应碳势；渗碳温度和时间是保证材料渗碳浓度的关键工艺参数。碳势过小、温度过低、时间过低材料碳含量无法保证过冷奥氏体的稳定性，即过冷奥氏体部分转变为马氏体；温度过高、时间过长将使奥氏体晶粒过度长大，影响材料性能。
具体而言，扩散处理是在活化后通入一定浓度的丙烷以获得合理的碳势，根据板厚、目标碳浓度确定合适处理时间与温度。为减少晶粒粗化，优选渗碳处理温度900～930℃，根据坯料板厚优化处理气氛浓度及渗碳时间：
1.0mm≤厚度<1.5mm，选择12～14％的丙烷气氛，渗碳时间1.0～1.2h；
1.5mm≤厚度≤2.0mm，选择16～18％的丙烷气氛，渗碳时间1.4～1.6h。
在具体实施过程中，所述渗碳处理采用流化床、渗碳炉或连续式渗碳热处理炉进行；其中，流化床进行抽真空处理，渗碳炉或连续式渗碳热处理炉采用氮气气氛保护，压强500～6500Pa。
进一步地，在渗碳处理后，样件在淬火槽、油浴或沙浴冷却。
所述热成形冲压中控制坯料加热温度为820～840℃、均热时间为5～8min。
具体而言，热成形冲压、精整步骤与常规热成形冲压工艺流程相同，包括：坯料→加热炉加热→成型→激光切割→喷丸。坯料加热温度采用820～840℃、均热时间为5～8min，其加热温度低于常规热冲压加热温度，有利于减少热成形加热成本和坯料表面氧化铁皮产生趋势。
在热成形后实现不同组织差异化，即：热成形零件中，高碳含量区域转变为马氏体组织或马氏体+贝氏体组织，低碳含量区域转变为铁素体+珠光体组织。具体而言，碳封闭遮掩层区域为低碳含量区域(低强/高韧区域)，未设置碳封闭遮掩层区域为高碳含量区域(高强区域)，从而获得定制梯度性能。
本申请实施例的1700MPa级热成形零件的加工方法，采用常规热成形设备和低温加热工艺，制造过程柔性可控，实现了抗拉强度1700MPa级梯度定制性能热成形零件的批量稳定生产，突破了现有技术制造成本高、性能稳定性差的瓶颈。
本申请实施例中1700MPa级梯度性能热成形零件具体是指零件部分区域呈现高强度特性、部分区域呈现高塑性特性，具体指标为：高强度特性为Rm下限值为1700MPa；高塑性特性为Rm下限值为450MPa、延伸率下限值为20％。
使用本申请实施例1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法制备的热成形零件，具有组织多元化和性能均匀性的优点。尤其适用于汽车热成形零件的制造，包括但不限于A柱、B柱、保险杠、加强筋等零件。
以下通过实施例对本申请作更详细的描述。这些实施例仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何的限制。
本申请实施例中坯料为普通冷轧碳锰钢材料，其化学成分及重量百分含量为：C：0.02～0.06％，Si：0.001～0.20％，Mn：0.2～0.5％，P：0.001～0.02％，S：<0.015％，Al：0.02～0.06％，N：≤0.008％，其余为Fe及不可避免的杂质。
具体各实施例化学成分如表1所示。其中，实施例1-4与对比例1为具备梯度性能的B柱零件，实施例5-8与对比例2为梯度性能的平板样件。
表1各实施例及对比例的坯料化学成分(wt％)
实施例具备梯度性能热成形零件的制备工艺流程为：坯料落料→选择性碳封闭处理→渗碳处理→冷却→热成形冲压→精整。
坯料落料根据热成形零件成品尺寸决定，应合理设计工艺辅助面的压边尺寸，该部分在后期零件激光修边时将被切除。
坯料落料后，根据梯度定制性能需求在低强需求区域进行涂层或粘胶处理，以在后续渗碳处理过程中阻止该区域的碳富集。其中，平板样件的选择性碳遮掩层示意图如图2所示。
坯料随后进行渗碳处理，其中实施例1-4与对比例1在流化床进行，实施例5-8与对比例2在连续式渗碳热处理炉进行。采用真空低压渗碳工艺生产，分为活化处理和扩散处理阶段。详细工艺步骤如下：
活化处理阶段：流化床进行预抽真空操作，连续式渗碳热处理炉全程氮气气氛保护。随后，活化处理时通入体积浓度10％的氯化氢气体，活化温度控制在760～780℃，处理时间12分钟。
扩散处理阶段：在活化处理后通入丙烷以获得合理的碳势，根据板厚、目标碳浓度确定合适处理时间与温度，为减少晶粒粗化，优选处理渗碳温度900～930℃，根据板厚优化气氛浓度和处理时间，具体工艺参数如表2所示。
表2渗碳扩散处理工艺条件
热成形冲压、精整步骤与常规热成形冲压工艺流程相同，包括：坯料→加热炉加热→成型→激光切割→喷丸。本实施例的显著优点为采用常规热成形设备和低温工艺制备具有梯度定制性能的热成形零件，坯料加热温度采用820～840℃、低于常规热冲压加热温度，有利于减少热成形加热成本和坯料表面氧化铁皮产生趋势。实施例详细热成形工艺参数如表3所示，实施例1-4与对比例1采用B柱模具冷却，实施例5-8与对比例2采用平板模冷却。
表3热成形工艺参数
结果分析：在实施例制备的热成形零件进行微观组织与力学性能分析，试样厚度方向碳含量分布如图3所示，实施例渗碳区域试样厚度中心碳含量达到0.52％，保证了在奥氏体化冷却过程中发生马氏体转变；其高强度区域组织照片如图4所示，为板条状马氏体组织；试样室温力学性能数据如表4所示，样件高强度区域抗拉强度达到1700MPa级。
对比例试样的力学性能如表4所示，对比例渗碳区域含碳量低于实施例试样，虽在热成形冷却过程中发生马氏体相变，但其抗拉强度为1530MPa，未达到1700MPa级；未渗碳区域金相组织为铁素体+珠光体，抗拉强度为480MPa。
表4热成形零件渗碳区域室温力学性能
综上所述，本申请实施例通过选择性区域渗碳技术实现热成形零件不同区域组织差异化，通过对工艺条件的控制，可实现抗拉强度1700MPa级梯度定制性能的热成形零件的制备。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，其特征在于，包括：坯料落料、选择性碳封闭处理、渗碳处理、冷却、热成形冲压及精整过程；其中，
所述选择性碳封闭处理是根据热成形零件梯度性能的区域分布要求选择性设置碳封闭遮掩层；
所述渗碳处理包括活化处理和扩散处理；其中，所述扩散处理的温度为900～930℃，根据坯料板厚选择丙烷气氛浓度及渗碳时间：坯料板厚度小于1.5mm，选择12～14％的丙烷气氛，渗碳时间1.0～1.2h；厚度大于1.5mm，选择16～18％的丙烷气氛，渗碳时间1.4～1.6h；
所述热成形冲压中控制坯料加热温度为820～840℃、均热时间为5～8min。
2.如权利要求1所述的1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，其特征在于，所述选择性设置碳封闭遮掩层，具体是在低强需求区域设置碳封闭遮掩层，高强区域不设置碳封闭遮掩层。
3.如权利要求2所述的1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，其特征在于，所述碳封闭遮掩层的形式为涂层、黏胶、电镀铜、电镀镍中任意一种。
4.如权利要求1所述的1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，其特征在于，所述活化处理采用5～15％的卤化氢气氛，活化温度700～800℃、时间10～15min。
5.如权利要求4所述的1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，其特征在于，所述卤化氢为氯化氢。
6.如权利要求1所述的1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，其特征在于，在所述扩散处理中，根据坯料板厚选择丙烷气氛浓度及渗碳时间，具体为：
1.0mm≤厚度<1.5mm，选择12～14％的丙烷气氛，渗碳时间1.0～1.2h；
1.5mm≤厚度≤2.0mm，选择16～18％的丙烷气氛，渗碳时间1.4～1.6h。
7.如权利要求1所述的1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，其特征在于，所述渗碳处理采用流化床、渗碳炉或连续式渗碳热处理炉；其中，流化床进行抽真空，渗碳炉或连续式渗碳热处理炉采用氮气气氛保护，压强500～6500Pa。
8.如权利要求1所述的1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，其特征在于，所述冷却采用淬火槽、油浴或沙浴冷却。
9.如权利要求1-8之一所述的1700MPa级梯度性能热成形零件的加工方法，其特征在于，所述热成形零件的组织类型包含：马氏体组织或马氏体+贝氏体组织。
10.如权利要求1-9之一所述的加工方法在制备汽车热成形零件中的应用。
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