CN108453175B - 热冲压成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热冲压成型而具有500Mpa级或者其以上超高硬度的车辆部件的制造方法。该方法包括：将加热的坯料于压力成型器内成型的步骤；以及将成型的坯料从压力成型器中取出后在冲模中进行切断的步骤；修边时坯料的温度可为150℃至330℃。
Description
技术领域
本发明涉及一种车辆部件的制造方法，尤其涉及一种基于热冲压成型的具有1500Mpa级别或者其以上的超高硬度部件的制造方法。
背景技术
由于燃油经济性规定或者安全法规强化等，对车辆部件的轻量化及高强度化的要求变得更高。其结果使极限抗拉强度(ultimate tensile strength)为1GPa级别的超高强度钢部件实现了商用化，最近正在促进2GPa级别钢的开发。
通常如果增加钢板的强度则延伸率降低，从而可加工性降低。为了解决该问题而提出的方案之一是热冲压成型技术。热冲压成型技术在1970年代通过英国专利第1490535号得以公开。
热冲压技术的特点是将钢板加热至高温例如900℃以上之后，冲压成型的同时进行淬火以制造高强度钢部件。热冲压成型的材料采用含有约0.2重量百分比的碳元素，及用于改善热处理性能的锰、硼元素等的所谓的硬钢。
热冲压成型工艺在高温中进行，因此钢板表面的氧化可能会成问题。为了解决此问题而提出的方案是铝镀金钢板。有关铝镀金钢板可参考美国专利第6296805号，铝镀金钢板的典型例子是基于22MnB5硬钢的Usibor1500。
表1
(22MnB5的大致组成，单位是wt％)
热冲压形成部件的问题是修边。通常的车辆部件利用冲模(trimming die)进行切断，对于抗拉强度达到1500Mpa的热冲压成型部件而言，利用冲模进行切断或者冲孔等，其强度过高。
为了利用冲模切断热冲压成型部件，需要高价的超高强度的工具钢。但是，即使是这样由于修边工具经常出现破损，应用于量产存在局限性。目前热冲压成型部件的修边采用激光。
激光切断机不仅价格昂贵，而且由于每件部件的切断需要60秒左右的时间，生产效率低。
韩国公开专利第2014-0077005号提出了用于克服激光修边效率低的方案，将钢板在650℃至950℃中进行冲压成型的同时第一次在切割线上进行剪断变形后，第二次在常温下沿着切割线完成切断。
韩国公开专利第2014-0077005号的方法并非不可行，只是不适于大量生产。根据该专利方法，压力成型器的结构不仅十分复杂，而且修边后的切断线由于不光洁，由此可能需要后加工。
韩国专利第1575557号提出了将钢板在冲压成型的同时完成修边的方案。该专利中提出的优选修边温度为500℃至600℃。
所述韩国专利在高温中具有奥氏体相的钢板在变形为马氏体相之前，在钢板的强度还很低的时候，部分或者完全完成修边。然而，根据该专利，压力成型器的结构将变得复杂，而且切断品质也难以得到保证。
目前抗拉强度1500Mpa级别的热冲压部件可进行激光修边。压力成型器中完成成型的部件将在成型器附近进行承载，并冷却至常温后，一同移送至修边生产线进行激光裁剪。
发明内容
本发明基于对上述的现有技术的认识，希望提供一种可经济地修边1500Mpa级别或者其以上级别的超高强度的热冲压成型部件的方法。
此外，本发明提供一种可替代激光修边的生产效率优选且可降低费用的热冲压成型部件的修边方法。
本发明希望解决的技术问题不局限于上述事项，通过以下记载的事项应该能够理解未提及的其他技术问题。
为了实现上述目的，本发明涉及的热冲压成型部件的修边方法包括：将加热的坯料于压力成型器内成型的步骤；以及将成型的坯料从压力成型器取出后紧接着在冲模中进行切断的步骤。其中‘紧接着’应该理解为从压力成型器中取出的坯料被立即移到成型器旁边设置的冲模中并进行切断程序的含义。
现有技术中，热冲压部件被移送到托盘(pallet)中并近乎冷却到室温。修边生产线与冲压成型生产线具有一定距离。但是，本发明主张的优选例子是在热成型和修边之间不插入任何工艺。而且，本发明主张在热成型和修边之间不对部件进行加热。这种在修边之前加热部件会导致工艺繁琐及费用上升。
根据本发明实施例，切断时坯料的温度为170℃至330℃，优选地为190℃至320℃，更优选地为195℃至310℃。
在现有技术中，加热的坯料在压力成型器内冷却至约150℃，优选为100℃。上述作法是热冲压成型领域的公知常识，至今为止没有人对该常识提出疑问。在现有技术中，于压力成型器中冷却至约100℃的坯料承载在压力成型器的周边，并冷却至常温，以后移送至修边生产线并进行激光剪裁。
22MnB5硬钢的马氏体变态结束温度(Mf：martensite finish temperatue)即，冷却过程中从奥氏体至马氏体的变形结束温度为220至230℃。由于连续冷却而引起变相的坯料的Mf多少可能会上升，但是，由于热冲压成型时将坯料冷却至150℃以下，保险地冷却至100℃左右一直以为可获得近乎100％的马氏体相。
但是，根据本发明实施例，坯料不必在压力成型器中冷却至100℃。坯料可在200℃以上的温度中从压力成型器取出，并紧接着移送至冲模中在150℃至330℃，优选在170℃至320℃，更优选在190℃至320℃，更优选在195℃至310℃温度范围内进行切断。
从压力成型器取出坯料的上限温度为350℃左右。确定从压力成型器中取出坯料的温度时可考虑坯料从开始移送至修边完成的时间、该时间期间的坯料的温度下降、确保作为目标的部件强度等。
根据实施例，将加热的坯料冲压成型后紧接着进行修边是十分重要的。将冲压成型后冷却至常温的坯料即使重新加热至例如190℃至350℃温度，切断坯料所需的荷重或者力(以下称之为剪切荷重，shear load)的减少也是微乎其微的。
本发明，作为一例，硬钢坯料其组成设计为通过热冲压成型可获得1500Mpa级别抗拉强度，所述硬钢坯料在热成型之后，其剪切荷重下降至在190℃至330℃中抗拉强度为1180Mpa级别的部件的剪切荷重，除此之外，在该温度范围内将热成型的坯料紧接着进行修边后，即使进行空冷，也能获得1500Mpa级别的超高强度部件的新发现为基础。1500Mpa级别硬钢板在经过热冲压成型后具有1500Mpa的抗拉强度意味着热冲压成型过程中实现了作为目标的近乎100％的马氏体变态。本文件中，为了便于说明以及为了直观单纯的进行比较，使用抗拉强度来表现剪切荷重。
与现有的固定观念，即热冲压时在冲压模具中将坯料冷却至200℃以下，实际操作中冷却至100℃相比，为了实现本发明，需要克服如下的固定观念即，如本发明的方式，使热冲压成型部件上除马氏体之外还引起异相，从而将降低部件的强度或者延伸率，或者引起品质不均等，或者该温度范围中剪切荷重的减少没有意义等。
根据本发明的实施例，修边温度的下限为190℃以下，至170℃，虽然剪切荷重的上升稍微有点大，但是可降低至更为下降的150℃。冲压成型之后在170℃附近部件的剪切荷重显示出1300Mpa中间阶段级别水平。相比于1180Mpa级别强度偏高，但是相比于利用冲模切断抗拉强度为1500Mpa级别部件更加容易，应用于商业生产工艺时，也能确保一定的经济性。在现有技术中，不存在将坯料热成型后紧接着利用冲模进行切断作业的例子。
至目前为止，还没有过超越如上述固定观念的尝试。只是，存在过如前所述的韩国公开专利第2014-0077005号，韩国专利第1575557号中在马氏体变态之前同时进行成型和修边的尝试。
根据如上所述的本发明，可经济地对1500Mpa级别或者其以上的超高强度的热冲压成型部件进行修边。冲模的1次冲程时间可节省几秒左右，可提升生产效率且降低费用。
此外，根据本发明，用于切断现有汽车的钢板或者部件的商用冲模无需进行设计变形，可直接使用基于模具的修边来替代高费用的激光修边。
附图说明
图1是图示本发明的实施例涉及的修边工艺的流程图。
图2是用于说明本发明实施例涉及的修边装置的结构的示意图。
图3是图示本发明实施例涉及的基于第一次修边温度的实验试片的剪切荷重的变化曲线图。
图4是图示本发明实施例涉及的基于第二次修边温度的实验试片的剪切荷重的变化曲线图。
具体实施方式
以下参照本发明的附图，对本发明进行详细说明。为了便于说明，附图中相同的组成要素或者部件尽可能地使用了相同的附图标记来表示。
参照图1至图2，对实施例涉及的热冲压成型部件的修边工艺进行说明。
加热坯料(S1)
坯料(blank)的材料可使用22MnB5硬钢。作为示例，可使用安塞乐米塔尔提议的Usinbor1500的铝镀金钢板。
表2
(Usibor1500的大致组成，单位是wt％)
坯料的加热可使用电炉、燃气炉、美国公开专利第2010/0086002号中记载的混合加热炉等，或者可使用基于直接通电的电阻热、高频加热等可应用于热冲压成型的各种加热方式。
坯料可由奥氏体化温度(Ac3)例如880℃至950℃进行加热。作为示例，坯料在常温下可能具有铁素体-珠光体(ferritic-pearlitic)微结构，在奥氏体化以上温度可具有奥氏体单一相。
作为参考，低碳钢中温度A3是指阿尔法铁素体(alpha ferrite)变相为奥氏体或者阿尔法铁素体逆向变相为奥氏体的温度。Ac3中“c”是从法语加热“chauffage”由来的。
冲压成型及冷却(S2)
加热的坯料在压力成型器中成型的同时进行淬火。成型开始温度为坯料的马氏体变形开始温度(Ms)以上的600℃至900℃，优选地，约为650℃至850℃。
上述温度范围内，坯料开始成型，整体冷却至Ms以下温度。当然，根据情况，成型过程中，也可以有意地使坯料局部地具有软化组织。
坯料的冷却速度为25℃/秒以上，优选地，为27℃/秒以上，更优选地为30℃/秒以上。在具有冷却通道的压力成型器内，坯料约以200℃/秒的速度进行淬火。
经淬火的坯料在200℃以上的温度，优选在220℃至350℃温度中从压力成型器中取出，并向配置在压力成型器后端的冲模移送。坯料可利用机器人在常温大气条件下进行移送。
另外，压力成型器中经淬火的坯料也可在不足200℃的条件下取出。将冲压成型的坯料在170℃进行修边时，剪切荷重约为1300Mpa中间阶段，虽然成型的坯料硬度偏高，但是还可以进行冲模。但是，当考虑到冲模的剪切工具的寿命时，从压力成型器取出坯料的温度为200℃以上，优选地，最好为250℃以上。
从压力成型器中取出坯料的上限温度为350℃，更严谨地，当超过360℃时，不能获得作为目标的具有1500Mpa级别抗拉强度的部件。
修边(S3至S4)
修边是将成型部件的边缘沿着所需的形状线进行修剪的工艺，虽没有另行说明，但是修边过程中可陪同进行冲孔等。
冲压成型之后坯料在冲模中进行切断即进行修边。修边时坯料温度为150℃至330℃，优选地，为170℃至320℃，更优选地为190℃至320℃，更优选地为195℃至310℃。将1180Mpa以下的剪切荷重作为目标时，在200℃至310℃的范围进行修边工艺更为理想。
修边时坯料温度不足190℃时例如为170℃时，坯料剪切荷重增加至1300Mpa中后阶段级别。当考虑到坯料移送时间时，修边时的坯料温度超过350℃时，不能获得1500Mpa级别的抗拉强度。而且当修边温度上升时，由于热负荷引起修边工具损坏的问题，因此修边时优选的坯料温度为320℃，更优选地为310℃以下，更优选地为300℃以下。
虽然利用模具的修边很少见并且可一次性地完成，但是为了分离芯片(chip)或者为了避免使切断线的设计变得复杂，可通过两次或者两次以上进行。如图2所示，压力成型器200的后端可配置有两个冲模300、400。
如图1所示，第一次修边时坯料的温度为220℃至320℃，第二次修边时坯料温度可为190℃至300℃。第二次修边时的下限温度为170℃，更甚者可下降到150℃。但是，商业上为了生产线的安全运行，最终的修边最好在190℃以上，更加局限在195℃以上进行。
上述温度条件是考虑压力成型器200与第一次冲模300之间、以及第一冲模300和第二冲模400之间的移送时间、各冲模中的切断时间、各种可能的延迟时间、热冲压成型部件的品质等而导出的最佳条件。用于将坯料的温度维持在修边温度范围内的手段不另行予以考虑。
冲模300、400中分别安装有用于检测上述温度条件的温度感应器。为了将坯料的温度维持在上述条件，虽然可安装加热器，但是多个实验结果显示没有必要安装加热器。为了安装加热器，需要对商用冲模的设计进行修改，这会引起制造及维护费用的增加，因此不受欢迎。
参照图3和图4，更具体地说明实施例涉及的修边温度条件。需理解的是，这是多个实验例中仅节选出用于说明的一部分。实验中使用了抗拉强度为1500Mpa级别的22MnB5硬钢为材料的铝镀金钢板。
图3是图示第一次修边时基于不同的坯料温度的剪切荷重变化的曲线图。图3中纵轴用于图示剪切荷重，但为了方便，用试片的最大抗拉荷重进行替代。需要说明的是，为了方便，使用抗拉荷重代替剪切荷重。
如图3所示，在240℃至310℃的温度范围，试片的剪切荷重维持在1180Mpa以下水平。换而言之，热成型后在240℃至310℃的温度范围内，试片的剪切荷重与具有1180Mpa以下抗拉强度的钢板的剪切荷重相同。基于组成多少会有一些不同，但是冲压成型后紧接着执行的修边时的温度为320℃，进一步330℃的试片显示出1180Mpa以下的剪切荷重，以后完全冷却至常温时，显示出作为目标的1500Mpa级别的抗拉强度。
图4是图示第二次修边时基于不同的坯料温度的剪切荷重的变化的曲线图。图4中纵轴也是显示剪切荷重，但为了方便，用试片的最大抗拉荷重替代。
如图4所示，195℃至290℃的温度范围内，试片的剪切荷重维持在1180Mpa以下。而且，修边后空冷至常温的试片显示为预期的1500Mpa级别的抗拉强度。
如上述结果所示，热成型后的坯料在温度范围为190℃至310℃，进一步为190℃至330℃内剪切荷重减少至1180Mpa级别。在执行修边工艺期间可允许坯料温度下降120℃至140℃左右，因此中间不需要加热坯料。
完成上述第一次修边和第二次修边后经空冷的部件具有预期的1500Mpa级别，更为具体地具有1480Mpa以上的超高强度，而且显示出6％以上的延伸率。这样的结果说明实施例涉及的热冲压成型部件具有近乎100％的马氏体相。
另外，根据现有技术在压力成型器中成型后取出并冷却至常温的热冲压部件，以后即使再加热至本发明实施例涉及的修边温度范围，仍然能够维持1400Mpa中后阶段级别，不会下降至1180Mpa水平的强度。
需要说明的是，以上就本发明的特定实施例进行了图示和说明，但是在以下权利要求书中记载的不超出发明技术思想的范围内，可以对本发明进行各种修改和变形。
【附图标记说明】
20：压力成型器 30、40：冲模
Claims (2)
1.一种热冲压成型方法，其特征在于，包括：
(a)将由热冲压成型用硬钢形成的坯料加热至该坯料的奥氏体化温度以上的步骤；
(b)将加热的该坯料于压力成型器内成型的步骤，其中该坯料从600℃至900℃的温度开始成型以25℃/秒以上的速度冷却至该坯料的马氏体变态开始温度(Ms)以下；
(c)将成型的该坯料从压力成型器取出后紧接着在冲模中进行切断的步骤，其中切断时该坯料温度为150℃至330℃，
其中，所述(c)步骤中，成型的该坯料在200℃以上，350℃以下的温度中从压力成型器中取出,
该坯料通过至少两个冲模依次被切断，冲压成型后第一次冲模中被切断的该坯料的温度为220℃至320℃，第二次冲模中被切断的该坯料的温度为190℃至300℃，在所述两个冲模间进行移送的过程中或者在各冲模中的切断过程中，不加热该坯料。
2.如权利要求1所述的热冲压成型方法，其特征在于，
所述(c)步骤中，该坯料通过至少两个冲模依次被切断，修边的整个过程中不对该坯料进行再加热，最终的修边在170℃以上进行。
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