CN109317529B - 一种马氏体钢复合结构的快速成形方法及成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种马氏体钢复合结构的快速成形方法，包括以下步骤对马氏体钢表面处理；铺层；加热及快速转移；保压固化，还涉及成形装置，包括凹模、液压仓、水冷系统、压力监测系统和油液循环控制系统，所述液压仓连接有用于向所述液压仓内充入油液的油液入口，所述水冷系统用于冷却冲压后的成形件，所述压力监测系统用于监测成形压力，所述油液循环控制系统用于向液压仓内填充油液。本发明采用热塑性树脂代替热固性预浸料提高成型效率以及粘流态快速成形的高效性，实现马氏体钢‑碳纤维复合层板快速胶结和固化。

Description

一种马氏体钢复合结构的快速成形方法及成形装置

技术领域

本发明涉及一种成形方法和成形装置，尤其涉及一种马氏体钢复合结构的快速成形方法及成形装置。

背景技术

新一代汽车的发展趋势要求节能、降耗、环保和安全。减轻汽车质量是汽车降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一。据统计，汽车车身、底盘(含悬挂系统)、发动机三大总成约占轿车总重量的70%以上，其中车身内、外覆盖件的重量又居首位，约占汽车总重量的30%以上。对汽车本身来说，约70%的油耗用于车身质量，所以汽车车身的轻量化对减轻汽车整车自重，提高整车燃料经济性和节能环保至关重要。

汽车减重对安全性会带来很大影响，在保证汽车安全性的同时对汽车本身进行轻量化改造，是国际汽车设计和制造业不断追求的目标。欧洲、美国和日本等发达国家在20世纪70年代石油危机以后，已经在降低汽车能耗的问题上取得较大成绩。进入20世纪90年代后，针对世界能源供应日益紧张和不确定性因素增加的形势，美国钢铁协会及欧洲钢铁协会分别推出了走多材料技术路线的PNGV计划和SuperLIGHT-Car计划；国际铝业协会推出了Al材料计划；同时，阿塞勒钢厂及蒂森钢厂推出了高强度钢技术路线。研究项目的共同点是将汽车质量降低20~40%。在这些研究计划中，超高强度马氏体钢的应用已作为最重要的组成部分。然而，随着汽车对被动安全性及轻量化水平要求的进一步提高，仅依靠金属材料的研发已无法满足高性能汽车的设计及制造要求。如何在超高强度马氏体钢的基础上，发展先进复合材料，进一步降低材料重量，提高其结构强度、抗冲击、耐疲劳能力，具有重要工程意义。

纤维金属层板是一种由金属薄板和纤维复合材料交替铺层，在一定压力和温度下固化而成的层间混杂复合材料，也称为超混杂层板。纤维金属层板综合了传统纤维复合材料以及金属材料的特点，具有高的比强度和比刚度，优良的疲劳性能以及高的损伤容限，使得其在航空航天、轨道交通等领域获得了广泛的关注。基于超高强度马氏体钢，发展马氏体钢-碳纤维复合层板，对于提高汽车关键构件的安全性，并实现其轻量化具有重要意义。现有专利中，汽车B柱结构及其制造方法（CN201510329795.5）、一种汽车B柱加强板总成（CN201611100508.4）等也 通过碳纤维复合材料提高马氏体钢构件的性能，但均采用在马氏体钢构件表面胶结一层碳纤维，该结构并非真正意义上的层状复合材料，纤维层在受载过程中的桥接能力较低。采用多层马氏体钢-碳纤维层状结构，较上述构件，可显著提高材料的强度、抗冲击及耐疲劳性能。

此外，汽车安全构件形状复杂，马氏体钢-碳纤维复合层板复杂构件的成形问题是限制该材料应用的重要因素。马氏体钢自身即因强度高，硬化指数、厚向异性系数及延伸率低，成形性能差，一般采用热冲压技术进行成形。而马氏体钢-碳纤维复合层板因碳纤维复合材料有限的破坏应变，成形性能更差，且为了不破坏树脂的自身结构，成形温度低，无法像纯马氏体钢结构采用温度达900℃的热冲压进行成形。

发明内容

本发明为了降低现有汽车材料重量，提高其结构强度、抗冲击、耐疲劳能力，提供了一种制备马氏体钢-碳纤维复合层板的方法，该方法利用马氏体钢在高应变速率下成形性能提高的现象，提高马氏体钢的成形极限；同时，选用热塑性树脂，在快速冲压时进行加热，利用热塑性树脂在粘流态成形性好的特征，提高碳纤维增强热塑性树脂的成形极限，并通过快速冷却工艺，使马氏体钢-碳纤维复合层板快速胶结和固化，实现成形、粘接一体化。

本发明所采取的技术方案为：一种马氏体钢复合结构的快速成形方法，包括以下步骤

对马氏体钢表面处理：对马氏体钢薄板表面使用丙酮清洗，喷砂后使用磷化液进行磷化处理；

铺层：马氏体钢薄板与碳纤维增强尼龙预浸料交替铺贴形成马氏体钢-碳纤维复合层板；

加热及快速转移：将马氏体钢-碳纤维复合层板加热后转移至成形装置中；

冲压成形：向成形装置中充入含陶瓷球的油液，使用加压装置对油液和马氏体钢-碳纤维复合层板加压成形，使油液作用于所述马氏体钢-碳纤维复合层板上，所述油液中含陶瓷球；

保压固化：加压后进行保压，保压过程中使马氏体钢-碳纤维复合层板快速冷却，使复合层板在压力状态下固化和粘接。

进一步的，所述加热及快速转移过程中，马氏体钢-碳纤维复合层板加热至185℃~195 ℃并保温2min~5min后转移至油液中。

进一步的，所述陶瓷球粒径大小为0.212mm~0.6mm。

进一步的，所述陶瓷球的在油液中的密度为1×10⁶ m^-3~3×10⁶ 个/m³；所用油液闪点大于220℃。

进一步的，保压过程中压力为0.6MPa~0.8MPa，保压时间为3min~5min。

进一步的，所述马氏体钢-碳纤维复合层板固化过程中冷却速率大于2℃/s。

进一步的，冲压速率为2×10³ s^-1~3×10³ s^-1。

本发明还提供了一种马氏体钢复合结构的快速成形装置，包括凹模、液压仓、水冷系统、压力监测系统和油液增压控制系统，所述凹模和所述凸模相对设置，所述液压仓连接有用于向所述液压仓内充入油液的油液入口，所述水冷系统用于冷却冲压后的成形件，所述压力监测系统用于监控成形压力，所述油液增压控制系统用于控制成形压力。

进一步的，还包括用于监控所述成形件温度的板料控温系统，所述板料控温系统包括温度传感器和电阻丝，所述温度传感器用于测量成形件的温度，所述电阻丝用于加热所述成形件，所述电阻丝分布于液压仓内壁。

进一步的，所述水冷系统包括埋藏于凹模内壁的冷水管，所述冷水管盘旋分布，所述冷水管连接外部冷水水源。

1)本发明所产生的有益效果包括：本发明基于纤维金属超混杂复合材料的设计思想，提出采用马氏体钢-碳纤维复合层板结构，用于高性能汽车安全组件的成形和制造，以进一步提高汽车轻量化水平，显著改善整体结构的抗冲击、耐疲劳性能。对汽车关键安全构件的轻量化设计、制造提供了新的思路。

2)本发明提出了马氏体钢-碳纤维复合层板快速充液成形方法，通过高应变速率提高马氏体钢成形极限，并利用树脂在粘流态的流动性，提高碳纤维增强热塑性树脂的成形性能，以实现马氏体钢-碳纤维复合层板复杂构件的快速成形和粘接。有效解决了马氏体钢-碳纤维复合层板成形技术难题，对层状复合材料整体塑性成形提供了较好的技术途径。

3)本发明在液压介质中加入了陶瓷球，利用快速充液成形过程中，液体对马氏体钢表面的快速冲击，将陶瓷球高速撞击在马氏体钢表面，产生局部塑性变形，形成残余压应力，显著提高材料的疲劳性能，为金属及层状复合材料同步进行成形和表面强化提供了有效思路。

4)本发明采用热塑性树脂代替热固性预浸料提高成型效率以及粘流态快速成形的高效性。

本发明结合汽车安全件对制造效率、可回收等问题的要求，选用尼龙为树脂基体，较传统汽车中使用的热固性树脂基体，成形效率显著提高，并使得材料的可回收成为可能。

附图说明

图1为本发明的成形装置的结构示意图；

图2为本发明实例1的成形构件形状图；

图3为本发明实例2的成形构件形状图；

图4为本发明实例3的成形构件形状图；

图中，1-高能增压器、2-隔热壁、3-油液入口、4-板料控温系统、5-马氏体钢-碳纤维复合层板、6-油液循环控制系统、7-陶瓷球、8-油液、9-凹模压力监测系统、10-凹模、11-水冷系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明中的成形装置包括凹模10、用于放置待成形件和油液的液压仓、用于向液压仓内充入或抽出油液8的油液循环控制系统6和用于冷却成形件的水冷系统11，液压仓侧壁为隔热壁2，防止液压仓内温度损失；液压仓连接有用于向液压仓内充入油液8的油液入口3和将油液8排出的油液出口，油液循环控制系统6通过油液入口3向液压仓内填充油液8，通过油液88出口将液压仓内的油液8排出。

水冷系统11包括冷水管和循环水泵，冷水管埋藏于液压仓内壁，具体在凹模10底部模壁内，冷水管内流通有冷却水，用于冷却成形件，降低成形件温度。

成形装置还包括板料温控系统，板料控温系统4包括温度传感器和电阻丝，温度传感器用于测量成形件的温度，电阻丝用于加热所述成形件，电阻丝分布于液压仓内壁。

通过上述装置成形马氏体钢-碳纤维复合层板5的具体方法见如下实施例：

实施例1

一种马氏体钢复合板结构件的快速充液成形方法，包括以下步骤：

1)马氏体钢表面处理：使用丙酮对0.5mm厚的马氏体钢表面进行清洗除油，喷砂后使用磷化液进行磷化处理。所用磷化液配方为：氧化锌12 g/L，硝酸钠4 g/L，表面活性剂OP-10乳化剂5g/L，表面活性剂十二烷基苯磺酸钠5g/L，通过氢氧化钠及磷酸调节pH为2~4。磷化过程在25℃下进行，磷化液水温选择26℃，磷化时间为10min。

2)铺层：选用0.25mm的碳纤维尼龙预浸料，将表面处理完成的马氏体钢薄板与碳纤维尼龙预浸料采用2/1结构进行铺贴，具体结构为钢/0°/0°/0°/0°/钢。

3)加热及快速转移：将铺贴后的马氏体-碳纤维复合层板5加热至185℃，保温5min，随后使用机械臂将其快速转移至液压仓内，转移时间为2.2s。

4)快速充液成形：向液压仓内放入直径0.425mm AZB425的陶瓷球7，然后通过油液循环控制系统6和油液入口3向液压仓内充入PAO6油液，使油液中陶瓷球7密度为1×10⁶个/m³。充满后使用高能增压器1增加油液压力，使油液对板料（待成型件）进行快速冲压，使板料完全贴模。冲压时，控制应变速率为2×10³ s^-1。

快速充液冲压的具体操作为：在液压仓内填入一定量的陶瓷球7后，通过油液循环控制系统6将油液充入液压仓，期间需保证液压仓壁隔热以及密封性能良好；观察油液循环控制系统6示数，当油液充满液压仓后，使用高能增压器1增加油液和板料压力，对马氏体钢-碳纤维复合层板5进行快速成形，直至完全贴合-凹模10；

5)保压固化：控制高能增压器1进行卸载，在保有0.6MPa压力的条件下对工件进行冷却固化，保压固化时间为5min，降温速率为3℃/s，使碳纤维尼龙预浸料充分冷却结晶。

保压固化的具体操作为：通过高能增压器1控制液压仓卸除压力，观察凹模压力监测系统9示数，至达到设定压力时停止卸载，随即通过水冷系统11对马氏体钢-碳纤维复合层板5进行模冷。保压固化过程中，通过板料控温系统4实时监测板料的温度变化。

6)使用水切割的方式对工件进行裁剪、冲孔，去除毛边。

实施例二：一种马氏体钢复合板结构件的冲击-充液-喷丸一体成形方法包括以下步骤：

1)马氏体钢表面处理：使用丙酮对0.3mm厚的马氏体钢表面进行清洗除油，喷砂后使用磷化液进行磷化处理。所用磷化液配方为：硝酸锌26g/L，氧化锌14g/L，氟化钠8g/L，磷酸310m/L，硝酸镍6g/L，硝酸铜0.03g/L，乙醇7.5g/L，表面活性剂OP-10乳化剂5g/L，表面活性剂十二烷基苯磺酸钠5g/L。磷化过程在25℃下进行，磷化液水温控制住30℃之间，磷化时间为10min。

2)铺层：选用0.15mm的碳纤维增强尼龙预浸料，将表面处理完成的马氏体钢薄板与碳纤维尼龙预浸料采用3/2结构进行铺贴，具体结构为钢/0°/90°/0°/90°钢/90°/0°/90°/0°/钢。

3)加热及快速转移：将铺贴后的马氏体-碳纤维复合层板5加热至190℃，保温3min。随后使用机械臂将其快速转移至充液成形装置中，实际转移时间为2.5s。

4)快速充液冲压：向预先放有直径为0.212mm的AZB210陶瓷球7的液压仓内充入PAO8油液，控制陶瓷球7密度为2×10⁶ m^-3。充满后使用高能增压器1对板料进行快速冲压，使板料完全贴模。冲压时，控制应变速率为2.5×10³ s^-1。

5)保压固化：控制高能增压器1进行卸载，在保有0.7MPa压力的条件下对工件进行冷却固化。保压固化时间为4min，降温速率为4℃/s。

6)使用水切割的方式对工件进行裁剪、冲孔，去除毛边。

实施例三：一种马氏体钢复合板结构件的冲击-充液-喷丸一体成形方法，包括以下步骤：

1)马氏体钢表面处理：使用丙酮对0.2mm厚的马氏体钢表面进行清洗除油，喷砂后使用磷化液进行磷化处理。所用磷化液配方为：氧化锌12 g/L，硝酸钠4 g/L，表面活性剂OP-10乳化剂5g/L，表面活性剂十二烷基苯磺酸钠5g/L，通过氢氧化钠及磷酸调节pH为2~4。磷化过程在25℃下进行，磷化液水温选择26℃，磷化时间为10min。

2)铺层：选用0.125mm的碳纤维尼龙预浸料，将表面处理完成的马氏体钢薄板与碳纤维尼龙预浸料采用4/3结构进行铺贴，具体结构为钢/0°/90°/0°/90°/0°/钢/0°/90°/0°/90°/0°/钢/0°/90°/0°90°/0°/钢。

3)加热及快速转移：将铺贴后的马氏体-碳纤维复合层板5加热至195℃，保温2min。随后使用机械臂将其快速转移至冲床冲压台上，实际转移时间为2.3s。

4)快速充液成形：向预先放有直径为0.6mmAZB600陶瓷球7的液压仓内充入PAO6、PAO8混合油液（混合比例为2：8），控制陶瓷球7密度为3×10⁶ m^-3。充满后使用高能增压器1对板料进行快速冲压，使板料完全贴模。冲压时，控制应变速率为3×10³ s^-1。

5)保压固化：控制高能增压器1进行卸载，在保有0.8MPa压力的条件下对工件进行冷却固化。保压固化时间为3min，降温速率为2℃/s。

6)使用机械切割的方式对工件进行裁剪、冲孔，去除毛边。

图2-图4为采用不同液压仓的成形装置制得的板材。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种马氏体钢复合结构的快速成形方法，其特征在于：包括以下步骤

S01 对马氏体钢表面处理：对马氏体钢薄板表面使用丙酮清洗，喷砂后使用磷化液进行磷化处理；

S02 铺层：马氏体钢薄板与碳纤维增强尼龙预浸料交替铺贴形成马氏体钢-碳纤维复合层板；

S03 加热及快速转移：将马氏体钢-碳纤维复合层板加热后转移至成形装置中；

S04 冲压成形：向成形装置中充入含陶瓷球的油液，使用加压装置对油液和马氏体钢-碳纤维复合层板加压，使油液作用于所述马氏体钢-碳纤维复合层板上；

S05 保压固化：将马氏体钢-碳纤维复合层板所受压力保持在设定值，保压过程中快速冷却马氏体钢-碳纤维复合层板，使马氏体钢-碳纤维复合层板在压力状态下固化和粘接；

保压过程中压力为0.6MPa~0.8MPa，保压时间为3min~5min；

所述马氏体钢-碳纤维复合层板固化过程中冷却速率大于2℃/s；

冲压速率为2×10³ s^-1~3×10³ s^-1；

所述加热及快速转移过程中，马氏体钢-碳纤维复合层板加热至185℃~195 ℃并保温2min~5min后转移至成形装置中；

所述陶瓷球的粒径大小为0.212mm~0.6mm；

所述陶瓷球在油液中的密度为1×10⁶ m^-3~3×10⁶ 个/m³；所用油液闪点大于220℃。

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