CN109517946B - 钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法 - Google Patents

钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，包括以下步骤：1）将坯体放入加热炉中保温，进行奥氏体化处理；2）将坯体转移至模具上并压合模具后进行初步淬火，实现粗成形，获得粗成形件；3）打开模具，将粗成形件在空气中冷却，进行配分；4）再次闭合模具进行终淬火后水冷，实现粗成形件的精成形。本发明提供的一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，能够在线高效地实现钢板的冲压成形、淬火及配分三种功能，在保持较高强度的同时提高成形件的塑性和韧性。

Description

钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法
技术领域
本发明属于金属热加工的技术领域，涉及一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法。
背景技术
近年来，为了提高乘用车安全性能，实现节能减排，先进高强钢被大量用作汽车结构件，如前后门防撞杆(梁)、前/后保险杠加强梁、A柱、B柱、C柱、地板中通道、车顶加强梁以及门槛梁。这些结构件都是通过热成形工艺生产的。这些结构件具有全马氏体组织，抗拉强度超过1500MPa，但是其塑性和韧性较差。以B柱为例，若车身发生碰撞，由于其吸能效果差，对乘客的人身安全不利。
目前，Speer等人于2003年在《ActaMaterialia》期刊上提出了通过QP处理在保持钢铁材料较高强度的基础上提高其塑形及韧性的新技术。该技术包括以下步骤：1)将钢板加热到较高温度使其完全奥氏体化或者使其处于两相区；2)然后以较高的冷却速率淬火至某一特定温度，该温度介于Ms与Mf温度之间，该温度决定配分前奥氏体和马氏体两相的体积分数；3)在该温度配分(一步法)或者在较高温度下配分(两步法)一定时间，使碳原子从马氏体扩散进入奥氏体中，稳定奥氏体；4)终淬火，将经过配分处理的样品淬火至室温，未充足配分的奥氏体转变为新马氏体。最终组织由一次马氏体、残留奥氏体和新马氏体构成。残留奥氏体通过TRIP效应提高该样品的塑性及韧性。另外，中国申请公布号CN 101805821A，公开日2010-8-18，记载了一种“钢材冲压成形一体化处理方法”，具体步骤如下：将钢坯加热至奥氏体化温度并热冲压成形；接着对热冲压后的钢坯进行淬火冷却；将冷却后的钢坯进行二次加热处理，然后降温至回火温度，并趁热精冲成形。该专利中的淬火及配分都是在外置的盐浴炉、流动粒子炉或空气炉中实现的。成形件的韧性得到较大提高。然而，上述现有技术的缺点在于：淬火及配分都是在外置的炉子中实现的，需要添加额外的设备，耗费额外的能源。而且需要增加相应的转运设备，占用额外的空间。而且操作工序较为繁琐，影响生产节奏。
发明内容
鉴于以上所述现有技术存在的生产成本及效率上的不足，本发明的目的在于提供一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，无需增加外置的加热炉帮助淬火及配分，无需转移初次成形件，能够利用传统的产线及设备在模具内同时实现钢板的冲压成形、淬火及配分三种功能，在保持较高强度的同时提高成形件的塑性和韧性。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，包括以下步骤：
1)将坯体放入加热炉中保温，进行奥氏体化处理；
2)将坯体转移至模具上并压合模具后进行初步淬火，实现粗成形，获得粗成形件；
3)打开模具，将粗成形件在空气中冷却，进行配分；
4)再次闭合模具进行终淬火后水冷，实现粗成形件的精成形。
优选地，步骤1)中，所述坯体为含碳(C)、锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、硼(B)元素的合金钢板。所述坯体需满足淬火配分处理(Q&P,quenching and partitioning)的技术要求。
更优选地，所述坯体中所含元素的质量百分比(wt％)为：碳0.1-0.4％；锰1.3-2.5％；硅0.2-1.6％；铬≤2.0％；硼≤0.002％。
更优选地，所述钢板为带有防氧化镀层的钢板或不带镀层的裸钢板。
进一步优选地，所述带有防氧化镀层的钢板选用的加热炉为常规使用的感应加热炉。
最优选地，所述钢板的防氧化镀层为铝硅镀层或锌镀层。
进一步优选地，所述不带镀层的裸钢板选用的加热炉为通有氮气作为保护气氛的感应加热炉或真空加热炉。
优选地，步骤1)中，所述保温温度为900-1000℃。更优选地，所述保温温度为950℃。
优选地，步骤1)中，所述保温时间为3-8min。更优选地，所述保温时间为5min，所述保温时间能够使坯体完全奥氏体化。
优选地，步骤2)中，所述坯体从加热炉转移至模具内所需的时间为5-8s。所述坯体转移过程需要足够快速。所述坯体采用机械手进行转移。
优选地，步骤2)中，所述坯体的开始冲压温度的区间为从低于Ar3温度10℃至高于Ar3温度30℃，其中，Ar3温度是冷却过程中奥氏体开始向铁素体转变的温度。所述坯体的开始冲压温度是指坯体转移至模具上并压合模具时的温度。
更优选地，所述坯体的开始冲压温度的区间为高于Ar3温度20-30℃。当转移过程的温降过大时，所述坯体的开始冲压温度低于Ar3温度的数值不能超过10℃。
优选地，步骤2)中，所述坯体开始冲压时，所述坯体的微观组织中铁素体含量≤20％。
优选地，步骤2)中，所述模具为冲压模具。
优选地，步骤2)中，所述模具采用冷却水进行冷却，所述冷却水在压合模具的同时打开。
更优选地，所述冷却水流速为40-50m3/h。
优选地，步骤2)中，所述初次淬火从压合模具开始，直至坯体的温度进入温度区间T1<T<T2，其中，T1>Mf且T2<Ms，T为坯体的温度，Ms为马氏体开始转变温度，Mf为马氏体终止转变温度，T1至T2为Mf到Ms之间的一个温度区间。不同的合金体系其T1、T2值不同，可以根据马氏体转变动力学方程进行计算或者通过实验测得。在T1至T2温度区间内满足粗成形件的微观组织中奥氏体含量为10～30％。
优选地，步骤3)中，所述打开模具的同时，关闭模具的冷却水。
优选地，步骤3)中，所述打开模具时粗成形件的微观组织中奥氏体含量为10～30％。
优选地，步骤3)中，所述粗成形件在空气中冷却的时间为10～60s。所述粗成形件在空气中缓慢冷却，完成配分过程。
所述粗成形件在空气中缓冷进行配分的原理为：其是一种变温配分，将粗成形件用底缸顶起，使粗成形件局部与模具接触，其它部分只与空气接触，降低冷却速率。微观组织中马氏体含量占70～90％，而奥氏体占10～30％，马氏体中的碳原子处于过饱和状态，在驱动力作用下从马氏体向奥氏体中扩散从而稳定奥氏体。坯体在模具内进行初次淬火时，由于不同部位与模具接触状态不同，导致冷却速率不同，因此在同一时刻不同位置处的温度存在差异。如图1所示，粗成形件法兰位置及角部位置处冷速最快，而侧壁位置由于接触状态较差，冷速较慢。粗成形件法兰及角部位置通过模具淬火配分的示意图如图2所示，该位置处温度与红外测温仪监测的温度十分接近，抬起上模具开始配分时粗成形件微观组织中奥氏体含量满足10-30％的要求，在空冷过程中有相对较多的碳原子配分进入这部分奥氏体。侧壁位置通过模具淬火配分的示意图如图3所示，抬起上模具时该部位温度高于红外测温仪监测的温度，甚至高于马氏体开始转变温度即Ms温度，在随后空冷过程中侧壁位置可能发生贝氏体转变，也能实现碳原子向奥氏体中配分以稳定奥氏体。
优选地，步骤2)或3)中，所述坯体的温度采用红外测温仪进行测定。
优选地，步骤4)中，所述粗成形件在再次闭合模具时，进行终淬火的温度区间为(Mf-10)<T<(Mf+10)，其中，T为粗成形件的温度，Mf为奥氏体向马氏体转变的终止转变温度。当温度低于该温度区间时碳原子的扩散速率相对较低，配分效果较弱。因此当粗成形件温度进入该温度区间时再次闭合模具，打开冷却水进行水冷，实现精成形。
优选地，步骤4)中，所述水冷是将终淬火后粗成形件进行水冷却至室温。上述室温为20-25℃。
如上所述，本发明提供的一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，无需增加外置的加热炉帮助淬火及配分，无需转移初次成形件，能够利用传统的产线及设备在模具内在线高效地实现钢板的冲压成形、淬火及配分三种功能，在保持较高强度的同时提高成形件的塑性和韧性。
附图说明
图1显示为本发明中的冲压件的代表性位置示意图。
图2显示为本发明中的冲压件的法兰及角部位置模内淬火及配分示意图。
图3显示为本发明中的冲压件的侧壁位置模内淬火及配分部分示意图。
图4显示为本发明中的一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指相对压力。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或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的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明中实施例使用的坯体为含碳(C)、锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、硼(B)元素的合金钢板。所述坯体需满足淬火配分处理(Q&P,quenching and partitioning)的技术要求。具体来说，所述坯体中所含元素的质量百分比(wt％)为：碳0.1-0.4％；锰1.3-2.5％；硅0.2-1.6％；铬≤2.0％；硼≤0.002％。
实施例1
将坯体进行冲裁，坯体为不带镀层的裸钢板，坯体中含0.2C-1.3Mn-1.5Si-0.005B(wt％)。
将冲裁好的坯体放入感应加热炉，炉内通入氮气进行保护，在950℃保温5分钟，使其完全奥氏体化。
然后，用机械手将奥氏体化后的坯体在5-8s迅速转移到冲压模具上，用红外测温仪监测到开始冲压时坯体的温度为860℃，高于其Ar3温度。闭合模具并打开冷却水，进行初步淬火，实现粗成形，同时用红外测温仪监测该粗成形件可见位置处的温度，当温度下降到330-360℃时完成初步淬火，关闭模具的冷却水。
抬起上模具，将粗成形件在空气中冷却，进行配分。通过红外测温仪监测到模具刚抬起后整个粗成形件温度分布在330-420℃范围内。粗成形件的法兰及角部位置温度偏低，侧壁温度偏高。随时间延长，冲压件的温度缓慢降低，完成配分过程。
当粗成形件在空气中冷却20～30s后，再次闭合模具进行终淬火后，打开冷却水进行水冷，实现精成形，具体方法过程见图4。精冲后的样品尺寸满足冲压件要求，其微观组织由马氏体、贝氏体及残余奥氏体组成，奥氏体含量在4-8％之间。该冲压件抗拉强度在1300-1500MPa之间，延伸率在9-11％之间。
实施例2
上述实施例1中坯体在模具内进行初次淬火时，由于不同部位与模具接触状态不同，导致冷却速率不同，因此在同一时刻不同位置处的温度存在差异。通过红外测温仪监测到模具刚抬起后粗成形件法兰位置及角部位置温度在330-350℃范围内，而侧壁位置温度在350-420℃范围内。粗成形件法兰及角部位置通过模具淬火配分的示意图如图2所示，在空冷过程中有相对较多的碳原子从马氏体配分进入奥氏体。侧壁位置通过模具淬火配分的示意图如图3所示，该部位温度偏高，局部区域温度高于马氏体开始转变温度即Ms温度，在随后空冷过程中发生贝氏体转变，也能实现碳原子向奥氏体中配分以稳定奥氏体。实验结果显示，侧壁位置处抗拉强度比法兰位置低大约30-60MPa，延伸率与法兰位置相近。
实施例3
所用坯体材料及奥氏体化处理工艺皆与实施例1中相同。奥氏体化后，用机械手将红热的坯体在6-7s迅速转移到冲压模具上，用红外测温仪监测到开始冲压时坯体的温度为850℃，略高于其Ar3温度。闭合模具并打开冷却水，进行初步淬火，实现粗成形，同时用红外测温仪监测该粗成形件可见位置处的温度，当温度下降到300-330℃时完成初步淬火，关闭模具的冷却水。
抬起上模具，将粗成形件在空气中冷却，进行配分。通过红外测温仪监测到模具刚抬起后整个粗成形件温度分布在300-380℃范围内。粗成形件的法兰及角部位置温度偏低，侧壁温度偏高。随时间延长，冲压件的温度缓慢降低，完成配分过程。
当粗成形件在空气中冷却10～20s后，再次闭合模具进行终淬火后，打开冷却水进行水冷，实现精成形，具体方法过程见图4。精冲后的样品尺寸满足冲压件要求，其微观组织由马氏体、贝氏体及残余奥氏体组成，奥氏体含量在7-10％之间。该冲压件抗拉强度在1300-1500MPa之间，延伸率在9％-12％之间。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，包括以下步骤：
1)将坯体放入加热炉中保温，进行奥氏体化处理；
2)将坯体转移至模具上并压合模具后进行初步淬火，实现粗成形，获得粗成形件；
3)打开模具，将粗成形件在空气中冷却，进行配分；
4)再次闭合模具进行终淬火后水冷，实现粗成形件的精成形；
步骤4)中，所述粗成形件在再次闭合模具时，进行终淬火的温度区间为(Mf-10)<T<(Mf+10)，其中，T为粗成形件的温度，Mf为奥氏体向马氏体转变的终止转变温度。
2.根据权利要求1所述的一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，其特征在于，步骤1)中，所述坯体为含碳、锰、硅、铬、硼元素的合金钢板。
3.根据权利要求1所述的一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，其特征在于，步骤1)中，所述保温温度为900-1000℃；所述保温时间为3-8min。
4.根据权利要求1所述的一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，其特征在于，步骤2)中，所述坯体从加热炉转移至模具内所需的时间为5-8s。
5.根据权利要求1所述的一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，其特征在于，步骤2)中，所述坯体的开始冲压温度的区间为从低于Ar3温度10℃至高于Ar3温度30℃，其中，Ar3温度是冷却过程中奥氏体开始向铁素体转变的温度。
6.根据权利要求1所述的一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，其特征在于，步骤2)中，所述初步 淬火从压合模具开始，直至坯体的温度进入温度区间T1<T<T2，其中，T1>Mf且T2<Ms，T为坯体的温度，Ms为马氏体开始转变温度，Mf为马氏体终止转变温度，T1至T2为Mf到Ms之间的一个温度区间。
7.根据权利要求1所述的一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，其特征在于，步骤3)中，所述打开模具时粗成形件的微观组织中奥氏体含量为10～30％。
8.根据权利要求1所述的一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，其特征在于，步骤3)中，所述粗成形件在空气中冷却的时间为10～60s。
9.根据权利要求1所述的一种钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法，其特征在于，步骤4)中，所述水冷是将终淬火后粗成形件进行水冷却至室温。
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