CN110777298A - 双相高强钢空心零件用钢及其热胀形成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高强钢零件制备领域，特别涉及一种双相高强钢空心零件用钢及其热胀形成形工艺。本发明设计了低碳低合金管坯成分，通过热胀形的方式对管坯进行塑性成形，并通过模具淬火制成具有铁素体+马氏体的双相微观组织的高强钢空心零件。本发明工艺技术设计合理，产品成本低，可同时完成成形和淬火两道重要工序，可实现高强度中空零件的生产；在汽车轻量化生产领域有广泛的应用推广价值。

Description

双相高强钢空心零件用钢及其热胀形成形工艺

（一）技术领域

本发明涉及高强钢零件制备领域，特别涉及一种双相高强钢空心零件用钢及其热胀形成形工艺。

（二）背景技术

从现代汽车的设计、制造、使用和市场要求看，动力性能、安全、节能与环保仍然是首要的问题，由此，车体轻量化、外形多样化、功能高性能化以及制造低成本化在不断推动现代汽车技术的发展。钢材占车体总重量的70%左右，汽车的轻量化和高安全性要求汽车用钢向高强高韧化方向发展。交通事故中车辆损毁是导致人员伤亡的一个非常重要原因，随着我国汽车保有量的增加，汽车的安全性问题日益受到重视。因此，轻量化应以安全性为前提，要求零部件具有足够的强度和加工硬化性能。

热冲压成形是一种生产超高强钢零部件的先进生产方法，冲压成形和淬火冷却同时完成，可以生产出冷冲压难以实现的强度在1500MPa以上的高强钢汽车零部件，已经在实际生产中得到广泛的应用。

除了提高钢材本身强度之外，实现轻量化的另一个主要途径就是在结构上采用“以空代实”的方法，使用变截面等强度、等刚度空心构件替代传统的实心构件，既可以减轻重量、节约材料，又可以充分利用材料的刚度。

内高压胀形是以轻量化和一体化为特征开发出来的一种空心变截面轻体构件的先进制造技术，它能够大大提高生产效率，针对内高压成形的研究也越来越受到国内外汽车轻量化相关领域的关注，具有良好的发展前景。目前，已经有很多内高压成形技术应用于汽车制造业，如车辆的副车架、仪表盘支架、散热器以及引擎支架等。

超高强钢内高压胀形对设备要求较高，需要提供500MPa以上的内压，设备成本昂贵。并且，高强钢冷成形回弹较大，残余应力较高，对于零件的尺寸精度影响较大，还易造成零件在服役过程中的失稳现象。这大大限制了超高强钢空心零件在汽车轻量化领域的应用。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种成形精度高、零件强度高、工艺简单且设备成本低的双相高强钢空心零件用钢及其热胀形成形工艺。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种双相高强钢空心零件用钢，以钢管为成形坯料，该管坯的成分为：

C 0.1-0.4%、Mn 0.5-2.0%、Si≤1.0%、Nb≤1.0%、Ti≤1.0%、Al≤0.4%、P+S≤0.01%、Cr1.0-5.0%、Mo≤1.0%，其余为铁和冶炼条件下产生的杂质；成形后零件的强度不小于800MPa。

上述管坯的成分配比优选如下：

C 0.2-0.3%、Mn 1.0-2.0%、Si≤0.5%、Nb≤0.5%、Ti≤0.8%、Al≤0.3%、P+S≤0.01%、Cr1.0-3.0%、Mo≤0.5%，其余为铁和冶炼条件下产生的杂质；成形后零件的强度不小于1000MPa。

本发明设计了低碳低合金管坯成分，通过热胀形的方式对管坯进行塑性成形，并通过模具淬火制成具有铁素体+马氏体双相微观组织的高强钢空心零件。

本发明双相高强钢空心零件用钢的热胀形成形工艺，包括如下步骤：

（1）钢管放入中频感应线圈，以50-200℃/s的加热速率加热至750-900℃，并保温5-45s；

（2）模具预先闭合加热至200-350℃，打开模具，将钢管移送至成形下模中，闭合两侧锥形密封冲头，闭合热胀形上模；

（3）以0.5-10MPa/s的增压速率向钢管中通入氩气，最高内压为50-100MPa，冲头以0.5-5mm/s的速率进给，钢管与模具和气体进行热交换完成淬火，并通过冲头进给与内压加载，完成成形过程；

（4）成形零件在模具中保压并保温，时间为5-50s；

（5）卸载高压气体，退出冲头，垂直打开上模，取出成形后的零件；

（6）截取一段零件试样，进行机械性能测试和微观组织观察，并对成形后的零件进行尺寸检测，要求其管壁厚公差不大于0.5mm；

（7）闭合上下模具，并通入氩气，通过闭环自动温度控制系统，调节模具温度恢复至200-350℃。

本发明的更优技术方案为：

步骤（1）中，钢管以100-200℃/s的加热速率加热至750-800℃，并保温5-30s。

步骤（2）中，模具预先闭合加热至200-300℃。

步骤（3）中，以2-5MPa/s的增压速率向钢管中通入氩气，最高内压为50-80MPa，冲头以0.5-3mm/s的速率进给。

步骤（6）中，空心零件的微观组织为铁素体+马氏体双相组织。

本发明通过中频感应线圈对管坯进行加热，成型模具预先闭合加热，管坯加热至指定温度后，打开模具，将管坯运送至预先加热的模具中；闭合模具，通过锥形冲头将管坯两端密封，并通入高压氩气，使管坯和模具完全贴合；在冲头进给和内压增压的双重作用下，完成热胀形成形；零件成形后，在模具中保温一段时间，得到具有铁素体+马氏体的双相高强钢微观组织；打开模具，取出零件并进行质量检验。

本发明提供了一种能够在热胀形后，提高空心零件强度的钢管成分设计，同时提供了一种生产超高强钢空心零件的热胀形成形工艺，还提供了一种能够生产具有铁素体+马氏体双相组织高强钢空心零件的热胀形冷却制度。

本发明中，钢管在加热时的微观组织为奥氏体+铁素体两相，在模具中成形时，经模具和高压氩气冷却，组织转变为马氏体+铁素体，钢管在模具中保温时，马氏体发生过时效现象，有助于降低零件的屈强比，在服役过程中，可以体现出良好的加工硬化性能，并吸收碰撞时的能量，增加车辆的安全性。

本发明工艺技术设计合理，产品成本低，可同时完成成形和淬火两道重要工序，可实现高强度中空零件的生产；在汽车轻量化生产领域有广泛的应用推广价值。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为实施例1热胀形成形零件在扫描电镜下的微观组织照片；

图2为实施例1热胀形成形零件在透射电镜下的微观组织照片；

图3为实施例2热胀形成形零件在扫描电镜下的微观组织照片；

图4为实施例2热胀形成形零件在透射电镜下的微观组织照片。

（五）具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明提供两种技术方案，双相高强钢空心零件用钢及热胀形成形工艺，具体包括以下实施例：

实施例1：

步骤一、选择合金含量为C 0.2%，Si 0.42%，Mn 1.52%，Nb 0.2%，Ti 0.5%，Al 0.3%，P+S≤0.01%，Cr 2.0%，Mo≤1.0%，余量为Fe的管坯。管坯直径为30mm，壁厚1.5mm，经冷轧制成，室温条件下，组织为铁素体+珠光体。在中频感应线圈中加热至780℃，加热速率为100℃/s，保温10s；

步骤二、成形模具闭合加热至250℃，抬起上模，通过自动夹持装置，将钢管运送至下模中，下模温度为250℃，立即闭合上模，两侧冲头在液压缸的驱动下，迅速封闭管坯，其中一侧冲头设置有增压孔，用于输送高压氩气；

步骤三、以5MPa/s的速率冲入高压氩气，内压增至30MPa时，两端冲头开始以0.5mm/s的速率向内挤压管坯；

步骤四、内压增至60MPa时，冲头停止运动，并开始保压保温，时间为10s；

步骤五、卸载高压气体，退出锥形冲头，垂直打开上模，取出零件。闭合上模，通过冲头向模具中通入氩气，用于冷却成形时造成的模具温升；

步骤六、在成形后的零件上截取试样，并进行拉伸性能测试和微观组织观察。另外，测量零件的壁厚分布，保证零件各位置的壁厚公差小于等于0.1mm。

经热胀形成形后的零件，如附图1和2所示的微观组织中，马氏体体积分数为50%，强度为1080MPa，屈强比0.52，延伸率为15%。

实施例2：

步骤一、选择合金含量为C 0.25%，Si 0.35%，Mn 1.42%，Nb 0.3%，Ti 0.5%，Al 0.3%，P+S≤0.01%，Cr 4.0%，Mo≤1.0%，余量为Fe的管坯。管坯直径为20mm，壁厚2mm，经冷轧制成，室温条件组织为铁素体+珠光体。在中频感应线圈中加热至800℃，加热速率为200℃/s，保温5s；

步骤二、成形模具闭合加热至200℃，抬起上模，通过自动夹持装置，将钢管运送至下模中，下模温度为200℃，立即闭合上模，两侧冲头在液压缸的驱动下，迅速封闭管坯，其中一侧冲头设置有增压孔，用于输送高压氩气；

步骤三、以5MPa/s的速率冲入高压氩气，内压增至10MPa时，两端冲头开始以1.0mm/s的速率向内挤压管坯；

步骤四、内压增至40MPa时，冲头停止运动，并开始保压保温，时间为20s；

步骤五、卸载高压气体，推出锥形冲头，垂直打开上模，取出零件。闭合上模，通过冲头向模具中通入氩气，用于冷却成形时造成的模具温升；

步骤六、在成形后的零件上截取试样，并进行拉伸性能测试和微观组织观察。另外，测量零件的壁厚分布，保证零件各位置的壁厚公差小于等于0.1mm。

经热胀形成形后的零件，如附图3和4所示的微观组织中，马氏体体积分数为70%，强度为1500MPa，屈强比0.68，延伸率为6%。

采用实施例1和2所述空心零件热胀形成形工艺的优点案例，具体案例如下：

案例1：热胀形成形仪表盘支架与铸造或锻造实心零件相比，其优点为，重量减轻40%，加工效率提升60%，强度提高30%；与内高压冷成形相比，零件内部残余应力减少50%，成形壁厚更均匀，壁厚公差小于0.1mm，延伸率增加5%。该案例流程短，减少大量焊接工序，产品可靠性高，成本低。

案例2：热胀形成形副车架与铸造零件相比，其优点为，降低回弹量30%，成形精度更高，延伸率增加2%，可以吸收更多的碰撞能量，零件中残余应力低，提高了服役寿命。铁素体+马氏体的微观组织，具有更好的韧性，在低温条件下，安全性更高。

热胀形成形是通过高压气体作用于热态金属管内壁，迫使金属发生塑性变形，最后和模具贴合而成形的一种塑性加工方法。经过加热的管坯在较低的内压下，便可以完成较大的塑性变形；管坯与模具贴合过程中，完成淬火冷却过程，奥氏体转变为马氏体，能够大幅提高零件的强度。铁素体+马氏体的双相微观组织，具有良好的塑性和韧性，屈强比低，加工硬化性能好，可以吸收碰撞过程中大量的能量，保证车辆的安全性。本发明具有广泛的应用范畴，特别适用于高强度钢空心零件的塑性成形，在汽车轻量化领域有广泛应用前景。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双相高强钢空心零件用钢，其特征在于：以钢管为成形坯料，该管坯的成分为，C0.1-0.4%、Mn 0.5-2.0%、Si≤1.0%、Nb≤1.0%、Ti≤1.0%、Al≤0.4%、P+S≤0.01%、Cr 1.0-5.0%、Mo≤1.0%，其余为铁和冶炼条件下产生的杂质；成形后零件的强度不小于800MPa。

2.根据权利要求1所述的双相高强钢空心零件用钢，其特征在于：所述管坯的成分为，C0.2-0.3%、Mn 1.0-2.0%、Si≤0.5%、Nb≤0.5%、Ti≤0.8%、Al≤0.3%、P+S≤0.01%、Cr 1.0-3.0%、Mo≤0.5%，其余为铁和冶炼条件下产生的杂质；成形后零件的强度不小于1000MPa。

3.根据权利要求1所述的双相高强钢空心零件用钢的热胀形成形工艺，其特征为，包括如下步骤：（1）钢管放入中频感应线圈，以50-200℃/s的加热速率加热至750-900℃，并保温5-45s；（2）模具预先闭合加热至200-350℃，打开模具，将钢管移送至成形下模中，闭合两侧锥形密封冲头，闭合热胀形上模；（3）以0.5-10MPa/s的增压速率向钢管中通入氩气，最高内压为50-100MPa，冲头以0.5-5mm/s的速率进给，钢管与模具内壁及气体进行热交换完成淬火，并通过冲头进给与内压加载，完成成形过程；（4）成形零件在模具中保压并保温，时间为5-50s；（5）卸载高压气体，退出冲头，垂直打开上模，取出成形后的零件；（6）截取一段零件试样，进行机械性能测试和微观组织观察，并对成形后的零件进行尺寸检测，要求其管壁厚公差不大于0.5mm；（7）闭合上下模具，并通入氩气，对模具进行温度调节。

4.根据权利要求3所述的双相高强钢空心零件用钢的热胀形成形工艺，其特征在于：步骤（1）中，钢管以100-200℃/s的加热速率加热至750-800℃，并保温5-30s。

5.根据权利要求3所述的双相高强钢空心零件用钢的热胀形成形工艺，其特征在于：步骤（2）中，模具预先闭合加热至200-300℃。

6.根据权利要求3所述的双相高强钢空心零件用钢的热胀形成形工艺，其特征在于：步骤（3）中，以2-5MPa/s的增压速率向钢管中通入氩气，最高内压为50-80MPa，冲头以0.5-3mm/s的速率进给。

7.根据权利要求3所述的双相高强钢空心零件用钢的热胀形成形工艺，其特征在于：步骤（6）中，空心零件的微观组织为铁素体+马氏体双相组织。

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