CN111136232B - 一种高强度钢材零部件的软区和硬区的获得方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度钢材零部件的软区和硬区的获得方法，包括如下步骤：根据所需钢结构零部件的软区和硬区分布，设计成型模具，所述成型模具包括凸模和凹模，凸模和凹模上对应硬区部分对称嵌置有冷却装置，对应软区部分对称嵌置有镶块；镶块表面熔覆出低导热系数材料层；将钢坯加热至奥氏体状态，并放入到所述成型模具中，通过成型模具控制冷却速度，得到具有软区和硬区的高强度钢材零部件。本发明通过表面涂覆有低导热速率涂层的镶块设计，使成型模具能够实现对钢材组织降温速度的控制，尤其是通过涂层厚度的梯度变化，实现温度的梯度变化，最终实现组织和性能呈梯度变化的软区组织，从而进一步提升钢结构零部件的使用性能，市场前景广阔。

Description

一种高强度钢材零部件的软区和硬区的获得方法
技术领域
本发明涉及汽车零部件成型技术领域，特别是涉及一种高强度钢材零部件的软区和硬区的获得方法。
背景技术
随着节能减排科学发展理念的提出，汽车制造业在保证汽车安全性能的前提下，对汽车进行了轻量化设计，以减轻重量、节约油耗，减少排放。汽车轻量化的有效实现，可通过优化设计、合理选材和用材来实现。其中，车身结构中的安全结构件，要求具有较高的结构强度和较高的撞击吸能性能，其合理设计是实现安全性能和轻量化的关键。
现有汽车零部件轻量化生产线中，采用在成型模具的不同地方加装数量、尺寸等不同的冷却水管，实现钢结构零部件的分段温度控制，从而制备具有不同变硬度区域的部件，实现在保证强度的情况下，提高车体的弯曲刚性和扭转刚性，显著提高部件的加工硬化能力，使车身在发生碰撞时变形量很小，保证了整车的安全性。
但现有采用加装冷却水管的成型模具，其软区要么不加冷却水管，要么控制冷却水管的数量、直径及距离模具表面的距离来实现降温速度的控制，难以实现温度的梯度变化。温度梯度变化可以实现零件软硬区微观组织得到精确控制，从而实现强度的精确控制。现有制备技术无法实现温度的梯度变化控制，从而无法实现钢结构零部件性能的梯度变化。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种高强度钢材零部件的软区和硬区的获得方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高强度钢材零部件的软区和硬区的获得方法，包括如下步骤：
（1）成型模具设计：根据所需钢结构零部件的软区和硬区分布，设计成型模具，所述成型模具包括凸模和凹模，所述凸模和凹模上对应所述硬区部分对称嵌置有冷却装置，对应所述软区部分对称嵌置有镶块；
（2）制备低导热材料层：在每个所述镶块表面熔覆出低导热系数材料层；
（3）加热并梯度冷却成形：将钢坯加热至奥氏体状态，并放入到所述成型模具中，通过成型模具控制冷却速度，得到具有软区和硬区的高强度钢材零部件。
在本发明一个较佳实施例中，所述凸模和凹模上的镶块的数量和分布位置相同。
在本发明一个较佳实施例中，所述低导热系数材料层的厚度相同。
在本发明一个较佳实施例中，所述低导热系数材料层的厚度呈梯度变化分布。
在本发明一个较佳实施例中，所述低导热系数材料层的导热系数为0.3 - 35 W/m.K。
在本发明一个较佳实施例中，所述陶瓷材料层为陶瓷材料层。
在本发明一个较佳实施例中，所述陶瓷材料层的厚度为0.1mm～10mm。
在本发明一个较佳实施例中，所述冷却装置为冷却管道。
在本发明一个较佳实施例中，所述陶瓷材料层的熔覆方法为激光熔覆技术。
本发明的有益效果是：本发明一种高强度钢材零部件的软区和硬区的获得方法，通过表面涂覆有低导热速率涂层的镶块设计，使成型模具能够实现对钢材组织降温速度的控制，尤其是通过涂层厚度的梯度变化，实现温度的梯度变化，最终实现组织和性能呈梯度变化的软区组织，从而进一步提升钢结构零部件的使用性能，市场前景广阔。
附图说明
图1是本发明一种高强度钢材零部件的软区和硬区的获得方法的成型模具的立体结构示意图；
图2是本发明实施例2中镶块表面的陶瓷材料层的梯度变化分布结构示意图；
附图中各部件的标记如下：1.凸模，2.凹模，3.镶块，4.冷却管道，5.钢结构零部件，6.陶瓷材料层，61.第一熔覆区，62.第二熔覆区，63.过度区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1和图2，本发明实施例包括：
本发明揭示了一种高强度钢材零部件的软区和硬区的获得方法，所述钢材零部件包括硬区和至少一个软区，具体制备方法如下：
根据钢结构零部件的硬区和软区的分布，设计成型模具，所述成型模具包括凸模1和凹模2，所述凸模1和凹模2上对应所述硬区部分对称嵌置有冷却装置，所述凸模1和凹模2上对应所述软区部分对称嵌置有镶块3。
具体地，所述冷却装置为冷却管道4，所述凸模1和凹模2上的冷却装置的数量、规格和分布位置相同。
所述凸模1和凹模2上的镶块3的数量和分布位置相同，根据钢结构零部件的软区组织，采用激光熔覆技术，在每个所述镶块3的表面熔覆出低导热系数材料层，其导热系数为0.3 - 35 W/m.K，如陶瓷材料层，并确保位于所述凸模1和凹模2上相同位置处的镶块3表面的陶瓷材料层的厚度分布相同。所述陶瓷材料层的厚度为0.1mm～10mm。陶瓷材料具有很低的导热系数，通过在镶块表面熔覆陶瓷材料层，可以降低钢材料的组织冷却速度，并通过陶瓷材料层厚度的变化，实现对钢材料的组织冷却速度的梯度控制，从而实现软区组织和性能的梯度变化。
比如设计镶块3表面的陶瓷材料层的厚度相同，使软区部分的钢材料的组织和性能相同。设计陶瓷材料层的厚度呈梯度变化分布，使软区部分的钢材料的组织和性能也呈梯度变化。
将用于制备钢材零部件的钢坯加热至奥氏体状态，并放入到所述成型模具中，通过成型模具控制冷却速度，得到具有软区和硬区的高强度钢材零部件5，具体地，位于硬区部分的高强度区域的组织快速冷却到马氏体温度以下，以获得马氏体组织；而位于软区部分低强度区域的组织冷却速度降低，使其获得相应的组织，比如珠光体、下贝氏体等。
实施例1
设计钢材零部件包括硬区和软区，硬区为马氏体组织，软区为珠光体组织。
根据钢结构零部件的硬区和软区的分布，设计成型模具，所述成型模具包括凸模1和凹模2，所述凸模1和凹模2上对应所述硬区部分对称嵌置有冷却管道4，所述凸模1和凹模2上对应所述软区部分对称嵌置有镶块3，并采用激光熔覆技术在每个所述镶块3的表面熔覆出厚度为5mm左右的陶瓷材料层。
将用于制备钢材零部件的钢坯22MnB5加热至奥氏体状态，并放入到所述成型模具中，位于硬区部分的组织快速冷却到马氏体温度以下，获得马氏体组织；位于软区部分低强度区域的组织冷却速度降低，获得相应的珠光体组织。
按照维氏硬度的检测方法及标准，检测软区部分的硬度来验证材料的组织，所得的硬度范围为300～400HV。
实施例2
设计钢材零部件包括硬区和软区，硬区为马氏体组织，软区为铁素体组织和贝氏体组织。
根据钢结构零部件的硬区和软区的分布，设计成型模具，所述成型模具包括凸模1和凹模2，所述凸模1和凹模2上对应所述硬区部分对称嵌置有冷却管道4，所述凸模1和凹模2上对应所述软区部分对称嵌置有镶块3，并采用激光熔覆技术在所述镶块3的表面熔覆出具有厚度为2mm～8mm陶瓷材料层6，具体地，所述陶瓷材料层6包括对应于贝氏体组织的第一熔覆区61，其厚度为2mm，对应于铁素体组织的第二熔覆区，其厚度为8mm，以及位于两个熔覆区之间的平滑过度区63，如图2所示：
将用于制备钢材零部件的钢坯高强钢37MnB4加热至奥氏体状态，并放入到所述成型模具中，位于硬区部分的组织快速冷却到马氏体温度以下，获得马氏体组织；位于软区部分低强度区域的组织冷却速度梯度降低，根据组织的特点，以及陶瓷材料的热导率，对应于2mm厚度陶瓷材料层的第一熔覆层冷却得到贝氏体组织，对应于8mm厚度陶瓷材料层的第一熔覆层冷却得到铁素体组织，对应于过度区为贝氏体和马素体组织的过度区，即获得了具有梯度变化的贝氏体和铁素体组织。
按照维氏硬度的检测方法及标准，检测软区部分的硬度来验证材料的组织，测得贝氏体部分的硬度范围为500-600HV，铁素体部分的硬度范围为60～150HV。
上述部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规试验方法获知。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高强度钢材零部件的软区和硬区的获得方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)成型模具设计：根据所需钢结构零部件的软区和硬区分布，设计成型模具，所述成型模具包括凸模和凹模，所述凸模和凹模上对应所述硬区部分对称嵌置有冷却装置，对应所述软区部分对称嵌置有镶块；
(2)制备低导热材料层：在每个所述镶块表面熔覆出低导热系数材料层；位于所述凸模和凹模上相同位置处的镶块表面的低导热系数材料层的厚度分布相同；所述低导热系数材料层的厚度呈梯度变化分布，实现对钢材料的组织冷却速度的梯度控制，从而实现软区组织和性能的梯度变化；所述低导热系数材料层包括第一熔覆区，第二熔覆区，以及位于两个熔覆区之间的平滑过度区；所述低导热系数材料层的导热系数为0.3-35W/m.K；所述低导热系数材料层为陶瓷材料层，所述陶瓷材料层的熔覆方法为激光熔覆技术，所述陶瓷材料的厚度为0.1mm～10mm；
(3)加热并梯度冷却成形：将钢坯加热至奥氏体状态，并放入到所述成型模具中，通过成型模具控制冷却速度，得到具有软区和硬区的高强度钢材零部件。
2.根据权利要求1所述的一种高强度钢材零部件的软区和硬区的获得方法，其特征在于，所述冷却装置为冷却管道。
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