CN113198928A

CN113198928A - 一种强度2GPa和强塑积达到20GPa%的热冲压成形部件及其制造方法

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Publication number: CN113198928A
Application number: CN202110450261.3A
Authority: CN
Inventors: 朱国辉; 丁汉林; 陈其伟
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2021-04-25
Filing date: 2021-04-25
Publication date: 2021-08-03

Abstract

本发明涉及材料工艺技术领域，具体涉及一种强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件及其制造方法，包括以下步骤：通过合金元素Cr增强钢材的淬透性和碳化物的稳定性，增强后钢材的成分体系中各成分的重量百分数如下：碳为0.27～0.32％，铬为1.2～2.0％，锰为1.5～2.0％，硅为0.3～0.5％，其余为Fe和杂质元素，将增强后的钢材进行冷轧得到冷轧板，将冷轧板的加热后冷却至室温，将经过冷轧退火的冷轧板加热后进行热冲压成形，得到成品部件，这种强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件及其制造方法，解决了现有的冲压工艺无法在低碳低合金的条件下得到高强度和强塑积的成形部件的问题。

Description

一种强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件及其制造方法

技术领域

本发明涉及材料工艺技术领域，具体涉及一种强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件及其制造方法。

背景技术

超高强度汽车部件是实现汽车轻量化的材料支撑，研究显示，汽车每减重10％，油耗可降低6％-8％，因此汽车轻量化是节能减排最有效的措施，车身重量占整车重量的40％左右，车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用。通过超高强度实现汽车材料的轻量化对于降低燃油消耗，保护环境具有显著的社会和经济意义。随着新能源汽车的迅猛发展，汽车轻量化直接影响了续航里程，对于推动新能源汽车的技术进步和市场占有率具有十分重大的作用。然而，需要强调的是汽车的轻量化必须以保证安全性为基础。材料的强塑积反映了材料在变形过程中的吸能效果，是汽车安全性的保证。这就要求汽车材料，特别是作为驾驶舱的支撑材料一方面具有超高的强度来抵御汽车碰撞时的作用力，同时还必须能够具有良好的强塑积来确保部件具有良好的吸能效果，从而最大可能地保证乘员的安全。因此，高强塑积成为评价汽车部件的重要指标。

以ArcelorMittal为代表，研究开发了热冲压成形技术。通过添加合金元素B提高普通C-Mn钢的淬透性，通过专有的热冲压成形工艺，在热冲压成形过程中通过淬火得到马氏体，而实现汽车部件的超高强度。目前典型的热冲压成形钢为22MnB5，经过热冲压成形后，汽车部件的抗拉强度可以达到1500MPa。但其塑性伸长率仅为5～7％，从而导致强塑积偏低，仅为～10GPa％。随着对汽车工业的发展，特别是新能源汽车的需求，对汽车部件的轻量化提出了更高的要求。通过成分和热冲压成形工艺的优化，更加进一步提高汽车部件的强度，能够达到2GPa的抗拉强度已成为新的研究和开发的热点。中国发明专利ZL202011060494.4“一种汽车冲压件用钢及其制备方法、汽车冲压件”公开了在22MnB5的基础上通过增加含碳量，并添加合金元素Mo/Cr/Ti，显著降低Ms点和Mf点，进而提升热冲压件显微组织中的残余奥氏体含量，使得冲压成形部件的抗拉强度可以达到1617～1977MPa，延伸率为9.1～11.4％。中国发明专利ZL202010658666.1“一种1800MPa级热冲压成形用冷轧钢生产方法”公开了一种超高强度的热冲压成形冷轧钢板的生产方法，其成分设计依然是在22MnB5的基础上，通过提高C的含量和添加Cr/Ti合金元素提高了钢的强度，但是其塑性伸长率没有得到提高，只能达到6～6.5％。中国发明专利ZL202010173441.7“铌钒复合微合金化热成形钢及其生产、热冲压成形方法”公开了通过Nb/V/Ti的微合金化形成微合金第二相粒子，利用晶粒细化来提高材料的性能，提高最终热冲压成形部件的抗拉强度为1500～1700MPa，伸长率达到8～10％。中国发明专利ZL201310335780.0“一种基于Q&P一步法的热冲压成形工艺”公开了Q&P热处理工艺和热冲压工艺的集成工艺技术，以热冲压成形过程中的配分提高钢的塑性。论文“热冲压成形钢的强度与塑性及断裂应变”(金属学报V56(2020),N4,p429)采用了0.34％的高碳设计，同时进行高的V(0.11～0.3％)合金化，通过VC的析出提高了钢的强度和塑性，实现了抗拉强度2GPa和塑性伸长率8％。在上述的技术路线中，主要是在22MnB5的基础上通过提高钢的含碳量和合金元素来提高钢的强度，强度达到2GPa时，含碳量一般超过0.3％。这种方法尽管提高了钢的强度，但是不能有效提高钢的塑性，而且会导致钢的焊接性能显著降低。高的合金元素可以减少马氏体的含碳量是钢的塑性有所增加，但是，将导致汽车部件的合金成本增加。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的冲压工艺无法在低碳低合金的条件下得到高强度和强塑积的成形部件的问题，提供了一种强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件及其制造方法。

为了实现上述目的，本发明公开了一种强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件的制造法方法，包括以下步骤：

S1：通过合金元素Cr增强钢材的淬透性和碳化物的稳定性，增强后钢材的成分体系中各成分的重量百分数如下：碳为0.27～0.32％，铬为1.2～2.0％，锰为1.5～2.0％，硅为0.3～0.5％，其余为Fe和杂质元素；

S2：将经过步骤S1增强后的钢材进行冷轧得到冷轧板，将冷轧板的加热后冷却至室温；

S3：将步骤S2中经过冷轧退火的冷轧板加热后进行热冲压成形，得到成品部件。

所述步骤S2中冷轧过程的总压缩比大于2。

所述步骤S2中冷轧板加热后温度为800～900℃，保温时间为3～5min。

所述步骤S2中冷却方式为空冷，冷却速度为5～10℃/s，先冷却至300～400℃，保温6～10min后冷却至室温，保证贝氏体形成和第二相碳化物粒子的析出。

所述步骤S2中经过冷却后冷轧板组织组成相为贝氏体组织。

所述步骤S3中的加热温度为890～930℃，保温时间为5～10min，保证钢中具有足够的固溶含碳量(0.20～0.22wt％)以获得高强度的板条马氏体。

所述步骤S3中热冲压成形采用热冲压成形试验机进行，冲模的下行速度为70mm/s，保压时间为30s，保压压力为20MPa，水泵的通水水压为0.8Pa，水管中水的流速大于0.7m/s，冲压和保压过程中始终保持通水状态。

Cr提高了奥氏体的稳定性，从而增强了钢的淬透性；同时Cr作为中强碳化物形成元素，导致钢中碳化物的分解激活能增加以及碳的扩散速度的降低，从而增加了碳化物的稳定性。利用优化合金设计和冷轧退火工艺，使冷轧连退板的微观组织组成相主要为贝氏体组织，其中的碳化物主要是粒状碳化物；通过热冲压成形过程加热过程的优化设计，利用冷轧连退板的组织遗传性，保留一部分未溶的碳化物第二相粒子，以保证钢中固溶含碳量为0.20～0.22wt％，从而经热冲压成形淬火后得到高强度并具有良好塑性的板条马氏体；同时具备未溶的碳化物第二相粒子作为弥散强化相提高强度，实现了热冲压成形汽车部件的增强增塑。

本发明还公开了一种采用上述制造方法制得的强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明针对以现有工业生产装备技术条件的冷轧连退工艺技术路线，通过合理成分设计，改变汽车冷轧板连退板的微观结构；以此为基础与热冲压成形工艺相耦合，利用热冲压成形过程中组织遗传性的特点，通过调控残留碳化物粒子的体积分数、固溶含碳量以及马氏体形态性质的协同作用，在低碳低合金设计的条件下得到抗拉强度2GPa，塑性伸长率达到约10％的超高强度，并兼具良好强塑积的汽车部件的新的技术路线。

附图说明

图1为冷轧板加热至850℃保温3min后空冷至360℃保温10分钟的微观组织；

图2为实施例1的实验样品的微观组织的马氏体形貌及渗碳体第二相粒子；

图3为实施例1的实验样品的碳化物形貌；

图4为碳化物粒子的EDS分析；

图5为碳化物粒子的EDS分析。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例1

选用0.027％C-1.8％Mn-1.5％Cr-0.3％Si实验用钢，采用4mm厚度的热轧板，冷轧至2mm。将冷轧板加热至850℃保温3min后空冷至360℃保温10min，随后空冷至室温，其微观组织主要为贝氏体，如图1所示。将冷轧板加热至890℃，保温5min后，移入热冲压成形试验机进行热冲压成形，冲模以最大的下行速度70mm/s冲压，保压时间为30s，保压的压力20MPa，水泵的通水水压为0.8MPa，水管中水的流速大于0.7m/s，在冲压和保压过程中始终通水。最终实验样品的微观组织为板条马氏体以及细小的渗碳体第二相粒子。微观组织的马氏体形貌如图2所示。碳化物的形貌如图3所示，图4和图5所示分别为图3中谱图182和谱图183所对应的碳化物的EDS成分分析结果，表明显微组织中第二相粒子以含Cr的渗碳体为主。利用Zwick拉伸实验机进行单向拉伸实验，根据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》加工成薄板状的标准比例试样，标距L0选择为30mm。拉伸实验的实验速度为2mm/min。实验结果表明抗拉强度为1998MPa，伸长率11.6％，强塑积23GPa％。其强度已接近2GPa，而强塑积显著优于22MnB5(～7GPa％)。

实施例2

选用0.027％C-1.8％Mn-1.5％Cr-0.3Si实验用钢，采用4.5mm厚度的热轧板，冷轧至2mm。将冷轧板加热至830℃保温3min后空冷至350℃保温12分钟，随后空冷至室温，其微观组织主要为贝氏体，其微观组织形貌与实施例1相似。将冷轧连退板加热至900℃，保温5min后，移入热冲压成形试验机进行热冲压成形。冲模以最大的下行速度70mm/s冲压，保压时间为30s，保压的压力20MPa，水泵的通水水压为0.8MPa，水管中水的流速大于0.7m/s，在冲压和保压过程中始终通水。最终实验样品的微观组织为板条马氏体以及细小的碳化物第二相粒子。马氏体形貌与碳化物粒子形貌特征与实施例1相似。利用Zwick拉伸实验机进行单向拉伸实验，根据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》加工成薄板状的标准比例试样，标距L0选择为30mm。拉伸实验的实验速度为2mm/min。实验结果表明，其抗拉强度为1980MPa，伸长率11.8％，强塑积23.3GPa％。

实施例3

选用0.028％C-1.7％Mn-1.4％Cr-0.3Si实验用钢，采用5mm厚度的热轧板，冷轧至1.9mm。将冷轧板加热至860℃保温3min后空冷至370℃保温9分钟，随后空冷至室温，其微观组织主要为贝氏体，其微观组织形貌与实施例1相似。将冷轧连退板加热至910℃，保温5分钟后，移入热冲压成形试验机进行热冲压成形。冲模以最大的下行速度70mm/s冲压，保压时间为30s，保压的压力20MPa，水泵的通水水压为0.8MPa，水管中水的流速大于0.7m/s，在冲压和保压过程中始终通水。最终实验样品的微观组织为板条马氏体以及细小的碳化物第二相粒子，骑行貌特征与实施例1相似。利用Zwick拉伸实验机进行单向拉伸实验，根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》加工成薄板状的标准比例试样，标距L0选择为30mm。拉伸实验的实验速度为2mm/min。实验结果表明，其抗拉强度为2001MPa，伸长率11.2％，强塑积22.4GPa％。

综上所述，本发明将改变汽车冷轧板连退板的微观结构与热冲压成形工艺相耦合，利用热冲压成形过程中组织遗传性的特点，通过调控残留碳化物粒子的体积分数、固溶含碳量以及马氏体形态性质的协同作用，在含碳量较低时，抗拉强度度达到了2GPa，塑性也较高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中冷轧过程的总压缩比大于2。

3.如权利要求1所述的一种强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中冷轧板加热后温度为800～900℃，保温时间为3～5min。

4.如权利要求1所述的一种强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中冷却方式为空冷，冷却速度为5～10℃/s，先冷却至300～400℃，保温6～10min后冷却至室温。

5.如权利要求1所述的一种强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中经过冷却后冷轧板组织组成相为贝氏体组织。

6.如权利要求1所述的一种强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中的加热温度为890～930℃，保温时间为5～10min。

7.如权利要求1所述的一种强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中热冲压成形采用热冲压成形试验机进行，冲模的下行速度为70mm/s，保压时间为30s，保压压力为20MPa，水泵的通水水压为0.8Pa，水管中水的流速大于0.7m/s，冲压和保压过程中始终保持通水状态。

8.一种采用如权利要求1～7任一项所述的制造方法制得的强度2GPa和强塑积达到20GPa％的热冲压成形部件。