CN114309069B - 中锰钢的亚温成形方法及其制备的中锰钢和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于温冲压成形领域，具体涉及一种中锰钢的亚温成形方法，具体包括以下步骤：1)将切削后的中锰钢铸锭加热至900～1200℃保温1～1.5h，进行奥氏体区热轧，空冷；2)把热轧后的中锰钢板料加热至600℃～730℃两相区，保温3‑5min；3)将中锰钢板料快速移至冲压模具，在600℃～730℃两相区进行冲压成形；4)冲压成形后冷却并保压30‑50s，得到中锰钢成形件。本发明提供的中锰钢在工业应用的亚温成形方法，该方法提高了冲压件表面质量，降低了制造成本，且工艺流程简单便于操作，制备的冲压件具有较高的强度和良好的塑性，在汽车产业方面应用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及温冲压成形领域，具体涉及一种中锰钢的亚温成形方法及其制备的中锰钢和应用，尤其涉及一种应用于汽车行业上的中锰钢构件的亚温成形方法及其中锰钢成形件。
背景技术
近年来，随着环境保护以及能源方面的问题日益严重，节能减排是汽车行业可持续发展的必由之路。汽车轻量化是汽车行业实现节能减排的有效途径之一,也是当前和未来汽车技术发展的主要方向之一。先进高强钢冲压件能在保证安全性的基础上实现汽车轻量化的要求。随着对车辆安全性认识的提高，发现一味的提高冲压件的强度并不能保证安全性，兼具高强度和高塑性的高强塑积钢构件能够大幅度提高车辆的安全性。因此，探究新的成形工艺和研发新的钢铁材料成为汽车安全结构件材料新的发展方向。中锰钢具有多相、亚温、多尺度结构，能够兼具高强度和高塑性，近年来逐步在汽车冲压件上取得了应用。
目前中锰钢冲压工艺，如图2所示，主要为奥氏体化退火+冲压成形，虽然取得了一定的应用，但是仍然存在一些问题：(1)奥氏体化温度较高，导致冲压件表面有较厚的氧化层，表面质量较差；(2)为了提高中锰钢冲压件的强度，往往在较高的温度冲压成形，虽然强度很高，但是塑性较差；(3)为了提高塑性，往往要在冲压成形后进行逆相变退火处理，来提高塑性，保证材料较高的强塑积，这样又会导致生产流程变长，生产成本增加。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种中锰钢的亚温成形方法，旨在克服现有成形的中锰钢冲压件表面质量差的缺陷，同时解决现有中锰钢冲压件强度高、塑性差或者塑性高、强度差的问题。
本发明主要利用亚温成形技术，保证中锰钢在两相区进行冲压成形，制备兼具高强度、高塑性的中锰钢冲压件。该方法降低了冲压成形温度，同时无需进行后续热处理，使得冲压件表面质量高，综合性能优良，且制造成本低，能够同时满足汽车行业轻量化和安全性的要求。
除上述之外，本发明还提供了一种基于上述中锰钢的亚温成形方法而制备的兼具高强度和高塑性的中锰钢成形件，以及利用该中锰钢成形件应用于汽车行业上，尤其应用于汽车的安全结构件上，实现汽车轻量化的要求。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术手段如下：
中锰钢的亚温成形方法，包括以下步骤：
S1.奥氏体区热轧：将切削后的中锰钢铸锭加热至900～1200℃,保温1h～1.5h，进行奥氏体区热轧，空冷至室温；
S2.两相区加热：将轧制处理后的中锰钢板料剪切成结构件坯料，并放置加热炉内加热到至600℃～730℃，保温3-5min；
S3.冲压成形：将两相区加热处理后的坯料快速转移至冲压模具中，确保在600℃～730℃的范围内进行冲压成形；
S4.保压淬火：将冲压件随模进行保压淬火，淬火冷却速率≥5℃/s，保压时间为30s-50s。
进一步的，所述步骤S1中，中锰钢铸锭的化学成分质量百分比为：C：0.05-0.2％；Mn：3-7％，P≤0.015％；S≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步的，所述步骤S2中，加热炉内的升温速率≥0.5℃/s。
进一步的，所述步骤S3中，在冲压成形过程中，采用测温设备对冲压件的整体温度进行跟踪测定，保证温度的准确性。
进一步的，所述步骤S4中，淬火冷却速率为5℃/s～100℃/s。
优选地，所述步骤S3中，在坯料快速转移过程中，保证转移过程耗时0-5s，温度降低控制在0-10℃。坯料快速转移中耗时要短，降温要小，这是保证坯料在双相区600℃～730℃的范围内冲压成形的核心要素。低于或高于这个600℃～730℃的范围内成形，坯料的内部组织就不会形成双相组织，而是最终会形成单相组织。因此，这个快速转移过程必须要进行保证。
与现有技术相比，本发明采用中锰钢亚温成形方法，冲压前的钢板为铁素体+奥氏体双相组织，在双相区(Ac1-Ac3之间)冲压成形时，铁素体动态再结晶和奥氏体逆相变同时发生，最终形成铁素体和奥氏体的双相组织，能够获得兼具高强度和高塑性的中锰钢冲压件。
基于上述方法，本发明还提供了一种高强度和高塑性的中锰钢成形件，该中锰钢成形件是采用上述的中锰钢的亚温成形方法制备而成。
进一步的，制备而成的中锰钢成形件的抗拉强度为1100-1500MPa，屈服强度为550-1000MPa，延伸率为28-50％，强塑积为30-50GPa*％。
优选地，所述中锰钢成形件的微观组织包括：铁素体和奥氏体，其中，铁素体的体积百分比为70-90％，奥氏体的体积百分比为10-30％。
由于制成的中锰钢成形件兼具高强度和高塑性的特点，本发明将制成的中锰钢成形件应用于汽车安全结构件上，满足汽车轻量化的要求，同时能够大幅度提高车辆的安全性。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)与其它中锰TRIP钢相比，无需添加额外的其他合金元素，成料成本低；
(2)与热成形钢相比，亚温成形中锰钢具有更低的加热温度和成形温度，表面质量高，同时更加节能环保，有利于降低生产成本；
(3)亚温成形得到的中锰钢包括铁素体和奥氏体两相组织，无需后续热处理，能够直接获得兼具高强度、高塑性的中锰钢冲压件，能够提高生产效率，降低制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中锰钢的亚温成形方法工艺流程图；
图2为传统热冲压工艺流程图；
图3为本发明实施例1-3冲压后中锰钢板的XRD图；
图4为本发明实施例5中锰钢冲压成形件的工程应力应变曲线图；
图5为本发明实施例5中锰钢冲压成形件的SEM组织图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于目前中锰钢的冲压工艺仍然存在一些问题，如表面质量差、强度高而塑性差等等缺陷。为此，本申请的发明人发现通过在两相区冲压成形，使得材料成形完成后获得双相组织，从而达到对中锰钢的强韧匹配优化目的。最终，使得采用本发明的成形工艺获得比传统成形工艺具有更好的强塑积。由此说明，本发明与现有工艺在奥氏体区进行冲压成形思路有显著不同。
本发明的设计思想和原理如下：本发明采用的两相区加热，要求加热温度为600℃-730℃，保温3-5min，目的是使得材料的显微组织为铁素体和奥氏体双相组织。这里需要说明的是，由文献“J.Shi,H.F.Xu,J.Zhao,W.Q.Cao,C.Wang,C.Y.Wang,J.Li,H.Dong,Effect of austenization temperature on the microstructure evolution of themedium manganese steel(0.2C-5Mn)during ART-annealing,Acta Metall.Sin.-Engl.Lett.25(2)(2012)111-123”可知，两相区存在的温度范围实际为：580℃-740℃左右。因此，在600℃-730℃加热可保证材料压缩时为两相组织。
具体地说，通过将钢板加热到两相区保温，获得铁素体奥氏体的双相组织，对其进行冲压成形，一方面材料发生变形、动态再结晶，晶粒细化，材料的强度显著提高；另一方面，材料在两相区成形，始终保持双相组织，最终冷却后保留了较多的残余奥氏体，材料的塑性、韧性很高，从而可以实现在轻微降低强度的条件下，大幅度提高材料的塑韧性，能够很好的优化材料的强韧性。
下面结合附图和实施例对其技术方案进行详细说明。
如图1所示，中锰钢的亚温成形方法，包括以下步骤：
S1.奥氏体区热轧：将切削后的中锰钢铸锭加热至900～1200℃,保温1h～1.5h，进行奥氏体区热轧，空冷至室温；其中，在步骤S1中，中锰钢铸锭的化学成分质量百分比为：C：0.05-0.2％；Mn：3-7％，P≤0.015％；S≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。
S2.两相区加热：将轧制处理后的中锰钢板料剪切成结构件坯料，并放置加热炉内加热到至600℃～730℃，保温3-5min；其中，在步骤S2中，加热炉内的升温速率≥0.5℃/s。
S3.冲压成形：将两相区加热处理后的坯料快速转移至冲压模具中，在坯料快速转移过程中，耗时5s以内，温度降低控制在10℃以内，确保在600℃～730℃的范围内进行冲压成形；其中，在步骤S3中，在冲压成形过程中，采用测温设备对冲压件的整体温度实时进行跟踪测定，保证温度的准确性的同时。
S4.保压淬火：将冲压件随模进行保压淬火，淬火冷却速率≥5℃/s，保压时间为30s-50s。其中，淬火冷却速率可选择为5℃/s～100℃/s中的任意一个速率。
鉴于上述的技术方案，本发明的实施方案如下：
实施例1-3
其中，实施例1采用的是传统工艺，实施例2采用的是亚温成形工艺，实施例3采用的是低温成形工艺。
(1)首先对坯料取样进行化学成分分析，测试结果为0.15C(质量百分比，下同)、Mn：5％、P：0.015％、S：0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
(2)对坯料进行切削，随后加热至1100℃保温1h，进行奥氏体区热轧，获得厚度2mm的轧板，空冷至室温。
(3)根据冲压件尺寸的要求，将板料裁剪成设定的尺寸，并放到加热炉内，以1℃/s升温至850℃(传统工艺)、700℃(亚温成形工艺)、550℃(低温成形工艺)，保温4min。
(4)将加热保温处理后的中锰钢钢板，采用机械手快速转移至冲压模具中，耗时5s，降温至840℃(传统工艺)、692℃(亚温成形工艺)、543℃
(低温成形工艺)，随后设定冲压参数，进行冲压成形。
(5)冲压成形后，对中锰钢工件进行保压，保压时间40s，同时随模进行淬火，淬火冷却速度为10℃/s，随后取出进行空冷至室温。
(6)从传统工艺、亚温成形工艺和低温成形工艺三种工艺冲压成形件上分别取样，加工成标准拉伸试样，测试拉伸力学性能，测试结果如表1所示。
表1：实施例1-3中锰钢采用本发明亚温成形工艺与传统成形工艺、低温成形工艺力学性能对比
从实验测试结果来看，本实施例采用亚温成形工艺的情况下，材料强度降低不大，延伸率大幅提高，从而亚温成形的强塑积明显优于另外两种工艺。对三种不同成形工艺下的冲压成形件样品的横截面进行XRD测试，见图3，可以确定亚温成形最终组织为铁素体+奥氏体双相组织，而传统工艺、低温成形工艺组织为单相组织。
实施例4
(1)首先对坯料取样进行化学成分分析，测试结果为0.15C(质量百分比，下同)、Mn：5％、P：0.015％、S：0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
(2)对坯料进行切削，随后加热至900℃保温1.5h，进行奥氏体区热轧，获得厚度2.4mm的轧板，空冷至室温。
(3)根据冲压件尺寸的要求，将板料裁剪成设定的尺寸，并放到加热炉内，以0.5℃/s升温至610℃，保温3min。
(4)将加热保温处理后的中锰钢钢板，采用机械手快速转移至冲压模具中，耗时2s，降温至600℃，随后设定冲压参数，进行冲压成形。
(5)冲压成形后，对中锰钢工件进行保压，保压时间30s，同时随模进行淬火，淬火冷却速度为5℃/s，随后取出进行空冷至室温。
(6)将实施例4下成形的冲压件从三个区域分别取样，进行标准拉伸试验，测试结果如表2所示。
表2：实施例4中锰钢力学性能
实施例5
(1)首先对坯料取样进行化学成分分析，测试结果为0.15C(质量百分比，下同)、Mn：5％、P：0.015％、S：0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
(2)对坯料进行切削，随后加热至1200℃保温1h，进行奥氏体区热轧，获得厚度2.5mm的轧板，空冷至室温。
(3)根据冲压件尺寸的要求，将板料裁剪成设定的尺寸，并放到加热炉内，以5℃/s升温至730℃，保温5min。
(4)将加热保温处理后的中锰钢钢板，采用机械手快速转移至冲压模具中，耗时3s，降温至720℃，随后设定冲压参数，进行冲压成形。
(5)冲压成形后，对中锰钢工件进行保压，保压时间50s，同时随模进行淬火，淬火冷却速度为100℃/s，随后取出进行空冷至室温。
将实施例5下成形的冲压件从三个区域分别取样，进行标准拉伸试验，获得工程应力-应变曲线和力学性能。工程应力-应变曲线关系如图4所示，抗拉强度达到1120MPa，屈服强度达到600MPa，延伸率约为28％，强塑积为31.36GPa*％；可见，实施例5得到的中锰钢构件同时兼具高强度和高延伸率。对样品横截面微观组织表征，其SEM组织图见图5，可以确定其最终组织为铁素体+奥氏体双相组织。其中，铁素体的体积百分比为88％，奥氏体的体积百分比为12％。
由于实施例1-5制成的中锰钢成形件兼具高强度和高塑性的特点，本发明将制成的中锰钢成形件应用于汽车安全结构件上，满足汽车轻量化的要求，同时能够大幅度提高车辆的安全性。
最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (8)
1.中锰钢的亚温成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.奥氏体区热轧：将切削后的中锰钢铸锭加热至900～1200℃,保温1h～1.5h，进行奥氏体区热轧，空冷至室温；所述中锰钢铸锭的化学成分质量百分比为：C：0.05-0.2％，Mn：3-7％，P≤0.015％，S≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质；
S2.两相区加热：将轧制处理后的中锰钢板料剪切成结构件坯料，并放置加热炉内加热到至600℃～730℃，保温3-5min；
S3.冲压成形：将两相区加热处理后的坯料快速转移至冲压模具中，确保在600℃～730℃的范围内进行冲压成形；其中，在坯料快速转移过程中，保证转移过程耗时0-5s，温度降低控制在0-10℃；
S4.保压淬火：将冲压件随模进行保压淬火，淬火冷却速率≥5℃/s，保压时间为30s-50s。
2.根据权利要求1所述的中锰钢的亚温成形方法，其特征在于：所述步骤S2中，加热炉内的升温速率≥0.5℃/s。
3.根据权利要求1所述的中锰钢的亚温成形方法，其特征在于：所述步骤S3中，在冲压成形过程中，采用测温设备对冲压件的整体温度进行跟踪测定，保证温度的准确性。
4.根据权利要求1所述的中锰钢的亚温成形方法，其特征在于：所述步骤S4中，淬火冷却速率为5℃/s～100℃/s。
5.高强度和高塑性的中锰钢成形件，其特征在于，采用权利要求1-4任意一项所述的中锰钢的亚温成形方法制备而成。
6.根据权利要求5所述的中锰钢成形件，其特征在于，所述中锰钢成形件的抗拉强度为1100-1500MPa，屈服强度为550-1000MPa，延伸率为28-45％，强塑积为30-50GPa*％。
7.根据权利要求6所述的中锰钢成形件，其特征在于，所述中锰钢成形件的微观组织包括：铁素体和奥氏体，其中，铁素体的体积百分比为70-90％，奥氏体的体积百分比为10-30％。
8.采用权利要求5制成的中锰钢成形件应用于汽车安全结构件上。
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