CN116329356A - 一种高强钢零件热冲压成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高强钢零件热冲压成形方法，解决钢板零件兼顾强度和塑性的问题。热冲压成形方法包含如下步骤：加热板料至完全奥氏体化并快速预冷；二次加热保温：将经过预冷的板料再次保温，温度为500～800℃，时间为30～180s，使板料进入扩散相变区，部分奥氏体转变为铁素体或贝氏体(软相)，此时板料成形性好、变形抗力小；快速转运至模具并成形淬火，此时剩余的奥氏体转变为马氏体(硬相)，实现零件强度的增加；最后打开模具，取出零件。本发明调控热成形工艺中的温度和时间，能够满足零件强度和塑性的双重指标，控制形成软相和硬相的成分比例，能够实现对于最终零件强度和延伸率的精确控制。

Description

一种高强钢零件热冲压成形方法

技术领域

本发明涉及钢板热成形技术领域，具体为一种高强钢零件热冲压成形方法。

背景技术

随着国家节能减排的指标不断提高，对汽车轻量化的要求也更加苛刻。汽车自重每减轻10％，燃油车节省燃油消耗6～8％，电动车减少电耗约5.5％。高强钢和超高强钢是实现汽车轻量化的重要途径，但是随着材料强度的上升，钢板在室温成形时有复杂部件难以成形、回弹大、模具磨损严重等缺点，为了克服这些缺点，热冲压成形技术逐渐发展，并应用到汽车零部件的生产制造中。

目前的热成形工艺为钢板经过高温奥氏体化后，快速转运到带有冷却系统的模具中进行模压淬火，经过适当的保压时间后取出，在此过程中，钢板经过淬火后形成马氏体组织，从而获得高的强度，经过激光切割后应用于汽车车身结构件。但是这种热冲压工艺得到的高强度成形零件往往塑性较差，延伸率一般不超过8％，使汽车在碰撞过程中零部件吸能效果不足，经过小变形就会断裂失效，制约了超高强钢在汽车行业的应用。一些零部件在服役过程中需要强度保证安全性的同时，也需要高韧性保证良好的吸能效果，即兼顾强度和塑性指标，如B柱加强件、鞍座底板等。

现有的获得高强度和高塑性热成形零件的方法主要有改进材料和调整工艺两类方法。公开号为CN113106338A的一种超高强度高塑性热冲压成形钢的制备方法，在热成形工艺不作改变的基础上，通过材料的成分和组织设计，改善钢的淬透性和塑性，这往往需要在基体中添加大量的合金元素，会带来成本的不可控。

公开号为CN102806259B的提高汽车零件强度与塑性的热成形方法，在热成形后二次加热低温回火。公开号为CN109517946B的钢材热冲压及模具内淬火配分一体化处理方法以及公开号为CN107326163B的一种贝氏体区等温+热冲压变形生产先进高强钢的方法，借鉴淬火分配工艺，通过亚稳残余奥氏体实现塑性的提高，但是对于强度和塑性的准确控制未有考虑。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种高强钢零件热冲压成形方法，解决钢板零件兼顾强度和塑性的问题，实现最终构件强度和延伸率的组合，且成形后的零件综合性能好，成本减少，效率提高。

本发明提供一种高强钢零件热冲压成形方法，所述方法通过如下步骤实现：

S1、加热奥氏体化：将板料进行加热和保温；使板材奥氏体化；

S2、快速预冷：将奥氏体化的板料进行预冷；冷却速度≥45℃/s，冷却时间为1～12s；

S3、二次加热保温：将经过预冷的板料再次保温；

S4、转运：将经过二次加热保温的板料快速转运至模具上；

S5、成形淬火：模具合模，合模后板料冷却，完成模压淬火。

步骤S2中，所述预冷条件为：冷却速度≥45℃/s，冷却时间为1～12s。快速预冷后的材料仍处于奥氏体区，若冷却速度过快或冷却时间过长，材料将转变为马氏体，在此状态下材料过硬而无法成形。

步骤S1中，加热温度为875～950℃，保温4～10min。根据所需成形零件确定毛坯板料，将板料进行加热和保温，使板料完全奥氏体化。加热温度高于950℃，板材奥氏体晶粒明显粗化，淬火后形成板条粗大的马氏体，延伸性不好。温度低于875℃板材奥氏体时间长，奥氏体晶粒长大，淬火后形成粗大的板条马氏体组织，延伸率下降。保温时间小于3min，板材表面和心部奥氏体化温度不均匀，淬火后形成晶粒混杂马氏体组织，性能较差。保温时间高于10min，板体奥氏体晶粒粗化，淬火后板材性能降低。

步骤S3中，保温温度为500～800℃，保温时间为30～180s。将经过预冷的板料再次保温，保温温度为500～800℃，保温时间为30～180s；使板料进入扩散相变区，其中的部分奥氏体转变为铁素体或贝氏体(软相)，此时板料成形性好、变形抗力小。

步骤S3中，二次加热保温用加热炉加热，或用盐浴加热。

步骤S4中，所述转运的时间≤2s。

步骤S5中：合模压力≥20MPa，合模后板料冷却速率≥2℃/s，完成模压淬火。此时剩余的奥氏体转变为马氏体(硬相)，实现零件强度的增加。最后打开模具，取出零件。

通过调控等温转变温度和时间可以调控组织中软相和硬相的混合比例，从而实现最终零件强度和塑性的准确控制。

S2中设有冷却气体喷头，对于无镀层钢板，冷却气体为氮气，在冷却腔内进行；对于有镀层的钢板，冷却气体为空气，在空气环境进行。

通过本发明所述的制备方法制备的钢板也属于本发明的保护范围。

通过钢板在汽车零件制备中的应用也属于本发明的保护范围。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：

1)本发明通过在热成形工艺中形成铁素体或贝氏体的软相，成形淬火时剩余奥氏体转变为马氏体硬相，能够满足零件强度和塑性的双重指标。

2)本发明通过调控工艺中的温度和时间，控制转变为软相和硬相的成分比例，能够实现对于最终零件强度和延伸率的精确控制。

3)本发明通过在现有的热冲压工艺线上添加或改进形成预冷和二次加热保温过程，易于实现，降低成本。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式中实施例1成形方法的实施过程示意图。

图2是本发明的具体实施方式中实施例5成形方法的实施过程示意图。

图3是本发明的具体实施方式中实施例6一体式可移动第一加热炉位置A示意图。

图4是本发明的具体实施方式中实施例7一体式可移动第一加热炉位置B示意图。

图5是本发明的具体实施方式中形成铁素体的温度时间曲线图。

图6是本发明的具体实施方式中形成贝氏体的温度时间曲线图。

图7是本发明的具体实施方式中对比例的温度时间曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。

下面结合具体实施例和图1-图7对本发明作进一步描述。

下述实施例中所用的钢板材料为22MnB5，厚度为1.6mm。

实施例1

参见图1，本实施例提供一种高强钢零件热冲压成形方法，包括以下步骤：

步骤一、加热奥氏体化：将板料放入加热炉中，加热温度为900℃，保温4min，使板料完全奥氏体化；

步骤二、快速预冷：将板料从加热炉中取出，在空气中快速吹气，预冷时间为2s；冷却速度45℃/s；

步骤三、二次加热保温：将经过预冷的板料快速转运至另一加热炉，设置加热温度为700℃，保温时间为30s，此时板料中的部分奥氏体转变为铁素体；

步骤四、转运：将经过二次加热保温的板料快速转运至模具上，其中，转运时间≤2s，开始成形的温度为695℃；

步骤五、成形淬火：模具合模，并且模压淬火。最后打开模具，取出零件，其中，合模压力≥20MPa，合模后板料冷却速率≥2℃/s，最后打开模具，取出零件。

参见图5，初始板料经过高温奥氏体化后，在二次加热保温过程中部分转变为铁素体，在成形淬火过程中剩余奥氏体转变为马氏体，部分转变为贝氏体，形成软相和硬相的混合组织。通过以上步骤，得到兼具强度和塑性指标的零件。

实施例2

本实施例步骤与实施例1相同，实施例1步骤三中的加热温度改变为600℃，保温时间为30s；步骤四中，开始成形的温度为595℃，此时相对于实施例1，有更多的奥氏体转变为铁素体，最终零件中的软相成分比例增大，塑性提高。

实施例3

本实施例步骤与实施例1相同，实施例1步骤三中的加热温度改变为500℃，保温时间为50s；步骤四中，开始成形的温度为495℃。

参见图6，初始板料经过高温奥氏体化后，在二次加热保温过程中部分转变为转变为下贝氏体，零件在奥氏体与贝氏体的混合组织下成形，贝氏体保留到最终零件中，剩余奥氏体在成形淬火过程中转变为马氏体，最终达到强度和塑性的双重指标。

实施例4

本实施例步骤与实施例3相同，步骤三中的加热温度为500℃，保温时间为80s，此时奥氏体转变为下贝氏体，且贝氏体成分比例增大，相应的最终零件的塑性相比于实施例3有所提高。

下述实施例(实施例5、实施例6、实施例7)为采用其他不同工艺设备实现本发明的具体实施方式。

实施例5

参见图2，本实施例包括以下步骤：

步骤一、加热奥氏体化：将板料放入加热炉中，加热温度为900℃，保温4min，使板料完全奥氏体化；

步骤二、快速预冷：将板料从加热炉中取出，在空气中快速吹气，预冷时间为2s；冷却速度45℃/s；

步骤三、二次加热保温：将板料从加热炉中取出，立刻放入盐浴中，板料在盐浴中快速冷却至设定温度，盐浴温度为700℃，保温时间为30s，此时板料中的部分奥氏体转变为铁素体；

步骤四、转运：将板料从盐浴中快速转运至模具上；所述转运时间≤2s，开始成形的温度为695℃；

步骤五、模具合模，合模压力≥20MPa，合模后板料冷却速率≥2℃/s，完成模压淬火。最后打开模具，取出零件。

通过以上步骤，得到兼具强度和塑性指标的零件。

盐浴能够实现本发明的快速预冷和二次加热保温步骤的效果，控制盐浴温度和时间即可控制板料转变为软相的成分和比例。

实施例6

参见图3，本实施例包括以下步骤：

步骤一、加热奥氏体化：板料放入一体式可移动式加热炉的第一加热炉中，加热温度为900℃，保温4min，使板料完全奥氏体化；

步骤二、快速预冷：板料随传送带移动到冷却通道，氮气冷却，时间为2s；

步骤三、二次加热保温：经过预冷的板料随传送带移动到一体式可移动式加热炉的第二加热炉中，参见图3，一体式可移动加热炉中第一加热炉和第二加热炉位于位置A。设置加热温度为700℃，保温时间为30s，此时板料中的部分奥氏体转变为铁素体；

步骤四、转运：将经过二次加热保温的板料快速转运至模具上；所述转运时间≤2s，开始成形的温度为695℃；

步骤五、成形淬火：模具合模，并且模压淬火。最后打开模具，取出零件。

通过以上步骤，得到兼具强度和塑性指标的零件。

实施例7

参见图4，本实施例步骤与实施例6相同，增大实施例6中一体式可移动式加热炉的第一加热炉和第二加热炉的相对位置，参见图4，一体式可移动加热炉中第一加热炉和第二加热炉位于位置B。板料传送带运动速度不变，从而板料在经历了更长时间的快速预冷，可以降低到更低的温度。并设置第二加热炉的加热温度为600℃，保温时间为30s，开始成形的温度为595℃，相比于实施例6此时有更多的奥氏体转变为铁素体，相应的最终零件的塑性有所提高。

对比例1

本对比例为传统的热冲压成形工艺，包括以下步骤：

步骤一、加热奥氏体化：将板料放入加热炉中，加热温度为900℃，保温4min，使板料完全奥氏体化；

步骤二、转运：将奥氏体化后的板料快速转运至模具上；其中，转运时间≤2s，开始成形的温度为550℃；

步骤三、成形淬火：模具合模，并且模压淬火。最后打开模具，取出零件，其中合模压力≥20MPa，合模后板料冷却速率≥2℃/s。

参见图7，初始板料经过高温奥氏体化后，在成形淬火过程中奥氏体完全转变为马氏体，最终得到高强度零件。

对比例2

本对比例与对比例1的区别在于，步骤一中，加热温度为950℃。

对比例3

本对比例与对比例1的区别在于，步骤一中，加热温度为1000℃。

性能测试

对本发明各实施例和对比例制备的产品进行力学性能测试，根据ASTM E8/E8M标准从成形得到的零件中通过线切割的方式截取单向拉伸试样，使用千分尺测量试样的宽度和厚度并记录，在力学性能试验机进行单向拉伸实验，测试其抗拉强度/Mpa和总延伸率/％。

表1为实施例中不同工艺参数下最终零件的力学性能指标。

按本发明的统一热冲压成形方法的实施例零件，从表1的结果来看，相对于对比例中传统热冲压零件塑性差的问题，本发明统一热冲压成形方法的最终零件强度和塑性的双重指标得到满足，并且通过调控工艺路径中的加热温度和保温时间，可以准确控制零件的抗拉强度和总延伸率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种高强钢零件热冲压成形方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、加热奥氏体化：将板料进行加热和保温，使板材奥氏体化；

S2、快速预冷：将奥氏体化的板料进行预冷；冷却速度≥45℃/s，冷却时间为1～12s；

S3、二次加热保温：将经过预冷的板料再次保温；

S4、转运：将经过二次加热保温的板料快速转运至模具上；

S5、成形淬火：模具合模，合模后板料冷却，完成模压淬火。

2.根据权利要求1所述高强钢零件热冲压成形方法，其特征在于，步骤S1中，加热温度为875～950℃，保温4～10min。

3.根据权利要求1所述高强钢零件热冲压成形方法，其特征在于，步骤S3中，保温温度为500～800℃，保温时间为30～180s。

4.根据权利要求1所述高强钢零件热冲压成形方法，其特征在于，步骤S4中，所述转运的时间≤2s。

5.根据权利要求1所述高强钢零件热冲压成形方法，其特征在于，步骤S3中二次加热保温用加热炉加热，或用盐浴加热。

6.根据权利要求1所述高强钢零件热冲压成形方法，其特征在于，步骤S5中，合模压力≥20MPa，合模后板料冷却速率≥2℃、s。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的方法制备的钢板。

8.一种如权利要求7所述的钢板在制备汽车零件中的应用。

Images