CN1698993A - 温热或热成形产品的生产方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种方法，其中当钢板通过用冲床和冲模拉延进行温热或热成形以制备成形产品时，在根据钢板的加热温度控制成形开始温度时成形该钢板。用这种方法，当钢板进行温热或热成形时，在形成期间没有出现破裂、裂纹等的情况下，获得良好的可成形性，也获得具有良好延展性的成形产品。
Description
技术领域
本发明涉及，在生产主要应用于汽车车身上的钢板成形产品的领域中，用于生产成形产品的方法以及通过该生产方法获得的成形产品，所述生产方法是将作为原材料的钢板(坯体)加热到不低于奥氏体和铁素体的形成温度(Ac1转变温度)并且使该加热钢板进行压制成形。具体而言，本发明涉及用于生产成形产品的方法以及该方法的成形产品，所述生产方法保证在压制成形期间不引起破裂、裂纹等情况下具有良好的可成形性。
背景技术
在汽车零件领域，提高零件材料强度旨在确保碰撞安全性并同时减小重量。那些零件通常通过压制成形钢板进行制造。然而，当冷成形用于高强度钢板时，尤其是如果超过980MPa，材料则几乎不能成形。
鉴于上述情况，人们已经对在加热状态下形成钢板材料的热成形技术进行了研究。例如，作为这些技术之一，JP-A-102980/2002提出使用较低温度的压制成套工具在加热到850～1050℃的状态下对金属材料进行成形的技术。据说该技术改善了金属材料的可成形性，也防止了由残余应力引起的延迟断裂的出现。当尤其是抗张强度为1470MPa等级的高强度钢板用作材料时，该技术可以获得具有相应强度和良好尺寸精度的零件，而所述高强度钢板认为是几乎不能通过传统冷成形方法成形的。
图1是说明性示意图，它示出了应用如上所述的热成形(下面有时称为“热冲压”)的成套工具的构造。在该图中，标记数字1表示冲床，2表示冲模，3表示坯体支架，4表示钢板(材料)；标记符号BHF表示坯体的夹持力，rp表示冲床轴肩半径，rd表示冲模轴肩半径，而CL表示冲床与冲模之间的间隙。这里，在那些成形零件中，冲床1与冲模2如此配置是为了分别形成冷却剂(例如，水)可以穿过的通道1a和2a，并且这些零件可以通过穿过这些通道的冷却剂进行冷却。
当用这种成套工具进行热冲压(例如，热深冲压)时，坯体(钢板4)加热到不低于Ac3转变温度的温度并软化时开始成形。即，当高温钢板4固定在冲模2与坯体支架3之间时，钢板4压入带有冲床1的冲模2的孔中，钢板4的外径减小，同时钢板4形成与冲床1的外面形状一致的形状。其间，在成形的同时通过冷却冲床和冲模，钢板4的热量转到成套工具(冲床和冲模)中，并且在成形中通过在下死点(bottom dead center)进一步冷却和保持材料，该材料变硬。通过应用这种成形方法，可以获得具有良好尺寸精度的1470MPa等级的零件，而且与对具有相同强度等级的零件进行冷成形的情况相比，所需成形负荷可以减少，因此压床容量可以减少。
然而，因为已加热坯体接触成套工具时的时机根据已加热坯体的部位(sites)而变化，因而在坯体中出现温差，并且因此可能在坯体中出现由温差引起的材料强度的不均匀性。尤其是在需求坯体支架的深冲压的情况下，夹持在坯体支架与冲模之间的坯体边缘部分的温度在形成过程中迅速地降低。因为材料的流动应力随着这种温度下降而增加，因此在成形期间该材料趋向于破裂。因此，问题在于即使当坯体有意地加热并软化时，也因为上述原因而不能应用深冲压。
此外，在传统热成形中，由于坯体一旦加热到不低于Ac3转变温度的温度，因此成形产品的微观结构就变成大部分由马氏体结构组成的结构，这是由于成形之后由成套工具导致的快速冷却引起的。结果，可以获得具有1470MPa或更大超高强度的零件，但是，因为零件的微观结构是由马氏体组成的，因此零件的延展性较差。这种情况意味着零件在一些情况下可能有破裂的可能性，例如，当汽车碰撞发生时，零件会变形。当零件破裂时，零件此刻不能吸收碰撞力，因而可能增加对乘客的伤害。为此，可以说由热冲压成形的零件总是没有广泛应用的，并且目前状态是不能充分地利用高强度和良好尺寸精度这两方面的优点。
发明内容
本发明是鉴于上述情况建立的，而且本发明目的是提供：通过热冲压制备成形产品的方法，当钢板进行热或冷成形时，通过在成形过程中不出现破裂和裂纹的情况下确保良好的成型性和良好的延展性，从而使该成形产品具有更宽的应用范围；以及能表现上列优点的成形产品。
根据本发明实现上述目的的温热或热成形产品的生产方法的一个方面包括如下步骤：使钢板加热到不低于Ac1转变温度的温度；将钢板冷却到某一温度范围，所述温度范围是从高于钢板的马氏体转变开始温度Ms点到低于根据加热温度确定的温度；以及使用冲床和冲模形成冷却钢板。
在该生产方法的方面，优选钢板在加热步骤中加热到这样的温度范围：从不低于Ac1转变温度到低于Ac3转变温度；并且根据加热温度确定的温度满足下列表达式(1)：
成形开始温度(℃)≤0.725×钢板的加热温度(℃) (1)。
另外，在生产方法方面，优选在加热步骤中钢板加热到不低于Ac3转变温度的温度；并且根据加热温度确定的温度为600℃。
此外，在生产方法方面，当钢板温度高于温度Ms点时，优选完成使用冲床和冲模形成冷却钢板的步骤。
此外，在生产方法方面，当钢板在使用冲床和冲模形成冷却钢板的步骤中形成时，可能使用坯体支架。
通过本发明的方面，因为当钢板是热成形或温热成形时，成形开始温度根据钢板的加热温度控制，所以在成形期间不出现破裂和裂纹的情况下可以确保有良好的成型性，因此可以生产表现出良好延展性的成形产品，由此可期望拓宽钢板的应用范围。
本发明的其它以及另外其它目的、特征以及优点将从以下描述中更充分地表现出来。
附图说明
图1是示出用于热成形的成套工具构造的说明性示意图。
图2是示出先前开发的成套工具构造的说明性示意图。
图3是示出成形开始温度及加热温度对于流动应力影响的图。
图4是示出断裂应力超过流动应力时成形温度与加热温度之间关系的图。
图5是说明性地示出成合格成形产品外观的透视图。
图6是示出成形产品的冷却开始温度与维氏硬度(在9.8N负荷下)之间关系的图。
图7是通过整理与铁素体分数相关的成形产品的拉伸强度和总伸长率形成的图。
具体实施方式
至今本发明人都在研究可以实现良好可成形性的技术，并且作为研究的一部分提出了使用图2示出的成套工具的深冲压技术。在这种成套工具构造中，为支撑钢板的销7安置在坯体支架3的部分上，通过将钢板4放置在销7上，能够使钢板在不直接与冲模2和坯体支架3接触的情况下而与它们保持接近(在图2中的其它构造部分基本上与图1相同)。这样配置以使在形成的同时，销7的顶面是与坯体支架顶面相同的平面，并且钢板4处在被安装在坯体支架3的状态。
在这种成套工具构造中，钢板4通过销7支撑，因此在成形之前可以避免钢板4与成套工具(尤其是冲模2与坯体支架3)之间的直接接触，由此超过冲床1的顶面的钢板4的部分和该钢板其它部分的大部分几乎同时冷却。因此，可以防止这样的缺点：由于在钢板4中温度不均匀性而导致钢板4在冲床面的材料强度与在其边缘面的材料强度相比较更低。结果，特别地防止了冲床面的裂纹并且可以改善拉延性。
通过那些技术，钢板的拉延性显著改善，但是发现有时成形产品的延展性仍然没有改善。即，通过上述建议的技术或通过本发明人建议的技术，由于成形开始温度、成形温度、成形终止温度等导致成形产品的结构主要由马氏体组成。可以推测这就是为什么成形产品的良好延展性不能保持的原因。
因此，本发明人为了解决这种缺陷已经从不同的观点进行了研究。结果，本发明人发现上述目的可以通过根据钢板加热温度控制成形开始温度而极好地获得，并且确定了本发明。下面具体地解释本发明和步骤，从而建立本发明。
本发明人首先将具有在表1所示化学组成的钢板加热到低于900℃(钢板的Ac1和Ac3转变温度分别为725℃和850℃)，并且使用图2所示成套工具通过前述工序对钢板进行深冲压测试。结果，本发明人证实，当钢板在这种状态下(尽管耗费从加热到成形开始的时间，坯体温度仍下降)成形时，直到成形期间为止都具有裂纹的坯体不会裂开并且可以成形。尽管如果是热成形则在尽可能高的温度下开始成形在历史上被认为是技术常识，但是从这个结果估计，如果一旦将加热的坯体有意地冷却，然后开始坯体的成形，则拉延性能够改善。
[表1]
| 坯体的化学组成(质量％) | ||||||||
| C | Si | Mn | Cr | B | Ti | P | S | 余量 |
| 0.2 | 0.19 | 1.22 | 0.34 | 0.0019 | 0.020 | 0.010 | 0.010 | Fe |
因此，进一步研究机理，结果本发明人认识到这种现象是由以下事实引起的：当在深冲压步骤中牵引(压缩)边缘部分时用于把坯体送进到冲模内部所要求的应力(所述应力在下面有时称为“流动应力”)与材料受到流动应力流入到冲模内部的冲床轴肩部分以及垂直壁部分的断裂应力(所述应力在下面有时称为“断裂应力”)之间的对比(大小关系)是根据成型温度而变化的。
本发明人分别地制备柱状的压制测试片，当这些测试片进行压制测试时，这些测试片一旦加热到700℃，800℃和900℃，随后就以20℃/秒的冷却速度冷却到500℃、600℃、700℃和800℃，并且测定平均10％的变形应力(相当于用于牵引边缘部分需要的流动应力)，同时这些测试片保持对应温度。此外，发明人运用拉伸测试片进行类似的测试并且测量断裂应力(相当于在冲床轴肩部分和垂直壁部分的“断裂应力”)。该结果在图3(示出成形开始温度和加热温度对于流动应力影响的曲线图)示出，并且清楚地识别其中在冲床轴肩部分和垂直壁部分的断裂应力超过边缘部分的流动应力的区域，阐明了按照加热温度而变化的关系(参考后面描述的实施例)。
断裂应力超过流动应力的成形温度与加热温度之间的关系在图4示出，这种关系是基于上述结果获得的。在图4中，标记“○”表示没有出现裂纹等，获得良好的可成形性，而且成形产品的延展性也是良好的情况；标记“×”表示有裂纹等等发生的情形，而标记“△”表示获得良好的可成形性，但成形产品的延展性降低的情形。从该结果可很明显看出，如果成形开始温度根据钢板的加热温度来控制，则可以获得良好的可成形性，而且也改善成形产品的延展性。合格成形产品外观的实例在图5(示意图)示出。接着，解释在本发明中规定的具体条件。
如图4所示，发生裂纹的区域可以明显地从获得良好成形性(和延展性)的区域中区别出来。作为整理和研究那些关系的结果，当加热温度在从不低于Ac1转变温度(725℃)到低于Ac3转变温度(850℃)的范围时，只要满足前述的表达式(1)，就可以获得良好的可成形性，而且成形产品的延展性也是良好的。此外，在这种条件下制备的产品中，铁素体在加热步骤中已经在坯体微观结构的一些部分中形成，并且在这种情况下铁素体分数为10％或更大的面积百分比。
而且，也可很清楚看出，当坯体加热到高于Ac3转变温度的温度时，为了具有不是主要由马氏体组成的成形产品的微观结构，主动地引入铁素体，因此改善成形产品的延展性，这是将成形开始温度控制在低于600℃的温度而唯一必需的。当即使在成形完成时(在成套工具达到下死点(bottom dead center)时)仍然维持奥氏体单相结构的情况下成形开始温度为600℃或更高时，微观结构通过由在下死点的成套工具的热消散引起的硬化而转变成主要由马氏体组成的结构，因此不能获得具有良好延展性的成形产品(在图4中标记为“△”)。这种现象通过如下实验变得明显：其中使用成套工具的硬化通过加热钢板到900℃，其后冷却到不同温度，并且将其固定在厚钢板之间来进行模拟。在图6示出了在这种情况下成形产品的冷却(快速冷却)开始温度与维氏硬度(在9.8N的负载下)之间的关系。从该图可以理解，通过控制冷却开始温度到低于600℃，铁素体的形成加速并且钢板的硬度下降。此时，在这种情形下，在从加热温度到将钢板固定在中间时的温度(硬化温度)的温度范围内平均冷却速度为10～20℃/sec。即使通过应用这些生产条件，变成可以主动地引入铁素体到成形产品的微观结构中，铁素体分数变成10％或更大的面积百分比，并且获得良好的延展性。此时，在成形产品的垂直壁的中心部分的板厚中心附近测量硬度(图3)。
注意当坯体的加热温度设定为Ac3转变温度或更高时，优选加热温度上限最高为约1000℃。如果该温度超过1000℃，则担心氧化鳞状物大量形成(例如100μm或更大)并且成形产品(在进行除鳞状物处理之后)变得比规定的厚度更薄。
无论采用多高的加热温度，都需要成形开始温度的下限高于马氏体转变开始温度Ms点(参考图4)。如果成形开始温度低于马氏体转变开始温度，则成形期间(在成形中成套工具到达下死点之前)出现所不需要的马氏体转变，此刻成形几乎不能继续进行。在本发明中，只要成形开始温度被控制为与加热温度有关，就可以获得上述目的。关于成形终止温度，尽管温度没有特别的限制，但是从尽可能地减少在成形期间出现马氏体结构量的角度考虑，优选成形终止温度同样为高于马氏体转变开始温度的温度。此外，作为优选实施方案，优选从成形开始(当坯体接触图2所示出除销7之外的成套工具部分时)到成形结束的持续时间在两秒之内，并且通过增加这个条件，在成形期间能更可靠地防止破裂。
根据本发明的方法，上述目的可以通过适当地控制加热温度与成形开始温度之间的关系而获得。当钢板用装备有坯体支架(即深冲压)的成套工具进行成形时，可以显著地展现那些效果，并且，除这个要求之外，它对在结合使用先前提出的技术也是有效的。即，通过使用图2示出的冲模构造来平衡钢板温度或使在表面上具有15μm或更大厚度的氧化鳞状物的钢板进行压制成形同样是有效的，并且，通过结合使用那些技术，本发明的效果可以更有效地表现出来。注意即使当钢板在加入那些结构时成形，在本发明中规定的上述生产条件也基本上没有变化。
从上面要旨明显可知，根据本发明的成形产品并不局限于通过使用坯体支架牵引的成形产品，而是包括通过普通压制成形获得的成形产品。即使在通过普通压制而获得该成形产品的情况下，也可以获得本发明的效果。
这里，在本发明中提到的热区域表示重结晶温度或更高温度的温度区域，而温热区域表示从常温到重结晶温度的温度区域。
根据本发明的方法适用于具有很宽范围的化学组成的钢板。基本上，只要钢具有可淬性，即钢包含0.1％或更多的C，所述方法就适用于钢。
下面，根据实施例更具体地说明本发明效果，但实施例并不是限制本发明，而且任何符合本发明要旨的设计变化都包括到本发明技术范围之内。
[实施例]
具有表1所示化学组成的钢轧成1.4mm厚，并通过普通方式退火。由该轧钢板冲压形成直径(坯体直径)为95mm的圆形坯体，并用于测试(因此，坯体的Ac1和Ac3转变温度分别为725℃和850℃)。
通过本发明方法，当圆形坯体是温热的或热的时候，其采用具有正方形状的冲头(参考图2，成套工具包括矩形冲模和矩形冲床，并且每边长度为45mm)的成套工具进行正方形外形拉延(square-shell drawing)。在这种情况下，坯体在电炉内大气空气中加热，并且加热温度不同地改变。此外，通过在加热时控制每一个加热温度的加热保持时间，在加热期间形成的氧化鳞状物的厚度调整到大约20μm。
成形测试使用图2所示的、被并入曲轴式压床的成套工具进行。从成套工具接触坯体到成套工具停止在下死点的持续时间设定为0.75秒。此外，成形开始温度通过控制从当把坯体从加热炉中取出时到成形开始时的冷却时间来控制，同时实际温度用辐射温度计来测量。此时，从加热温度到成形开始温度范围内的平均冷却速度设定为10～20℃/秒。在成形步骤中，在下死点的成形开始之后坯体被保持大约20秒，然后开始硬化。其它压制成形条件如下：
(其它压制成形条件)
坯体自持力：1吨，
冲模轴肩半径rd：5mm，
冲床轴肩半径rp：5mm，
冲床与冲模之间的间隙CL：[1.32/2+1.4(钢板厚度)]mm，
成形高度：37mm，以及
润滑剂：固体润滑剂，膏体状态，1000℃的容许温度极限适用于成套工具。
成形之后，测量成形产品在断面的硬度、微观结构以及铁素体分数。至于成形产品延展性的测量，因为难以从成形产品中切割出拉伸测试片，因此制备钢板，以便通过加热作为在成形测试中使用的相同钢板来模拟在形成下死点上的硬化，随后自然地将其冷却到成形开始温度，并且然后马上在厚度为10mm的钢板之间将其固定，从该模拟钢板中切割出JIS #13 B测试片，并且进行拉伸测试以及总生产率的测量。在成形产品的垂直壁中心部分的板厚中心附近测定硬度(维氏硬度Hv，9.8N负载)(图5)。此外，通过破裂的出现来判断可成形性，并且通过标记“○”来表示没有破裂的情形，而标记“×”表示有破裂的情形。
那些结果与生产条件一起在下面表2中准确地示出。此外，图7示出通过在所述结果的基础上整理与铁素体分数相关的抗张强度和总伸长率而形成的图。此处，图4是通过在相同结果基础上的数据整理而形成的图。
[表2]
| 编号 | 加热温度(℃) | 形成开始温度(℃) | 拉延性 | 维氏硬度(Hv) | 微观结构 | 铁素体分数(面积％) | 抗张强度(MPa) | 总伸长率(％) | 评价 |
| 1 | 900 | 780 | × | - | - | 小于10％ | 1470 | 2 | 破裂 |
| 2 | 900 | 645 | ○ | 463 | M | 小于10％ | 1381 | 3 | 微小裂纹 |
| 3 | 900 | 595 | ○ | 339 | M+F | 25 | 1009 | 10 | - |
| 4 | 900 | 700 | ○ | 485 | M | 小于10％ | 1489 | 1 | 微小裂纹 |
| 5 | 900 | 550 | ○ | 330 | M+F | 30 | 980 | 11 | - |
| 6 | 860 | 580 | ○ | 340 | M+F | 27 | 1009 | 12 | - |
| 7 | 860 | 690 | × | - | - | 小于10％ | 1421 | 2 | 破裂 |
| 8 | 800 | 550 | ○ | 325 | M+F | 25 | 980 | 8 | - |
| 9 | 800 | 575 | ○ | 358 | M+F | 27 | 1087 | 10 | - |
| 10 | 800 | 600 | × | - | - | - | 1107 | 7 | 破裂 |
| 11 | 750 | 500 | ○ | 280 | M+F | 45 | 813 | 18 | - |
| 12 | 750 | 520 | ○ | 265 | M+F | 40 | 803 | 17 | - |
| 13 | 750 | 500 | ○ | 276 | M+F | 55 | 784 | 19 | - |
| 14 | 750 | 590 | × | - | - | - | 735 | 20 | 破裂 |
| 15 | 800 | 640 | ○ | 380 | M+F | 15 | 1078 | 15 | - |
| 16 | 950 | 550 | ○ | 378 | M+F | 17 | 1234 | 8 | - |
| 17 | 950 | 500 | ○ | 345 | M+F | 20 | 1127 | 7 | - |
M：马氏体 F：铁素体
从结果很明显可知，当在本发明中规定的条件下形成钢板时，获得良好的可成形性，以及获得具有良好延展性的成形产品。
前述发明已经在优选实施方案中进行了描述。然而，本领域技术人员将认识到这些实施方案存在有许多变化。这种变化都将在本发明和所附权利要求的范围之内。
Claims (5)
1.一种温热或热成形产品的生产方法，所述生产方法包括如下步骤：
加热钢板到不低于Ac1转变温度的温度；
冷却所述钢板到如下温度范围内的温度：高于所述钢板的马氏体转变开始温度Ms点到低于根据所述加热温度确定的温度；和
用冲床和冲模形成冷却钢板。
2.如权利要求1所述的生产方法，其中：在所述加热步骤中，所述钢板加热到从不低于Ac1转变温度到低于Ac3转变温度的温度范围内的温度；并且根据所述加热温度确定的所述温度满足下列表达式(1)：
成形开始温度(℃)≤0.725×钢板的加热温度(℃) (1)。
3.如权利要求1所述的生产方法，其中：
在所述加热步骤中，所述钢板加热到不低于Ac3转变温度的温度；并且根据所述加热温度确定的所述温度为600℃。
4.如权利要求1所述的生产方法，其中在所述钢板温度高于所述温度Ms点期间，完成所述用冲床和冲模形成冷却钢板的步骤。
5.如权利要求1所述的生产方法，其中当所述钢板在所述用冲床和冲模形成冷却钢板的步骤中形成时，使用坯体支架。
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