CN106086653A - 一种实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法 - Google Patents

一种实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法，包括如下步骤：选取中锰钢板为待用钢板；将待用钢板加热至完全奥氏体化；转运到冲压模具上进行冲压成形，淬火至室温得到温热成形钢件；将冷却后的钢件采用梯度加热方式进行局部或整体加热，实现钢件不同位置的加热时间梯度变化，完成逆相变过程后钢件冷却到室温，获得具有性能梯度分布、高强度、高塑性、等厚度的中锰钢件。本发明获得的中锰钢件为多相组织结构，在同一钢件上既实现超高强度又获得高塑性的性能梯度分布，而且在高塑性区因奥氏体含量的梯度变化而进一步实现性能的梯度特征，满足轻量化和安全性的需求，具有广泛的推广意义。

Description

一种实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法
技术领域
本发明属于汽车用钢件成形技术领域，尤其涉及一种实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法，适合于厚度规格为0.6mm-2mm的薄中锰钢板，获得具有性能梯度分布的、以马氏体或贝氏体组织或亚稳奥氏体和铁素体基体组织结构的零件。
背景技术
汽车的发展方向是轻量化、降低燃油消耗、减少排放和提高安全性，从而对占汽车重量70％左右的汽车钢也提出了更高的要求，带动了汽车钢的发展。汽车钢制造中，IF钢、DP钢、TRIP钢和马氏体钢等称为第一代汽车钢；TWIP钢和全奥氏体钢称为第二代汽车用钢。美国学者在第一代和第二代汽车用钢之间(性能与成本)提出了第三代汽车用钢，即新型汽车用钢。Q&P钢和中锰钢作为第三代汽车钢，因其较好的力学性能，已经得到了各大钢厂和汽车制造商的生产和应用。中锰钢具有超细的亚稳奥氏体和铁素体基体组织结构，其奥氏体的形成是通过淬火形成的马氏体或贝氏体组织基础上，通过随后的退火形成新的奥氏体和溶质元素在奥氏体的富集，最终得到室温稳定的奥氏体组分，此工艺称为奥氏体逆相变法。当前，关于中锰钢的逆相变工艺主要集中在板材的制造流程中，而对于温热冲压成形零件制造中，如何引入奥氏体逆相变法，以对其性能进行调控设计，尚未见到报道。
关于汽车用中锰钢板的制备以及板材各种性能的实现技术方面，如中国专利公开号为：CN101638749B《一种低成本高强塑积汽车用钢及其制备方法》所描述的技术，其原始板材具有超细的组织结构、很高的强塑积和较低的生产成本。但关于板材如何成形为汽车零件及其所需的各种性能要求却没有提及。温热成形中锰钢能够获得超高抗拉强度≥1000MPa，甚至可以达到1400MPa以上，同时延伸率≥10％的性能特征。那么，如何在一个温热成形中锰钢件上实现性能梯度，使其部分区域具备热成形硼钢很难超越的高强度、高塑性力学性能，部分区域具备延伸率≥30％的梯度性能特征，同一零件上实现性能梯度的分布是目前亟待解决的问题。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法。本发明引入了中锰钢的奥氏体逆相变特征，将温热成形工艺与奥氏体逆相变工艺结合，从而获得具有性能梯度分布的高强度、高塑性、等厚度的中锰钢件。
本发明采用的技术手段如下：
一种实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选取中锰钢板为待用钢板，所述中锰钢板的化学成分重量百分比为：C：0.01-0.50％；Mn：4.0-6.0％；P≤0.015％；S≤0.02％，余下为Fe及不可避免的杂质；
S2、将待用钢板加热至完全奥氏体化，加热温度在750℃-950℃之间，保温1-10分钟；转运到冲压模具上，在Ms温度以上进行冲压成形，淬火至室温得到温热成形钢件，根据淬火速率的不同，形成马氏体组织结构或贝氏体组织结构；
S3、将冷却后的钢件采用梯度加热方式进行局部或整体加热，实现钢件不同位置的加热时间梯度变化，加热温度在Ac1以下100℃～Ac1之间，保温时间5分钟-600分钟，完成逆相变过程后钢件冷却到室温，获得具有性能梯度分布、高强度、高塑性、等厚度的中锰钢件。
进一步地，所述步骤S1中，在所述中锰钢板的化学成分的基础上加入重量百分比如下的一种或多种元素：Cr：0.2-3.0％；Si：0.3-2.3％；B：0.0005-0.005％；Nb：0.02-0.10％；[N]：0.002-0.25％；Ti：0.05-0.25％；V：0.02-0.25％；Al：0.015-0.060％；Re：0.002-0.005％。
进一步地，所述步骤S2中待用钢板在马氏体相变Ms点以上温度冲压成形后，通过空冷、油冷或水冷淬火到室温，最终获得马氏体或贝氏体组织结构。
进一步地，所述步骤S3中，冷却后的钢件利用感应线圈进行局部或整体加热，控制加热时间的梯度特征，完成逆相变过程；非加热区域利用带有循环冷却气体或压缩气体的预冷装置降低钢件温度。
进一步地，所述加热时间的梯度特征是设定感应线圈不同的加热保温时间，加热停止后，与非加热区域一起利用带有循环冷却气体或压缩气体的预冷装置降低钢件温度。
进一步地，所述步骤S3中得到的中锰钢件为多相组织结构，具有马氏体或贝氏体组织结构、以及亚稳奥氏体和铁素体基体组织结构，其中亚稳奥氏体含量达到5％-40％之间的梯度变化。即非加热区域为马氏体组织结构或贝氏体组织结构，加热区域为亚稳奥氏体和铁素体基体组织结构。
进一步地，所述步骤S3中得到的中锰钢件具有高强度区：抗拉强度≥1000MPa和延伸率≥10％；高塑性区：抗拉强度≥600MPa和延伸率≥30％的性能梯度分布。
较现有成形工艺技术相比，本发明引入了中锰钢的奥氏体逆相变特征，将温热成形工艺与奥氏体逆相变工艺结合。在设定奥氏体化温度750℃-950℃和保温1-10分钟时，除了基于温热成形工艺特征外，还要考虑逆相变工艺中奥氏体化加热过程需要更充分、组织调控更科学，以利于后续逆相变时亚稳奥氏体的梯度形成和稳定性。通过设定不同的逆相变工艺参数，实现亚稳奥氏体和铁素体基体的形成，以及实现亚稳奥氏体含量的梯度变化，从而进一步实现该组织区域中性能的梯度变化，同时与温热成形获得的马氏体或贝氏体组织结构区域匹配，获得具有性能梯度分布的高强度、高塑性、等厚度的中锰钢件。
本发明是利用了温热成形工艺能够降低钢件回弹特征，可以形成马氏体或贝氏体组织结构，又结合第三代汽车中锰钢的组织调控技术，形成亚稳奥氏体和铁素体基体组织结构，且奥氏体含量可形成梯度分布，在同一钢件上既实现超高强度又获得高塑性的性能梯度分布，而且在高塑性区因奥氏体含量的梯度变化而进一步实现性能的梯度特征，满足轻量化和安全性的需求，具有广泛的推广意义。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
如图1所示，一种实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法，包括如下步骤：
S1、选取中锰钢板为待用钢板，所述中锰钢板的化学成分重量百分比为：C：0.01-0.50％；Mn：4.0-6.0％；P≤0.015％；S≤0.02％，余下为Fe及不可避免的杂质；所述步骤S1中，在所述中锰钢板的化学成分的基础上加入重量百分比如下的一种或多种元素：Cr：0.2-3.0％；Si：0.3-2.3％；B：0.0005-0.005％；Nb：0.02-0.10％；[N]：0.002-0.25％；Ti：0.05-0.25％；V：0.02-0.25％；Al：0.015-0.060％；Re：0.002-0.005％。
S2、将待用钢板加热至完全奥氏体化，加热温度在750℃-950℃之间，保温1-10分钟；转运到冲压模具上，在Ms温度以上进行冲压成形，淬火至室温得到温热成形钢件；所述步骤S2中待用钢板在马氏体相变Ms点以上温度冲压成形后，通过空冷、油冷或水冷淬火到室温，最终获得马氏体或贝氏体组织结构。
S3、将冷却后的钢件利用感应线圈采用梯度加热方式进行局部或整体加热，控制加热时间的梯度特征，即设定感应线圈不同的加热保温时间，实现钢件不同位置的加热时间梯度变化，加热温度在Ac1以下100℃～Ac1之间，保温时间5分钟-600分钟，完成逆相变过程后，停止加热，与非加热区域一起利用带有循环冷却气体或压缩气体的预冷装置降低钢件温度，获得具有性能梯度分布、高强度、高塑性、等厚度的中锰钢件。
得到的中锰钢件为多相组织结构，具有马氏体或贝氏体组织结构、以及亚稳奥氏体和铁素体基体组织结构，其中亚稳奥氏体含量达到5％-40％之间的梯度变化。中锰钢件具有高强度区：抗拉强度≥1000MPa和延伸率≥10％；高塑性区：抗拉强度≥600MPa和延伸率≥30％的性能梯度分布。
实施例1
选取中锰钢件化学成分重量百分比为：C：0.1％；Mn：4.6％；Nb：0.05％；Ti：0.05％；P：0.013％；S：0.01％，余下为Fe及不可避免的杂质。
以某车型防撞梁为例，将厚度为1.6mm的待用钢板切割为钢件所需尺寸，将待用钢件加热到850℃，保温5分钟；转运到冲压模具上进行冲压成形，成形后利用红外测温仪测得钢件平均温度在450℃左右，待用钢件空冷至室温。将钢件分成三个区域，区域①和②为加热区域，进行感应加热，加热温度在670℃(此温度在Ac1以下100℃～Ac1之间)，加热区域①保温时间为5分钟，加热区域②保温时间为1小时。余下区域为区域③，通过压缩气体的冷却处理，避免区域③温度过高而发生组织转变。待用钢件经上述相继加热保温处理后冷却到室温。
冲压成形后从钢件的三个区域分别取样，通过单轴拉伸试验获得应力-应变曲线，进而获得力学性能，如表1所示，加热①区(保温时间5分钟)的奥氏体体积含量为10.2％，其力学性能：抗拉强度720MPa，延伸率18％，即强塑积为13GPa％左右；加热②区(保温时间1小时)的奥氏体体积含量为30％，其力学性能：抗拉强度706MPa，延伸率42％，即强塑积为30GPa％左右，非加热区域(③区)具有马氏体组织结构，其力学性能：抗拉强度为1510MPa，延伸率11.4％，即强塑积为17GPa％左右。从而实现了同一等厚度钢件性能梯度分布、高强度和高塑性兼具。
表1某车型防撞梁性能梯度分布的力学性能
分区\性能 抗拉强度(MPa) 延伸率(％) 强塑积(GPa％)
①区 720 18 13
②区 706 42 30
③区 1510 11.4 17
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选取中锰钢板为待用钢板，所述中锰钢板的化学成分重量百分比为：C：0.01-0.50％；Mn：4.0-6.0％；P≤0.015％；S≤0.02％，余下为Fe及不可避免的杂质；
S2、将待用钢板加热至完全奥氏体化，加热温度在750℃-950℃之间，保温1-10分钟；转运到冲压模具上，在Ms温度以上进行冲压成形，淬火至室温得到温热成形钢件；
S3、将冷却后的钢件采用梯度加热方式进行局部或整体加热，实现钢件不同位置的加热时间梯度变化，加热温度在Ac1以下100℃～Ac1之间，保温时间5分钟-600分钟，完成逆相变过程后钢件冷却到室温，获得具有性能梯度分布、高强度、高塑性、等厚度的中锰钢件。
2.根据权利要求1所述的实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，在所述中锰钢板的化学成分的基础上加入重量百分比如下的一种或多种元素：Cr：0.2-3.0％；Si：0.3-2.3％；B：0.0005-0.005％；Nb：0.02-0.10％；[N]：0.002-0.25％；Ti：0.05-0.25％；V：0.02-0.25％；Al：0.015-0.060％；Re：0.002-0.005％。
3.根据权利要求1所述的实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法，其特征在于，所述步骤S2中待用钢板在马氏体相变Ms点以上温度冲压成形后，通过空冷、油冷或水冷淬火到室温，最终获得马氏体或贝氏体组织结构。
4.根据权利要求1所述的实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，冷却后的钢件利用感应线圈进行局部或整体加热，控制加热时间的梯度特征，完成逆相变过程；非加热区域利用带有循环冷却气体或压缩气体的预冷装置降低钢件温度。
5.根据权利要求4所述的实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法，其特征在于，所述加热时间的梯度特征是设定感应线圈不同的加热保温时间，加热停止后，与非加热区域一起利用带有循环冷却气体或压缩气体的预冷装置降低钢件温度。
6.根据权利要求3或4所述的实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法，其特征在于，所述步骤S3中得到的中锰钢件为多相组织结构，具有马氏体或贝氏体组织结构、以及亚稳奥氏体和铁素体基体组织结构，其中亚稳奥氏体含量达到5％-40％之间的梯度变化。
7.根据权利要求6所述的实现性能梯度、等厚度的温热成形中锰钢件制备方法，其特征在于，所述步骤S3中得到的中锰钢件具有高强度区：抗拉强度≥1000MPa和延伸率≥10％；高塑性区：抗拉强度≥600MPa和延伸率≥30％的性能梯度分布。
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