CN110273054A - 一种热处理成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热处理成形工艺，其在对热处理件奥氏体化后，放在冷却控制平台对热处理件软区进行慢速快速冷却，使软区组织由奥氏体变为铁素体和珠光体(慢速冷却)或由奥氏体变为马氏体(快速冷却)，硬区保持为奥氏体，然后回温处理，慢速冷却时，软区和硬区组织保持不变，快速冷却时软区组织由马氏体变为索氏体，硬区认为奥氏体；最后将热处理件放进模具中快速成型的同时快速冷却，快速冷却和慢速冷却时硬区组织均由奥氏体变为马氏体，慢速冷却时热处理件软区组织仍为铁素体和珠光体，快速冷却时软区组织仍为索氏体。这样，成型模具由于至承受冷却，不再承受加热，其使用寿命得到提高。

Description

一种热处理成形工艺

技术领域

本发明属于热处理技术领域，特别是指一种热处理成形工艺。

背景技术

传统高强度钢板或零部件的热处理工艺是将钢板或者零部件整体加热完全奥氏体化，整体快速均匀冷却至室温，以获得均匀的高强度的马氏体组织。但某些零部件由于其服役环境的特殊性，需要其具有强度梯度的性能定制特性。以汽车A柱和B柱为例，以防在交通事故中人员的头部受到伤害一般要求A柱和B柱的上半部分具有较高的强度；同时A柱和B柱需良好的抗碰撞吸能效果，其下半部分一般要求具有较好的塑性。

目前分段式模具通过控制淬火冷却速度可以将热处理件成型的同时使热处理件具有性能定制特性，具体方法是将热处理件整体放在加热炉中加热使其组织奥氏体化后放进模具中成型，模具上设有加热和冷却单元，用于分别控制热处理件硬区和软区的冷却速度，对热处理件硬区，对应模具处设有冷却通道提高工件的冷却速度，使其组织由奥氏体转变为马氏体，提高热处理件强度(硬度)，对热处理件软区，需要其组织由奥氏体转化为铁素体和珠光体，提高热处理件塑性，这就需要模具对应处设有加热***降低软区的冷却速度，使其组织由奥氏体转变为铁素体和珠光体。这样热处理后的热处理件不同部位具有不同的机械性能，但是模具一段冷却一段加热，加大了模具的设计难度；同时模具加热段工作时加热非工作时冷却，这种交替加热冷却严重缩短了模具的使用寿命；同时需要在模具加热段和冷却段分别配置控温***，控温较复杂且增加了成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种热处理成形工艺，采用普通水冷模具，提高模具寿命，降低生产成本。

本发明一种热处理成形工艺，其可以使热处理件成型的同时其上不同区域具有满足使用要求的强度和塑性，其包括：

步骤A1，将热处理件放在第一加热炉中加热使其由原始组织铁素体和珠光体转变成奥氏体；

步骤A2，将该热处理件从所述第一加热炉中移出放在冷却控制平台，对该热处理件的软区慢速冷却至一定温度，使该热处理件的软区组织由奥氏体转变成铁素体和珠光体，该热处理件的硬区组织仍为奥氏体；

步骤A3，将该热处理件从该冷却控制平台移到第二加热炉中回温处理，使该热处理件的硬区和软区温度升高，但组织都没发生变化；

步骤A4，将该热处理件从该第二加热炉中取出放在模具中成型为热处理件的同时以大于临界冷却速度的速度将其冷却至室温，该热处理件的硬区组织由奥氏体转变为马氏体，该热处理件的软区组织仍为铁素体和珠光体。

由上，通过以上热处理工艺步骤，使热处理件成型的同时，热处理件硬区得到高强度的马氏体组织，软区得到塑性有所下降的铁素体和珠光体，从而实现同一热处理件上不同区域具有不同机械性能，成型模具为一般普通水冷模具，不用一段冷却，一段加热，延长了模具的使用寿命，减少了热处理件的热处理成本，同时该热处理成形工艺适合机械手操作，适合大规模开展。

较佳的，步骤A1中将所述热处理件放在所述第一加热炉中加热使其由原始组织铁素体和珠光体转变成奥氏体的方法是将所述热处理件加热至800～1000℃，并保温2～10min。

由上，热处理件温度加热至800～1000℃，高于热处理件材料的Ac3以上，并保温2～10min，保证了热处理件由原始组织铁素体和珠光体完全转变为奥氏体。

较佳的，步骤A2中将所述热处理件的软区在所述冷却控制平台慢速冷却使其组织由奥氏体转变成铁素体和珠光体的冷却温度范围为350～500℃；所述热处理件的硬区温度保持在750～900℃。

由上，热处理件软区冷却至350～500℃，热处理件软件组织由奥氏体转变成铁素体和珠光体，塑性有所下降，但仍满足机械性能要求；热处理件的硬区温度保持在750～900℃，硬区组织仍为奥氏体。

较佳的，步骤A3中将所述热处理件放在所述第二加热炉中回温后，所述热处理件的硬区温度升高到800～950℃，所述热处理件的软区温度升高到650～700℃。

由上，热处理件硬区和软区的温度升高，但组织保持不变。

一种热处理成形工艺，其可以使热处理件成型的同时其上不同区域具有满足使用要求的强度和塑性，其包括：

步骤B1，将热处理件整体放在第一加热炉中加热使其组织由原始组织铁素体和珠光体转变成奥氏体；

步骤B2，将该热处理件从所述第一加热炉中移出放在所述冷却控制平台对该热处理件的软区快速冷却至一定温度，使该热处理件的软区组织由奥氏体转变成马氏体，该热处理件的硬区组织仍为奥氏体；

步骤B3，将该热处理件从所述冷却控制平台移到第二加热炉中回温处理，该热处理件的硬区组织仍为奥氏体，该热处理件的软区组织由马氏体转变为索氏体；

步骤B4，将该热处理件从所述第二加热炉中取出放在模具中成型为热处理件的同时以大于临界冷却速度的速度冷却至室温，该热处理件的硬区组织由奥氏体转变为马氏体，该热处理件的软区组织仍为索氏体。

由上，通过以上热处理工艺步骤，使热处理件成型为热处理件的同时，热处理件硬区组织变为马氏体，强度提高，软区变为索氏体，塑性下降，仍满足塑性使用要求，从而实现同一热处理件上不同区域具有不同机械性能，成型模具为一般普通水冷模具，不用一段冷却，一段加热，延长了模具的使用寿命，减少了热处理件的热处理成本，同时该热处理成形工艺适合机械手操作，适合大规模开展。

较佳的，步骤B1中将所述热处理件放在所述第一加热炉中加热使其组织由铁素体转变成奥氏体的方法是将热处理件整体加热至800～1000℃，并保温2～10min。

由上，热处理件温度加热至800～1000℃，高于热处理件材料的Ac3以上，并保温2～10min，保证了热处理件组织由原始组织铁素体和珠光体完全转变为奥氏体。

较佳的，步骤B2中所述热处理件的软区在所述冷却控制平台快速冷却使其组织由奥氏体转变成马氏体的冷却温度范围为100～200℃，所述热处理件的硬区温度保持在750～900℃。

由上，热处理件软区冷却至100～200℃，热处理件软件组织由奥氏体转变成马氏体；热处理件的硬区温度保持在750～900℃，硬区组织仍为奥氏体。

较佳的，步骤B3中将所述热处理件放在所述第二加热炉中回温后，所述热处理件的硬区温度范围为800～950℃，所述热处理件的软区温度范围为500～700℃。

由上，所述热处理件的软区温度范围为500～700℃时，软区组织由马氏体转变为索氏体，硬区组织仍为奥氏体。

较佳的，热处理件的厚度为0.5—5mm。

较佳的，步骤A2或步骤B2中冷却的方式是风冷或水冷，且风冷或水冷位置可调。

由上，风冷或水冷位置可通过开闭不同位置的喷头调整，实现对不同区域的硬度和塑性的控制。

附图说明

图1为热处理件奥氏体化后热处理件软区慢速冷却工艺的组织演变过程示意图；

图2为热处理件奥氏体化后热处理件软区快速冷却工艺的组织演变过程示意图；

图3为热处理件奥氏体化后热处理件软区慢速冷却工艺的工艺条件流程曲线图；

图4为热处理件奥氏体化后热处理件软区快速冷却工艺的工艺条件流程曲线图；

以上图中：

原始组织奥氏体铁素体+奥氏体

铁素体和珠光体马氏体索氏体

Ac1:奥氏体开始转变温度，Ac3:奥氏体结束转变温度

Ms：马氏体开始转变温度，Mf：马氏体结束转变温度。

具体实施方式

同一热处理件的不同区域要分别实现高强度和高塑性，有两种工艺方法可以实现。

一、热处理件奥氏体化后热处理件软区慢速冷却工艺；

该工艺的组织演变过程如图1所示，该冷却工艺包括如下步骤：

步骤A1，将热处理件整体加热使原始组织(退火态的铁素体和珠光体)转变为奥氏体；

将厚度0.5～5mm的成型热处理件整体放在第一加热炉内加热至800～1000℃，该温度范围高于热处理件材料的Ac3温度(热处理件加热时原始组织(如铁素体和珠光体等)全部转变为奥氏体的最低温度)，保温2～10min，保证热处理件的原始组织(退火态的铁素体和珠光体)全部转变为奥氏体，同时组织成分更均匀，完成组织的奥氏体化和均匀化。

步骤A2，将热处理件整体放在冷却控制平台，对热处理件软区慢速冷却，软区组织由奥氏体通过控制冷却温度转变为铁素体和珠光体，塑性下降，硬区组织保持为奥氏体不变；

将步骤A1加热后的热处理件从第一加热炉移出放在冷却控制平台，通过冷却控制平台的喷头对需要塑性高的软区以较慢速度通过风冷或水雾方式冷却至350～500℃，软区组织由奥氏体通过控制软区冷却温度变成铁素体和珠光体，不过控冷态的铁素体和珠光体中的珠光体含量增多，铁素体含量减少，所以控冷态的铁素体和珠光体的塑性相比退火态的铁素体和珠光体减少；对需要保持高强度的区域(硬区)温度保持在750～900℃，高于材料的Ac3温度或略低于材料的Ac3温度，组织仍为奥氏体。

步骤A3，将热处理件整体放在第二加热炉中回温处理；

将在冷却控制平台局部慢速冷却后的热处理件整体放在第二加热炉内加热，控制加热时间，硬区温度由750～900℃升高到800～950℃，高于材料的Ac3，组织仍为奥氏体；软区温度由350～500℃升高到650～700℃，但没有超过到650～700℃，即低于图1中材料的Ac1(珠光体转变为奥氏体的温度)，防止珠光体转变成奥氏体。

步骤A4，将热处理件整体放进模具中成型的同时快速冷却，硬区组织由奥氏体转变为马氏体；

将整个热处理件从第二加热炉中移出放进模具中，经上下模具合模后成型为零件的同时冷却，模具上有冷却水道，向冷却水道中通入冷却水以大于临界冷却速度的速度使热处理件冷却至室温，使硬区的800～950℃的奥氏体转变为高强度的室温马氏体，软区仍为塑性下降的铁素体和珠光体。

这样，经过以上四个步骤，实现了热处理件不同区域的满足使用要求的强度和塑性机械性能要求，要求强度高的硬区由原始组织退火态的铁素体和珠光体转变为奥氏体，然后又转变为高强度的马氏体，要求塑性高的软区由原始组织高塑性的退火态的铁素体和珠光体转变为奥氏体，然后又转变为塑性下降的满足使用要求的控冷态的铁素体和珠光体。该热处理工艺在热处理件成型的同时，实现了热处理件不同区域有不同的(强度)硬度和塑性机械性能，成型模具为一般冷却模具，不用一段加热一段冷却，提高了模具的使用寿命，减少了生产制造成本；且该工艺可操作性强，适合机械手操作，能实现性能定制特性的高强度热处理件的生产，使得同一热处理件不同部位具有不同的机械性能，能运用于汽车A柱、B柱等零部件的热处理。

二、热处理件奥氏体化后热处理件软区快速冷却工艺；

该工艺的组织演变过程如图2所示，该冷却工艺具体包括如下步骤：

步骤B1，将热处理件整体放在第一加热炉中加热使原始组织(铁素体和珠光体)转变成奥氏体；

将厚度0.5～5mm的成型热处理件整体放在第一加热炉内加热至800～1000℃，高于热处理件的Ac3温度(热处理件加热时原始组织铁素体和珠光体全部转变为奥氏体的最低温度)，保温2～10min，保证热处理件的铁素体全部转变为奥氏体，同时组织成分更均匀，完成组织的奥氏体化和均匀化。

步骤B2，将热处理件整体放在冷却控制平台对热处理件软区局部快速冷却，使软区组织由奥氏体转变为马氏体；

将步骤B1加热后的热处理件从第一加热炉移出，放在冷却控制平台里，通过冷却控制平台中的喷头对需要塑性高的软区快速通过水雾或风冷的方式将其快速冷却至100～200℃，使该热处理件的软区组织由奥氏体变成马氏体；对需要保持高强度的硬区不需要用喷头冷却，使该区温度保持在750～900℃，高于材料的Ac3温度或略低于材料的Ac3温度，组织仍为奥氏体。

步骤B3，将热处理件整体放在第二加热炉中回温处理，使热处理件软区组织由马氏体转变为索氏体；

将放在冷却控制平台里的局部快速冷却后的热处理件整体放在温度为800～950℃的加热炉内加热，控制加热时间，硬区温度由750～900℃升高到800～950℃，组织仍为奥氏体；软区温度由100～200℃升高到500～700℃，即低于图1中钢材的Ac1(珠光体转变为奥氏体的温度)，组织由马氏体转变为索氏体，塑性有所下降，但也满足使用要求，因为原始组织的塑性非常高。

步骤B4，将热处理件整体放在模具中成型为热处理件的同时快速冷却，硬区组织由奥氏体转变为马氏体；

将整个热处理件从第二加热炉中移出放在模具中，经上下模具合模后成型为零件的同时以大于临界冷却速度的速度冷却至室温，模具上设置有冷却水道，向冷却水道内通入冷却水，使模具温度以大于临界冷却速度的速度冷却，从而使模具内的热处理件硬区组织由800～950℃的奥氏体转变为高强度的室温马氏体，热处理件软区仍为索氏体。

这样，经过以上四个步骤，实现了同一热处理件不同区域具有满足机械性能要求的强度和塑性，要求强度高的硬区由原始组织(铁素体和珠光体)转变为奥氏体，最后又转变为高强度的马氏体，要求塑性高的软区由原始组织高塑性的铁素体和珠光体依次转变为奥氏体、马氏体后，最后转变为塑性有所下降但能满足机械性能要求的索氏体。成型模具为一般冷却模具，不用一段加热一段冷却，其设计和制造工艺由复杂变为简单，降低了模具加工成本；且该工艺可操作性强，适合机械手操作，能实现性能定制特性的由高强度热处理件制成的热处理件的生产，使得同一热处理件不同部位具有不同的机械性能，能运用于汽车A柱、B柱等零部件的热处理。

以上两种热处理工艺中的热处理件可以是钢板或零部件，对钢板进行热处理时需要对钢板下料，下料后的钢板尽可能接近成型零件形状；如果是零部件，需要利用这两种热处理工艺中的一种进行热处理，得到想要的机械性能，只不过在第四步在模具中重新成型一次。为了统一，把钢板和零件统称为热处理件。

下面列举以上两种热处理工艺的具体实施例来对两种工艺方法进行说明：

厚度为2mm的22MnB5高强度热轧钢板，其化学成分如表1所示。

表1实施例用高强钢板化学成分(质量分数，wt％)

图3为用热处理件奥氏体化后热处理件软区慢速冷却工艺对上述的钢板热处理的工艺条件流程曲线图，该热处理工艺步骤如下：

步骤1：首先将多支热电偶固定在2mm厚的22MnB5钢板上，将钢板整体放入温度为920℃的马弗炉中，加热保温5min，钢板组织由原始组织(铁素体和珠光体)全部转变为奥氏体；

步骤2：将钢板放置在冷却控制平台内控制冷却，对钢板软区采用水雾冷却或风冷的方式慢速冷却，冷却速度约为20℃/s，控制冷却时间，使软区温度冷却到约500℃，钢板组织由奥氏体变成塑性有所下降的铁素体和珠光体；钢板硬区的冷却速度约为6℃/s，即将硬区温度保持在约800度，该硬区组织仍为奥氏体；

步骤3：将钢板整体放入在920℃的加热炉中加热，控制加热时间使钢板软区加热到约700℃，钢板软区组织仍为铁素体和珠光体；此时钢板硬区的温度约为850℃，其组织仍为奥氏体；

步骤4：将整个钢板移出加热炉，放在模具中快速成型为零件的同时以约100℃/s的速度水冷至室温，使钢板硬区组织由850℃的奥氏体转变为高强度的室温马氏体，钢板软区组织仍为铁素体和珠光体。

在钢板采用热处理件奥氏体化后热处理件软区慢速冷却工艺热处理前后其硬区和软区的性能如表2所示；

表2奥氏体化后钢板软区慢速冷却热处理前后软区和硬区性能

	维氏硬度HV	延伸率％
			热处理之前	200±20	25.2±0.5
热处理之后硬区	500±10	6.7±1
			热处理之后软区	270±20	14.7±0.8

图4为用热处理件奥氏体化后热处理件软区快速冷却工艺对上述的钢板热处理的工艺条件流程曲线图，该热处理工艺步骤如下：

步骤1：首先将多支热电偶固定在2mm厚的22MnB5钢板上，将钢板整体放入温度为920℃的马弗炉中，加热保温5min，钢板组织由铁素体和珠光体全部转变为奥氏体；

步骤2：将钢板放置在冷却控制平台内，对钢板软区通过喷头采用水雾冷却或风冷的方式局部快速冷却，冷却速度约为40℃/s，控制冷却时间，使钢板软区快速冷却到约200℃，钢板软区组织由奥氏体变成马氏体；硬区的冷却速度约为6℃/s，硬区温度控制在约810℃，组织仍为奥氏体；

步骤3：将钢板整体放入在920℃的加热炉中加热，控制加热时间使钢板软区加热到约600℃，组织由马氏体转变为索氏体；此时硬区的温度约为880℃，组织仍为奥氏体；

步骤4：将整个钢板移出加热炉，放在模具中快速成型为零件的同时以约100℃/s的速度水冷至室温，使钢板硬区组织由880℃的奥氏体转变为高强度的室温马氏体，钢板软区仍为高塑性的索氏体。

在钢板采用热处理件奥氏体化后热处理件软区快速冷却工艺处理前后其硬区和软区的性能如表3所示；

表3奥氏体化后对钢板软区快速冷却热处理前后软区和硬区性能

	维氏硬度HV	延伸率％
			热处理之前	200±20	25.2±0.5
热处理之后硬区	500±10	6.5±1
			热处理之后软区	260±15	13.2±0.8

对于以上两种热处理方法，原始的退火钢板硬度低，塑性非常高，硬度达不到使用要求，经过热处理后，硬度提高，塑性指标延伸率虽有降低，但也满足使用要求，这样钢板成型后不同区域具有不同的机械性能，成型模具只需要具有较好的冷却传导性能，不再同时承受冷却和加热对其性能的影响，提高了模具的使用寿命，降低了生产成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种热处理件热处理成形工艺，其可以使热处理件成型的同时其上不同区域具有满足使用要求的强度和塑性，其特征在于，其包括：

步骤A1，将热处理件放在第一加热炉中加热使其由原始组织铁素体和珠光体转变成奥氏体；

步骤A2，将该热处理件从所述第一加热炉中移出放在冷却控制平台，对该热处理件的软区慢速冷却至一定温度，使该热处理件的软区组织由奥氏体转变成铁素体和珠光体，该热处理件的硬区组织仍为奥氏体；

步骤A3，将该热处理件从该冷却控制平台移到第二加热炉中回温处理，使该热处理件的硬区和软区温度升高，但组织都没发生变化；

步骤A4，将该热处理件从该第二加热炉中取出放在模具中成型的同时以大于临界冷却速度的速度将其冷却至室温，该热处理件的硬区组织由奥氏体转变为马氏体，该热处理件的软区组织仍为铁素体和珠光体。

2.根据权利要求1所述的热处理成形工艺，其特征在于，步骤A1中将所述热处理件放在所述第一加热炉中加热使其由原始组织铁素体和珠光体转变成奥氏体的方法是将所述热处理件加热至800～1000℃，并保温2～10min。

3.根据权利要求2所述的热处理成形工艺，其特征在于，步骤A2中将所述热处理件的软区在所述冷却控制平台慢速冷却使其组织由奥氏体转变成铁素体和珠光体的冷却温度范围为350～500℃；所述热处理件的硬区温度保持在750～900℃。

4.根据权利要求3所述的热处理成形工艺，其特征在于，步骤A3中将所述热处理件放在所述第二加热炉中回温后，所述热处理件的硬区温度升高到800～950℃，所述热处理件的软区温度升高到650～700℃。

5.一种热处理成形工艺，其可以使热处理件成型的同时其上不同区域具有满足使用要求的强度和塑性，其特征在于，其包括：

步骤B1，将热处理件整体放在第一加热炉中加热使其由原始组织铁素体和珠光体转变成奥氏体；

步骤B2，将该热处理件从所述第一加热炉中移出放在冷却控制平台对该热处理件的软区快速冷却至一定温度，使该热处理件的软区组织由奥氏体转变成马氏体，该热处理件的硬区组织仍为奥氏体；

步骤B3，将该热处理件从所述冷却控制平台移到第二加热炉中回温处理，该热处理件的硬区组织仍为奥氏体，该热处理件的软区组织由马氏体转变为索氏体；

步骤B4，将该热处理件从所述第二加热炉中取出放在模具中成型的同时以大于临界冷却速度的速度冷却至室温，该热处理件的硬区组织由奥氏体转变为马氏体，该热处理件的软区组织仍为索氏体。

6.根据权利要求5所述的热处理成形工艺，其特征在于，步骤B1中将所述热处理件放在所述第一加热炉中加热使其由原始组织铁素体和珠光体转变成奥氏体的方法是将热处理件整体加热至800～1000℃，并保温2～10min。

7.根据权利要求6所述的热处理成形工艺，其特征在于，步骤B2中所述热处理件的软区在所述冷却控制平台快速冷却使其组织由奥氏体转变成马氏体的冷却温度范围为100～200℃，所述热处理件的硬区温度保持在750～900℃。

8.根据权利要求7所述的热处理成形工艺，其特征在于，步骤B3中将所述热处理件放在所述第二加热炉中回温后，所述热处理件的硬区温度范围为800～950℃，所述热处理件的软区温度范围为500～700℃。

9.根据权利要求1或5所述的热处理成形工艺，其特征在于，所述热处理件的厚度为0.5—5mm。

10.根据权利要求1或5所述的热处理成形工艺，其特征在于，

步骤A2或步骤B2中冷却的方式是风冷或水冷，且风冷或水冷位置可调。