CN114603025A - 一种选择性冷却定制强度热成形工艺 - Google Patents

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梁校
王德成
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Abstract

本发明涉及一种选择性冷却定制强度热成形工艺，分为选择性缓冷与选择性快冷。选择性缓冷奥氏体化完成后软区工艺为：该区域采用1‑50℃/s的速度冷却至300‑450℃，后回火至510‑595℃，后整体淬火成形至室温，最终得到铁素体+珠光体+少量马氏体组织。选择性快冷奥氏体化完成后软区工艺为：该区域采用大于马氏体转变临界的速度10‑100℃/s冷却至马氏体结束转变温度100‑250℃，后回火至510‑595℃，后整体淬火成形至室温，最终得到回火组织。本发明使零件具有多性能分布同时兼顾较窄过渡区宽度，可实现较窄过渡区及较小性能差异区，无需重新改进热冲压成形及淬火环节的设备及流程，可在传统的热冲压设备及生产线上直接应用。

Description

一种选择性冷却定制强度热成形工艺
技术领域
本发明涉及热成形领域，特别是涉及一种选择性冷却定制强度热成形工艺。
背景技术
热成形工艺是一种将成形与热处理相结合的非等温金属板料成形工艺，其概念最早是在上世纪70年代提出，由NorrbottensJemverk于1973年开发，并且在1975年在沃尔沃卡车上得到应用。在1984年，萨博公司首次使用热成形技术制造了汽车侧边门内防撞梁，上世纪90年代，法国雷诺汽车首次使用热成形技术制造的保险杠，同期瑞典钢铁集团制造了第一件热成形B柱。随着热成形零件显现出的巨大优势，汽车上热成形零件的使用种类和数量也在不断提升。
高强度钢板热冲压成形技术的主要工艺是：如图1所示，将室温组织为铁素体和珠光体的0.5-3mm高强度薄钢板加热到900-950℃，并保温3-10分钟使组织全部奥氏体化，之后将处于红热状态的钢板通过转运工具传送到带有冷却装置的模具内进行冲压成形，通过模具对板料的保压作用可以使其以大于马氏体转变临界冷却速度（如22MnB5为27℃/s）进行降温淬火处理，在这个过程中，钢板中的组织会由最初的奥氏体组织全部转变为马氏体组织，并最终得到强度可达1500MPa的高强度成形件。
现有技术一的技术方案：
局部加热法(局部奥氏体化)：根据零件各部位性能不同的要求，将需求马氏体的区域材料加热到高于Ac3的温度，而其他区域保持在Ac3温度以下从而防止全奥氏体化，最终组织仍将保留具有良好韧性的铁素体-珠光体。Ac3温度以上材料会获得全奥氏体相，此后进行淬火即得到马氏体。
现有技术一的缺点：
局部加热法需要在加热阶段控制不同区域加热温度，这通常采用局部添加热屏蔽材料实现，在后续热成形工序前需要去除屏蔽材料，这增加了整个工艺的复杂性与成本，同时，热屏蔽区无法做到小尺寸化，否则会受周围高温区域热传导影响其温度。
现有技术二的技术方案：
控制模具温度法(模具分区淬火)：该方法的核心是通过控制模具与钢板的温度差来控制钢板的冷却行为。控制模具的温度不仅仅改变了热传导的速率，更重要的是限制了钢板降温程度。可以将模具温度设定在马氏体温度以上，则最终得到的组织不会有马氏体，如果将模具的温度再升高至贝氏体转变温度线以上，则最终得到铁素体-珠光体组织。
现有技术二的缺点：
控制模具温度法需要增加模具冷却水道、添加加热丝方法控制成形模具温度，或者改变模具材料和表面等改变界面传热性能。控制模具温度法要控制部分区域的冷却速度，这样使得保压冷却的时间进一步延长。并且该方法需要对模具进行重新设计不仅大大增加了制造成本，同时也无法实现性能差异区小尺寸化（具有冷却水道模具块需要和具有加热丝模具快保持空气间隙），过渡区宽度往往在50mm以上。
现有技术三的技术方案：
除了在局部加热法和控制模具温度等热成形方法中获得性能梯度分布的材料外，可以使用热成形后的附加局部退火步骤，如附加热屏蔽材料进行局部退火，或采用激光选区加热的方式对完全淬火的部件进行退火，无论其位置和部件尺寸如何，都可以形成软区。
现有技术三的缺点：
附加热屏蔽材料局部退火方式与技术方案一存在同样的问题，即工艺完成后需要去除屏蔽材料，激光选区加热方法虽然对退火区域可灵活控制，但其成本较高，以上附加局部退火方法增加工艺的复杂性与生产成本，无法实现批量成产。同时附加局部退火在成形后进行退火，这会导致退火区域残余应力释放，产生较大畸变，影响零件尺寸精度。
发明内容
随着超高强钢及热成形技术在工程中的应用推广，人们逐渐意识到服役状态下汽车零部件所承受的载荷并不是均匀分布。从碰撞能量分配的角度分析，并非车身部件强度越高越有利于实现轻量化和保证抗撞性。为保证车身的整体刚度和碰撞吸能效果，要求汽车零件不同部位的材料性能需与使用要求相匹配。因此，根据载荷的分布形式设计最终零件的梯度性能成为汽车防撞核心零件追求的目标。
热冲压成形技术可以使零件强度提高的同时有效减轻重量，广泛应用于汽车零部件生产。虽然传统热冲压零件具有高强度和高硬度，但塑性和韧性较差,高强度的特点给碰撞过程中的能量吸收以及成形后零件的再加工带来了困难。为了解决这个问题, 本发明的选择性快冷定制热成形工艺可以使零件局部区域获得更好的塑性和韧性，选择性缓冷定制热成形工艺过渡区宽度约为30-50mm，软区抗拉强度700-1000MPa，硬区抗拉强度约为1500-2000MPa，适用于软区面积大于1000mm2需求。选择性快冷定制热成形工艺过渡区宽度约为10-30mm，软区抗拉强度为800-1100MPa，硬区抗拉强度约为1500-2000MPa。适用于软区面积小于1000mm2需求。
一种选择性冷却定制强度热成形工艺，包括以下步骤：
将板料加热至奥氏体化温度900-950℃保温3-8min，使组织奥氏体化。
奥氏体化完成后软区A工艺为：该区域采用1-50℃/s的冷却速度冷却至马氏体开始转变温度，此过程不对板料进行成形，仅做冷却处理，冷却过程可采用风、雾、水冷、平板模具接触式冷却等方式。后回火至510-595℃，并等温15-60秒；最后整体淬火成形至室温，最终得到铁素体+珠光体+少量马氏体组织，该区域抗拉强度为850-1300MPa。奥氏体化完成后硬区工艺为：保持该区域温度在700-850℃，后随软区整体回火至750-950℃，最后整体淬火成形至室温，得到全马氏体组织，该区域抗拉强度为1500-2200MPa。
所述马氏体开始转变温度为300-450℃。
冷却采用射流冷却、接触式冷却等方式。
软区维氏硬度为260-400 HV，延伸率为10-25%；硬区维氏硬度为450-650HV。
一种选择性冷却定制强度热成形工艺，包括以下步骤：
将板料加热至奥氏体化温度900-950℃保温3-8min，使组织奥氏体化。
奥氏体化完成后软区工艺为：该区域采用射流冷却或接触式冷却等方式，以大于马氏体转变临界的冷却速度10-100℃/s冷却至马氏体结束转变温度，后回火至510-595℃，并等温15-60秒；最后整体淬火成形至室温，最终得到回火组织，该区域抗拉强度为850-1300MPa。
奥氏体化完成后硬区工艺为：保持该区域温度在700-850℃，后随软区整体回火至750-950℃，最后整体淬火成形至室温，得到全马氏体组织，该区域抗拉强度为1500-2200MPa。
所述马氏体结束转变温度为100-250℃。
所述回火组织为回火马氏体+回火索氏体组织。
冷却采用射流冷却、接触式冷却等方式。
软区维氏硬度为260-400 HV，延伸率为10-25%；硬区维氏硬度为450-650HV。
本发明的有益效果：本发明采用的选择性缓冷与快冷定制热成形工艺，与现有技术一对比，操作方便，无需添加与去除额外热屏蔽材料，不影响奥氏体化工艺流程。
与现有技术二对比，本发明的工艺在淬火成形前即具有梯度分布组织，无需对热成形模具进行额外改造，减少了生产成本。同时模具为传统热成形模具，不具备分区模具具有的空气间隙，性能差异区可小尺寸化，过渡区宽度可达10-30mm。选择性缓冷与快冷定制热成形工艺淬火阶段与传统热成形工艺淬火阶段相同，无需控制部分区域的冷却速度，使保压冷却的时间进延长。
与现有技术三对比，本发明的工艺无需再在成形后附加额外退火工序，使避免了成形后零部件产生较大畸变。本发明该工艺采用射流冷却、接触式冷却等方式，成本较低，性能差异区设置灵活。
本发明的奥氏体化后第一次冷却段并不进行成形，仅对板料做局部冷却处理，冷却过程可采用风、雾、水冷、平板模具接触式冷却等方式。冷却到适当温度后将板料移至回火炉中回火，此过程不仅能保证板料在成形前即具有梯度组织，同时保证板料各区域达到高温状态，便于热成形过程进行。
本发明的工艺仅在第二次冷却阶段采用模具冲压成型淬火的方式。
本发明的工艺可使零件具有多性能分布同时兼顾较窄过渡区宽度，可实现较窄过渡区及较小性能差异区，无需重新改进热冲压成形及淬火环节的设备及流程，可以在传统的热冲压设备及生产线上直接应用。
本发明选择性缓冷定制热成形工艺第一次冷却时无需冷却至较低温度，冷却过程与回火过程热量差较小，便于进行一次冷却与回火操作，节约能源，可用于零件大范围软区需求生产。
本发明选择性快冷定制热成形工艺第一次冷却时虽需冷却至较低温度，冷却过程与回火过程热量差较大，但由于要求冷却速度快，对高温硬区影响较小，利于缩小性能过渡区宽度，可用于零件小范围软区需求及不规则形状软区生产。
本发明采用射流冷却、接触式冷却等方式进行第一次冷却操作，可在同一块板料不同区域同时进行选择性缓冷定制热成形工艺与选择性快冷定制热成形工艺，两者互不影响。以满足零件多样化软区性能需求。
本发明选择性冷却定制热成形工艺第一次冷却段所需冷却时间较短，约5-20s，可用于辊底式及箱式热成形生产线进行连续批量化生产。
本发明中板料经冷却回火后高温状态缓冷定制热成形软区铁素体+珠光体组织、快冷定制热成形软区回火马氏体+回火索氏体组织、与硬区奥氏体组织在高温成形时流变应力差别较小，在100MPa以内，避免了不同组织性能在成形淬火过程中由于应力差别较大造成局部变形开裂等问题。
本发明选择性缓冷与快冷定制热成形工艺需经历加热-冷却-再加热-再冷却过程，其有助于微观组织细化，较现有技术二可以获得更为细小的微观组织，有助于提高综合力学性能。
附图说明
本发明有如下附图：
图1传统热成形工艺示意图。
图2本发明的选择性缓冷定制热成形工艺示意图。
图3本发明的选择性快冷定制热成形工艺示意图。
图4传统热成形工艺组织（全马氏体）的扫描电镜图。
图5本发明的选择性缓冷定制热成形工艺软区组织（铁素体+珠光体+少量马氏体）的扫描电镜图。
图6本发明的选择性快冷定制热成形工艺软区组织（回火组织）的扫描电镜图。
图7本发明的选择性定制热成形工艺硬区组织（全马氏体）的扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的选择性冷却定制强度热成形工艺根据奥氏体化后选择性区域冷却速度分为选择性缓冷定制热成形工艺与选择性快冷定制热成形工艺。
1.如图2所示，选择性缓冷定制热成形工艺要求将板料加热至奥氏体化温度900-950℃保温3-8min。
a.奥氏体化完成后软区A工艺为：该区域采用1-50℃/s的冷却速度冷却至马氏体开始转变温度Ms点（约300-450℃），此过程不对板料进行成形，仅做冷却处理，冷却过程可采用风、雾、水冷、平板模具接触式冷却等方式，后回火至Ac1温度（Ac1约700-850℃）以下，约510-595℃，并等温15-60秒；此过程发生奥氏体到铁素体+珠光体组织转变，最后整体淬火成形至室温，少量未转变奥氏体发生奥氏体到马氏体组织转变，最终得到铁素体+珠光体+少量马氏体组织，该区域抗拉强度约为850-1300MPa。
b.奥氏体化完成后硬区工艺为：保持该区域温度在Ac1温度以上，约700-850℃，后随软区整体回火至Ac3温度以上，约750-950℃，此过程不发生相变，仍为奥氏体组织，最后整体淬火成形至室温，发生奥氏体到马氏体组织转变，得到全马氏体组织，该区域抗拉强度约为1500-2200MPa。
2.如图3所示，选择性快冷定制热成形工艺要求将板料加热至奥氏体化温度900-950℃保温3-8min。
a.奥氏体化完成后软区B工艺为：该区域采用大于马氏体转变临界的冷却速度（如22MnB5材料为27℃/s,38MnB5Nb材料为12℃/s）10-100℃/s冷却至马氏体结束转变温度Mf点（约100-250℃），此过程发生奥氏体到马氏体组织转变，此过程不对板料进行成形，仅做冷却处理，冷却过程可采用风、雾、水冷、平板模具接触式冷却等方式，后回火至Ac1温度以下，约510-595℃，并等温15-60秒；此过程发生马氏体到回火组织（回火马氏体/回火索氏体）转变，最后整体淬火成形至室温，最终得到回火组织（回火马氏体+回火索氏体），该区域抗拉强度约为850-1300MPa。该回火组织的组成随回火温度变化而不同，例如回火至550度为大量回火马氏体+少量回火索氏体。
b.奥氏体化完成后硬区工艺为：保持该区域温度在Ac1温度以上，约700-850℃，后随软区整体回火至Ac3温度以上，约750-950℃，此过程不发生相变，仍为奥氏体组织，最后整体淬火成形至室温，发生奥氏体到马氏体组织转变，得到全马氏体组织，该区域抗拉强度约为1500-2200MPa。
图4为38MnB5Nb试样经920℃，7min奥氏体化处理后以40℃/s冷速直接淬火得到全马氏体组织，该组织为板条马氏体与少量针状马氏体，抗拉强度为2076MPa，延伸率5.0%。
图5为38MnB5Nb试样经920℃，7min奥氏体化处理后，经25℃/s冷却至450℃后以10℃/s加热至590℃，并等温60秒，最后淬火得到的70%铁素体+珠光体与30%马氏体组织，抗拉强度873MPa，延伸率15.3%。
图6为38MnB5Nb试样经920℃，7min奥氏体化处理后，经40℃/s冷却至200℃，后以20℃/s加热至550℃，并等温15秒，最后淬火得到的回火组织（回火马氏体+回火索氏体），抗拉强度1105MPa，延伸率11.4%。
图7为38MnB5Nb试样经920℃，7min奥氏体化处理后，经10℃/s冷却至750℃，后以10℃/s加热至850℃，不等温直接以40℃/s冷速直接淬火得到全马氏体组织，该组织为板条马氏体与少量针状马氏体，图7抗拉强度2057MPa，延伸率5.2%。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种选择性冷却定制强度热成形工艺，其特征在于，包括如下步骤：将板料加热至奥氏体化温度900-950℃保温3-8min，使组织奥氏体化；
奥氏体化完成后软区A工艺为：软区冷却至马氏体开始转变温度，并等温1-60秒；后回火至510-595℃，并等温15-60秒；最后整体淬火成形至室温，最终得到铁素体+珠光体+少量马氏体组织，软区抗拉强度为850-1300MPa；奥氏体化完成后硬区工艺为：保持硬区温度在700-850℃，后随软区整体回火至750-950℃，最后整体淬火成形至室温，得到全马氏体组织，硬区抗拉强度为1500-2200MPa。
2.如权利要求1所述的选择性冷却定制强度热成形工艺，其特征在于：所述马氏体开始转变温度为300-450℃。
3.如权利要求1所述的选择性冷却定制强度热成形工艺，其特征在于：采用1-50℃/s的冷却速度冷却至马氏体开始转变温度。
4.如权利要求1所述的选择性冷却定制强度热成形工艺，其特征在于：所述冷却采用射流冷却或接触式冷却方式。
5.一种选择性冷却定制强度热成形工艺，其特征在于，包括如下步骤：将板料加热至奥氏体化温度900-950℃保温3-8min，使组织奥氏体化；奥氏体化完成后软区B工艺为：软区采用大于马氏体转变临界的冷却速度冷却至马氏体结束转变温度，并等温1-60秒；后回火至510-595℃，并等温15-60秒；最后整体淬火成形至室温，最终得到回火组织，软区抗拉强度为850-1300MPa；奥氏体化完成后硬区工艺为：保持硬区温度在700-850℃，后随软区整体回火至750-950℃，最后整体淬火成形至室温，得到全马氏体组织，硬区抗拉强度为1500-2200MPa。
6.如权利要求5所述的选择性冷却定制强度热成形工艺，其特征在于：所述马氏体结束转变温度为100-250℃。
7.如权利要求5所述的选择性冷却定制强度热成形工艺，其特征在于：所述回火组织为回火马氏体+回火索氏体组织。
8.如权利要求5所述的选择性冷却定制强度热成形工艺，其特征在于：所述冷却采用射流冷却或接触式冷却方式。
9.如权利要求5所述的选择性快冷定制强度热成形工艺，其特征在于：采用10-100 ℃/s的冷却速度冷却至马氏体转变结束温度。
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