CN115232930A - 热冲压成形工艺及热冲压成形构件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热冲压成形工艺及热冲压成形构件，工艺包括感应加热至700～940℃，后在加热炉中加热保温；冷却至800～875℃；移送至模具，且在模具处时温度在550℃以上；热冲压成形，且冷却至250℃以下。本发明充分利用感应加热热效率高、能耗低、加热温度分布均匀等优点，实现快速加热、氧化时间的可控性，控制原料中VC析出粒子的固溶和粗化程度，有效避免了奥氏体晶粒粗化，使得组织更均匀化，力学性能较传统热冲压工艺进一步提高，一方面细化晶粒，另一方面VC析出消耗基体中的C含量，从而降低热冲压状态下马氏体中的C含量，通过细化晶粒和VC析出降碳抑制高碳马氏体两种机制保证热冲压后材料韧性。

Description

热冲压成形工艺及热冲压成形构件
技术领域
本发明涉及热冲压成形及热冲压成形构件技术技术领域，具体而言是，热冲压成形工艺及热冲压成形构件。
背景技术
近年来，由于全球节能减排、环保经济的迫切需求以及对汽车安全性要求的提高，汽车轻量化和安全性已经成为目前汽车制造业关注和亟待解决的焦点问题。减轻车身重量是实现汽车节能减排的有效手段，但汽车轻量化不以牺牲安全性为代价，相反，对汽车的碰撞安全性要求越来越高。新型高强韧性汽车钢的首要目标是提高材料强度。然而，高强度也给汽车制造带来新的困难。采用冷冲压方式，成形性能下降，所需要冲压力大，易开裂；另外，成形后零件回弹大，其形状和尺寸精度难以保证。基于冷成形技术存在的问题，热冲压成形技术获得极大关注并获得快速发展。
所谓热冲压成形技术是将高强度钢板加热到奥氏体化温度以上，保温一段时间后，快速转移到模具，快速冲压，在压机保压状态下通过模具对零件进行淬火冷却，使钢板的显微结构由奥氏体组织转变为均匀的马氏体组织，从而使成形件具有更高的机械强度和良好的尺寸精度。目前，汽车业广泛应用的热冲压成形用钢是以22MnB5为代表的合金结构钢，其奥氏体化温度较高(AC3约930℃)，淬透性不高，成形后韧性差，冷弯性能有限，延迟开裂等问题。另外，常规热冲压工艺依靠辊底炉或步进式炉对料片辐射和对流加热，料片厚度和镀层对有效加热温度有着很大影响，这将导致加热装置占用较大的空间和较高的投资成本，存在加热时间长、能耗高、加热效率低、钢板表面脱碳等一系列缺点。基于传统热冲压成形用钢及成形工艺潜在的问题探讨，开发具有高强韧性热冲压成形钢及其成形工艺尤为重要。
专利CN101583486A主要采用辊底炉、步进炉等对预涂层料片进行加热。在常规的加热炉中，涂层钢板通过热辐射和热对流进行加热，以热辐射为主，约占总换热量的80％～90％。该专利依据钢板厚度和奥氏体化温度，制定了不同的奥氏体化时间。其奥氏体化时间与钢板厚度、奥氏体化温度有关，钢板越厚、奥氏体化温度越低，奥氏体化时间就越大。通常在加热到奥氏体化温度(880～940℃)后，还需再保温一段时间，目的是确保完全的奥氏体化和使奥氏体晶粒结构均匀。但是其较长时间的加热过程不可避免地造成晶粒的粗化。另外，通常加热电炉占地面积较大，建造成本较高；电炉的运行过程需要配置陶瓷炉底辊以及保护性气氛，再加上控温精度的限制，不可避免造成热能、电能的持续浪费，其能源利用率大大降低；炉辊易结垢、易破碎，更换不便，炉辊维护成本高；板料炉内易跑偏，影响出炉后的快速取料。
专利CN106399837A专利提供了一种热冲压成形用钢材，其特征在于，所述热冲压成形用钢材以重量计包括以下成分：0.27～0.40％的C；0.2～3.0％的Mn；0.11～0.4％的V；0～0.8％的Si；0～0.5％的Al；0～2％的Cr；0～0.15％的Ti；0～0.15Nb；0～0.004％的B；总含量小于2％的Mo、Ni、Cu；以及不可避免的杂质元素，所述热冲压成形用钢材在热冲压成形之后，在不进行回火的情况下即达到1300MPa～1700MPa的屈服强度，1800～2200MPa的抗拉强度，以及6～9％的延伸率。另外，该专利还提供了一种热冲压成形工艺，即将所发明钢加热至800～920℃保温1～10000s后快速移送至热冲压成形模具上(300s)。但是，该热冲压热处理过程中，工艺控制不当很容易造成晶粒粗化以及纳米析出相的溶解和粗化。
发明内容
根据上述技术问题，而提供一种热冲压成形工艺及热冲压成形构件。本发明主要利用感应加热速度快、热效率高、温度控制精度高、加热均匀、产品质量好、加热氧化皮少、模具费用和营运成本低、环境污染少、可控性好、易于实现自动化等一系列优点，实现快速加热、氧化时间的可控性，控制原料中VC析出粒子的固溶和粗化程度，有效避免奥氏体晶粒粗化，使得组织更均匀化，力学性能较传统热冲压工艺进一步提高，一方面细化晶粒，另一方面VC析出消耗基体中的C含量，从而降低热冲压状态下马氏体中的C含量(抑制高碳马氏体的生成)，通过细化晶粒和VC析出降碳两个机制保证热冲压后材料韧性。
本发明采用的技术手段如下：
一种热冲压成形工艺，包括：
(a)钢材奥氏体化：
对热冲压成形用钢材或其预成形构件进行感应加热，加热至700～940℃，平均加热速率≥20℃/s；
再进入在炉温温度为931～970℃的加热炉中加热保温；加热保温时间为60～300s；其中，厚度为0.5～1.5mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件在炉温温度为931～960℃的加热炉中加热，加热保温时间为60～150s；厚度为>1.5mm～2mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件在炉温温度为941～970℃的加热炉中加热，加热保温时间为120～240s；厚度为>2mm～2.5mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件在炉温温度为941～970℃的加热炉中加热，加热保温时间为180～300s；
热冲压成形用钢材或其预成形构件以重量计包括以下成分：0.3～0.40％的C；0.2～3.0％的Mn；0.11～0.4％的V；0～0.8％的Si；0～0.5％的Al；0～2％的Cr；0～0.15％的Ti；0～0.15Nb；且满足Ti+Nb≥0.03；0～0.004％的B；总含量小于2％的Mo、Ni、Cu；以及不可避免的杂质元素；
(b)对步骤(a)得到的热冲压成形用钢材或其预成形构件进行冷却，冷却至800～875℃，保温0～30分钟，冷却时间≤120s；其中，厚度为0.5～1.5mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件的冷却时间≤60s；厚度为>1.5mm～2mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件的冷却时间为≤90s；厚度为>2mm～2.5mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件的冷却时间为≤120s；
(c)将步骤(b)得到的热冲压成形用钢材或其预成形构件移送至热冲压成形模具上，且保证移送至模具时所述热冲压成形用钢材或其预成形构件的温度在550℃以上；
(d)根据热冲压成形用钢材或其预成形构件尺寸选择与其适配的压机吨位(0-2000吨)，根据板厚度确定保压时间(0-3min)，
通过模具冷却***使热冲压成形用钢材或其预成形构件在模具中以不小于10℃/s的平均冷却速率冷却至250℃以下。
本发明还公开了一种热冲压成形构件，所述热冲压成形构件由权利要求1～3中任一权利要求所述的热冲压成形工艺制成，其在不进行回火的情况下具有1800～2300MPa的抗拉强度，以及6～10％的延伸率。
所述热冲压成形构件在回火后其性能达到1500MPa～1900MPa的屈服强度，1800～2200MPa的抗拉强度，以及7～12％的延伸率。
所述热冲压成形构件在其成形工艺的步骤(a)结束后，热冲压成形用钢材或其预成形构件在奥氏体晶界和晶内存在V与Ti、Nb的复合碳氮化物，其析出粒子尺寸为0.1～200nm。热冲压成形用钢材或其预成形构件奥氏体截距晶粒尺寸为1～15微米。
所述热冲压成形构件在其成形工艺的步骤(b)中，热冲压成形用钢材或其预成形构件在包括晶界的奥氏体晶内析出一定量的VC和/或V与Ti、Nb的复合碳氮化物，该奥氏体晶内的碳化物粒子尺寸为0.1～30nm。
所述热冲压成形构件的VC和/或V与Ti、Nb的复合碳氮化物的体积分数为大于0.08％，马氏体体积分数大于90％，其余为铁素体和其它组织。
本发明还公开了一种回火工艺，包括：
(1)通过上述热冲压成形工艺来获得热冲压成形构件；
(2)将所述热冲压成形构件加热至140～210℃，保温5～60min；或者将所述热冲压成形构件以0.001～100℃/s的加热速率加热至120～260℃，保温0.5～120min，然后以任意方式冷却。
所述热冲压成形构件用于汽车高强度构件，包括汽车的A柱、B柱、保险杠、车顶构架、车门防撞梁等安全结构件。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明充分利用感应加热热效率高、能耗低、加热温度分布均匀等优点，实现快速加热、氧化时间的可控性，控制原料中VC析出粒子的固溶和粗化程度，有效避免了奥氏体晶粒粗化，使得组织更均匀化，力学性能较传统热冲压工艺进一步提高，一方面细化晶粒，另一方面VC析出消耗基体中的C含量，从而降低热冲压状态下马氏体中的C含量，通过细化晶粒和VC析出降碳两种机制保证热冲压后材料韧性。
2、回火工艺之后，其性能达到1500MPa～1900MPa的屈服强度，1800～2200MPa的抗拉强度，以及7～12％的延伸率，材料延伸率和韧性进一步提升，满足碰撞性能要求。
基于上述理由本发明可在热冲压成形等领域广泛推广。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中本发明提供的热冲压工艺下感应加热+模具淬火后试样的SEM组织。
图2为实施例1中本发明提供的热冲压工艺下感应加热+模具淬火后试样马氏体上的析出相。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
一种热冲压成形工艺，包括：
(a)钢材奥氏体化：
对热冲压成形用钢材或其预成形构件进行感应加热，加热至700～940℃，平均加热速率≥20℃/s；
再进入在炉温温度为931～970℃的加热炉中加热保温；加热保温时间为60～300s；其中，厚度为0.5～1.5mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件在炉温温度为931～960℃的加热炉中加热，加热保温时间为60～150s；厚度为1.5mm～2mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件在炉温温度为941～970℃的加热炉中加热，加热保温时间为120～240s；厚度为>2mm～2.5mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件在炉温温度为941～970℃的加热炉中加热，加热保温时间为180～300s；
热冲压成形用钢材或其预成形构件以重量计包括以下成分：0.3～0.40％的C；0.2～3.0％的Mn；0.11～0.4％的V；0～0.8％的Si；0～0.5％的Al；0～2％的Cr；0～0.15％的Ti；0～0.15Nb；且满足Ti+Nb≥0.03；0～0.004％的B；总含量小于2％的Mo、Ni、Cu；以及不可避免的杂质元素；
(b)对步骤(a)得到的热冲压成形用钢材或其预成形构件进行冷却，冷却至800～875℃，保温0～30分钟，冷却时间≤120s；其中，厚度为0.5～1.5mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件的冷却时间≤60s；厚度为>1.5mm～2mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件的冷却时间为≤90s；厚度为>2mm～2.5mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件的冷却时间为≤120s；
(c)将步骤(b)得到的热冲压成形用钢材或其预成形构件移送至热冲压成形模具上，且保证移送至模具时所述热冲压成形用钢材或其预成形构件的温度在550℃以上；
(d)根据热冲压成形用钢材或其预成形构件尺寸选择与其适配的压机吨位，根据板厚度确定保压时间，
通过模具冷却***使热冲压成形用钢材或其预成形构件在模具中以不小于10℃/s的平均冷却速率冷却至250℃以下。
本发明还公开了一种热冲压成形构件，所述热冲压成形构件由权利要求1～3中任一权利要求所述的热冲压成形工艺制成，其在不进行回火的情况下具有1800～2300MPa的抗拉强度，以及6～10％的延伸率。
所述热冲压成形构件在回火后其性能达到1500MPa～1900MPa的屈服强度，1800～2200MPa的抗拉强度，以及7～12％的延伸率。
所述热冲压成形构件在其成形工艺的步骤(a)结束后，热冲压成形用钢材或其预成形构件在奥氏体晶界和晶内存在V与Ti、Nb的复合碳氮化物，其析出粒子尺寸为0.1～200nm。热冲压成形用钢材或其预成形构件奥氏体截距晶粒尺寸为4～15微米。
所述热冲压成形构件在其成形工艺的步骤(b)中，热冲压成形用钢材或其预成形构件在包括晶界的奥氏体晶内析出一定量的VC和/或V与Ti、Nb的复合碳氮化物，该奥氏体晶内的碳化物粒子尺寸为0.1～30nm。
所述热冲压成形构件的VC和/或V与Ti、Nb的复合碳氮化物的体积分数为大于0.08％，马氏体体积分数大于90％，其余为铁素体和其它组织。
还公开了一种回火工艺，包括：
(1)通过上述热冲压成形工艺来获得热冲压成形构件；
(2)将所述热冲压成形构件加热至140～210℃，保温5～60min；或者将所述热冲压成形构件以0.001～100℃/s的加热速率加热至120～260℃，保温0.5～120min，然后以任意方式冷却。
所述热冲压成形构件用于汽车高强度构件，包括汽车的A柱、B柱、保险杠、车顶构架、车门防撞梁等安全结构件。
实施例1
本发明所使用的热冲压成形钢材料成分如下表：
表1试验材料化学成分(wt.％)
C Si Mn P S Als Cr Ti V Nb B N
0.35 0.25 1.4 0.010 0.002 0.039 0.3 0.03 0.19 0.015 0.0025 0.0036
常规热冲压工艺(A)以及本发明涉及的热冲压工艺(B)如表2：
表2热冲压主要工艺参数
Figure BDA0003733800360000071
Figure BDA0003733800360000081
经感应加热工艺B制备的热冲压成形构件其微观组织如图1所示，其析出形貌如图2所示。
经过热冲压工艺A～D制备的零件力学性能如表2所示：
表2热冲压后零件的力学性能
Figure BDA0003733800360000082
结果表明，本发明制备的热成形钢构件微观组织为全马氏体，马氏体基体上分布着大量细小的纳米级析出相。无论淬火态或淬火态+烘烤回火态(170℃/20min)，其屈服强度比常规热冲压工艺提高近130MPa，VDA238-100最大载荷下对应的三点弯曲角度也提升近7°以上，因此，本发明所涉及的感应快速加热+充分奥氏体化以及冷却过程中的析出控制在提升零部件最终的性能上的效果是非常显著的。
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 (10)

1.一种热冲压成形工艺，其特征在于，包括：
(a)钢材奥氏体化：
对热冲压成形用钢材或其预成形构件进行感应加热，加热至700～940℃，平均加热速率≥20℃/s；
再进入炉温温度为931～970℃的加热炉中加热保温；加热保温时间为60～300s；
热冲压成形用钢材或其预成形构件以重量计包括以下成分：0.3～0.40％的C；0.2～3.0％的Mn；0.11～0.4％的V；0～0.8％的Si；0～0.5％的Al；0～2％的Cr；0～0.15％的Ti；0～0.15Nb；且满足Ti+Nb≥0.03；0～0.004％的B；总含量小于2％的Mo、Ni、Cu；以及不可避免的杂质元素；
(b)冷却：对步骤(a)得到的热冲压成形用钢材或其预成形构件冷却至800～875℃，保温0～30分钟，冷却时间≤120s；
(c)移送：将步骤(b)得到的热冲压成形用钢材或其预成形构件移送至热冲压成形模具上，且保证移送至热冲压成形模具时所述热冲压成形用钢材或其预成形构件的温度在550℃以上；
(d)热冲压成形：根据热冲压成形用钢材或其预成形构件尺寸选择与其适配的压机吨位，根据板厚度确定保压时间；通过冲压成形模具的冷却***使热冲压成形用钢材或其预成形构件在冲压成形模具中以不小于10℃/s的平均冷却速率冷却至250℃以下。
2.根据权利要求1所述的一种热冲压成形工艺，其特征在于，在所述步骤(a)中，厚度为0.5～1.5mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件在炉温温度为931～960℃的加热炉中加热，加热保温时间为60～150s；厚度为>1.5mm～2mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件在炉温温度为941～970℃的加热炉中加热，加热保温时间为120～240s；厚度为>2mm～2.5mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件在炉温温度为941～970℃的加热炉中加热，加热保温时间为180～300s。
3.根据权利要求1所述的一种热冲压成形工艺，其特征在于，在所述步骤(b)中，厚度为0.5～1.5mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件的冷却时间≤60s；厚度为>1.5mm～2mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件的冷却时间为≤90s；厚度为>2mm～2.5mm的热冲压成形用钢材或其预成形构件的冷却时间为≤120s。
4.一种热冲压成形构件，其特征在于，所述热冲压成形构件由权利要求1～3中任一权利要求所述的热冲压成形工艺制成，其在不进行回火的情况下具有1800～2300MPa的抗拉强度，以及6～10％的延伸率，所述热冲压成形构件用于汽车高强度构件，包括汽车的A柱、B柱、保险杠、车顶构架、车门防撞梁。
5.一种热冲压成形构件，其特征在于，所述热冲压成形构件在回火后其性能达到1500MPa～1900MPa的屈服强度，1800～2200MPa的抗拉强度，以及7～12％的延伸率。
6.根据权利要求4所述的一种热冲压成构件，其特征在于，所述热冲压成形构件在其成形工艺的步骤(a)结束后，热冲压成形用钢材或其预成形构件在奥氏体晶界和晶内存在V与Ti、Nb的复合碳氮化物，其析出粒子尺寸为0.1～200nm。
7.根据权利要求4所述的一种热冲压成构件，其特征在于，所述热冲压成形构件在其成形工艺的步骤(a)结束后，热冲压成形用钢材或其预成形构件奥氏体截距晶粒尺寸为1～15微米。
8.根据权利要求4所述的一种热冲压成构件，其特征在于，所述热冲压成形构件在其成形工艺的步骤(b)中，热冲压成形用钢材或其预成形构件在包括晶界的奥氏体晶内析出一定量的VC和/或V与Ti、Nb的复合碳氮化物，该奥氏体晶内的碳化物粒子尺寸为0.1～30nm。
9.根据权利要求4所述的一种热冲压成构件，其特征在于，所述热冲压成形构件的VC和/或V与Ti、Nb的复合碳氮化物的体积分数为大于0.08％，马氏体体积分数大于90％，其余为铁素体和其它组织。
10.一种回火工艺，其特征在于，包括：
(1)通过权利要求1～3任一权利要求所述的热冲压成形工艺来获得热冲压成形构件；
(2)将所述热冲压成形构件加热至140～210℃，保温5～60min，或者将所述热冲压成形构件以0.001～100℃/s的加热速率加热至120～260℃，保温0.5～120min，然后以任意方式冷却。
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