一種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法

2023-05-15 03:18:06

專利名稱：一種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法
技術領域：
本發明涉及一種高強鋼管件的熱成形方法，具體涉及一種熱成形時控制高強鋼管 件強度分布的方法。
背景技術：
在航空航天領域及汽車製造等行業，結構的輕量化已成為最重要的目標之一。實 現結構輕量化的主要途徑，一是進行結構的優化設計，利用複雜、整體的構件代替以往分體 成形、組裝焊接的構件；二是採用鋁合金、鎂合金等比強度高的輕質材料，利用相同質量的 材料提供更高的強度。
在汽車製造業，隨著對減重的要求日益迫切，一批高強度的鋼材被開發出來，如雙 相(DP)鋼、相變誘導塑性(TRIP)鋼、馬氏體(M)鋼、復相(CP)鋼、熱成形(HF)鋼、孿晶誘 導塑性(TWIP)鋼和熱成形(HF)鋼，這些材料所成形出零件的抗拉強度遠遠高於普通的鋼 材，所以此類材料也可稱為輕質材料。熱成形鋼是一種含硼的可淬火成馬氏體的鋼，又稱硼 鋼。成形前通過加熱使坯料完全奧氏體化，然後在冷模內快速成形並淬火獲得全部的馬氏 體組織，強度可達1500MPa甚至更高。目前國內硼鋼以寶鋼生產的BR1500HS為代表，國外 的對應牌號為22MnB5。
在實際應用過程中，在要求零件高強度的同時，往往還要求其整體或局部具有足 夠的塑性或韌性，以滿足碰撞、連接等方面的要求。以往，可通過雷射拼焊的方法，將不同種 類、不同厚度的坯料焊接在一起然後變形，以得到合理強度分布的零件。但是由於異種材料 的焊接比較困難，另外在焊接處材料的厚度等發生突變，常導致零件的成形困難或成形後 零件的強度分布達不到要求。發明內容
本發明的目的是為解決不同種類、不同厚度的硼鋼坯料焊接在一起然後變形以得 到合理強度分布的管材，存在焊接處材料的厚度易發生突變，導致零件的成形困難或成形 後零件的強度分布達不到要求的問題，而提供一種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法。
本發明的方法是通過以下步驟實現的
步驟一、將待成形的高強鋼管坯放入加熱器中，對高強鋼管坯沿長度方向分為數 個區域，數個區域分別為一區、二區和三區，加熱器對應的一區、二區和三區採用不同或相 同的加熱溫度進行分區控制，加熱器對應的一區、二區和三區採用不同或相同的加熱時間 進行分區控制；
步驟二、將加熱後的高強鋼管坯在3 5秒內迅速轉移至成形模具中，快速閉合成 形模具並在I 3秒內完成高強鋼管坯成形；
步驟三、保持成形模具閉合，向成形模具上的冷卻孔中通入冷卻水降低其溫度，使 高強鋼管材零件快速降溫冷卻實現淬火；
步驟四、待淬火完成後，打開成形模具，取出所得變強度高強鋼管材零件。
本發明與現有技術相比具有以下效果
一、本發明通過對高強鋼管坯I上的不同區域進行分區控制加熱，使不同區域管 坯的奧氏體化程度不同，從而實現對最終成形後高強鋼管材零件7強度的控制和調節。由 於溫度分布具有一定的梯度，使得奧氏體化程度不會突變最終零件強度分布也平緩的過 渡，避免了傳統拼焊方法的性能突變，可使高強管板材零件7獲得合理強度分布。二、成形 具有變強度分布的高強鋼管材零件，只需通過控制高強鋼管坯不同區域的加熱溫度及加熱 時間，使其奧氏體化程度不同，成形後得到的組織和強度也不同，工藝更簡單。三、本發明無 需控制模具淬火時不同區域的冷卻速度，模具結構更簡單，成本低。


圖1是具體實施方式
一中步驟一的加熱過程示意圖；圖2是具體實施方式
一中步 驟二高強鋼管坯I從加熱器2中轉移至成形模具3的過程示意圖；圖3是具體實施方式
一 中步驟三對高強鋼管坯I成形、淬火過程示意圖；圖4是具體實施方式
十中步驟一 a的實施 過程示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一結合圖1 圖3具體說明本實施方式的實現步驟
步驟一、將待成形的高強鋼管坯I放入加熱器2中，對高強鋼管坯I沿長度方向分 為數個區域，數個區域分別為一區A、二區B和三區C，加熱器2對應的一區A、二區B和三區 C採用不同或相同的加熱溫度進行分區控制，加熱器2對應的一區A、二區B和三區C採用 不同或相同的加熱時間進行分區控制；
步驟二、將加熱後的高強鋼管坯I在3 5秒內迅速轉移至成形模具3中，快速閉 合成形模具3並在I 3秒內完成高強鋼管坯I成形；
步驟三、保持成形模具3閉合，向成形模具3上的冷卻孔4中通入冷卻水降低其溫 度，使高強鋼管材零件7快速降溫冷卻實現淬火；
步驟四、待淬火完成後，打開成形模具3，取出所得變強度高強鋼管材零件7。
高強鋼管坯I採用硼鋼，高強鋼管坯I熱成形後的強度主要由其馬氏體的含量決 定，馬氏體含量越高，強度也越高。本發明對於成形後要求管材強度要求高的區域加熱的 溫度較高，以實現坯料完全奧氏體化，成形後得到的組織全部為馬氏體，強度較高；對於成 形後要求管材強度要求低的區域加熱溫度較低，使其組織不發生奧氏體化或奧氏體化不完 全，成形後得到的組織沒有馬氏體或只有少量馬氏體，強度較低。本發明正是從改變材料的 成形前初始奧氏體化程度出發，通過控制管坯上不同區域的加熱溫度和加熱時間，使不同 區域奧氏體化程度不同，淬火後不同區域的馬氏體含量也不同，達到控制最終管材零件強 度分布的目的。強度要求高的區域和強度要求低的區域的劃分是根據零件的需要來劃分。
具體實施方式
二 結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟一中的加熱器2對 應的一區A、二區B和三區C採用不同的加熱溫度、相同的加熱時間進行分區控制，利用熱 電偶5分別測量高強鋼管坯I上一區A、二區B和三區C的溫度，將強度要求高的區域加熱 到850°C 1000°C，強度要求低的區域加熱到700°C 850°C，強度要求高的區域和強度要求低的區域加熱時間均為3min 6min。在本實施方式中，通過控制高強鋼管坯I上不同區 域的加熱溫度以獲得不同的奧氏體化程度。實施時只需對加熱器2進行分區控溫即可達到 上述目的，方法簡單易行。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟一中的高強鋼管 坯I強度要求高的區域加熱溫度為900°c、強度要求低的區域加熱溫度為750°C，強度要求 高的區域和強度要求低的區域加熱時間均為5min。在本實施方式中，通過控制高強鋼管坯 I上不同區域的加熱溫度以獲得不同的奧氏體化程度。實施時只需對加熱器2進行分區控 溫即可達到上述目的，方法簡單易行。其它步驟與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
四結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟一中的高強鋼管 坯I強度要求高的區域加熱溫度為950°C、強度要求低的區域加熱溫度為800°C，強度要求 高的區域和強度要求低的區域加熱時間均為4min。在本實施方式中，通過控制高強鋼管坯 I上不同區域的加熱溫度以獲得不同的奧氏體化程度。實施時只需對加熱器2進行分區控 溫即可達到上述目的，方法簡單易行。其它步驟與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
五結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟一中的加熱器2對 應的一區A、二區B和三區C採用相同的加熱溫度、不同的加熱時間進行分區控制，步驟一 中的高強鋼管坯I強度要求高的區域加熱時間為3min 5min、強度要求低的區域加熱時 間為Imin 3min，強度要求高的區域和強度要求低的區域加熱溫度均為850°C 1000°C。 在本實施方式中，由於奧氏體化需要一定時間，通過控制保溫時間來控制奧氏體化的時間， 使高強鋼管坯I各區域奧氏體化程度不同，最後經模具淬火後得到的組織不同，零件各區 域強度也不同，方法簡單。並且由於高強鋼管坯I各區域的最終加熱溫度是相同的，所以各 區域成形性能相同。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟一中的高強鋼管 坯I強度要求高的區域加熱時間為4min、強度要求低的區域加熱時間為2min，強度要求高 的區域和強度要求低的區域加熱溫度均為900°C。在本實施方式中，由於奧氏體化需要一定 時間，通過控制保溫時間來控制奧氏體化的時間，使高強鋼管坯I各區域奧氏體化程度不 同，最後經模具淬火後得到的組織不同，零件各區域強度也不同，方法簡單。並且由於高強 鋼管坯I各區域的最終加熱溫度是相同的，所以各區域成形性能相同。其它步驟與具體實 施方式五相同。
具體實施方式
七結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟一中的高強鋼管 坯I強度要求高的區域加熱時間為5min、強度要求低的區域加熱時間為2min，強度要求高 的區域和強度要求低的區域加熱溫度均為950°C。在本實施方式中，由於奧氏體化需要一定 時間，通過控制保溫時間來控制奧氏體化的時間，使高強鋼管坯I各區域奧氏體化程度不 同，最後經模具淬火後得到的組織不同，零件各區域強度也不同，方法簡單。並且由於高強 鋼管坯I各區域的最終加熱溫度是相同的，所以各區域成形性能相同。其它步驟與具體實 施方式五相同。
具體實施方式
八結合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式的步驟三中在整個 成形過程中，一直向成形模具3中通入冷卻水使成形模具3的溫度保持在20°C 50°C。成 形模具3始終處於較低且基本穩定的溫度，在每一次成形過程中，當高強鋼管坯I放入到成 形模具3中以後，在快速合模成形和淬火的過程中，高強鋼管坯I的成形溫度和冷卻淬火速度基本不變，因此可以保證最終成形零件的形狀尺寸及力學性能等的一致性。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
九結合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式是在步驟二中，成 形模具3的初始溫度為100°C 200°C，在步驟三中，向成形模具3上的冷卻孔4中通入冷 卻水，使成形模具3的溫度以30°C /s 100°C /s的速度降低，在步驟四中，待成形模具3 的溫度降至250°C時，停止通入冷卻水。在步驟二中高強鋼管坯I的成形過程中，成形模具 3處於溫熱狀態且其溫度隨著成形的進行略有上升。高強鋼管坯I在溫熱狀態下成形性能 較好，可實現複雜形狀零件的成形，且成形後回彈小。需要指出，在步驟二結束時高強鋼管 坯I的溫度需要高於臨界淬火溫度，否則會影響步驟三中高強鋼管坯I的淬火強化效果。在 步驟四中，成形模具3的溫度降至250°C即停止通入冷卻水，這一方面可以保證下一次成形 時成形模具3處於溫熱條件，另外也縮短了整個成形時間。其它步驟與具體實施方式
一相 同。
具體實施方式
十結合圖4說明本實施方式，本實施方式是在步驟一完成之後， 在步驟二之前增加步驟一 a，在高強鋼管坯I上強度要求低的區域設置局部冷卻裝置6， 在加熱的過程中，通過局部冷卻裝置6向該區域噴射水霧或液氮，使該區域的溫度保持在 700°C 850°C。本實施方式中，採用水霧作為冷卻介質，可以使高強鋼管坯I上的局部溫度 快速下降，實現較大的溫度梯度；採用液氮作為冷卻介質，在有效冷卻的同時，氮氣還可起 到保護氣氛的作用，防止管坯表面氧化。其它步驟與具體實施方式
一相同。
權利要求
1.一種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法，其特徵在於所述方法是通過以下步驟實現的 步驟一、將待成形的高強鋼管坯(I)放入加熱器(2)中，對高強鋼管坯(I)沿長度方向分為數個區域，數個區域分別為一區(A)、二區(B)和三區(C)，加熱器(2)對應的一區(A)、二區(B)和三區(C)採用不同或相同的加熱溫度進行分區控制，加熱器(2)對應的一區(A)、二區⑶和三區(C)採用不同或相同的加熱時間進行分區控制； 步驟二、將加熱後的高強鋼管坯(I)在3 5秒內迅速轉移至成形模具(3)中，快速閉合成形模具(3)並在I 3秒內完成高強鋼管坯(I)成形； 步驟三、保持成形模具(3)閉合，向成形模具(3)上的冷卻孔(4)中通入冷卻水降低其溫度，使高強鋼管材零件(7)快速降溫冷卻實現淬火； 步驟四、待淬火完成後，打開成形模具(3)，取出所得變強度高強鋼管材零件(7)。
2.根據權利要求1所述一種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法，其特徵在於所述步驟一中的加熱器(2)對應的一區(A)、二區(B)和三區(C)採用不同的加熱溫度、相同的加熱時間進行分區控制，利用熱電偶(5)分別測量高強鋼管坯(I)上一區(A)、二區(B)和三區(C)的溫度，將強度要求高的區域加熱到850°C 1000°C，強度要求低的區域加熱到700°C 850°C，強度要求高的區域和強度要求低的區域加熱時間均為3min 6min。
3.根據權利要求2所述一種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法，其特徵在於所述步驟一中的高強鋼管坯(I)強度要求高的區域加熱溫度為900°C、強度要求低的區域加熱溫度為750°C，強度要求高的區域和強度要求低的區域加熱時間均為5min。
4.根據權利要求2所述一種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法，其特徵在於所述步驟一中的高強鋼管坯(I)強度要求高的區域加熱溫度為950°C、強度要求低的區域加熱溫度為800°C，強度要求高的區域和強度要求低的區域加熱時間均為4min。
5.根據權利要求1所述一種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法，其特徵在於所述步驟一中的加熱器(2)對應的一區(A)、二區(B)和三區(C)採用相同的加熱溫度、不同的加熱時間進行分區控制，步驟一中的高強鋼管坯(I)強度要求高的區域加熱時間為3min 5min、強度要求低的區域加熱時間為Imin 3min,強度要求高的區域和強度要求低的區域加熱溫度均為850°C 1000°C。
6.根據權利要求5所述一種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法，其特徵在於所述步驟一中的高強鋼管坯(I)強度要求高的區域加熱時間為4min、強度要求低的區域加熱時間為2min，強度要求高的區域和強度要求低的區域加熱溫度均為900°C。
7.根據權利要求5所述一種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法，其特徵在於所述步驟一中的高強鋼管坯(I)強度要求高的區域加熱時間為5min、強度要求低的區域加熱時間為2min，強度要求高的區域和強度要求低的區域加熱溫度均為950°C。
8.根據權利要求1所述一種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法，其特徵在於所述步驟三中在整個成形過程中，一直向成形模具(3)中通入冷卻水使成形模具(3)的溫度保持在20°C 50°C。
9.根據權利要求1所述一種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法，其特徵在於在步驟二中，成形模具(3)的初始溫度為100°C 200°C，在步驟三中，向成形模具(3)上的冷卻孔⑷中通入冷卻水，使成形模具⑶的溫度以30°C /s 100°C /s的速度降低，在步驟四中，待成形模具(3)的溫度降至250°C時，停止通入冷卻水。
10.根據權利要求1所述ー種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法，其特徵在於在步驟ー完成之後，在步驟ニ之前増加步驟ー a，在高強鋼管坯(I)上強度要求低的區域設置局部冷卻裝置出)，在加熱的過程中，通過局部冷卻裝置出)向該區域噴射水霧或液氮，使該區域的溫度保持在700°C 850°C。
全文摘要
一種高強鋼管材熱成形時控制強度分布的方法，它涉及一種高強鋼管件的熱成形方法，以解決不同種類、不同厚度的硼鋼坯料焊接後變形，存在焊接處材料的厚度易發生突變，導致成形後零件的強度分布達不到要求的問題。方法一、將待成形的高強鋼管坯放入加熱器中，加熱器對應的一區、二區和三區採用不同或相同的加熱溫度、不同或相同的加熱時間進行分區控制；二、將加熱後的高強鋼管坯在3～5秒內轉移至成形模具中，快速閉合成形模具並在1～3秒內完成高強鋼管坯成形；三、保持成形模具閉合，向成形模具上的冷卻孔中通入冷卻水降低其溫度，實現淬火；四、待淬火完成後，打開成形模具，取出所得變強度高強鋼管材零件。本發明用於高強鋼管材熱成形。
文檔編號B21C37/06GK103042070SQ20121059333
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者王志彪, 何祝斌, 苑世劍 申請人:哈爾濱工業大學