溫熱或熱成形產品的生產方法
2023-10-10 18:46:39 2
專利名稱：溫熱或熱成形產品的生產方法
技術領域：
本發明涉及，在生產主要應用於汽車車身上的鋼板成形產品的領域中，用於生產成形產品的方法以及通過該生產方法獲得的成形產品，所述生產方法是將作為原材料的鋼板(坯體)加熱到不低於奧氏體和鐵素體的形成溫度(Ac1轉變溫度)並且使該加熱鋼板進行壓製成形。具體而言，本發明涉及用於生產成形產品的方法以及該方法的成形產品，所述生產方法保證在壓製成形期間不引起破裂、裂紋等情況下具有良好的可成形性。
背景技術：
在汽車零件領域，提高零件材料強度旨在確保碰撞安全性並同時減小重量。那些零件通常通過壓製成形鋼板進行製造。然而，當冷成形用於高強度鋼板時，尤其是如果超過980MPa，材料則幾乎不能成形。
鑑於上述情況，人們已經對在加熱狀態下形成鋼板材料的熱成形技術進行了研究。例如，作為這些技術之一，JP-A-102980/2002提出使用較低溫度的壓製成套工具在加熱到850～1050℃的狀態下對金屬材料進行成形的技術。據說該技術改善了金屬材料的可成形性，也防止了由殘餘應力引起的延遲斷裂的出現。當尤其是抗張強度為1470MPa等級的高強度鋼板用作材料時，該技術可以獲得具有相應強度和良好尺寸精度的零件，而所述高強度鋼板認為是幾乎不能通過傳統冷成形方法成形的。
圖1是說明性示意圖，它示出了應用如上所述的熱成形(下面有時稱為「熱衝壓」)的成套工具的構造。在該圖中，標記數字1表示衝床，2表示衝模，3表示坯體支架，4表示鋼板(材料)；標記符號BHF表示坯體的夾持力，rp表示衝床軸肩半徑，rd表示衝模軸肩半徑，而CL表示衝床與衝模之間的間隙。這裡，在那些成形零件中，衝床1與衝模2如此配置是為了分別形成冷卻劑(例如，水)可以穿過的通道1a和2a，並且這些零件可以通過穿過這些通道的冷卻劑進行冷卻。
當用這種成套工具進行熱衝壓(例如，熱深衝壓)時，坯體(鋼板4)加熱到不低於Ac3轉變溫度的溫度並軟化時開始成形。即，當高溫鋼板4固定在衝模2與坯體支架3之間時，鋼板4壓入帶有衝床1的衝模2的孔中，鋼板4的外徑減小，同時鋼板4形成與衝床1的外面形狀一致的形狀。其間，在成形的同時通過冷卻衝床和衝模，鋼板4的熱量轉到成套工具(衝床和衝模)中，並且在成形中通過在下死點(bottom dead center)進一步冷卻和保持材料，該材料變硬。通過應用這種成形方法，可以獲得具有良好尺寸精度的1470MPa等級的零件，而且與對具有相同強度等級的零件進行冷成形的情況相比，所需成形負荷可以減少，因此壓床容量可以減少。
然而，因為已加熱坯體接觸成套工具時的時機根據已加熱坯體的部位(sites)而變化，因而在坯體中出現溫差，並且因此可能在坯體中出現由溫差引起的材料強度的不均勻性。尤其是在需求坯體支架的深衝壓的情況下，夾持在坯體支架與衝模之間的坯體邊緣部分的溫度在形成過程中迅速地降低。因為材料的流動應力隨著這種溫度下降而增加，因此在成形期間該材料趨向於破裂。因此，問題在於即使當坯體有意地加熱並軟化時，也因為上述原因而不能應用深衝壓。
此外，在傳統熱成形中，由於坯體一旦加熱到不低於Ac3轉變溫度的溫度，因此成形產品的微觀結構就變成大部分由馬氏體結構組成的結構，這是由於成形之後由成套工具導致的快速冷卻引起的。結果，可以獲得具有1470MPa或更大超高強度的零件，但是，因為零件的微觀結構是由馬氏體組成的，因此零件的延展性較差。這種情況意味著零件在一些情況下可能有破裂的可能性，例如，當汽車碰撞發生時，零件會變形。當零件破裂時，零件此刻不能吸收碰撞力，因而可能增加對乘客的傷害。為此，可以說由熱衝壓成形的零件總是沒有廣泛應用的，並且目前狀態是不能充分地利用高強度和良好尺寸精度這兩方面的優點。
發明內容
本發明是鑑於上述情況建立的，而且本發明目的是提供通過熱衝壓製備成形產品的方法，當鋼板進行熱或冷成形時，通過在成形過程中不出現破裂和裂紋的情況下確保良好的成型性和良好的延展性，從而使該成形產品具有更寬的應用範圍；以及能表現上列優點的成形產品。
根據本發明實現上述目的的溫熱或熱成形產品的生產方法的一個方面包括如下步驟使鋼板加熱到不低於Ac1轉變溫度的溫度；將鋼板冷卻到某一溫度範圍，所述溫度範圍是從高於鋼板的馬氏體轉變開始溫度Ms點到低於根據加熱溫度確定的溫度；以及使用衝床和衝模形成冷卻鋼板。
在該生產方法的方面，優選鋼板在加熱步驟中加熱到這樣的溫度範圍從不低於Ac1轉變溫度到低於Ac3轉變溫度；並且根據加熱溫度確定的溫度滿足下列表達式(1)成形開始溫度(℃)≤0.725×鋼板的加熱溫度(℃) (1)。
另外，在生產方法方面，優選在加熱步驟中鋼板加熱到不低於Ac3轉變溫度的溫度；並且根據加熱溫度確定的溫度為600℃。
此外，在生產方法方面，當鋼板溫度高於溫度Ms點時，優選完成使用衝床和衝模形成冷卻鋼板的步驟。
此外，在生產方法方面，當鋼板在使用衝床和衝模形成冷卻鋼板的步驟中形成時，可能使用坯體支架。
通過本發明的方面，因為當鋼板是熱成形或溫熱成形時，成形開始溫度根據鋼板的加熱溫度控制，所以在成形期間不出現破裂和裂紋的情況下可以確保有良好的成型性，因此可以生產表現出良好延展性的成形產品，由此可期望拓寬鋼板的應用範圍。
本發明的其它以及另外其它目的、特徵以及優點將從以下描述中更充分地表現出來。
圖1是示出用於熱成形的成套工具構造的說明性示意圖。
圖2是示出先前開發的成套工具構造的說明性示意圖。
圖3是示出成形開始溫度及加熱溫度對於流動應力影響的圖。
圖4是示出斷裂應力超過流動應力時成形溫度與加熱溫度之間關係的圖。
圖5是說明性地示出成合格成形產品外觀的透視圖。
圖6是示出成形產品的冷卻開始溫度與維氏硬度(在9.8N負荷下)之間關係的圖。
圖7是通過整理與鐵素體分數相關的成形產品的拉伸強度和總伸長率形成的圖。
具體實施例方式
至今本發明人都在研究可以實現良好可成形性的技術，並且作為研究的一部分提出了使用圖2示出的成套工具的深衝壓技術。在這種成套工具構造中，為支撐鋼板的銷7安置在坯體支架3的部分上，通過將鋼板4放置在銷7上，能夠使鋼板在不直接與衝模2和坯體支架3接觸的情況下而與它們保持接近(在圖2中的其它構造部分基本上與圖1相同)。這樣配置以使在形成的同時，銷7的頂面是與坯體支架頂面相同的平面，並且鋼板4處在被安裝在坯體支架3的狀態。
在這種成套工具構造中，鋼板4通過銷7支撐，因此在成形之前可以避免鋼板4與成套工具(尤其是衝模2與坯體支架3)之間的直接接觸，由此超過衝床1的頂面的鋼板4的部分和該鋼板其它部分的大部分幾乎同時冷卻。因此，可以防止這樣的缺點由於在鋼板4中溫度不均勻性而導致鋼板4在衝床面的材料強度與在其邊緣面的材料強度相比較更低。結果，特別地防止了衝床面的裂紋並且可以改善拉延性。
通過那些技術，鋼板的拉延性顯著改善，但是發現有時成形產品的延展性仍然沒有改善。即，通過上述建議的技術或通過本發明人建議的技術，由於成形開始溫度、成形溫度、成形終止溫度等導致成形產品的結構主要由馬氏體組成。可以推測這就是為什麼成形產品的良好延展性不能保持的原因。
因此，本發明人為了解決這種缺陷已經從不同的觀點進行了研究。結果，本發明人發現上述目的可以通過根據鋼板加熱溫度控制成形開始溫度而極好地獲得，並且確定了本發明。下面具體地解釋本發明和步驟，從而建立本發明。
本發明人首先將具有在表1所示化學組成的鋼板加熱到低於900℃(鋼板的Ac1和Ac3轉變溫度分別為725℃和850℃)，並且使用圖2所示成套工具通過前述工序對鋼板進行深衝壓測試。結果，本發明人證實，當鋼板在這種狀態下(儘管耗費從加熱到成形開始的時間，坯體溫度仍下降)成形時，直到成形期間為止都具有裂紋的坯體不會裂開並且可以成形。儘管如果是熱成形則在儘可能高的溫度下開始成形在歷史上被認為是技術常識，但是從這個結果估計，如果一旦將加熱的坯體有意地冷卻，然後開始坯體的成形，則拉延性能夠改善。
因此，進一步研究機理，結果本發明人認識到這種現象是由以下事實引起的當在深衝壓步驟中牽引(壓縮)邊緣部分時用於把坯體送進到衝模內部所要求的應力(所述應力在下面有時稱為「流動應力」)與材料受到流動應力流入到衝模內部的衝床軸肩部分以及垂直壁部分的斷裂應力(所述應力在下面有時稱為「斷裂應力」)之間的對比(大小關係)是根據成型溫度而變化的。
本發明人分別地製備柱狀的壓制測試片，當這些測試片進行壓制測試時，這些測試片一旦加熱到700℃，800℃和900℃，隨後就以20℃/秒的冷卻速度冷卻到500℃、600℃、700℃和800℃，並且測定平均10％的變形應力(相當於用於牽引邊緣部分需要的流動應力)，同時這些測試片保持對應溫度。此外，發明人運用拉伸測試片進行類似的測試並且測量斷裂應力(相當於在衝床軸肩部分和垂直壁部分的「斷裂應力」)。該結果在圖3(示出成形開始溫度和加熱溫度對於流動應力影響的曲線圖)示出，並且清楚地識別其中在衝床軸肩部分和垂直壁部分的斷裂應力超過邊緣部分的流動應力的區域，闡明了按照加熱溫度而變化的關係(參考後面描述的實施例)。
斷裂應力超過流動應力的成形溫度與加熱溫度之間的關係在圖4示出，這種關係是基於上述結果獲得的。在圖4中，標記「○」表示沒有出現裂紋等，獲得良好的可成形性，而且成形產品的延展性也是良好的情況；標記「×」表示有裂紋等等發生的情形，而標記「△」表示獲得良好的可成形性，但成形產品的延展性降低的情形。從該結果可很明顯看出，如果成形開始溫度根據鋼板的加熱溫度來控制，則可以獲得良好的可成形性，而且也改善成形產品的延展性。合格成形產品外觀的實例在圖5(示意圖)示出。接著，解釋在本發明中規定的具體條件。
如圖4所示，發生裂紋的區域可以明顯地從獲得良好成形性(和延展性)的區域中區別出來。作為整理和研究那些關係的結果，當加熱溫度在從不低於Ac1轉變溫度(725℃)到低於Ac3轉變溫度(850℃)的範圍時，只要滿足前述的表達式(1)，就可以獲得良好的可成形性，而且成形產品的延展性也是良好的。此外，在這種條件下製備的產品中，鐵素體在加熱步驟中已經在坯體微觀結構的一些部分中形成，並且在這種情況下鐵素體分數為10％或更大的面積百分比。
而且，也可很清楚看出，當坯體加熱到高於Ac3轉變溫度的溫度時，為了具有不是主要由馬氏體組成的成形產品的微觀結構，主動地引入鐵素體，因此改善成形產品的延展性，這是將成形開始溫度控制在低於600℃的溫度而唯一必需的。當即使在成形完成時(在成套工具達到下死點(bottom dead center)時)仍然維持奧氏體單相結構的情況下成形開始溫度為600℃或更高時，微觀結構通過由在下死點的成套工具的熱消散引起的硬化而轉變成主要由馬氏體組成的結構，因此不能獲得具有良好延展性的成形產品(在圖4中標記為「△」)。這種現象通過如下實驗變得明顯其中使用成套工具的硬化通過加熱鋼板到900℃，其後冷卻到不同溫度，並且將其固定在厚鋼板之間來進行模擬。在圖6示出了在這種情況下成形產品的冷卻(快速冷卻)開始溫度與維氏硬度(在9.8N的負載下)之間的關係。從該圖可以理解，通過控制冷卻開始溫度到低於600℃，鐵素體的形成加速並且鋼板的硬度下降。此時，在這種情形下，在從加熱溫度到將鋼板固定在中間時的溫度(硬化溫度)的溫度範圍內平均冷卻速度為10～20℃/sec。即使通過應用這些生產條件，變成可以主動地引入鐵素體到成形產品的微觀結構中，鐵素體分數變成10％或更大的面積百分比，並且獲得良好的延展性。此時，在成形產品的垂直壁的中心部分的板厚中心附近測量硬度(圖3)。
注意當坯體的加熱溫度設定為Ac3轉變溫度或更高時，優選加熱溫度上限最高為約1000℃。如果該溫度超過1000℃，則擔心氧化鱗狀物大量形成(例如100μm或更大)並且成形產品(在進行除鱗狀物處理之後)變得比規定的厚度更薄。
無論採用多高的加熱溫度，都需要成形開始溫度的下限高於馬氏體轉變開始溫度Ms點(參考圖4)。如果成形開始溫度低於馬氏體轉變開始溫度，則成形期間(在成形中成套工具到達下死點之前)出現所不需要的馬氏體轉變，此刻成形幾乎不能繼續進行。在本發明中，只要成形開始溫度被控制為與加熱溫度有關，就可以獲得上述目的。關於成形終止溫度，儘管溫度沒有特別的限制，但是從儘可能地減少在成形期間出現馬氏體結構量的角度考慮，優選成形終止溫度同樣為高於馬氏體轉變開始溫度的溫度。此外，作為優選實施方案，優選從成形開始(當坯體接觸圖2所示出除銷7之外的成套工具部分時)到成形結束的持續時間在兩秒之內，並且通過增加這個條件，在成形期間能更可靠地防止破裂。
根據本發明的方法，上述目的可以通過適當地控制加熱溫度與成形開始溫度之間的關係而獲得。當鋼板用裝備有坯體支架(即深衝壓)的成套工具進行成形時，可以顯著地展現那些效果，並且，除這個要求之外，它對在結合使用先前提出的技術也是有效的。即，通過使用圖2示出的衝模構造來平衡鋼板溫度或使在表面上具有15μm或更大厚度的氧化鱗狀物的鋼板進行壓製成形同樣是有效的，並且，通過結合使用那些技術，本發明的效果可以更有效地表現出來。注意即使當鋼板在加入那些結構時成形，在本發明中規定的上述生產條件也基本上沒有變化。
從上面要旨明顯可知，根據本發明的成形產品並不局限於通過使用坯體支架牽引的成形產品，而是包括通過普通壓製成形獲得的成形產品。即使在通過普通壓制而獲得該成形產品的情況下，也可以獲得本發明的效果。
這裡，在本發明中提到的熱區域表示重結晶溫度或更高溫度的溫度區域，而溫熱區域表示從常溫到重結晶溫度的溫度區域。
根據本發明的方法適用於具有很寬範圍的化學組成的鋼板。基本上，只要鋼具有可淬性，即鋼包含0.1％或更多的C，所述方法就適用於鋼。
下面，根據實施例更具體地說明本發明效果，但實施例並不是限制本發明，而且任何符合本發明要旨的設計變化都包括到本發明技術範圍之內。
具有表1所示化學組成的鋼軋成1.4mm厚，並通過普通方式退火。由該軋鋼板衝壓形成直徑(坯體直徑)為95mm的圓形坯體，並用於測試(因此，坯體的Ac1和Ac3轉變溫度分別為725℃和850℃)。
通過本發明方法，當圓形坯體是溫熱的或熱的時候，其採用具有正方形狀的衝頭(參考圖2，成套工具包括矩形衝模和矩形衝床，並且每邊長度為45mm)的成套工具進行正方形外形拉延(square-shell drawing)。在這種情況下，坯體在電爐內大氣空氣中加熱，並且加熱溫度不同地改變。此外，通過在加熱時控制每一個加熱溫度的加熱保持時間，在加熱期間形成的氧化鱗狀物的厚度調整到大約20μm。
成形測試使用圖2所示的、被併入曲軸式壓床的成套工具進行。從成套工具接觸坯體到成套工具停止在下死點的持續時間設定為0.75秒。此外，成形開始溫度通過控制從當把坯體從加熱爐中取出時到成形開始時的冷卻時間來控制，同時實際溫度用輻射溫度計來測量。此時，從加熱溫度到成形開始溫度範圍內的平均冷卻速度設定為10～20℃/秒。在成形步驟中，在下死點的成形開始之後坯體被保持大約20秒，然後開始硬化。其它壓製成形條件如下(其它壓製成形條件)坯體自持力1噸，衝模軸肩半徑rd5mm，衝床軸肩半徑rp5mm，衝床與衝模之間的間隙CL[1.32/2+1.4(鋼板厚度)]mm，成形高度37mm，以及潤滑劑固體潤滑劑，膏體狀態，1000℃的容許溫度極限適用於成套工具。
成形之後，測量成形產品在斷面的硬度、微觀結構以及鐵素體分數。至於成形產品延展性的測量，因為難以從成形產品中切割出拉伸測試片，因此製備鋼板，以便通過加熱作為在成形測試中使用的相同鋼板來模擬在形成下死點上的硬化，隨後自然地將其冷卻到成形開始溫度，並且然後馬上在厚度為10mm的鋼板之間將其固定，從該模擬鋼板中切割出JIS #13 B測試片，並且進行拉伸測試以及總生產率的測量。在成形產品的垂直壁中心部分的板厚中心附近測定硬度(維氏硬度Hv，9.8N負載)(圖5)。此外，通過破裂的出現來判斷可成形性，並且通過標記「○」來表示沒有破裂的情形，而標記「×」表示有破裂的情形。
那些結果與生產條件一起在下面表2中準確地示出。此外，圖7示出通過在所述結果的基礎上整理與鐵素體分數相關的抗張強度和總伸長率而形成的圖。此處，圖4是通過在相同結果基礎上的數據整理而形成的圖。
M馬氏體F鐵素體從結果很明顯可知，當在本發明中規定的條件下形成鋼板時，獲得良好的可成形性，以及獲得具有良好延展性的成形產品。
前述發明已經在優選實施方案中進行了描述。然而，本領域技術人員將認識到這些實施方案存在有許多變化。這種變化都將在本發明和所附權利要求的範圍之內。
權利要求
1.一種溫熱或熱成形產品的生產方法，所述生產方法包括如下步驟加熱鋼板到不低於Ac1轉變溫度的溫度；冷卻所述鋼板到如下溫度範圍內的溫度高於所述鋼板的馬氏體轉變開始溫度Ms點到低於根據所述加熱溫度確定的溫度；和用衝床和衝模形成冷卻鋼板。
2.如權利要求1所述的生產方法，其中在所述加熱步驟中，所述鋼板加熱到從不低於Ac1轉變溫度到低於Ac3轉變溫度的溫度範圍內的溫度；並且根據所述加熱溫度確定的所述溫度滿足下列表達式(1)成形開始溫度(℃)≤0.725×鋼板的加熱溫度(℃)(1)。
3.如權利要求1所述的生產方法，其中在所述加熱步驟中，所述鋼板加熱到不低於Ac3轉變溫度的溫度；並且根據所述加熱溫度確定的所述溫度為600℃。
4.如權利要求1所述的生產方法，其中在所述鋼板溫度高於所述溫度Ms點期間，完成所述用衝床和衝模形成冷卻鋼板的步驟。
5.如權利要求1所述的生產方法，其中當所述鋼板在所述用衝床和衝模形成冷卻鋼板的步驟中形成時，使用坯體支架。
全文摘要
公開了一種方法，其中當鋼板通過用衝床和衝模拉延進行溫熱或熱成形以製備成形產品時，在根據鋼板的加熱溫度控制成形開始溫度時成形該鋼板。用這種方法，當鋼板進行溫熱或熱成形時，在形成期間沒有出現破裂、裂紋等的情況下，獲得良好的可成形性，也獲得具有良好延展性的成形產品。
文檔編號B21D22/20GK1698993SQ20051007391
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月23日 優先權日2004年5月21日
發明者淺井達也, 巖谷二郎 申請人:株式會社神戶制鋼所