专利名称：一种高强钢管材热成形时控制强度分布的方法
技术领域：
本发明涉及一种高强钢管件的热成形方法，具体涉及一种热成形时控制高强钢管 件强度分布的方法。
背景技术：
在航空航天领域及汽车制造等行业，结构的轻量化已成为最重要的目标之一。实 现结构轻量化的主要途径，一是进行结构的优化设计，利用复杂、整体的构件代替以往分体 成形、组装焊接的构件；二是采用铝合金、镁合金等比强度高的轻质材料，利用相同质量的 材料提供更高的强度。
在汽车制造业，随着对减重的要求日益迫切，一批高强度的钢材被开发出来，如双 相(DP)钢、相变诱导塑性(TRIP)钢、马氏体(M)钢、复相(CP)钢、热成形(HF)钢、孪晶诱 导塑性(TWIP)钢和热成形(HF)钢，这些材料所成形出零件的抗拉强度远远高于普通的钢 材，所以此类材料也可称为轻质材料。热成形钢是一种含硼的可淬火成马氏体的钢，又称硼 钢。成形前通过加热使坯料完全奥氏体化，然后在冷模内快速成形并淬火获得全部的马氏 体组织，强度可达1500MPa甚至更高。目前国内硼钢以宝钢生产的BR1500HS为代表，国外 的对应牌号为22MnB5。
在实际应用过程中，在要求零件高强度的同时，往往还要求其整体或局部具有足 够的塑性或韧性，以满足碰撞、连接等方面的要求。以往，可通过激光拼焊的方法，将不同种 类、不同厚度的坯料焊接在一起然后变形，以得到合理强度分布的零件。但是由于异种材料 的焊接比较困难，另外在焊接处材料的厚度等发生突变，常导致零件的成形困难或成形后 零件的强度分布达不到要求。发明内容
本发明的目的是为解决不同种类、不同厚度的硼钢坯料焊接在一起然后变形以得 到合理强度分布的管材，存在焊接处材料的厚度易发生突变，导致零件的成形困难或成形 后零件的强度分布达不到要求的问题，而提供一种高强钢管材热成形时控制强度分布的方法。
本发明的方法是通过以下步骤实现的
步骤一、将待成形的高强钢管坯放入加热器中，对高强钢管坯沿长度方向分为数 个区域，数个区域分别为一区、二区和三区，加热器对应的一区、二区和三区采用不同或相 同的加热温度进行分区控制，加热器对应的一区、二区和三区采用不同或相同的加热时间 进行分区控制；
步骤二、将加热后的高强钢管坯在3 5秒内迅速转移至成形模具中，快速闭合成 形模具并在I 3秒内完成高强钢管坯成形；
步骤三、保持成形模具闭合，向成形模具上的冷却孔中通入冷却水降低其温度，使 高强钢管材零件快速降温冷却实现淬火；
步骤四、待淬火完成后，打开成形模具，取出所得变强度高强钢管材零件。
本发明与现有技术相比具有以下效果
一、本发明通过对高强钢管坯I上的不同区域进行分区控制加热，使不同区域管 坯的奥氏体化程度不同，从而实现对最终成形后高强钢管材零件7强度的控制和调节。由 于温度分布具有一定的梯度，使得奥氏体化程度不会突变最终零件强度分布也平缓的过 渡，避免了传统拼焊方法的性能突变，可使高强管板材零件7获得合理强度分布。二、成形 具有变强度分布的高强钢管材零件，只需通过控制高强钢管坯不同区域的加热温度及加热 时间，使其奥氏体化程度不同，成形后得到的组织和强度也不同，工艺更简单。三、本发明无 需控制模具淬火时不同区域的冷却速度，模具结构更简单，成本低。
图1是具体实施方式
一中步骤一的加热过程示意图；图2是具体实施方式
一中步 骤二高强钢管坯I从加热器2中转移至成形模具3的过程示意图；图3是具体实施方式
一 中步骤三对高强钢管坯I成形、淬火过程示意图；图4是具体实施方式
十中步骤一 a的实施 过程示意图。
具体实施方式
具体实施方式
一结合图1 图3具体说明本实施方式的实现步骤
步骤一、将待成形的高强钢管坯I放入加热器2中，对高强钢管坯I沿长度方向分 为数个区域，数个区域分别为一区A、二区B和三区C，加热器2对应的一区A、二区B和三区 C采用不同或相同的加热温度进行分区控制，加热器2对应的一区A、二区B和三区C采用 不同或相同的加热时间进行分区控制；
步骤二、将加热后的高强钢管坯I在3 5秒内迅速转移至成形模具3中，快速闭 合成形模具3并在I 3秒内完成高强钢管坯I成形；
步骤三、保持成形模具3闭合，向成形模具3上的冷却孔4中通入冷却水降低其温 度，使高强钢管材零件7快速降温冷却实现淬火；
步骤四、待淬火完成后，打开成形模具3，取出所得变强度高强钢管材零件7。
高强钢管坯I采用硼钢，高强钢管坯I热成形后的强度主要由其马氏体的含量决 定，马氏体含量越高，强度也越高。本发明对于成形后要求管材强度要求高的区域加热的 温度较高，以实现坯料完全奥氏体化，成形后得到的组织全部为马氏体，强度较高；对于成 形后要求管材强度要求低的区域加热温度较低，使其组织不发生奥氏体化或奥氏体化不完 全，成形后得到的组织没有马氏体或只有少量马氏体，强度较低。本发明正是从改变材料的 成形前初始奥氏体化程度出发，通过控制管坯上不同区域的加热温度和加热时间，使不同 区域奥氏体化程度不同，淬火后不同区域的马氏体含量也不同，达到控制最终管材零件强 度分布的目的。强度要求高的区域和强度要求低的区域的划分是根据零件的需要来划分。
具体实施方式
二 结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的加热器2对 应的一区A、二区B和三区C采用不同的加热温度、相同的加热时间进行分区控制，利用热 电偶5分别测量高强钢管坯I上一区A、二区B和三区C的温度，将强度要求高的区域加热 到850°C 1000°C，强度要求低的区域加热到700°C 850°C，强度要求高的区域和强度要求低的区域加热时间均为3min 6min。在本实施方式中，通过控制高强钢管坯I上不同区 域的加热温度以获得不同的奥氏体化程度。实施时只需对加热器2进行分区控温即可达到 上述目的，方法简单易行。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的高强钢管 坯I强度要求高的区域加热温度为900°c、强度要求低的区域加热温度为750°C，强度要求 高的区域和强度要求低的区域加热时间均为5min。在本实施方式中，通过控制高强钢管坯 I上不同区域的加热温度以获得不同的奥氏体化程度。实施时只需对加热器2进行分区控 温即可达到上述目的，方法简单易行。其它步骤与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的高强钢管 坯I强度要求高的区域加热温度为950°C、强度要求低的区域加热温度为800°C，强度要求 高的区域和强度要求低的区域加热时间均为4min。在本实施方式中，通过控制高强钢管坯 I上不同区域的加热温度以获得不同的奥氏体化程度。实施时只需对加热器2进行分区控 温即可达到上述目的，方法简单易行。其它步骤与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
五结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的加热器2对 应的一区A、二区B和三区C采用相同的加热温度、不同的加热时间进行分区控制，步骤一 中的高强钢管坯I强度要求高的区域加热时间为3min 5min、强度要求低的区域加热时 间为Imin 3min，强度要求高的区域和强度要求低的区域加热温度均为850°C 1000°C。 在本实施方式中，由于奥氏体化需要一定时间，通过控制保温时间来控制奥氏体化的时间， 使高强钢管坯I各区域奥氏体化程度不同，最后经模具淬火后得到的组织不同，零件各区 域强度也不同，方法简单。并且由于高强钢管坯I各区域的最终加热温度是相同的，所以各 区域成形性能相同。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的高强钢管 坯I强度要求高的区域加热时间为4min、强度要求低的区域加热时间为2min，强度要求高 的区域和强度要求低的区域加热温度均为900°C。在本实施方式中，由于奥氏体化需要一定 时间，通过控制保温时间来控制奥氏体化的时间，使高强钢管坯I各区域奥氏体化程度不 同，最后经模具淬火后得到的组织不同，零件各区域强度也不同，方法简单。并且由于高强 钢管坯I各区域的最终加热温度是相同的，所以各区域成形性能相同。其它步骤与具体实 施方式五相同。
具体实施方式
七结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的高强钢管 坯I强度要求高的区域加热时间为5min、强度要求低的区域加热时间为2min，强度要求高 的区域和强度要求低的区域加热温度均为950°C。在本实施方式中，由于奥氏体化需要一定 时间，通过控制保温时间来控制奥氏体化的时间，使高强钢管坯I各区域奥氏体化程度不 同，最后经模具淬火后得到的组织不同，零件各区域强度也不同，方法简单。并且由于高强 钢管坯I各区域的最终加热温度是相同的，所以各区域成形性能相同。其它步骤与具体实 施方式五相同。
具体实施方式
八结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的步骤三中在整个 成形过程中，一直向成形模具3中通入冷却水使成形模具3的温度保持在20°C 50°C。成 形模具3始终处于较低且基本稳定的温度，在每一次成形过程中，当高强钢管坯I放入到成 形模具3中以后，在快速合模成形和淬火的过程中，高强钢管坯I的成形温度和冷却淬火速度基本不变，因此可以保证最终成形零件的形状尺寸及力学性能等的一致性。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
九结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式是在步骤二中，成 形模具3的初始温度为100°C 200°C，在步骤三中，向成形模具3上的冷却孔4中通入冷 却水，使成形模具3的温度以30°C /s 100°C /s的速度降低，在步骤四中，待成形模具3 的温度降至250°C时，停止通入冷却水。在步骤二中高强钢管坯I的成形过程中，成形模具 3处于温热状态且其温度随着成形的进行略有上升。高强钢管坯I在温热状态下成形性能 较好，可实现复杂形状零件的成形，且成形后回弹小。需要指出，在步骤二结束时高强钢管 坯I的温度需要高于临界淬火温度，否则会影响步骤三中高强钢管坯I的淬火强化效果。在 步骤四中，成形模具3的温度降至250°C即停止通入冷却水，这一方面可以保证下一次成形 时成形模具3处于温热条件，另外也缩短了整个成形时间。其它步骤与具体实施方式
一相 同。
具体实施方式
十结合图4说明本实施方式，本实施方式是在步骤一完成之后， 在步骤二之前增加步骤一 a，在高强钢管坯I上强度要求低的区域设置局部冷却装置6， 在加热的过程中，通过局部冷却装置6向该区域喷射水雾或液氮，使该区域的温度保持在 700°C 850°C。本实施方式中，采用水雾作为冷却介质，可以使高强钢管坯I上的局部温度 快速下降，实现较大的温度梯度；采用液氮作为冷却介质，在有效冷却的同时，氮气还可起 到保护气氛的作用，防止管坯表面氧化。其它步骤与具体实施方式
一相同。
权利要求
1.一种高强钢管材热成形时控制强度分布的方法，其特征在于所述方法是通过以下步骤实现的 步骤一、将待成形的高强钢管坯(I)放入加热器(2)中，对高强钢管坯(I)沿长度方向分为数个区域，数个区域分别为一区(A)、二区(B)和三区(C)，加热器(2)对应的一区(A)、二区(B)和三区(C)采用不同或相同的加热温度进行分区控制，加热器(2)对应的一区(A)、二区⑶和三区(C)采用不同或相同的加热时间进行分区控制； 步骤二、将加热后的高强钢管坯(I)在3 5秒内迅速转移至成形模具(3)中，快速闭合成形模具(3)并在I 3秒内完成高强钢管坯(I)成形； 步骤三、保持成形模具(3)闭合，向成形模具(3)上的冷却孔(4)中通入冷却水降低其温度，使高强钢管材零件(7)快速降温冷却实现淬火； 步骤四、待淬火完成后，打开成形模具(3)，取出所得变强度高强钢管材零件(7)。
2.根据权利要求1所述一种高强钢管材热成形时控制强度分布的方法，其特征在于所述步骤一中的加热器(2)对应的一区(A)、二区(B)和三区(C)采用不同的加热温度、相同的加热时间进行分区控制，利用热电偶(5)分别测量高强钢管坯(I)上一区(A)、二区(B)和三区(C)的温度，将强度要求高的区域加热到850°C 1000°C，强度要求低的区域加热到700°C 850°C，强度要求高的区域和强度要求低的区域加热时间均为3min 6min。
3.根据权利要求2所述一种高强钢管材热成形时控制强度分布的方法，其特征在于所述步骤一中的高强钢管坯(I)强度要求高的区域加热温度为900°C、强度要求低的区域加热温度为750°C，强度要求高的区域和强度要求低的区域加热时间均为5min。
4.根据权利要求2所述一种高强钢管材热成形时控制强度分布的方法，其特征在于所述步骤一中的高强钢管坯(I)强度要求高的区域加热温度为950°C、强度要求低的区域加热温度为800°C，强度要求高的区域和强度要求低的区域加热时间均为4min。
5.根据权利要求1所述一种高强钢管材热成形时控制强度分布的方法，其特征在于所述步骤一中的加热器(2)对应的一区(A)、二区(B)和三区(C)采用相同的加热温度、不同的加热时间进行分区控制，步骤一中的高强钢管坯(I)强度要求高的区域加热时间为3min 5min、强度要求低的区域加热时间为Imin 3min,强度要求高的区域和强度要求低的区域加热温度均为850°C 1000°C。
6.根据权利要求5所述一种高强钢管材热成形时控制强度分布的方法，其特征在于所述步骤一中的高强钢管坯(I)强度要求高的区域加热时间为4min、强度要求低的区域加热时间为2min，强度要求高的区域和强度要求低的区域加热温度均为900°C。
7.根据权利要求5所述一种高强钢管材热成形时控制强度分布的方法，其特征在于所述步骤一中的高强钢管坯(I)强度要求高的区域加热时间为5min、强度要求低的区域加热时间为2min，强度要求高的区域和强度要求低的区域加热温度均为950°C。
8.根据权利要求1所述一种高强钢管材热成形时控制强度分布的方法，其特征在于所述步骤三中在整个成形过程中，一直向成形模具(3)中通入冷却水使成形模具(3)的温度保持在20°C 50°C。
9.根据权利要求1所述一种高强钢管材热成形时控制强度分布的方法，其特征在于在步骤二中，成形模具(3)的初始温度为100°C 200°C，在步骤三中，向成形模具(3)上的冷却孔⑷中通入冷却水，使成形模具⑶的温度以30°C /s 100°C /s的速度降低，在步骤四中，待成形模具(3)的温度降至250°C时，停止通入冷却水。
10.根据权利要求1所述ー种高强钢管材热成形时控制強度分布的方法，其特征在于在步骤ー完成之后，在步骤ニ之前増加步骤ー a，在高强钢管坯(I)上強度要求低的区域设置局部冷却装置出)，在加热的过程中，通过局部冷却装置出)向该区域喷射水雾或液氮，使该区域的温度保持在700°C 850°C。
全文摘要
一种高强钢管材热成形时控制强度分布的方法，它涉及一种高强钢管件的热成形方法，以解决不同种类、不同厚度的硼钢坯料焊接后变形，存在焊接处材料的厚度易发生突变，导致成形后零件的强度分布达不到要求的问题。方法一、将待成形的高强钢管坯放入加热器中，加热器对应的一区、二区和三区采用不同或相同的加热温度、不同或相同的加热时间进行分区控制；二、将加热后的高强钢管坯在3～5秒内转移至成形模具中，快速闭合成形模具并在1～3秒内完成高强钢管坯成形；三、保持成形模具闭合，向成形模具上的冷却孔中通入冷却水降低其温度，实现淬火；四、待淬火完成后，打开成形模具，取出所得变强度高强钢管材零件。本发明用于高强钢管材热成形。
文档编号B21C37/06GK103042070SQ20121059333
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者王志彪, 何祝斌, 苑世剑 申请人:哈尔滨工业大学