一种马氏体钢板材复杂形状构件的热成形方法与流程

本发明属于金属塑性成形技术领域，特别涉及超高强度马氏体钢板材的脉动气压成形方法。

背景技术：

在结构减重及轻量化背景下，航空、汽车及轨道交通等领域都对材料的结构设计及性能提出了更高的要求。一方面要求材料具有更高的比强度、比刚度；另一方面，要求可实现复杂形状的一体化成形，以满足功能化设计要求及结构的进一步减重。

马氏体钢是一种以马氏体组织为基体的超高强度钢，其抗拉强度可达1500MPa，是近年来备受关注的一种高性能结构材料，在航空、汽车等领域存在迫切的应用需求。然而，高强度钢板的应用对现有钢类构件的成形制造带来了一系列新的挑战。与普通钢板相比，高强度钢板具有更高的屈服应力和抗拉强度，而硬化指数、厚向异性系数及延伸率均较低，成形性能差，且回弹量大难以控制，容易破裂。尤其是当马氏体钢的强度超过1500MPa后，目前的冷成形工艺几乎无法完成其成形制造。

马氏体钢热冲压技术是把马氏体钢加热使之奥氏体化，随后将红热的板料送入有冷却系统的模具内冲压成形，同时被具有快速均匀冷却系统的模具冷却淬火，钢板组织由奥氏体转变成马氏体，从而得到超高强度钢板构件的方法。然而，热冲压工艺需要凹模、凸模的组合模具，且高温下模具损耗大，模具成本高；同时，通过刚性模对板材进行塑性变形时，易导致破裂等失效行为，无法成形更为复杂的形状，尤其是存在冲压负角的构件；不仅如此，尽管通过模具冷却系统的优化设计，依然很难达到马氏体钢的快速、均匀淬火，马氏体转变率低。

技术实现要素：

基于以上研究背景，本发明提出采用在高温下对马氏体钢进行脉动气压成形后快速淬火的方法制造超高强度马氏体钢复杂形状，一方面，通过脉动气压加载形式代替传统热冲压中的凸模，可有效提高材料的成形极限，利用柔性介质的优势，解决具有冲压负构件的成形技术难题；另一方面，利用脉动气压加载过程“加-卸载”位错演变，因为普通的气压是一次性加压后，压力一直保持恒定，直至成形完毕；脉动加载的特征是加一下压力、马上将压力卸载，在加压力，再卸载，是一个加压、卸压的循环；诱发马氏体相变，提高淬火后马氏体转变量，提高材料强度。可满足航空航天、汽车及轨道交通等领域对高性能马氏体钢复杂构件的制造需求，是一种低成本并适用于各类结构复杂、变形量大的马氏体钢板材复杂形状成形及组织优化方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种马氏体钢板材复杂形状构件的热成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）冲裁：选择马氏体钢板材，按加工要求冲裁尺寸；

2）奥氏体化：将冲裁好的马氏体钢板材在氮气保护下加热至930℃-950℃，使其奥氏体化；

3）气压成形：将已奥氏体化的钢板置于气压成形装置中，闭合模具并施加一定的合模力，合模力大小范围50 KN -300KN，对钢板表面进行脉动气压加载成形复杂构件；

脉动气压就是通过脉动气压控制系统，在一定压力振幅和频率下，输出气压；

4）马氏体：通过与模具一体化的冷却系统，对构件进行快速淬火，使奥氏体完全转化成马氏体；

5）裁剪、冲孔。

作为优选，其特征在于：所述步骤（2）中的加热时间为50s-300s。

作为优选，所述步骤（3）中所施加的气压，其频率为0.83 Hz-2.5Hz，振幅为5MPa-30MPa。

作为优选，所述步骤（4）中的快速淬火，其冷却速率为60℃/s-100℃/s。

作为优选，对无镀层的马氏体钢构件，在步骤4）与步骤5）之间还需进行喷丸处理以去除氧化层，通过喷丸工艺设计，在去除氧化层同时，使构件表面具有改善疲劳性能的压应力层，所述喷丸处理选择的弹丸为铸钢丸或陶瓷丸。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用脉动气压加载代替传统热冲压成形中的凸模加载，一方面可进一步提高高强度马氏体钢的成形极限，获得更复杂的形面；另一方面，气压作为柔性介质，可实现具有冲压负角构件的一次成形。有效解决马氏体钢复杂构件，特别是具有冲压负角构件的成形制造。

2. 本发明将脉动气压成形与快速淬火相结合，利用脉动气压加载过程“加-卸载”位错演变，诱发马氏体相变，较单纯的快速淬火，可显著提高马氏体组织的转变率，提高了构件强度

3. 本发明采用气压介质代替传统热冲压所需的刚性凸模，省去了凸模的设计、加工及修复等工作，有效降低了马氏体钢的制造成本，成形效率高，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的模具装配示意图。

图2为本发明的工艺流程图。

图3为本发明实施例1成形构件形状图。

图4为本发明实施例2成形构件形状图。

图5为本发明实施例3成形构件形状图。

图1中，1-气压腔、2-马氏体钢板坯、3-压力机控制设备、4-水冷管路、5-凹模、6-脉动气压控制系统、7-快速淬火控制系统。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

实施例一：参照附图1、2、3所示，一种马氏体钢板材复杂形状构件的热成形方法，包括以下步骤：

1）冲裁：选择0.8mm厚40CrNiMo无镀层马氏体钢板材，并将其冲裁至500mm×300mm；

2）奥氏体化：通过4分区电、气混合加热至930℃，采用氮气保护，保温60s使板坯奥氏体化；

本发明采用电气混合加热法的优点是：气加热成本低，控温不精确；电加热成本高，但控温精确，因为温度对奥氏体的成型质量很关键，因此，本发明采用多分区电气混合加热方法；通过分区，在前部用气加热使材料快速加热，较为节能；后部用电加热精确控制板材的加热温度，保障生产质量，分区越多，节能效果约好，故4分区的规划最为合理；

3）气压成形：将已奥氏体化的40CrNiMo钢板置于气压成形装置中，闭合模具并施加合模力，合模力大小范围50 KN -300KN，控制板坯不在成形过程中进行补料；

气压成形装置一般由合模压力机，凹模，气压及冷却控制系统组成；

通过机械手将已奥氏体化的钢板置于气压成形装置中，通过压力机控制设备3以及合模装置对马氏体钢板坯合模，通过图1中的脉动气压控制系统6，在气压腔1中对马氏体钢板坯2进行一定振幅和频率的脉动气压加载，使马氏体钢板坯2最终完全贴至凹模5表面，在成型后中快速淬火控制系统7配合水冷管路4对成型件进行冷却固化，获得马氏体钢构件；

控制板坯温度不低于750℃时对钢板上表面进行脉动气压加载，选用振幅5MPa，频率1.67 Hz至钢板完全贴模，并保压5s；

4）马氏体：通过凹模内的水冷装置系统对钢板进行淬火，冷却速度控制在80℃/s左右；

喷丸处理：对所成形的构件通过铸钢丸进行100%覆盖率喷丸处理，在去除氧化层同时使其表面具有大于50MPa压应力层；

5）裁剪、冲孔：采用水切割对成形构件进行切边、冲孔，得到马氏体钢最终构件，如图3所示。

实施例二：参照附图1、2、4所示，一种马氏体钢板材复杂形状构件的热成形方法，包括以下步骤：

1）冲裁：选择1.5mm厚30CrMnSiNi2A并具有锌-镍镀层马氏体钢板，将其冲裁至600mm×200mm；

2）奥氏体化：通过6分区电、气混合加热至940℃，采用氮气保护，保温200s使板坯奥氏体化；

3）气压成形：将已奥氏体化的30CrMnSiNi2A钢板置于气压成形装置中，闭合模具并施加合模力，合模力大小范围50 KN -300KN，控制板坯可在成形过程中部分补料；

控制板坯温度不低于720℃时对钢板上表面进行脉动气压加载，选用振幅10MPa，频率2.5 Hz至钢板完全贴模，并保压6s；

4）马氏体：通过凹模内的水冷装置系统对钢板进行淬火，冷却速度控制在100℃/s左右；

5）裁剪、冲孔：采用激光切割对成形构件进行切边、冲孔，得到马氏体钢最终构件，如图4所示。

实施例三：参照附图1、2、5所示，一种马氏体钢板材复杂形状构件的热成形方法，包括以下步骤：

1）冲裁：选择1mm厚22MnB5并具有铝-硅镀层的马氏体钢板材，并将其冲裁至700mm×500mm；

2）奥氏体化：通过6分区电、气混合加热至950℃，采用氮气保护，保温150s使板坯奥氏体化；

3）气压成形：将已奥氏体化的22MnB5钢板置于气压成形装置中，闭合模具并施加合模力，合模力大小范围50 KN -300KN，控制板坯在成形过程中可完全补料；

控制板坯温度不低于750℃时对钢板上表面进行脉动气压加载，选用振幅30MPa，频率0.83 Hz至钢板完全贴模，并保压10s；

4）马氏体：通过凹模内的水冷装置系统对钢板进行淬火，冷却速度控制在60℃/s左右；

5）裁剪、冲孔：采用激光切割对成形构件进行切边，得到马氏体钢最终构件，如图5所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。