一种超高强韧性Mn-B钢结构件连续在线制备方法与流程

本发明属于钢材冲压成型技术领域，尤其涉及一种超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备方法。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：

汽车轻量化以及安全性的双重要求，促使高强以及超高强钢在白车身上的应用比例越来越大。其中热冲压成形由于成形力小，成形件精度高且成形构件强度高等特点，成为汽车零部件制造业推广越来越普遍的一种成形工艺方式。现在应用最普遍的热成形超高强钢的抗拉强度水平为1500mpa级别，部分产品的强度水平甚至可以达到1800mpa。据不完全统计，现在全球主流车型都在采用热冲压成形技术生产的超高强钢板作为汽车轻量化以及提升安全性的主要方法，其中欧美系车应用相对较多，如audia3车身使用热成形钢的比例为21.7％，volvo品牌下的个别车型在热成形钢的用量上甚至达到整个车身用材料的40％以上。

目前国内共有热冲压生产线100多条，但是热冲压工艺中坯料加热都采用辊底炉或者箱式炉加热的方式，且为保证加热奥氏体化后碳元素等的扩散均匀化，造成上述方式加热时间较长，坯料在炉时间一般均在3-5分钟，这直接带来坯料的氧化问题而影响后续成形件的表面质量。因此，这种炉型通常会带有保护气氛，且同时需采用带al-si涂层的坯料进行热冲压生产。由于该类al-si涂层板的供货受制于国外专利保护，目前只有一家国外的钢铁企业能够提供，因此导致热冲压原材料成本居高不下。这也是热冲压相比较于冷冲压成本较高的主要原因之一。传统辊底炉加热方式下的热冲压工艺流程长，成本高，且为避免坯料氧化通常需要采用高成本al-si涂层板，一旦采用铝硅涂层板后为保证涂层与铁基体的有效扩散时间以形成防氧化的金属间化合物，就造成加热过程周期长，效率低，部分温度区间加热速度无法提高等问题。在传统热冲压成形工艺下，现阶段应用最普遍的钢种22mnb5所能实现的最高强度约为1500mpa,且延伸率低(<7％)，冲击韧性较差(约为65j/cm2)。在现有工艺下，要实现热成形构件强韧性综合性能的进一步提升，以进一步挖掘构件轻量化的潜力，只能通过改变热成形钢品种(在22mnb5钢成分基础上添加nb等微合金元素,或者提高碳含量等方式)以达到所需目的。而这无疑又提高的原材料成本且提高了材料的碳当量，不利于后续焊接性能。

此外，现有的mn-b系热成形钢结构件虽然具有超高强度，但是普遍存在韧性尤其是低温韧性较差的不利特点，并且强度越高该方面的缺陷越发突出，从而使得相应结构件在使用过程中始终存在脆性断裂的隐患，在很大程度上限制了其进一步的推广应用。

综上所述，现有技术存在的问题是：

传统辊底炉加热方式下的热冲压工艺流程长，成本高，且为避免坯料氧化通常需要采用高成本al-si涂层板，一旦采用铝硅涂层板后为保证涂层与铁基体的有效扩散时间以形成防氧化的金属间化合物，就造成加热过程周期长，效率低，部分温度区间加热速度无法提高等问题；

在传统热冲压成形工艺下，现阶段应用最普遍的钢种22mnb5所能实现的最高强度约为1500mpa,且延伸率低(<7％)，冲击韧性较差(约为65j/cm²)。在现有工艺下，要实现热成形构件强韧性综合性能的进一步提升，以进一步挖掘构件轻量化的潜力，只能通过改变热成形钢品种(在22mnb5钢成分基础上添加nb等微合金元素,或者提高碳含量等方式)以达到所需目的。而这无疑又提高的原材料成本且提高了材料的碳当量，不利于后续焊接性能。

传统热冲压成形工艺下，加热前坯料需要预先激光下料或冷冲裁，尤其如果采用激光下料的成本是较高的，不利于降低热成形件的价格和推广应用。

解决上述技术问题的难度和意义：

解决上述问题，需要综合考虑压缩加热段成本、坯料加热过程中的氧化防护、热成形件组织超细化以及均匀化这几项关键问题。

采用新型的热冲压工艺流程，循环快速加热-淬火及短时均温化的加热模式可同时有效解决上述关键问题，且后期通过将热冲裁与热冲压成形有效整合后，有望进一步取消传统工艺流程下的冷冲裁或激光落料工序，是一种十分有发展前景的前瞻性热冲压工艺流程。因为能够同时带来热成形件综合性能提升、减少构件氧化、降低热成形构件成本、提高热冲压成形生产效率等多项优势。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备方法。

本发明是这样实现的，一种超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备方法，所述超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备方法包括：

利用电极辊连续传动进行mn-b钢带材循环加热-淬火，使高温奥氏体以及淬火后马氏体晶粒超细化；

同时，电极辊连续传动过程中进行自阻加热方式的高速度>100℃/s加热；

并且进行多次反复加热-淬火实现元素的均匀化扩散；

通过热冲压成形保压淬火过程中模具内的高冷却速度或冲压成形后的强制冷却方法，使超细晶奥氏体转变为超细晶马氏体或超细晶马氏体+少量贝氏体组织，实现高强韧性结构件制备。

进一步，钢带材或为在热冲压成形保压淬火或者成形后冷却过程中实现所需组织转变的钢种；

使高温奥氏体以及淬火后马氏体晶粒超细化中，在线应用连续多次循环自阻加热及冷却工艺和装置，对热冲压成形前坯料进行高温奥氏体晶粒超细化处理以及成分均匀化。

进一步，结合最后一对电阻率的电极辊加热的方法以及后续快速均温炉，实现具有超细晶奥氏体组织的高温坯料在热冲压前的预制备。

进一步，所述超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备方法包括：

(1)选择热轧或冷轧非涂层板，根据一个冲次下成形模具内的零件个数选择合理尺寸的初始矩形坯料尺寸，单张坯料板的最大长度不低于两对自阻加热辊的辊间距；

(2)坯料经纵向自阻加热淬火装置实施连续在线的循环加热及淬火过程，利用在相邻的两对电极辊间加载的低压大电流进行快速加热，随后再通过水冷电极辊时实施淬火冷却；连续通过多对电极辊，对坯料板材实现多次循环加热-淬火冷却处理；

(3)最后一对电极辊选用具有高电阻率材料，与短时均温炉搭配，获得热冲压成形前具有超细晶奥氏体的均匀化的高温坯料；

(4)坯料从均温炉快速取出后，置于热冲压成形的压力机上，合模保压淬火，完成奥氏体向马氏体转变的同时实现零件成形成性；

(5)开模后取出零件,实施自然冷却或采取后续的强制冷却措施，获得所需具有更高强韧性的结构件。

进一步，超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备方法包括：

(1)选择热轧或冷轧非涂层板，根据一个冲次下成形模具内的零件个数选择合理尺寸的初始矩形坯料尺寸；

(2)坯料经横向自阻加热淬火装置加热设备实施连续在线的循环加热及淬火过程，其中快速加热过程依靠每对立辊电极间产生的低压大电流实现沿板宽方向的快速升温，随即后续实施快速冷却淬火；连续通过多对电极辊，对坯料板材实现多次循环加热-淬火冷却处理；

(3)坯料板材能够在通过最后一对立辊电极加热后，不实施冷却，而随即进入短时均温炉，获得热冲压成形前具有超细晶奥氏体的均匀化的高温坯料；

(4)坯料从均温炉快速取出后，置于热冲压成形的压力机上，合模保压淬火，完成奥氏体向马氏体转变的同时实现零件成形成性；

(5)开模后取出零件,实施自然冷却或采取后续的强制冷却措施，最终能够获得具有更高强韧性的结构件。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述的超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备方法制备的超高强韧性mn-b钢结构件。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备方法的超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备装置，所述超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备装置设置有：

自阻加热淬火装置；

自阻加热淬火装置通过传送带连通有坯料短时均温炉，坯料短时均温炉连通有成形压力机；

自阻加热淬火装置为纵向自阻加热淬火装置或横向自阻加热淬火装置；

坯料短时均温炉底部通过螺栓固定有多个加热电极辊。

进一步，纵向自阻加热淬火装置平行设置有上下多组水冷铜电极辊，水冷铜电极辊内部开设有环形分布的辊内水冷通道，相邻的两组水冷铜电极辊通过低压大电流线路连通，低压大电流线路连通有电源，水冷铜电极辊右侧通过轴固定有高电阻率电极辊，高电阻率电极辊与相邻的水冷铜电极辊通过低压大电流线路连通。

进一步，横向自阻加热淬火装置设置有竖直平行的两排立辊电极，相邻的立辊电极之间设置有淬火装置。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

(1)加热炉段长度可以显著缩短，可由单一辊底炉的30-40米长度缩短至不超过10米。

(2)可以同时显著降低加热炉的建设投资成本以及维护成本，从建设投资成本方面可以至少减低30％以上，且由于减少了造价较高的陶瓷辊的使用，以及高纯氮气的用量，因此在维护成本方面也具有显著优势。

(3)显著的减少板材在加热过程中的氧化。由于新型的加热方式加热速度快，且加热后随即高压低温气体的淬火吹扫，极大程度上削弱氧化，甚至避免氧化，进而增加非涂层板在热冲压生产过程中的应用比例，降低成本。

(4)循环快速加热-淬火工艺，可以最大程度细化奥氏体晶粒以及保证化学成分的均匀性，进而能够进一步提升现有热成型钢在热冲压淬火后所制备的结构件的强韧性。

(5)通过该制备方法，还能够有效将板料的热冲裁下料与热冲压保压淬火两者整合为一道工序，取消加热前高成本的激光下料工序，可以进一步压缩热冲压超高强结构件的成本，有助于其进一步推广应用。

本发明还具有的优点有：

本发明利用自阻加热淬火装置连续传动过程中实现mn-b钢带材循环加热-淬火以实现高温奥氏体以及淬火后马氏体晶粒超细化，以提高超高强钢结构件的低温韧性；同时，连续传动过程中依靠自阻加热方式的高加热速度，还能够有效减少氧化，从而有利于低成本非涂层板的推广使用，并且多次的反复加热-淬火还能够在较短的时间内实现元素的均匀化扩散，有助于构件的性能均一性。

本发明的纵向自阻加热淬火装置通过在相邻的两对电极辊间加载的低压大电流实现对板材的快速加热，通过向辊内水冷通道注水实施淬火冷却，连续通过多对电极辊以对坯料板材实现多次循环加热-淬火冷却处理，高电阻率电极辊选用具有高电阻率材料制造，以保证在与前面铜电极辊搭配加热时，坯料板材能够在连续传送快速加热至高温奥氏体区后不降温。

本发明的横向自阻加热淬火装置通过每对立辊电极间产生的低压大电流实现沿板宽方向的快速升温，随即后续实施快速冷却淬火，如此连续通过多对电极辊，以对坯料板材实现多次循环加热-淬火冷却处理。

本发明通过对热冲压成形前坯料板材进行快速多次的循环加热-淬火处理，配合均温炉为后续热冲压提供了具有超细化奥氏体晶粒的初始高温坯料，通过后续热冲压成形的保压淬火过程实现最终结构件微观组织马氏体的超细化，以达到低成本22mnb5热成形结构件增强增韧的目的。另外，由于本工艺方法所采用的加热方式为快速加热，能够有效避免钢板的氧化，因此适合于用低成本非涂层板(已国产化)生产，而取代价格昂贵的al-si涂层板。且多次的反复加热-淬火还能够在较短的时间内实现元素的均匀化扩散，有助于构件的性能均一性。同时，若未来热冲压模具的设计能够实现落料冲压一体化功能，该技术还能够显著缩短热冲压工艺流程，原材料可直接利用钢厂的冷轧或热轧卷，在生产成本控制方面将具有巨大优势。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备方法流程图。

图2是本发明实施例2提供的超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备方法流程图。

图3是本发明实施例提供的连续多次循环自阻加热及冷却装置结构示意图；

图4是本发明实施例提供的纵向自阻加热淬火装置结构示意图；

图5是本发明实施例提供的横向自阻加热淬火装置结构示意图；

图中：1、自阻加热淬火装置；2、坯料短时均温炉；3、成形压力机；4、加热电极辊；5、水冷铜电极辊；6、高电阻率电极辊；7、低压大电流线路；8、辊内水冷通道；9、立辊电极。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

传统辊底炉加热方式下的热冲压工艺流程长，成本高，且为避免坯料氧化通常需要采用高成本al-si涂层板，一旦采用铝硅涂层板后为保证涂层与铁基体的有效扩散时间以形成防氧化的金属间化合物，就造成加热过程周期长，效率低，部分温度区间加热速度无法提高等问题；

在传统热冲压成形工艺下，现阶段应用最普遍的钢种22mnb5所能实现的最高强度约为1500mpa,且延伸率低(<7％)，冲击韧性较差(约为65j/cm²)。在现有工艺下，要实现热成形构件强韧性综合性能的进一步提升，以进一步挖掘构件轻量化的潜力，只能通过改变热成形钢品种(在22mnb5钢成分基础上添加nb等微合金元素,或者提高碳含量等方式)以达到所需目的。而这无疑又提高的原材料成本且提高了材料的碳当量，不利于后续焊接性能。

为解决上述技术问题，下面结合技术方案对本发明的应用原理作详细描述。

本发明实施例提供的超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备方法包括：

利用电极辊连续传动进行mn-b钢带材循环加热-淬火，使高温奥氏体以及淬火后马氏体晶粒超细化。

同时，电极辊连续传动过程中进行自阻加热方式的高速度加热。

并且进行多次反复加热-淬火实现元素的均匀化扩散。

通过热冲压成形保压淬火过程中模具内的高冷却速度或冲压成形后的强制冷却方法，使超细晶奥氏体转变为超细晶马氏体或超细晶马氏体+少量贝氏体组织，实现高强韧性结构件制备。

在本发明实施例中，钢带材或为在热冲压成形保压淬火或者成形后冷却过程中实现所需组织转变的钢种。

使高温奥氏体以及淬火后马氏体晶粒超细化中，在线应用连续多次循环自阻加热及冷却工艺和装置，对热冲压成形前坯料进行高温奥氏体晶粒超细化处理以及成分均匀化。

在本发明实施例中，结合最后一对电阻率的电极辊加热的方法以及后续快速均温炉，实现具有超细晶奥氏体组织的高温坯料在热冲压前的预制备。

下面结合续多次循环自阻加热及冷却装置对本发明作进一步描述。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的连续多次循环自阻加热及冷却装置包括：自阻加热淬火装置1、坯料短时均温炉2、成形压力机3、加热电极辊4、水冷铜电极辊5、高电阻率电极辊6、低压大电流线路7、辊内水冷通道8、立辊电极9。

自阻加热淬火装置1通过传送带连通有坯料短时均温炉2，坯料短时均温炉2连通有成形压力机3；自阻加热淬火装置1为纵向自阻加热淬火装置或横向自阻加热淬火装置；坯料短时均温炉2底部通过螺栓固定有多个加热电极辊4。

纵向自阻加热淬火装置平行设置有上下多组水冷铜电极辊5，水冷铜电极辊5内部开设有环形分布的辊内水冷通道8，相邻的两组水冷铜电极辊5通过低压大电流线路7连通，低压大电流线路7连通有电源，水冷铜电极辊5右侧通过轴固定有高电阻率电极辊6，高电阻率电极辊6与相邻的水冷铜电极辊5通过低压大电流线路7连通。

在本发明实施例中，横向自阻加热淬火装置设置有竖直平行的两排立辊电极9，相邻的立辊电极9之间设置有淬火装置。

在本发明实施例中，在自阻加热淬火装置1为纵向自阻加热淬火装置时：

(1)选择合适的减重所需厚度级别的热轧或冷轧非涂层板，根据一个冲次下成形模具内的零件个数选择合理尺寸的初始矩形坯料尺寸，但是保证单张坯料板的最大长度不低于两对自阻加热辊的辊间距，否则无法完成在线加热。

(2)坯料经加热设备实施连续在线的循环加热及淬火过程，其中快速加热过程依靠在相邻的两对电极辊间加载的低压大电流实现，随后在通过水冷电极辊时实施淬火冷却。如此连续通过多对电极辊，以对坯料板材实现多次循环加热-淬火冷却处理，一般循环处理次数3-4次，可根据需要适当增减电极辊的对数，以改变循环处理次数。

(3)最后一对电极辊选用具有高电阻率材料设计制造，以保证在与前面铜电极辊搭配加热时，坯料板材能够在连续传送快速加热至高温奥氏体区后不降温，从而与中短时均温炉搭配，获得热冲压成形前具有超细晶奥氏体的均匀化的高温坯料。

(4)坯料从均温炉快速取出后，置于热冲压成形的压力机，合模保压淬火(合模前完成边料冲裁)，完成奥氏体向马氏体转变的同时实现零件成形成性。

(5)开模后取出零件，实施自然冷却或采取后续的强制冷却措施，最终能够获得所需22mnb5成分下具有更高强韧性的结构件。

在本发明实施例中，在自阻加热淬火装置1为横向自阻加热淬火装置时：

(1)选择合适的减重所需厚度级别的热轧或冷轧非涂层板，根据一个冲次下成形模具内的零件个数选择合理尺寸的初始矩形坯料尺寸。

(2)坯料经加热设备实施连续在线的循环加热及淬火过程，其中快速加热过程依靠每对立辊电极间产生的低压大电流实现沿板宽方向的快速升温，随即后续实施快速冷却淬火。如此连续通过多对电极辊，以对坯料板材实现多次循环加热-淬火冷却处理，一般循环处理次数3-4次，可根据需要适当增减电极辊的对数，以改变循环处理次数。

(3)坯料板材能够在通过最后一对立辊电极加热后，不实施冷却，而随即进入坯料短时均温炉2中短时均温炉，以保证坯料在高温奥氏体区后不降温，获得热冲压成形前具有超细晶奥氏体的均匀化的高温坯料。

(4)坯料从均温炉快速取出后，置于热冲压成形的压力机上，合模保压淬火(合模前完成边料冲裁)，完成奥氏体向马氏体转变的同时实现零件成形成性。

(5)开模后取出零件，实施自然冷却或采取后续的强制冷却措施，最终能够获得所需22mnb5成分下具有更高强韧性的结构件。

下面结合实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

实施例1：

如图1所示；本发明提供的超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备方法包括：

(1)选择合适的减重所需厚度级别的热轧或冷轧非涂层板，根据一个冲次下成形模具内的零件个数选择合理尺寸的初始矩形坯料尺寸，但是保证单张坯料板的最大长度不低于图1(a)两对自阻加热辊的辊间距，否则无法完成在线加热。

(2)坯料经图1(a)所示加热设备实施连续在线的循环加热及淬火过程，其中快速加热过程依靠在相邻的两对电极辊间加载的低压大电流实现，随后在通过水冷电极辊时实施淬火冷却。如此连续通过多对电极辊，以对坯料板材实现多次循环加热-淬火冷却处理，一般循环处理次数3-4次，可根据需要适当增减电极辊的对数，以改变循环处理次数。

(3)最后一对电极辊选用具有高电阻率材料设计制造，以保证在与前面铜电极辊搭配加热时，坯料板材能够在连续传送快速加热至高温奥氏体区后不降温，从而与图1(b)中短时均温炉搭配，获得热冲压成形前具有超细晶奥氏体的均匀化的高温坯料。

(4)坯料从均温炉快速取出后，置于热冲压成形的压力机上图1(c)，合模保压淬火(合模前完成边料冲裁)，完成奥氏体向马氏体转变的同时实现零件成形成性。

(5)开模后取出零件图1(d),实施自然冷却或采取后续的强制冷却措施，最终能够获得所需22mnb5成分下具有更高强韧性的结构件。

实施例2：

如图2所示，本发明提供的超高强韧性mn-b钢结构件连续在线制备方法包括：

(1)选择合适的减重所需厚度级别的热轧或冷轧非涂层板，根据一个冲次下成形模具内的零件个数选择合理尺寸的初始矩形坯料尺寸。

(2)坯料经图2(a)所示加热设备实施连续在线的循环加热及淬火过程，其中快速加热过程依靠每对立辊电极间产生的低压大电流实现沿板宽方向的快速升温，随即后续实施快速冷却淬火。如此连续通过多对电极辊，以对坯料板材实现多次循环加热-淬火冷却处理，一般循环处理次数3-4次，可根据需要适当增减电极辊的对数，以改变循环处理次数。

(3)坯料板材能够在通过最后一对立辊电极加热后，不实施冷却，而随即进入图2(b)中短时均温炉，以保证坯料在高温奥氏体区后不降温，获得热冲压成形前具有超细晶奥氏体的均匀化的高温坯料。

(4)坯料从均温炉快速取出后，置于热冲压成形的压力机上图2(c)，合模保压淬火(合模前完成边料冲裁)，完成奥氏体向马氏体转变的同时实现零件成形成性。

(5)开模后取出零件图2(d),实施自然冷却或采取后续的强制冷却措施，最终能够获得所需22mnb5成分下具有更高强韧性的结构件。

下面结合效果对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明针对热成形用坯料板材(钢种不限定必须为mn-b钢，只要能够在热冲压成形保压淬火或者成形后冷却过程中实现所需组织转变的钢种都可以)，在线应用连续多次循环自阻加热及冷却工艺和装置，对热冲压成形前坯料进行高温奥氏体晶粒超细化处理以及成分均匀化。

本发明结合最后一对电阻率的电极辊加热的方案设计以及后续快速均温炉，实现具有超细晶奥氏体组织的高温坯料在热冲压前的预制备。

本发明通过热冲压成形保压淬火过程中模具内的高冷却速度或冲压成形后的强制冷却措施，确保超细晶奥氏体能够有效转变为超细晶马氏体或超细晶马氏体+少量贝氏体组织，实现高强韧性结构件制备。

本发明的工艺方法尤其适合于低成本非涂层热成形钢板的热冲压成形，可以减少非涂层板加热过程的氧化问题，从而降低所生产的结构件的成本。

本发明的工艺摒弃传统热冲压成形工艺中预先落料再加热的工艺流程，而将冲裁(高温冲裁)与热冲压成形整合为一，不仅能够大幅度缩短工艺流程、提高热冲压成形生产效率，且同时也极大的降低生产成本。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。