一种C‑Mn‑B系高强钢异形空心零件热挤胀差强淬火一体化工艺的制作方法

本发明涉及高强钢空心零件的制备工艺技术领域，具体涉及一种C-Mn-B系高强钢异形空心零件热挤胀差强淬火一体化工艺。

背景技术：

高强度钢是目前汽车零部件制造中广泛使用的材料之一，传统热成形工艺获得的高强钢零件组织为马氏体和微量残余奥氏体，虽然其强度通常可达1200MPa以上甚至更高，但是零件各部分的强度相等。伴随着汽车工业的快速发展，对很多零部件的不同部分则要求有不同的强度和塑性，例如部分车体结构件要求有一定的塑性，在碰撞过程中可以吸收较多的能量，而在减薄较为严重的拐角位置，则要求具有较高的硬度和强度，以避免发生结构弱点处的破坏。因此需要对该种结构件实现差强工艺处理。此外，目前针对高强钢零件及产品的研发主要围绕在高强钢板材成形领域，但是为了进一步提高性能、减轻重量，汽车冷却管路、排气管路以及传动系统中的零部件对复杂变截面空心零件的需求越发强烈和广泛。

为解决这一难题，研究人员提供了一种高温气胀成形高强钢管材零件的工艺，但是对于密封性的要求很高，操作时具有一定安全隐患，而且不能获得性能差异的管类零件。而对高强钢管件实现差强控制的方法通常是对初始管坯不同位置采取不同加热温度，即在管件成形前实现差温控制，但是该方法存在两个主要问题：第一，由于是在加热过程中对同一管坯实现不同位置的差温，而加热升温过程通常比较缓慢，管坯很容易因其内部热量交换的传热作用导致最终的温差不明显；其次，温度对高强钢的组织演变影响十分显著，由于成形前的温差可能会引起成形过程中各部位受力不均，从而在后续冷却过程中由于热应力的作用，导致管件发生严重的尺寸畸变，从而降低成形精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种C-Mn-B系高强钢异形空心零件热挤胀差强淬火一体化工艺，该工艺有效解决了传统热成形工艺无法成形具有差强分布的复杂变截面高强钢管类零件的技术难题，从而达到控形与控性一体化的最佳效果。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种C-Mn-B系高强钢异形空心零件热挤胀差强淬火一体化工艺，该工艺为陶瓷颗粒热挤胀成形工艺和模内差强淬火工艺的集成工艺，具体包括如下步骤：

(1)首先向高强钢初始管坯内部填充耐高温陶瓷颗粒，在保护气氛作用下对初始管坯进行加热，加热温度为1050℃±50℃，保温15min～30min，以使高强钢初始管坯奥氏体完全均匀化；同时，将成形模具预加热至600℃～700℃；

(2)热挤胀成形工艺：将奥氏体完全均匀化后的高强钢管坯快速转移至成形模具中，将管坯两侧通过冲头密封，然后通过管坯两侧冲头向内施加压力推进管材和管材内部陶瓷颗粒，对高强钢管坯实现挤胀变形，直至管坯外表面与模具型腔内壁完全贴合，然后保压10～15s，即得到所需形状管件；其中：所述冲头包括补料冲头和挤胀冲头，实现挤胀变形的过程具体为：通过补料冲头实现对管件的密封与推进补料，而挤胀冲头用来推进管件内部的陶瓷颗粒实现被动挤胀增压从而实现对管件的成形作用，最终实现管坯外表面完全贴合模具型腔内表面。在该步骤中，所述管坯与陶瓷颗粒之间可设置石棉层或其他耐高温隔层，以防止挤胀过程中陶瓷颗粒直接接触管件内壁从而产生压痕等表面质量问题。

(3)模内差强淬火工艺：向成形模具水道中通入冷却水，通过对通入冷却水的调控对步骤(2)所得管件进行在线淬火处理，控制成形后管件马氏体相的含量和分布，最终获得具有不同强度差异的复杂变截面的高强钢异形空心零件。

所述在线淬火处理过程中，根据需要对模具不同位置的冷却水通入时间和/或流量进行调节，实现异形空心零件不同部位的强度差异化，其中：通水时间调控范围为5s～40s，通水流量调控范围为0.1L/s～0.5L/s，零件不同部位的强度差异为200～350MPa。具体控制方式为：对异形空心零件强度和硬度要求高的部位进行高速冷却，提高该部位的马氏体含量，同时细化马氏体晶粒尺寸；而对异形空心零件需要提供一定塑性的部位，减少冷却水通入时间和流量或不通入冷却水，从而使得室温条件下组织中保存一定数量的奥氏体相。

本发明设计原理如下：

本发明工艺主要是通过高温下高强钢管内介质的挤胀作用，使高强钢在奥氏体化状态下实现塑性变形，从而成形出复杂变截面异形管件(异形空心零件)。随后调节模具管道中冷却水通入时间和流量实现在线淬火处理，从而控制冷却后零件不同部位的马氏体含量以达到零件的强度差异分布，达到控形与控性一体化的最佳效果。

本发明的优点在于：

1、高强钢在室温条件下塑性极低，加之要实现复杂变截面异形管件的成形，因此通过常规的冷成形方式很难实现，本发明方法可以通过耐热介质的热挤胀作用实现高强钢的柔性成形，从而获得尺寸外形满足要求的复杂管类零件。

2、对于复杂变截面管件，模内动态冷却的过程相比较传统取件冷却的方式而言，由于模内型腔的约束限制，可以有效避免由于高速冷却淬火过程中钢内部产生的残余应力造成的滞后变形和回弹等严重影响管件尺寸精度的问题。

3、模具附加的冷却系统加工简单，不影响模具的正常使用，冷却系统与成形机构独立运行，对正常的热挤胀成形的过程没有干涉影响。

4、设置模具内贴近型腔的水道的冷却方式，通过调整不同水道的开闭和流量，可以根据需求对产品的不同部位进行不同冷速控制，从而实现差强性能，通过提高特殊需求部位的马氏体含量，提升该部位的强度，满足生产需求。

附图说明

图1为高强钢异形空心零件热挤胀淬火差强一体化工艺流程图；

图2为高强钢异形空心零件热挤胀淬火差强一体化工艺所用成形模具结构示意图；图中：1-上模具；2-下模具；3-冷却水道；4-初始管坯或管件；5-陶瓷颗粒；6-补料冲头；7-挤胀冲头；8-耐高温隔层。

图3为冷却水通入时间和流量调控参数示意图；

图4为热挤胀差强淬火后高强钢管件不同部位马氏体含量及强度分布示意图；

具体实施方式

下面以一种C-Mn-B系高强钢变截面管件为例，其主要化学成分为(wt.％)为：C：0.19％，Mn：1.53％，Ni：0.95％，Cr：1.01％，B：0.0027％，Fe为余量。A₁温度为880℃，A₃温度为650℃，M_s为450℃，M_f为150℃。

该C-Mn-B系高强钢变截面管件的加工工艺流程如图1所示，该工艺所用成形模具结构如图2。工艺过程具体如下：

首先在初始管坯4的内部包裹一层耐高温隔层8，将陶瓷颗粒5填满管坯4内部，然后放入加热炉并通入保护气体氩气，加热到1070℃，保温20min。使材料充分奥氏体化。同时，将成形模具的上模具1和下模具2预加热至650℃。

将完全奥氏体化的初始管坯4快速转移到下模2中，启动补料冲头6和挤胀冲头7封闭初始管坯4的两侧，调整上模具1使其向下运动与下模具2完全闭合锁紧。

以上预备步骤完成后，通过对管坯两侧挤胀冲头7施加的力F₂实现进给，对内部陶瓷颗粒产生轴向推力，同时通过对两侧的补料冲头6施加轴向力F₁，向内推进补料，从而在管件内部形成被动挤胀增压，使初始管坯4产生塑性变形，最终管坯外表面完全贴合上模具1和下模具2的型腔内表面，得到所需形状管件。

继续保持管件两侧补料冲头6和挤胀冲头7的加载压力10s，使初始管坯4达到预先设定的几何形状和尺寸。

在成形过程结束后，按照预先计算好的初始管坯4各个部位所需的冷却水流量和时间，将冷却水通入模具上预先加工的冷却水通道3，进行在线差强淬火处理。如图3所示，为了满足弯角处的高强度要求，开启弯角处的冷却水道进行局部冷却，冷却水温度为15℃。先以0.5L/s流量冷却10s，然后以0.1L/s的流量冷却30s，此时管件弯角处的温度已降至M_f点，马氏体相变完成，而模具和管件的其他部位的温度降低到高强钢的A₃线之下，关闭冷却水，继续保持补料冲头6和挤胀冲头7的压力，将零件及模具置于空气中缓慢冷却至室温。退出两侧冲头并分离上模具1与下模具2，取出成形后零件。这样最终可以获得较小变形且局部强度较高的产品(图4)，同时避免了传统过程的脱模冷却所造成的产品管件的几何变形。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。