本發(fā)明涉及高強(qiáng)鋼空心零件的制備工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種C-Mn-B系高強(qiáng)鋼異形空心零件熱擠脹差強(qiáng)淬火一體化工藝。

背景技術(shù)：

高強(qiáng)度鋼是目前汽車零部件制造中廣泛使用的材料之一，傳統(tǒng)熱成形工藝獲得的高強(qiáng)鋼零件組織為馬氏體和微量殘余奧氏體，雖然其強(qiáng)度通?？蛇_(dá)1200MPa以上甚至更高，但是零件各部分的強(qiáng)度相等。伴隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對很多零部件的不同部分則要求有不同的強(qiáng)度和塑性，例如部分車體結(jié)構(gòu)件要求有一定的塑性，在碰撞過程中可以吸收較多的能量，而在減薄較為嚴(yán)重的拐角位置，則要求具有較高的硬度和強(qiáng)度，以避免發(fā)生結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)處的破壞。因此需要對該種結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)差強(qiáng)工藝處理。此外，目前針對高強(qiáng)鋼零件及產(chǎn)品的研發(fā)主要圍繞在高強(qiáng)鋼板材成形領(lǐng)域，但是為了進(jìn)一步提高性能、減輕重量，汽車?yán)鋮s管路、排氣管路以及傳動(dòng)系統(tǒng)中的零部件對復(fù)雜變截面空心零件的需求越發(fā)強(qiáng)烈和廣泛。

為解決這一難題，研究人員提供了一種高溫氣脹成形高強(qiáng)鋼管材零件的工藝，但是對于密封性的要求很高，操作時(shí)具有一定安全隱患，而且不能獲得性能差異的管類零件。而對高強(qiáng)鋼管件實(shí)現(xiàn)差強(qiáng)控制的方法通常是對初始管坯不同位置采取不同加熱溫度，即在管件成形前實(shí)現(xiàn)差溫控制，但是該方法存在兩個(gè)主要問題：第一，由于是在加熱過程中對同一管坯實(shí)現(xiàn)不同位置的差溫，而加熱升溫過程通常比較緩慢，管坯很容易因其內(nèi)部熱量交換的傳熱作用導(dǎo)致最終的溫差不明顯；其次，溫度對高強(qiáng)鋼的組織演變影響十分顯著，由于成形前的溫差可能會(huì)引起成形過程中各部位受力不均，從而在后續(xù)冷卻過程中由于熱應(yīng)力的作用，導(dǎo)致管件發(fā)生嚴(yán)重的尺寸畸變，從而降低成形精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種C-Mn-B系高強(qiáng)鋼異形空心零件熱擠脹差強(qiáng)淬火一體化工藝，該工藝有效解決了傳統(tǒng)熱成形工藝無法成形具有差強(qiáng)分布的復(fù)雜變截面高強(qiáng)鋼管類零件的技術(shù)難題，從而達(dá)到控形與控性一體化的最佳效果。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種C-Mn-B系高強(qiáng)鋼異形空心零件熱擠脹差強(qiáng)淬火一體化工藝，該工藝為陶瓷顆粒熱擠脹成形工藝和模內(nèi)差強(qiáng)淬火工藝的集成工藝，具體包括如下步驟：

(1)首先向高強(qiáng)鋼初始管坯內(nèi)部填充耐高溫陶瓷顆粒，在保護(hù)氣氛作用下對初始管坯進(jìn)行加熱，加熱溫度為1050℃±50℃，保溫15min～30min，以使高強(qiáng)鋼初始管坯奧氏體完全均勻化；同時(shí)，將成形模具預(yù)加熱至600℃～700℃；

(2)熱擠脹成形工藝：將奧氏體完全均勻化后的高強(qiáng)鋼管坯快速轉(zhuǎn)移至成形模具中，將管坯兩側(cè)通過沖頭密封，然后通過管坯兩側(cè)沖頭向內(nèi)施加壓力推進(jìn)管材和管材內(nèi)部陶瓷顆粒，對高強(qiáng)鋼管坯實(shí)現(xiàn)擠脹變形，直至管坯外表面與模具型腔內(nèi)壁完全貼合，然后保壓10～15s，即得到所需形狀管件；其中：所述沖頭包括補(bǔ)料沖頭和擠脹沖頭，實(shí)現(xiàn)擠脹變形的過程具體為：通過補(bǔ)料沖頭實(shí)現(xiàn)對管件的密封與推進(jìn)補(bǔ)料，而擠脹沖頭用來推進(jìn)管件內(nèi)部的陶瓷顆粒實(shí)現(xiàn)被動(dòng)擠脹增壓從而實(shí)現(xiàn)對管件的成形作用，最終實(shí)現(xiàn)管坯外表面完全貼合模具型腔內(nèi)表面。在該步驟中，所述管坯與陶瓷顆粒之間可設(shè)置石棉層或其他耐高溫隔層，以防止擠脹過程中陶瓷顆粒直接接觸管件內(nèi)壁從而產(chǎn)生壓痕等表面質(zhì)量問題。

(3)模內(nèi)差強(qiáng)淬火工藝：向成形模具水道中通入冷卻水，通過對通入冷卻水的調(diào)控對步驟(2)所得管件進(jìn)行在線淬火處理，控制成形后管件馬氏體相的含量和分布，最終獲得具有不同強(qiáng)度差異的復(fù)雜變截面的高強(qiáng)鋼異形空心零件。

所述在線淬火處理過程中，根據(jù)需要對模具不同位置的冷卻水通入時(shí)間和/或流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)異形空心零件不同部位的強(qiáng)度差異化，其中：通水時(shí)間調(diào)控范圍為5s～40s，通水流量調(diào)控范圍為0.1L/s～0.5L/s，零件不同部位的強(qiáng)度差異為200～350MPa。具體控制方式為：對異形空心零件強(qiáng)度和硬度要求高的部位進(jìn)行高速冷卻，提高該部位的馬氏體含量，同時(shí)細(xì)化馬氏體晶粒尺寸；而對異形空心零件需要提供一定塑性的部位，減少冷卻水通入時(shí)間和流量或不通入冷卻水，從而使得室溫條件下組織中保存一定數(shù)量的奧氏體相。

本發(fā)明設(shè)計(jì)原理如下：

本發(fā)明工藝主要是通過高溫下高強(qiáng)鋼管內(nèi)介質(zhì)的擠脹作用，使高強(qiáng)鋼在奧氏體化狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)塑性變形，從而成形出復(fù)雜變截面異形管件(異形空心零件)。隨后調(diào)節(jié)模具管道中冷卻水通入時(shí)間和流量實(shí)現(xiàn)在線淬火處理，從而控制冷卻后零件不同部位的馬氏體含量以達(dá)到零件的強(qiáng)度差異分布，達(dá)到控形與控性一體化的最佳效果。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、高強(qiáng)鋼在室溫條件下塑性極低，加之要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜變截面異形管件的成形，因此通過常規(guī)的冷成形方式很難實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明方法可以通過耐熱介質(zhì)的熱擠脹作用實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼的柔性成形，從而獲得尺寸外形滿足要求的復(fù)雜管類零件。

2、對于復(fù)雜變截面管件，模內(nèi)動(dòng)態(tài)冷卻的過程相比較傳統(tǒng)取件冷卻的方式而言，由于模內(nèi)型腔的約束限制，可以有效避免由于高速冷卻淬火過程中鋼內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力造成的滯后變形和回彈等嚴(yán)重影響管件尺寸精度的問題。

3、模具附加的冷卻系統(tǒng)加工簡單，不影響模具的正常使用，冷卻系統(tǒng)與成形機(jī)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)行，對正常的熱擠脹成形的過程沒有干涉影響。

4、設(shè)置模具內(nèi)貼近型腔的水道的冷卻方式，通過調(diào)整不同水道的開閉和流量，可以根據(jù)需求對產(chǎn)品的不同部位進(jìn)行不同冷速控制，從而實(shí)現(xiàn)差強(qiáng)性能，通過提高特殊需求部位的馬氏體含量，提升該部位的強(qiáng)度，滿足生產(chǎn)需求。

附圖說明

圖1為高強(qiáng)鋼異形空心零件熱擠脹淬火差強(qiáng)一體化工藝流程圖；

圖2為高強(qiáng)鋼異形空心零件熱擠脹淬火差強(qiáng)一體化工藝所用成形模具結(jié)構(gòu)示意圖；圖中：1-上模具；2-下模具；3-冷卻水道；4-初始管坯或管件；5-陶瓷顆粒；6-補(bǔ)料沖頭；7-擠脹沖頭；8-耐高溫隔層。

圖3為冷卻水通入時(shí)間和流量調(diào)控參數(shù)示意圖；

圖4為熱擠脹差強(qiáng)淬火后高強(qiáng)鋼管件不同部位馬氏體含量及強(qiáng)度分布示意圖；

具體實(shí)施方式

下面以一種C-Mn-B系高強(qiáng)鋼變截面管件為例，其主要化學(xué)成分為(wt.％)為：C：0.19％，Mn：1.53％，Ni：0.95％，Cr：1.01％，B：0.0027％，F(xiàn)e為余量。A₁溫度為880℃，A₃溫度為650℃，M_s為450℃，M_f為150℃。

該C-Mn-B系高強(qiáng)鋼變截面管件的加工工藝流程如圖1所示，該工藝所用成形模具結(jié)構(gòu)如圖2。工藝過程具體如下：

首先在初始管坯4的內(nèi)部包裹一層耐高溫隔層8，將陶瓷顆粒5填滿管坯4內(nèi)部，然后放入加熱爐并通入保護(hù)氣體氬氣，加熱到1070℃，保溫20min。使材料充分奧氏體化。同時(shí)，將成形模具的上模具1和下模具2預(yù)加熱至650℃。

將完全奧氏體化的初始管坯4快速轉(zhuǎn)移到下模2中，啟動(dòng)補(bǔ)料沖頭6和擠脹沖頭7封閉初始管坯4的兩側(cè)，調(diào)整上模具1使其向下運(yùn)動(dòng)與下模具2完全閉合鎖緊。

以上預(yù)備步驟完成后，通過對管坯兩側(cè)擠脹沖頭7施加的力F₂實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，對內(nèi)部陶瓷顆粒產(chǎn)生軸向推力，同時(shí)通過對兩側(cè)的補(bǔ)料沖頭6施加軸向力F₁，向內(nèi)推進(jìn)補(bǔ)料，從而在管件內(nèi)部形成被動(dòng)擠脹增壓，使初始管坯4產(chǎn)生塑性變形，最終管坯外表面完全貼合上模具1和下模具2的型腔內(nèi)表面，得到所需形狀管件。

繼續(xù)保持管件兩側(cè)補(bǔ)料沖頭6和擠脹沖頭7的加載壓力10s，使初始管坯4達(dá)到預(yù)先設(shè)定的幾何形狀和尺寸。

在成形過程結(jié)束后，按照預(yù)先計(jì)算好的初始管坯4各個(gè)部位所需的冷卻水流量和時(shí)間，將冷卻水通入模具上預(yù)先加工的冷卻水通道3，進(jìn)行在線差強(qiáng)淬火處理。如圖3所示，為了滿足彎角處的高強(qiáng)度要求，開啟彎角處的冷卻水道進(jìn)行局部冷卻，冷卻水溫度為15℃。先以0.5L/s流量冷卻10s，然后以0.1L/s的流量冷卻30s，此時(shí)管件彎角處的溫度已降至M_f點(diǎn)，馬氏體相變完成，而模具和管件的其他部位的溫度降低到高強(qiáng)鋼的A₃線之下，關(guān)閉冷卻水，繼續(xù)保持補(bǔ)料沖頭6和擠脹沖頭7的壓力，將零件及模具置于空氣中緩慢冷卻至室溫。退出兩側(cè)沖頭并分離上模具1與下模具2，取出成形后零件。這樣最終可以獲得較小變形且局部強(qiáng)度較高的產(chǎn)品(圖4)，同時(shí)避免了傳統(tǒng)過程的脫模冷卻所造成的產(chǎn)品管件的幾何變形。

上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。