[发明专利]一种马氏体钢板材复杂形状构件的热成形方法

说明书

本发明公开了一种马氏体钢板材复杂形状构件的热成形方法，属金属先进制造及塑性成形领域。首先将马氏体钢薄板加热至930℃‑950℃，使其奥氏体化；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，对钢板表面进行脉动气压加载成形至与凹模贴合，获得复杂形状构件；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；并对成形构件进行激光冲孔、切边，得到马氏体钢最终构件；本发明可以有效解决超高强度马氏体钢板材在复杂形状构件上的成形难题，进一步增大构件中的马氏体组织转变率，降低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。

技术领域

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。

发明内容

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。