阅读说明：本技术 一种经过深冷处理的高强度高塑性汽车板的制备方法 (Preparation method of high-strength and high-plasticity automobile plate subjected to cryogenic treatment ) 是由 景财年 叶道珉 李亮 吴聪 雷启腾 丁啸云 侯玉栋 张志浩 刘磊 赵顺治 于 2020-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种经过深冷处理的高强度高塑性汽车板的制备方法,本发明采用的技术方案为：首先将钢板快速加热到完全奥氏体区并保温,随后快速转移至热冲压设备以一定压力进行冲压,同时进行淬火配分处理,随后迅速卸压并将钢板快速水淬到室温完成热成形淬火配分处理；随后利用深冷控制箱对经过淬火配分处理的钢板进行不同温度的深冷处理,处理后将钢板自然恢复到室温。最后将经过深冷处理的钢板置于加热炉中进行回火处理,处理后水淬到室温。本发明结合热成形淬火配分工艺与深冷处理,使得钢板的强度与塑性得到双重提高,和现有技术相比,本发明是一种高效、绿色加工高性能汽车板的方法,能更好地满足工业化生产的需要,实现大规模生产,极具应用前景。(The invention relates to a method for preparing a high-strength and high-plasticity automobile plate subjected to cryogenic treatment, which adopts the technical scheme that: firstly, rapidly heating a steel plate to a complete austenite region, preserving heat, then rapidly transferring to hot stamping equipment to stamp at a certain pressure, simultaneously carrying out quenching distribution treatment, then rapidly releasing pressure, rapidly carrying out water quenching on the steel plate to room temperature, and completing the hot forming quenching distribution treatment; and then, carrying out cryogenic treatment at different temperatures on the steel plate subjected to quenching distribution treatment by using a cryogenic control box, and naturally restoring the steel plate to the room temperature after the treatment. And finally, placing the steel plate subjected to the cryogenic treatment in a heating furnace for tempering treatment, and performing water quenching to room temperature after the treatment. The invention combines the hot forming quenching distribution process and the deep cooling treatment, so that the strength and the plasticity of the steel plate are improved doubly.)

一种经过深冷处理的高强度高塑性汽车板的制备方法

技术领域

本发明属于钢铁热加工技术领域，具体涉及一种经过深冷处理的高强度高塑性汽车板的制备方法。

背景技术

自2009年以来，中国已经持续10余年成为世界上最大的汽车生产与消费国，中国汽车庞大的保有量使得能源问题、安全问题和环境问题日益严峻，这三大问题迫使汽车工业在节能和减排上不断探索，相关研究表明，当车辆的整体车身质量下降10％时，该机动车每百公里油耗可减少6～8％，同时，污染物气体排放可减少4％，因此汽车轻量化已经成为汽车工业发展的主旋律，而先进高强钢的应用则是轻量化的主要技术手段。

术语“强塑积”，是表征金属材料强韧性水平的一个综合性能指标，是金属的抗拉强度与断后延伸率的乘积，表示金属在变形过程中吸收的能量或外力拉断金属时所作的功，强塑积越高，表示金属材料的综合力学性能越好。

术语“断后延伸率”，指金属材料受外力(拉力)作用断裂时，金属伸长的长度与原来长度的百分比，是一个表征金属塑性变形能力的性能指标，其数值越大，金属的塑性变形能力越好。

术语“先进高强度钢(AHSS，Advanced High Strength Steel)”：主要包括双相钢(DP)、相变诱导塑性(TRIP)钢、马氏体(M))钢、复相钢(CP)、热成形(HF)钢和孪晶诱导塑性(TWIP)钢；AHSS的强度在500MPa到1500MPa之间，具有很好吸能性，在汽车轻量化和提高安全性方面起着非常重要的作用，已经广泛应用于汽车工业，主要应用于汽车结构件、安全件和加强件如A/B/C柱、车门槛、前后保险杠、车门防撞梁、横梁、纵梁、座椅滑轨等零件。

热成形淬火-配分(HS-Q&P)工艺：热成形工艺是由上世纪70年代初瑞典著名的钢铁巨擘SSAB集团率先开始研究，到上世纪90年代，美国福特公司成功的将旗下汽车保险杠采用该工艺生产，随后，各大钢铁巨擘和跨国车企开始重视这一工艺生产的超高强度零部件。当时的热成形工艺，是将合适大小的钢板或者零件坯料以一定的速度加热到一定温度，完全奥氏体化后迅速从加热设备中转移，到一个具备冷却循环系统的模具中，以极大速率下压并冷却，得到1000MPa以上的高强度成品。如今，热成形工艺发展出了两种不同的方法，一种是直接法，即钢板加热后冲压成型，另一种是间接法，即钢板先冷冲压出一定的形状，随后加热后冲压二次固定。但是热成形后的钢板断后延伸率不高，强塑积多数会处在一个较低的水平。热成形工艺可以在保证强度轻微下降的前提下大大降低汽车零件的重量。然而，通过传统热成型工艺制造的汽车零件发生全马氏体转变，塑性很差，这严重降低了热成形零件的综合力学性能。为了改善高强钢的塑性，淬火-碳分配工艺(Q&P工艺)目前被用于代替传统热成形工艺中的直接淬火。通过HS-Q&P工艺，可以得到优异的塑性与综合力学性能结合的钢板，但是Q&P工艺只能改善塑性，并不会提高钢板的强度，甚至会降低强度。

深冷处理技术：常将低温处理分为冷处理和深冷处理。一般来说深冷处理是指置于低温(-125～-196℃)的处理，冷处理是指在低温(-60～-80℃)的处理。区分两种低温处理温度的依据是两种冷处理方式下影响被处理件的效果不同。冷处理有利于奥氏体转变为马氏体，常应用于制造工序中来提高样件的表面硬度和热稳定性。深冷处理能获得高的耐磨性和韧性，最近几年常用于提高产品的使用寿命。

马氏体经超低温深冷，由于体积收缩，Fe的晶格常数有缩小的趋势，从而加强了碳原子析出的驱动力，但由于低温下的扩散更为困难，扩散距离更短，于是在马氏体的基体上析出了大量的弥散的超微细碳化物。同时经过HS-Q&P处理后的钢板，本身淬火到室温时，有大量的残余奥氏体未转变为马氏体，超低温深冷处理时，C原子本质上时不能移动的，残余奥氏体会稳定的存在于马氏体片层中，远低于马氏体转变终了温度M_f，同时提供了极大的过冷度作为驱动力，使得残余奧氏体向马氏体转变发生，而温度越低，相变驱动力越大，相变量越多，因此经过深冷处理后大量马氏体发生转变，仍有少量奥氏体残留。深冷处理改变了残留奥氏体的含量、形状、分布和亚结构，经处理后的残留奥氏体处于等轴压应力状态，不会引起塑性变形，是相当稳定的组织，在使用过程中以韧性相出现，起到缓和应力，防止接触疲劳扩展的作用，有利于提高钢的强初性。

深冷处理作为传统热处理的扩展，能够改善材料组织和性能。它不仅能提高材料的尺寸稳定性、减少变形，还可以提高材料的耐磨性、冲击韧性、抗拉强度、残余应力等，并且操作简便，无污染、成本低，属绿色制造技术范畴。深冷处理相比于冷处理能同时提高一些性能的主要原因是，使组织中的残余奥氏体完全转变旁马氏体以及马氏体分解和超微细碳化物的析出等组织结构的改变，使硬度、强度、耐磨性、热稳定性提高。同时深冷处理也存在一定的缺点，如在回火处理前后的环境变化和工艺参数微小的改变都会造成不一样的深冷处理效果。

目前深冷处理的应用研究主要集中在工模具钢，在合金结构钢、硬质合金、铅合金及其复合材料等方面也取得了一定进展，而在超高强度钢方面还很少见报道。

回火工艺：将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度Ac₁(加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度)的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理工艺。或将淬火后的合金工件加热到适当温度，保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。一般用于减小或消除淬火钢件中的内应力，或者降低其硬度和强度，以提高其延性或韧性。淬火后的工件应及时回火，通过淬火和回火的相配合，才可以获得所需的力学性能。

综上可知，现有技术中制备超高强度钢存在以下几个问题：(1)工艺不够完善，每种工艺都有其侧重点，不是提高强度就是提高塑性，但是提高一项性能的同时，会带来另一项性能的降低甚至恶化。(2)每个工艺的应用范围较窄。

发明内容

针对上述现有技术中存在的性能改善有限，强度和塑性难以同步提高等问题，本发明的目的在于提供一种经过深冷处理的高强度高塑性汽车板的制备方法。本发明同过将热成形淬火-配分工艺与深冷处理、回火工艺结合起来，利用深冷处理工艺大幅度提高经过HS-Q&P工艺的产品的强度，同时，利用HS-Q&P工艺会产生大量室温残余奥氏体的特点，解决了一般情况下深冷处理工艺会大幅度甚至完全消除残余奥氏体的情况，保留了相当一部分的残余奥氏体，保证了产品的塑性。

为了实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开了一种经过深冷处理的高强度高塑性汽车板的制备方法，所述方法包括，对钢板进行完全奥氏体区淬火配分处理；然后进行深冷处理；最后进行一步回火处理。具体包括如下步骤：

1)热成形淬火配分处理：

钢板快速加热到完全奥氏体区，保温一段时间，随后快速转移至热冲压设备，以一定压力进行冲压，并在模具内进行淬火配分处理，随后迅速卸压并将钢板快速水淬到室温。

2)深冷处理：

利用深冷控制箱对经过淬火配分处理的钢板进行不同温度的深冷处理，处理后将钢板置于空气中，自然恢复到室温。

3)回火处理：

将经过深冷处理的钢板置于加热炉中进行回火处理，处理后水淬到室温。

所述的钢板的化学成分与重量百分比为C：0.10～0.20；Mn：2.00～2.80；S：1.40～1.80；Al：0.030～0.050；Cr：0.020～0.040；S≤0.03；P≤0.03，并含有少量的Ni、V(Ni：0.004；V：0.008)。

所述步骤1)中，加热到完全奥氏体区的完全奥氏体化温度视钢板化学成分而定，一般情况下，加热到完全奥氏体区的温度范围为880～1050℃，完全奥氏体区的保温时间为5～10min。

所述步骤1)中，模具内冲压压力为30～90kN。

所述步骤1)中，模具内淬火配分处理的温度范围为250～450℃，配分保温时间为30～120s。

所述步骤1)中，试验用炉为MXQ1700型高温箱式气氛炉和SG2-5-10型盐浴炉，冲压模具为市场上销售的具有控温功能的冲压模具。

所述步骤2)中，深冷处理的冷却速度为5～20℃/min；深冷处理的温度为：-120～-200℃；深冷处理的保温时间为1～48h。

所述步骤2)中，深冷控制箱可为市场上销售的具有隔热保温的深冷箱，采用的低温冷源为低温空气，采用的超低温冷源为液氮。

所述步骤3)中，回火处理的温度范围为200～560℃，保温时间为30～60min。

本发明将完全奥氏体区淬火配分工艺与深冷处理结合使用的设计思路如下：

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：本发明结合了HS-Q&P工艺与深冷、回火工艺，经过该深冷工艺处理后钢板的力学性能有了显著改善，经过深冷回火处理后的钢板，其室温抗拉强度和屈服强度得到提高，同时塑性并不会下降。由于HS-Q&P会得到相当数量的室温残余奥氏体，深冷处理后，仍会保留一定数量的残余奥氏体，同时改变经过HS-Q&P处理后得到的残余奥氏体的形状、分布与亚结构，一定程度上有利于提高钢的强韧性。

需要说明的是，上述设计思路是一个整体，每一个步骤的顺序、工艺参数都有严格的限定，不能分开看待，且上述设计思路无法仅通过现有技术中一般热处理或深冷处理得到。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例1～5的流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的说明。

实施例1

本实施例所用的钢板的化学成分与重量百分比为C：0.17；Mn：2.32；S：1.63；Al：0.043；Cr：0.024；S≤0.03；P≤0.03，并含有少量的Ni、V(Ni：0.004；V：0.008)。

本发明加热到完全奥氏体区的完全奥氏体化温度视钢板化学成分而定，因此，本实施例选用的钢其完全奥氏体化温度为840℃。

1)热成形淬火配分处理：

钢板快速加热到完全奥氏体区880℃，保温5min，随后快速转移至热冲压设备，以一定压力进行冲压，并在模具内进行淬火配分处理，配分温度为250℃，保温时间为30s，随后迅速卸压并将钢板快速水淬到室温。

2)深冷处理：

利用深冷控制箱对经过淬火配分处理的钢板进行-120℃的深冷处理，冷却速度为5℃/min，保温时间为5h，处理后将钢板置于空气中，自然恢复到室温。

3)回火处理：

将经过深冷处理的钢板置于加热炉中进行回火处理，回火温度为250℃，保温时间为30min，处理后水淬到室温。

实施例2

本实施例所用的钢板的化学成分与重量百分比为C：0.17；Mn：2.32；S：1.63；Al：0.043；Cr：0.024；S≤0.03；P≤0.03，并含有少量的Ni、V(Ni：0.004；V：0.008)。

本发明加热到完全奥氏体区的完全奥氏体化温度视钢板化学成分而定，因此，本实施例选用的钢其完全奥氏体化温度为840℃。

1)热成形淬火配分处理：

钢板快速加热到完全奥氏体区910℃，保温10min，随后快速转移至热冲压设备，以一定压力进行冲压，并在模具内进行淬火配分处理，配分温度为350℃，保温时间为30s，随后迅速卸压并将钢板快速水淬到室温。

2)深冷处理：

利用深冷控制箱对经过淬火配分处理的钢板进行-150℃的深冷处理，冷却速度为10℃/min，保温时间为8h，处理后将钢板置于空气中，自然恢复到室温。

3)回火处理：

将经过深冷处理的钢板置于加热炉中进行回火处理，回火温度为300℃，保温时间为30min，处理后水淬到室温。

实施例3

本实施例所用的钢板的化学成分与重量百分比为C：0.17；Mn：2.32；S：1.63；Al：0.043；Cr：0.024；S≤0.03；P≤0.03，并含有少量的Ni、V(Ni：0.004；V：0.008)。

本发明加热到完全奥氏体区的完全奥氏体化温度视钢板化学成分而定，因此，本实施例选用的钢其完全奥氏体化温度为840℃。

1)热成形淬火配分处理：

钢板快速加热到完全奥氏体区940℃，保温5min，随后快速转移至热冲压设备，以一定压力进行冲压，并在模具内进行淬火配分处理，配分温度为400℃，保温时间为60s，随后迅速卸压并将钢板快速水淬到室温。

2)深冷处理：

利用深冷控制箱对经过淬火配分处理的钢板进行-160℃的深冷处理，冷却速度为5℃/min，保温时间为10h，处理后将钢板置于空气中，自然恢复到室温。

3)回火处理：

将经过深冷处理的钢板置于加热炉中进行回火处理，回火温度为350℃，保温时间为30min，处理后水淬到室温。

实施例4

本实施例所用的钢板的化学成分与重量百分比为C：0.17；Mn：2.32；S：1.63；Al：0.043；Cr：0.024；S≤0.03；P≤0.03，并含有少量的Ni、V(Ni：0.004；V：0.008)。

本发明加热到完全奥氏体区的完全奥氏体化温度视钢板化学成分而定，因此，本实施例选用的钢其完全奥氏体化温度为840℃。

1)热成形淬火配分处理：

钢板快速加热到完全奥氏体区1000℃，保温10min，随后快速转移至热冲压设备，以一定压力进行冲压，并在模具内进行淬火配分处理，配分温度为350℃，保温时间为90s，随后迅速卸压并将钢板快速水淬到室温。

2)深冷处理：

利用深冷控制箱对经过淬火配分处理的钢板进行-180℃的深冷处理，冷却速度为5℃/min，保温时间为15h，处理后将钢板置于空气中，自然恢复到室温。

3)回火处理：

将经过深冷处理的钢板置于加热炉中进行回火处理，回火温度为300℃，保温时间为45min，处理后水淬到室温。

实施例5

本实施例所用的钢板的化学成分与重量百分比为C：0.17；Mn：2.32；S：1.63；Al：0.043；Cr：0.024；S≤0.03；P≤0.03，并含有少量的Ni、V(Ni：0.004；V：0.008)。

本发明加热到完全奥氏体区的完全奥氏体化温度视钢板化学成分而定，因此，本实施例选用的钢其完全奥氏体化温度为840℃。

1)热成形淬火配分处理：

钢板快速加热到完全奥氏体区880℃，保温5min，随后快速转移至热冲压设备，以一定压力进行冲压，并在模具内进行淬火配分处理，配分温度为250℃，保温时间为60min，随后迅速卸压并将钢板快速水淬到室温。

2)深冷处理：

利用深冷控制箱对经过淬火配分处理的钢板进行-200℃的深冷处理，冷却速度为20℃/min，保温时间为20h，处理后将钢板置于空气中，自然恢复到室温。

3)回火处理：

将经过深冷处理的钢板置于加热炉中进行回火处理，回火温度为250℃，保温时间为60min，处理后水淬到室温。

对比例1

1)热成形淬火配分处理：

钢板快速加热到完全奥氏体区880℃，保温5min，随后快速转移至热冲压设备，以一定压力进行冲压，并在模具内进行淬火配分处理，配分温度为250℃，保温时间为60min，随后迅速卸压并将钢板快速水淬到室温。

2)回火处理：

将经过深冷处理的钢板置于加热炉中进行回火处理，回火温度为250℃，保温时间为60min，处理后水淬到室温。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围。