CN115821167A - 一种超高强鞍座板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及汽车牵引部件的技术领域，具体公开了一种超高强鞍座板及其制造方法，一种超高强鞍座板，包括以下质量百分比的原料：C 0.15‑0.35%，Mn 1.0‑1.8%，Si≤0.5%，B≤0.005%，Zr 0.0015‑0.035%，Al 0.15%‑0.2%，ZrB20.002‑0.007%，ZrO2 0.001‑0.004%，其余成分为铁；其制造方法为：步骤一，熔炼：按上述原料在真空感应电炉中均匀搅动熔炼，浇铸成钢板；步骤二，均一化处理：将钢板在惰性气体保护下进行加热，保温，在空气中冷却至常温，轧制成所需材料厚度，切成零件坯料；步骤三，热冲压成型：将步骤二得到的坯料首先使用预成型模具对坯料进行冷冲压，然后快速移动到模具内进行冲压，保压，淬火，得到鞍座板。其具有保证轻量化的同时获得超高强度的鞍座板的效果。
Description
技术领域
本发明涉及汽车牵引部件的技术领域，尤其是涉及一种超高强鞍座板及其制造方法。
背景技术
鞍座板是装在牵引车车架与鞍座之间的一种连接装置，作用是把鞍座与牵引车车架连为一体，再通过鞍座与挂车的连接，实现半挂车主车与挂车的连接。
相关技术中，鞍座板一般使用的是低强度钢，通过加厚以达到所需最终性能；而使用高强度钢材生产鞍座板时，折弯的话，整体容易出现回弹和褶皱、开裂等问题。因此，随着市场汽车轻量化竞争激烈，鞍座板既需要超高强度，又要保证轻量化，而高强度与轻量化之间需找到一个平衡点，同时此平衡点也是目前面临的难点。
发明内容
为了保证轻量化的同时获得超高强度的鞍座板，本申请提供一种超高强鞍座板及其制造方法。
本申请提供的一种超高强鞍座板及其制造方法，采用如下的技术方案：
一种超高强鞍座板，所述鞍座板包括以下质量百分比的原料：C 0.15-0.35％，Mn1.0-1.8％，Si≤0.5％，B≤0.005％，其余成分为铁。
通过采用上述技术方案，采用了较为合理的Mn元素含量，并配合C元素含量，复合添加了Si和B作为重要的合金元素。C、Mn是固溶强化元素，能提高钢的强度，Mn元素含量低，钢板的强度不够，不利于后期成形，Mn元素能够通过降低相变驱动力以提高淬透性，可以有效提高马氏体占比，显著提高强度；Si原子半径大于Fe，Si能够固溶于奥氏体中，有明显强化作用，可提高耐磨性能，B合理的添加量能保证钢的淬透性和强度可选的，所述鞍座板包括以下质量百分比的原料：C 0.2-0.28％，Mn 1.3-1.5％，Si 0.3％，B0.005％，Zr 0.0017-0.02％，Al 0.17-0.2％，ZrB2 0.004-0.006％，ZrO2 0.001-0.003％，其余成分为铁。
通过采用上述技术方案，通过采用上述组分的原料制备鞍座板，鞍座板制造过程中，在奥氏体晶粒还未长大阶段，淬火得到细化的马氏体组织，更为细化的马氏体组织可以获得高强度和硬度的鞍座板。但是，高温会使奥氏体的晶粒变大，因为无法精确控制奥氏体晶粒的长大阶段，也就无法准确获得更为细化的马氏体组织。
加入Zr和Al金属，可以获得较高的强度和淬透性，冷变形时塑性好。采用具有高熔点、高硬度、高化学稳定性和较低密度的ZrB2，ZrB2细小粒子分布在晶相之中，起到弥散强化的作用，使材料的强度增加。
通过添加适量的纳米ZrO2粒子，细小粒径的ZrO2粒子使得晶界增加，当外力作用时，位错运动受阻碍加大，在淬火阶段，细小的ZrO2粒子可阻碍晶界的移动，从而抑制晶粒的过分长大，起到晶粒细化的作用。此外，ZrO2可以改善由于加入ZrB2导致板料韧性增加的问题，晶粒细化和弥散强化的双重作用，使鞍座板具有超高的强度。
可选的，所述ZrB2粒径为20-35nm。
通过采用上述技术方案，加入ZrB2粒子，起到时效强化的作用，ZrB2细小粒子分布在晶相之中，颗粒越细小，产生的晶界越多，相变时同样形变量可分散到更多的晶界中，产生较均匀的形变而不会造成局部应力过度集中，进而提高材料的强度。
可选的，所述ZrO2粒径为40-50nm。
通过采用上述技术方案，细小粒径的ZrO2粒子使得晶界增加，当外力作用时，位错运动受阻碍加大，从而抑制晶粒的过分长大，使得马氏体得到细化，从而使得鞍座板的强度增加。
第二方面，本申请提供一种超高强鞍座板的制造方法，采用如下的技术方案：
一种超高强鞍座板的制造方法，包括以下步骤：
步骤一，熔炼：按上述原料在真空感应电炉中均匀搅动熔炼，后浇铸成钢板；
步骤二，均一化处理：将钢板在惰性气体保护下在加热炉中加热至1100-1150℃，保温1.5-2.5h，在空气中冷却至常温，消除成分偏析，轧制成所需材料厚度，并切成零件坯料；
步骤三，热冲压成型：将步骤二得到的坯料首先使用预成型模具对坯料进行冷冲压，先冲压成鞍座板零件形状，再通过炉内加热、保温，然后快速移动到模具内进行冲压，保压，淬火，得到鞍座板。
通过采用上述技术方案，将常温下的低强度的坯料，加热至奥氏体化温度，并且保温一段时间，使之均匀奥氏体化，然后快速转移到内部有冷却系统的热成型模具中快速冲压成型，在一定保压压力下，在模具中进行淬火处理，保压淬火一段时间，使奥氏体组织转变为马氏体组织，以获得轻量化超高强度的鞍座板。
可选的，所述步骤三中炉内加热温度为900-950℃，保温时间为3-10min。
通过采用上述技术方案，加热温度、保温时间是实现坯料均匀奥氏体化的必要条件，保温时间定义为坯料达到指定加热温度后在炉内的均热时间，保温时间的长短会影响到是否能获得均匀的奧氏体组织，加热温度应保持在坯料再结晶温度以上确保坯料奥氏体化，随着保温时间的延长，奧氏体晶粒尺寸逐渐增大，接着晶粒长大趋势变缓。为了保证获得均匀细小的奥氏体晶粒，需要避免长时间加热导致的晶粒粗大。
可选的，所述步骤三中淬火的冷却速率为20-30℃/s。
通过采用上述技术方案，热冲压既要保证高温下在模具中成型，又要保证足够的淬火冷却速率，以便形成马氏体组织，坯料冷却速率越大，坯料越容易淬硬。但内部也容易产生巨大的淬火应力，造成变形与开裂，确定适用于热冲压工艺的冷却速率参数是保证热冲压产品工艺品质和最终产品性能的必要条件。
可选的，所述鞍座板最终厚度在1-4mm。
通过采用上述技术方案，热冲压产品的厚度越薄，单位面积裂纹扩张能和撕裂强度也随之降低，通过加入纳米ZrO2和ZrB2粒子，从奥氏体到马氏体相变过程中，存在的大量位错，将受到粒子的阻碍，使其不易产生裂纹，并保持高的强度。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1.由于本申请通过添加ZrB2纳米粒子，具有高熔点、高硬度、高化学稳定性和较低的密度的ZrB2，ZrB2细小粒子分布在晶相之中，起到弥散强化的作用，使材料的强度增加。
2、本申请中添加纳米ZrO2粒子，ZrO2粒子使得晶界增加，当外力作用时，位错运动受阻碍加大，在淬火阶段，细小的ZrO2粒子可阻碍晶界的移动，从而抑制晶粒的过分长大，起到晶粒细化的作用。
3、本申请的方法，通过将常温下的低强度的坯料，加热至奥氏体化温度，并且保温一段时间，使之均匀奥氏体化，然后快速转移到内部有冷却系统的热成型模具中快速冲压成型，在一定保压压力下，在模具中进行淬火处理，保压淬火一段时间，使奥氏体组织转变为马氏体组织，以获得超高强度的鞍座板。
具体实施方式
一种超高强鞍座板的制造方法的实施例
实施例1
一种超高强鞍座板的制造方法，包括以下步骤：
步骤一，熔炼：将C，Mn，Si，B，Fe各组分依次加入真空感应电炉中，在1300℃真空感应电炉中，均匀搅动熔炼50min，后浇铸成钢板；
步骤二，均一化处理：将钢板在惰性气体保护下在加热炉中加热至1100～1150℃，保温2h，在空气中冷却至常温，消除成分偏析，轧制成所需材料厚度，并切成零件坯料；
步骤三，热冲压成型：将步骤二得到的坯料首先使用预成型模具对坯料进行冷冲压，冲压成大致鞍座板零件形状，再通过炉内加热，加热温度为925℃，保温时间为5min，使其充分奥氏体化。然后快速移动到模具内进行冲压、保压、淬火，转移时间为5s，冲压压力为480T，保压压力为1010T，保压时间为18s，以25℃/s的冷却速率进行淬火处理，冷至250℃以下时取出，得到鞍座板，最终鞍座板的厚度为3mm。
实施例2
一种超高强鞍座板的制造方法，包括以下步骤：
步骤一，熔炼：将C，Mn，Si，B，Zr，Al，ZrB2，ZrO2，Fe各组分依次加入真空感应电炉中，在1300℃真空感应电炉中，均匀搅动熔炼50min，后浇铸成钢板，其中ZrB2粒径为30nm，ZrO2粒径为45nm；
步骤二，均一化处理：将钢板在惰性气体保护下在加热炉中加热至1100～1150℃，保温2h，在空气中冷却至常温，消除成分偏析，轧制成所需材料厚度，并切成零件坯料；
步骤三，热冲压成型：将步骤二得到的坯料首先使用预成型模具对坯料进行冷冲压，冲压成大致鞍座板零件形状，再通过炉内加热，加热温度为925℃，保温时间为5min，使其充分奥氏体化。然后快速移动到模具内进行冲压、保压、淬火，转移时间为5s，冲压压力为480T，保压压力为1010T，保压时间为18s，以25℃/s的冷却速率进行淬火处理，冷至250℃以下时取出，得到鞍座板，最终鞍座板的厚度为3mm。
实施例3
一种超高强鞍座板的制造方法，与实施例1的不同之处在于，ZrB2粒径为20nm，ZrO2粒径为40nm，步骤三的具体步骤为：将步骤二得到的坯料首先使用预成型模具对坯料进行冷冲压，冲压成大致鞍座板零件形状，再通过炉内加热，加热温度为900℃，保温时间为3min，使其充分奥氏体化。然后快速移动到模具内进行冲压、保压、淬火，转移时间为5s，冲压压力为480T，保压压力为1010T，保压时间为18s，以20℃/s的冷却速率进行淬火处理，冷至250℃以下时取出，得到鞍座板，最终鞍座板的厚度为3mm。
实施例4
一种超高强鞍座板的制造方法，与实施例1的不同之处在于，ZrB2粒径为35nm，ZrO2粒径为50nm，步骤三的具体步骤为：将步骤二得到的坯料首先使用预成型模具对坯料进行冷冲压，冲压成大致鞍座板零件形状，再通过炉内加热，加热温度为950℃，保温时间为10min，使其充分奥氏体化。然后快速移动到模具内进行冲压、保压、淬火，转移时间为5s，冲压压力为480T，保压压力为1010T，保压时间为18s，以30℃/s的冷却速率进行淬火处理，冷至250℃以下时取出，得到鞍座板，最终鞍座板的厚度为3mm。
实施例1-4原料各组分及其相应的质量份数如表1所示。
表1实施例1-4中组分及其质量份数(wt％)
| 组分 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| C | 0.24 | 0.2 | 0.15 | 0.35 |
| Mn | 1.35 | 1.5 | 1.0 | 1.8 |
| Si | 0.37 | 0.3 | 0.5 | 0.27 |
| B | 0.0031 | 0.002 | 0.005 | 0.003 |
| Zr | — | 0.0019 | 0.0015 | 0.035 |
| Al | — | 0.01 | 0.2 | 0.15 |
| ZrB2 | — | 0.004 | 0.007 | 0.002 |
| ZrO2 | — | 0.002 | 0.001 | 0.004 |
| Fe | 98.0369 | 97.9801 | 98.1355 | 97.386 |
实施例5
一种超高强鞍座板的制造方法，与实施例3的不同之处在于，ZrB2粒径为18nm。
实施例6
一种超高强鞍座板的制造方法，与实施例4的不同之处在于，ZrB2粒径为40nm。
实施例7
一种超高强鞍座板的制造方法，与实施例3的不同之处在于，ZrO2粒径为35nm。
实施例8
一种超高强鞍座板的制造方法，与实施例4的不同之处在于，ZrO2粒径为55nm。
实施例9
一种超高强鞍座板的制造方法，与实施例3的不同之处在于，步骤三中加热温度为850℃，保温时间为2min，步骤三的具体步骤为：
将步骤二得到的坯料首先使用预成型模具对坯料进行冷冲压，冲压成大致鞍座板零件形状，再通过炉内加热，加热温度为850℃，保温时间为2min，使其充分奥氏体化。然后快速移动到模具内进行冲压、保压、淬火，转移时间为5s，冲压压力为480T，保压压力为1010T，保压时间为18s，以20℃/s的冷却速率进行淬火处理，冷至250℃以下时取出，得到鞍座板，最终鞍座板的厚度为3mm。
实施例10
一种超高强鞍座板的制造方法，与实施例4的不同之处在于，步骤三中加热温度为980℃，保温时间为12min，步骤三的具体步骤为：
将步骤二得到的坯料首先使用预成型模具对坯料进行冷冲压，冲压成大致鞍座板零件形状，再通过炉内加热，加热温度为980℃，保温时间为12min，使其充分奥氏体化。然后快速移动到模具内进行冲压、保压、淬火，转移时间为5s，冲压压力为480T，保压压力为1010T，保压时间为18s，以30℃/s的冷却速率进行淬火处理，冷至250℃以下时取出，得到鞍座板，最终鞍座板的厚度为3mm。
实施例11
一种超高强鞍座板的制造方法，与实施例3的不同之处在于，步骤三淬火的冷却速率为15℃/s，步骤三的具体步骤为：
将步骤二得到的坯料首先使用预成型模具对坯料进行冷冲压，冲压成大致鞍座板零件形状，再通过炉内加热，加热温度为900℃，保温时间为3min，使其充分奥氏体化。然后快速移动到模具内进行冲压、保压、淬火，转移时间为5s，冲压压力为480T，保压压力为1010T，保压时间为18s，以15℃/s的冷却速率进行淬火处理，冷至250℃以下时取出，得到鞍座板，最终鞍座板的厚度为3mm。
实施例12
一种超高强鞍座板的制造方法，与实施例4的不同之处在于，步骤三中淬火的冷却速率为35℃/s，步骤三的具体步骤为：
将步骤二得到的坯料首先使用预成型模具对坯料进行冷冲压，冲压成大致鞍座板零件形状，再通过炉内加热，加热温度为950℃，保温时间为10min，使其充分奥氏体化。然后快速移动到模具内进行冲压、保压、淬火，转移时间为5s，冲压压力为480T，保压压力为1010T，保压时间为18s，以35℃/s的冷却速率进行淬火处理，冷至250℃以下时取出，得到鞍座板，最终鞍座板的厚度为3mm。
对比例
对比例1
一种超高强鞍座板的制造方法，与实施例2的不同之处在于，原材料不包括ZrB2，步骤一的具体步骤为：
步骤一，熔炼：将C，Mn，Si，B，Zr，Al，ZrO2，Fe各组分依次加入真空感应电炉中，在1300℃真空感应电炉中，均匀搅动熔炼50min，后浇铸成钢板，其中ZrO2粒径为45nm。
对比例2
一种超高强鞍座板的制造方法，与实施例2的不同之处在于，原材料不包括ZrO2，步骤一的具体步骤为：
步骤一，熔炼：将C，Mn，Si，B，Zr，Al，ZrB2，Fe各组分依次加入真空感应电炉中，在1300℃真空感应电炉中，均匀搅动熔炼50min，后浇铸成钢板，其中ZrB2粒径为30nm。
对比例3
一种超高强鞍座板的制造方法，与实施例2的不同之处在于，原材料不包括ZrO2和ZrB2，步骤一的具体步骤为：
步骤一，熔炼：将C，Mn，Si，B，Zr，Al，Fe各组分依次加入真空感应电炉中，在1300℃真空感应电炉中，均匀搅动熔炼50min，后浇铸成钢板。
性能检测试验
实验样品：采用实施例1-12以及对比例1-3制备的鞍座板试样进行性能测试。
实验方法：按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验》进行抗拉强度(MPa)、屈服强度(MPa)和延伸率(％)测试。
表2性能检测试验结果
| 拉伸强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(％) | |
| 实施例1 | 1200 | 1000 | 6 |
| 实施例2 | 1800 | 1300 | 8 |
| 实施例3 | 1600 | 1200 | 7 |
| 实施例4 | 1400 | 1100 | 6 |
| 实施例5 | 1100 | 900 | 5 |
| 实施例6 | 1050 | 850 | 6 |
| 实施例7 | 1386 | 800 | 6 |
| 实施例8 | 1000 | 840 | 4 |
| 实施例9 | 970 | 610 | 4 |
| 实施例10 | 951 | 790 | 5 |
| 实施例11 | 896 | 680 | 5 |
| 实施例12 | 854 | 600 | 4 |
| 对比例1 | 1100 | 980 | 5 |
| 对比例2 | 1090 | 990 | 6 |
| 对比例3 | 900 | 1000 | 5 |
结合实施例3-4和实施例5-6，并结合表2可以看出，实施例3-4的性能优于实施例5-6，证明，ZrB2分布于晶界内，更细颗粒能有效增加运动位错的阻碍作用，提高强度和延伸率，但是，更小的粒径容易在晶界团聚，对强度造成影响。
结合实施例3-4和实施例7-8，并结合表2可以看出，实施例3-4的性能优于实施例7-8，细小粒径的ZrO2粒子使得晶界增加，当外力作用时，使位错运动受阻碍加大，使得马氏体得到细化，从而使得钢的强度增加，但是，更小粒径的ZrO2粒子在晶界处团聚，使晶粒过分长大，起不到晶粒细化的作用，因而强度降低。
结合实施例3-4和实施例9-10，并结合表2可以看出，实施例3-4的性能优于实施例9-10，加热温度底，保温时间短难以获得均匀的奧氏体组织，加热温度应保持在坯料再结晶温度以上确保坯料奥氏体化，保温时间的延长，奧氏体晶粒尺寸逐渐增大，无法达到晶粒细化的作用，导致性能下降。
结合实施例3-4和实施例11-12，并结合表2可以看出，实施例3-4的性能优于实施例11-12，淬火冷却速率过底，难以形成马氏体组织，坯料冷却速率越大，坯料越容易淬硬，导致脆性增加。
结合实施例2和对比例1-3，并结合表2可以看出，实施例2-4的性能优于对比例1-3，加入ZrB2粒子起到时效强化的作用，ZrO2粒子起到细化晶粒的作用，ZrO2可以改善由于加入ZrB2导致坯料韧性增加的问题，晶粒细化和弥散强化的双重作用，使鞍座板具有超高的强度。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种超高强鞍座板，其特征在于：所述鞍座板包括以下质量百分比的原料：C 0.15-0.35%，Mn 1.0-1.8%，Si ≤0.5%，B ≤0.005%，其余成分为铁。
2.根据权利要求1所述的一种超高强鞍座板，其特征在于：所述鞍座板包括以下质量百分比的原料：C 0.2-0.28%，Mn 1.3-1.5%，Si 0.3%，B 0.005%，Zr 0.0017-0.02%，Al 0.17-0.2%，ZrB2 0.004-0.006%，ZrO2 0.001-0.003%，其余成分为铁。
3.根据权利要求2所述的一种超高强鞍座板，其特征在于：所述ZrB2粒径为20-35nm。
4.根据权利要求2所述的一种超高强鞍座板，其特征在于：所述ZrO2粒径为40-50nm。
5.权利要求1-4任一项所述的超高强鞍座板的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，熔炼：将上述原料在真空感应电炉中均匀搅动熔炼，后浇铸成钢板；
步骤二，均一化处理：将钢板在惰性气体保护下在加热炉中加热至1100-1150℃，保温1.5-2.5h，在空气中冷却至常温，消除成分偏析，轧制成所需材料厚度，并切成零件坯料；
步骤三，热冲压成型：将步骤二得到的坯料首先使用预成型模具对坯料进行冷冲压，先冲压成鞍座板零件形状，再通过炉内加热、保温，然后快速移动到模具内进行冲压，保压，淬火，得到鞍座板。
6.根据权利要求5所述的一种超高强鞍座板的制造方法，其特征在于：所述步骤三中炉内加热温度为900-950℃，保温时间为3-10min。
7.根据权利要求5所述的一种超高强鞍座板的制造方法，其特征在于：所述步骤三中淬火的冷却速率为20-30℃/s。
8.根据权利要求5所述的一种超高强鞍座板的制造方法，其特征在于：所述鞍座板厚度为1-4mm。
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| Title |
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