本发明涉及一种高强度低碳马氏体钢板的加工制造技术，特别涉及一种高强度预渗铝低碳马氏体钢板加压硬化成型方法。
背景技术：
近年来，随着汽车工业的高速发展，普通钢铁材料已经无法满足汽车的节能、环保和安全需求。为了进一步减轻汽车构件重量和提高安全性能，汽车车身构造中越来越多的采用由高强度和超高强度的钢制成的车辆零件，以满足轻量和安全的要求。其中，低碳马氏体钢由于具有较高的强度和良好的塑性，且具有价格低廉的优势，成为现代汽车行业的一种重要的结构材料。
近几年来，热成形制造的零件的应用越来越广泛。中国上海大众在PASSATB6等多款车型中，热成形的部分占据了整个车身质量的15%，一般用在A/B/C柱及加强板还有中央通道、保险杠支架等地方。目前在汽车结构件制造过程中，通常采用加压硬化技术来一步加工成型高强度低碳马氏体钢。其构件加工过程为钢板坯料在加热到奥氏体化温度待完全奥氏体化后，在模具中冲压成型，随后以临界硬化速度以上的速度实现材料的冷却，使其微观组织充分转变为马氏体结构来提高材料的强度，此方法可以实现材料的成型和硬化操作在同一步骤中完成。但是该方法在实际生产中，需要将钢板坯料从加热炉中快速转移到加压模具上，对转移过程有着精准的控制要求；同时在转移的过程中存在高温辐射行为以及高温下铁素体发生的扩散相变形成其他组织，从而降低了材料最终的马氏体组织含量，导致材料的强度下降。
另一方面，在低碳马氏体钢材工件成型过程中需要对其表面涂覆铝基涂层来为钢材工件提供保护层，避免在成型过程中形成氧化皮和抑制钢材的腐蚀，从而在加工过程中不再需要惰性保护气氛和成型后的清理作业。然而，在传统的加压硬化技术中，奥氏体化步骤中需要采用缓慢的加热速度，这不仅需要很大的炉容量和较大面积的生产车间，还会在缓慢加热过程破坏钢铁材料表面的铝基保护涂层，造成成型后钢铁材料的部分区域的起皮和严重腐蚀现象。
技术实现要素：
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种高强度预渗铝低碳马氏体钢板加压硬化成型方法，可以实现涂覆渗铝剂的低碳马氏体钢板坯料在通过快速升温中实现分层渗铝和奥氏体化以及冲压过程实现热成型和快速冷却致硬化。
为了实现上述发明目的，本发明的一种高强度预渗铝低碳马氏体钢板加压硬化成型方法，包括以下步骤：
a. 先除去钢板坯料表面污渍及氧化物。
b. 将表面清理好的钢板坯料表面涂覆渗铝剂，涂覆量为20~50g/m2。
c. 将涂覆后的钢板坯料固定于冲压模具上方，随后采用电接触加热装置快速分级升温，进行钢板坯料的表面分级渗铝和奥氏体化，奥氏体化后具有较细的晶粒，达晶粒度能达到9~10级；所得到的低碳马氏体钢板表面形成多层塑性保护层：Al2O3层-纯铝层-FA-129塑性铁铝合金层，该合金层具有耐腐蚀、塑性好以及无裂纹等特点。
d. 待渗铝和奥氏体化完成后，在水冷模具中进行钢板坯料的热冲压成型。
e. 热冲压成型后，对水冷模具进行充水冷却，冷却速度≥30℃/秒。
f. 待成型钢板冷却至200~250℃时，进行脱模并空置进行自回火。
g. 成型钢板空冷至室温即得到成品。
进一步地，上述步骤b中，渗铝剂成分为：23~30 wt.% Al粉+2~5 wt.% NH4Cl+ 62~64wt.%Al2O3+3~5 wt.%AlSi粉末+1~3 wt.%NbZr粉末。
进一步地，上述步骤c中，表面分级渗铝和奥氏体化采用快速分级升温，分级升温条件为：第一级：加热速度为50~100℃/秒，加热温度为650~700℃，保温3~5分钟；第二级：加热速度为100~200℃/秒，加热温度为850~950℃，保温3~10分钟。
上述步骤d和e中，采用加压硬化技术对低碳马氏体钢板进行成型-硬化一步进行。
本发明方法与传统方法相比，一方面可以使涂覆渗铝剂的低碳马氏体钢板坯料在通过电接触快速加热的过程中实现钢板坯表面分层渗铝和奥氏体化的双重功能，且在此方法下可以获得晶粒度为9~10级的较细晶粒，提高合金的韧性，钢板坯表面渗铝所形成多层塑性保护层（Al2O3层-纯铝层-FA-129塑性铁铝合金层），具有耐腐蚀、塑性好以及无裂纹等特点，具有较强的抗腐蚀、抗氧化性能。另一方面可以在冲压过程实现热成型和快速冷却致硬化。该方法有效地避免了传统方法中钢板坯料从加热炉转移到加压模具上的流程，也大大降低在转移的过程中存在高温辐射行为以及高温下铁素体发生的扩散相变形成其他组织的几率，在提高材料成型后强度的同时也达到了节能环保的目的。
（1）：多层梯度渗铝层：本方法中渗铝剂成分为：23~30 wt.% Al粉+2~5 wt.% NH4Cl+ 62~64wt.%Al2O3+3~5 wt.%AlSi粉末+1~3 wt.%NbZr粉末粉末；表面分级渗铝和奥氏体化采用快速分级升温，分级升温条件为：第一级：加热速度为50~100℃/秒，加热温度为650~700℃，保温3~5分钟；第二级：加热速度为100~200℃/秒，加热温度为850~950℃，保温3~10分钟。其渗铝剂在渗铝的过程中发生如下化学反应：
NH4Cl→NH3+HCl （1）
HCl+Al→AlCl3+3H2 （2）
HCl+ Al2O3→AlCl3+H2O （3）
Al+O2→Al2O3 （4）
AlCl3+Fe→FeCl3+Al （5）
Fe+Si→Fe3Si （6）
其中，化学反应（1）~（3）主要是在渗铝第一级升温过程中发生，化学反应（5）（6）主要是在渗铝升温第二级过程中发生。
在温度到达第一阶段时，渗铝剂中部分Al粉、AlSi粉末和NbZr粉末开始呈熔化，并由钢坯表面向内部渗透并扩散。液态Al由于具有较低密度，处于最外层，发生反应(4)，在涂覆层最外层形成Al2O3层以及其包覆的纯铝层。
AlSi粉末溶化后，由于Fe-Si的生成热为83.7J/mol，而Fe-Al的生成热为62.8J/mol，所以在扩散过程中，Si会与Fe率先生成Fe-Si固溶体，抑制了Al与Fe形成脆性FeAl化合物。同时，半导体硅的膨胀系数介于Fe和A1之间，且与A1有较大的固溶度，缓和钢和铝由于膨胀系数的差异而造成的应力集中，硅原子的大小也在A1和Fe之间，和A1原子相近，硅原子能够分布在钢与铝交界的晶界处，从而阻碍Fe与A1之间的互相扩散，从而抑制FeAl金属间化合物的生长。
NbZr粉末溶化后，Nb和Zr会向铁基体扩散，抑制钢板坯料中奥氏体的长大速度，降低了材料的晶粒大小。同时，部分Zr会与基体中的Fe、B和残留的Al等元素形成FA-129塑性铁铝合金层，从而使钢板具有多层保护之外，还具有良好的冲压成型性能。
随后在温度达到第二阶段时，上述步骤更加快速的进行，极大地提高了合金表面的韧性，有效避免后期冲压微裂纹。另一方面，在升温第二阶段化学反应（5）快速发生，钢坯表面在反应（5）的作用下形成一层Al将钢坯表面包裹，并形成致密的Al2O3保护层，避免在后期成型过程中形成氧化皮和抑制钢材的腐蚀，从而在加工过程中不再需要惰性保护气氛和成型后的清理作业。
（2）：晶粒细化：在奥氏体化过程中采用快速分级升温，升温速度分别为：50~100℃/秒和100~200℃/秒。在快速升温过程中，能有效避免奥氏体晶粒的长大，实现奥氏体化后具有较小晶粒，并在后继加压硬化过程中保持较小的晶粒度。另一方面，在渗铝的过程中，部分Nb通过扩散进入钢板的表面，抑制奥氏体晶粒长大，进一步地降低合金晶粒大小，最终晶粒度能达到9~10级。
（3）：电接触加热方式：本发明所采用的加热方式为电接触加热，该种方式可以实现快速升温和温度控制，且加热设备简单，能够实现钢板坯在冲压模具上方快速加热，有效地避免了传统方法中钢板坯料从加热炉转移到加压模具上的流程，也大大降低在转移的过程中存在高温辐射行为以及高温下铁素体发生的扩散相变形成其他组织的几率，在提高材料成型后的强度同时也达到了节能环保的目的。
（4）：加压硬化：本发明采用的加压硬化可以实现热冲压与快速降温一步完成，能够将传统工艺中先冲压后热处理的两步工艺一步完成。
（5）：自回火：自回火是一种节能和简化工艺流程，是一种便于机械化、自动化的热处理方法。本发明利用冲压后残余温度进行自回火既能够达到回火效果又达到了节能环保的目的。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1：
a. 先除去牌号为22MnB5钢板坯料表面污渍及氧化物。
b. 将表面清理好的钢板坯料表面涂覆渗铝剂，渗铝剂成分为：23 wt.% Al粉+5 wt.% NH4Cl+ 64wt.%Al2O3+5wt.%AlSi粉末+3wt.%NbZr粉末，涂覆量为20g/m2。
c. 将涂覆后的钢板配料固定于冲压模具上方，随后采用电接触加热装置快速分级升温，进行钢板坯料的表面分级渗铝和奥氏体化。分级升温条件为：第一级：加热速度为50℃/秒，加热温度为700℃，保温5分钟；第二级：加热速度为100℃/秒，加热温度为950℃，保温10分钟。
d. 待渗铝和奥氏体化完成后，在水冷模具中进行钢板坯料的热冲压成型。
e. 热冲压成型后，对水冷模具进行充水冷却，冷却速度≥30℃/秒。
f. 待成型钢板冷却至200℃时，进行脱模并空置进行自回火。
g. 成型钢板空冷至室温即得到成品。
实施例2：
a. 先除去牌号为30MnB5钢板坯料表面污渍及氧化物。
b. 将表面清理好的钢板坯料表面涂覆渗铝剂，渗铝剂成分为：28wt.% Al粉+4wt.% NH4Cl+ 63wt.%Al2O3+4wt.%AlSi粉末+1wt.%NbZr粉末，涂覆量为50g/m2。
c. 将涂覆后的钢板配料固定于冲压模具上方，随后采用电接触加热装置快速分级升温，进行钢板坯料的表面分级渗铝和奥氏体化。分级升温条件为：第一级：加热速度为100℃/秒，加热温度为650℃，保温3分钟；第二级：加热速度为200℃/秒，加热温度为850℃，保温3分钟。
d. 待渗铝和奥氏体化完成后，在水冷模具中进行钢板坯料的热冲压成型。
e. 热冲压成型后，对水冷模具进行充水冷却，冷却速度≥30℃/秒。
f. 待成型钢板冷却至230℃时，进行脱模并空置进行自回火。
g. 成型钢板空冷至室温即得到成品。
实施例3：
a. 先除去牌号为B1500HS钢板坯料表面污渍及氧化物。
b. 将表面清理好的钢板坯料表面涂覆渗铝剂，渗铝剂成分为： 30 wt.% Al粉+2 wt.% NH4Cl+ 62%Al2O3+3 wt.%AlSi粉末+3 wt.%NbZr粉末，涂覆量为35g/m2。
c. 将涂覆后的钢板配料固定于冲压模具上方，随后采用电接触加热装置快速分级升温，进行钢板坯料的表面分级渗铝和奥氏体化。分级升温条件为：第一级：加热速度为80℃/秒，加热温度为700℃，保温3分钟；第二级：加热速度为150℃/秒，加热温度为900℃，保温5分钟。
d. 待渗铝和奥氏体化完成后，在水冷模具中进行钢板坯料的热冲压成型。
e. 热冲压成型后，对水冷模具进行充水冷却，冷却速度≥30℃/秒。
f. 待成型钢板冷却至250℃时，进行脱模并空置进行自回火。
g. 成型钢板空冷至室温即得到成品。
下表1为本发明成品与现有方法成品的性能对比：