CN102453791A - 用于制造热成型和加压淬火的金属构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造机动车用的热成型和加压淬火的金属构件的方法，该金属构件包括至少两个不同硬度的区域，包括下述方法特征：提供可淬火的钢板坯，将该钢板坯至少加热到奥氏体化温度；中间冷却钢板坯的第一区域，冷却速度选择得大于钢板坯的材料的下临界冷却速度；在加压淬火工具中将钢板坯热成型和加压淬火成金属构件，其中，第一区域在加压淬火工具中从贝氏体组织转变阶段被淬火，由此在第一区域中产生由马氏体和贝氏体构成的混合组织。

Description

用于制造热成型和加压淬火的金属构件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造机动车的热成型和加压淬火的金属构件的方法。
背景技术
目前，对机动车结构构件的断面存在如下要求：构件应具有特别小的自重并，同时具有能有目的地形成的强度区域。构件重量小有利于减小机动车的总重量，这又有利地影响燃料消耗和CO2排放。
在此，机动车结构构件的能有目的地形成的强度值一方面在保持刚性不变的同时有利于减少单位重量，另一方面有利于在特定区域中能有目的地形成延展性，从而使整个机动车车身的碰撞安全性在乘员保护方面得以提高。
现有技术中公开了用于制造具有高强度特性同时自重小的金属构件的各种热成型和加压淬火方法。现有技术中尤其是公开了热成型和加压淬火的金属构件的后处理方法，以便有目的地形成局部的强度区域。例如通过感应式再加热、回火或类似方法调制多个区域，从而产生延展性的材料特性。对于这种后续方法步骤不利的是，后处理操作导致制造成本相对高。至少需要两个大多在不同工具中进行的方法步骤来进行这些后续操作。由此，这种热后处理的机动车构件的制造时间也较长。
此外现有技术中例如已知DE10208216C1。在此，机动车金属构件设有第一类区域，其在后来的最终构件中比第二类区域更具延展性。为此，将第一类区域从位于γ-α转变温度以上的冷却起始温度起淬火，当达到位于马氏体起始温度以上的预定的冷却终止温度时，而且是在转变为铁素体和/或珠光体之前或在少量转变为铁素体和/或珠光体之后淬火才终止。紧接着，第一类区域保持等温，用以从奥氏体转变为含高百分比的铁素体和/或珠光体的组织。在此期间，具有相对小的延展特性的第二类区域达到淬火温度，该淬火温度至少正好能够使第二类区域在淬火期间充分形成马氏体。该成型过程在中间加工站中以冷却的形式进行。紧接着将构件输送至淬火过程。
借助上述方法制造的构件在第一类区域中的强度约达到500MPa至600MPa。
发明内容
因此本发明的任务是，从现有技术出发提出一种方法，借助该方法能够使机动车结构构件具有不同强度的多个区域，该方法改进由现有技术已知的方法。
该任务通过具有权利要求1的特征的方法得以解决。
本发明方法的有利的实施形式是从属权利要求的组成部分。
本发明的方法在此规定：为了制造机动车用的热成型的加压淬火的金属构件，该金属构件包括至少两个具有不同硬度的区域，执行下列方法特征：提供可淬火的钢板坯，将其至少加热到奥氏体化温度；中间冷却钢板坯的第一区域，冷却速度选择得大于钢板坯的材料的下临界冷却速度；在加压淬火工具中将钢板坯热成型和加压淬火成金属构件，第一区域在加压淬火工具中从贝氏体组织转变阶段被淬火，由此在第一区域中产生由马氏体和贝氏体组成的混合组织。
通过本发明的方法，以时间控制和/或温度控制的方式产生中间阶段组织。该中间阶段组织尤其是在钢板坯的第一区域中通过中间冷却产生。在本发明的范畴中，中间冷却的冷却速度选择成在钢板的坯材料的下临界冷却速度以上，即中间冷却的冷却速度大于下临界冷却速度。尤其是冷却在淬火后应当较软的区域，也就是说所述区域具有较高的延展性。中间冷却的冷却过程在将可淬火的钢板坯加热到奥氏体化温度之后进行。但在本发明的范畴中，该冷却过程也可在热成型和加压淬火过程之前或期间进行。尤其是当中间冷却的冷却过程在加压淬火期间进行时，可在加压工具中设置相应的元件，它们可实现相应的冷却以及相应的冷却速度。
如果中间冷却在热成型和加压淬火之前进行，则在此可以理解生产线带有加热到高于奥氏体化温度的钢板坯的相应的中间转送。
冷却本身例如可通过自由对流、冷却辊、具有绝缘支垫的单面退火板或其它相应的冷却装置来进行。优选冷却速度在中间冷却时位于200K/s(开尔文/秒)和5K/s之间。特别优选设置50K/s的冷却速度。冷却在此优选直接开始于从炉中取出之后。由此在第一区域中产生550MPa至900MPa之间的强度值。优选产生大约700MPa的强度值。
此外，冷却到冷却温度的中间组织区域在加压淬火工具中从贝氏体组织转变阶段被继续淬火，使得在第一区域中产生由马氏体和贝氏体构成的混合组织。通过将第一区域淬火——在该区域中组织具有中间阶段——剩余奥氏体成分在加压淬火时转变为马氏体成分。由此在第一区域中产生马氏体-贝氏体-混合组织。贝氏体和马氏体成分的比例在此取决于第一区域在加压淬火过程开始之前保持在中间阶段中的持续时间。
第二区域——钢板坯的不属于第一区域的每个区域——尤其是保持于奥氏体化温度以上。这意味着，在将钢板坯至少加热到奥氏体化温度之后保持在相应的高于奥氏体化温度的温度上。这例如可主动地通过外部热源实现，或被动地通过相应的绝缘来实现。
在外部热源的情况下，第二区域中的温度尤其可通过红外线灯、加热螺旋管、多孔燃烧器、绝缘板或类似的外部热源来保持。在本发明的范畴中，也可选择明显高于奥氏体化温度的温度，由此在加热到高于奥氏体化温度的过程结束之后直至加压淬火过程开始之前的时间以及在此进行的冷却这样彼此适配，使得在加压淬火过程开始时第二区域始终具有至少高于奥氏体化温度的温度。
在本发明的另一种有利的实施形式中，在中间冷却第一区域时如此选择冷却速度，即获得贝氏体组织，优选冷却到600℃至400℃之间、尤其是500℃。在大于相应使用的材料的下临界冷却速度、但高于马氏体起始温度结束的冷却速度时，在保持等温冷却温度的情况下形成所谓的贝氏体，也作为中间组织或中间阶段已知。
与现有技术中已知的形成珠光体或铁素体(珠光体主要通过直接从奥氏体中扩散而形成)的方法相反，在贝氏体中间阶段中由于冷却较快而显著增大碳在奥氏体中扩散的难度。在大多从晶界开始的贝氏体形成时，细小的奥氏体区域转变为畸变的α晶格。因为α晶格中的扩散速度要比γ晶格中明显大，所以在该含过饱和碳的α固溶体中出现小的渗碳体颗粒，冷却速度越快，渗碳体颗粒越细小。在此产生大致针状结构的贝氏体组织。在此由于硬度随颗粒细度的增加而增大形成颗粒状结构的碳化物。此外，贝氏体组织又区分为上中间阶段(其中碳化物结合成较大的缺陷)和下中间阶段(其中碳化物极其细微地分布)。
在本发明方法的一种优选的实施形式中，第一区域在一段预定的时间上保持在中间冷却的冷却温度上、优选基本上等温保持。通过该实施形式可精确产生具有所要求或者说希望的强度值的贝氏体中间组织。在该实施形式中，中间冷却主要在第一区域的材料组织已转变为奥氏体或直接转变为中间组织的温度上进行。从该冷却温度起，材料组织通过保持等温一段特定的时间进行进一步转变。在奥氏体组织的情况下，材料转变为贝氏体组织。当材料通过选择冷却速度而直接被冷却到中间阶段时，则在此已经产生奥氏体与贝氏体之间的混合组织。通过保持该冷却温度，在一段特定的时间上保持纯贝氏体转变组织范围。第一区域保持在该温度上的时间越长，该组织的贝氏体成分越高。
在一种特别优选的实施形式中，第一区域这样在特定的时间范围上保持等温，以便使第一区域完全转变为贝氏体。由此产生与铁素体-珠光体组织相比强度更高的材料组织。尤其是由此可有目的地避免降低延展性的珠光体组织。
在本发明的一种特别优选的实施形式中，中间冷却时的冷却速度选择得大于所使用材料的上临界冷却速度。由此可有目的地产生奥氏体区域，该区域接下来在预定的时间上优选等温地保持在一个温度水平上，使得组织在保持时间上有目的地转变为贝氏体。根据所用的保持时间，可以产生部分贝氏体的奥氏体的组织或只有贝氏体的组织。在贝氏体-奥氏体组织的情况下，该组织通过接下来的加压淬火过程转变为贝氏体-马氏体组织。
在本发明的范畴中，保持在基本上相同温度上理解成，在铁素体和珠光体温度之下、即主要在600℃、尤其是在550℃以下，但在马氏体起始温度以上。在较长时间范围上保持等温可导致温度例如从500℃下降到400℃，但这在本发明的范畴中看成基本上等温。特别优选第一区域在1s至80s的时间范围中保持等温。特别优选将15s设置为保持时间。但这根据具体所使用的材料合金来选择。
在本发明方法的另一种优选的实施形式中，第一区域的中间冷却在加压淬火工具中进行，优选通过设置在加压淬火工具中的冷却板进行。由此减少了周期和制造成本。尤其是可仅在两个工具步骤中制造具有不同强度区域的机动车构件。首先在炉具中加热并且紧接着仅在一个工具中合并进行中间冷却、热成型和加压淬火。
对于在真正的加压淬火过程中的冷却速度，选择至少25K/s的冷却速度。特别优选27K/s。但是尤其是对于真正的加压淬火过程选择更高的冷却速度。加压淬火过程尤其在第一区域和第二区域中主要以相同的冷却速度进行。但由于加压淬火过程开始时两个区域中存在不同的温度，所以第一和第二区域的冷却速度可能略微不同。
在本发明的方法中特别优选使用可淬火的钢，它属于微量合金调质钢。它尤其是具有下列合金元素作为成分(重量百分比)：
碳(C)     0.19至0.25
硅(Si)    0.15至0.30
锰(Mn)    1.10至1.40
磷(P)     0至0.025
硫(S)     0至0.015
铬(Cr)    0至0.35
钼(Mo)    0至0.35
钛(Ti)    0.020至0.050
硼(B)     0.020至0.005
铝(Al)    0.02至0.06
在本发明范畴中，特别优选第一区域的中间冷却借助集成有冷却板的工具进行。这些冷却板在此具有600℃以下的固有温度，但该温度相对于大于900℃的AC3温度是较冷的。第一区域可借助这些冷却板来冷却并且然后作为选项在一段时间上保持等温。这种冷却板例如通过电热器或通过背面的烧嘴加热装置或热油加热到所要求的温度。
在另一实施形式中，中间冷却也可通过基本上冷的冷却板进行。它们的温度优选在-100℃至+100℃之间、更优选在-10℃至+25℃之间。但借助冷的冷却板仅能有条件地执行等温的保持时间。特别优选将两类冷却板例如也集成到一个热成型工具和加压工具中，使得整个过程在真正的炉具加热之后仅在一个工具中进行。但在本发明范畴中，用于实施中间冷却的冷却板也可安装在一个外界的工具中，由此过程的进行是从加热炉经中间冷却到真正的热成型和加压淬火工具。
附图说明
本发明的其它优点、特征和观点由针对附图的后续示意性说明得出。附图用于简单地理解本发明。
具体实施方式
在附图中示出示例性的钢的ZTU图表，其不限制本发明的范围。图中示出在冷却速度下随温度在材料中出现的不同的组织结构。在附图的下部区域中示出马氏体的形成。在其上方，在附图中部区域中示出贝氏体的形成，且又在中部区域上方示出珠光体或者铁素体的形成。
在图中所示的实施例中示出三条针对不同冷却过程的不同曲线。曲线1示出第一区域的温度变化过程，该第一区域首先被加热到超过AC3温度的温度，从该温度起以在此情况下大于图中所示材料的上临界冷却速度oK的冷却速度冷却到约520℃的中间温度，在达到中间冷却的约520℃的冷却温度时，第一区域在时间段t1上基本上等温保持在一定的温度上，该温度在此由于以例如热辐射、对流或传热的形式的散热从约520℃下降到约480℃。因此在中间冷却的时间点Z1上产生奥氏体组织并且在时间点P1上——第一实施型式中加压淬火的起点——产生贝氏体-奥氏体混合组织。
在第一实施型式中，接下来从时间点P1开始通过加压淬火过程进行淬火，使得第一区域中的贝氏体-奥氏体混合组织转变为贝氏体-马氏体混合组织。与此同时，第二区域从大于AC3的温度起通过加压淬火而被淬火，由此直接由奥氏体组织产生马氏体组织，为整体性起见，在此并未详细示出这一点。
本发明方法的第二实施型式通过第一区域的按曲线2的冷却过程来示出。曲线2的冷却过程类似于冷却过程1，其中，从时间点Z2(与Z1相同)起冷却温度保持更长的时间，使得加压淬火过程开始于时间点P2，因而时间间隔t2大于t1。第一区域中的组织在时间点P2上完全转变为贝氏体并且因此在时间点P2后不再通过冷却速度进行进一步的组织转变。
在本发明的第三实施型式中，按曲线3从大于AC3温度的温度选择冷却速度，使得在中间冷却的冷却过程中直接转变为贝氏体中间组织。在此在第一区域中产生奥氏体-贝氏体中间组织，由此在时间点P3上采用加压淬火过程时在第一区域中贝氏体-奥氏体混合组织转变为贝氏体-马氏体混合组织。在按曲线2和3的型式中，第二区域(其在中间冷却期间保持在AC3温度以上)通过加压淬火过程期间的冷却从奥氏体区域直接转变为马氏体。在根据曲线3的型式中，根据本发明总是选择大于相应所使用材料的下临界冷却速度uK的温度。
附图标记列表
1    第一实施型式的冷却曲线
2    第二实施型式的冷却曲线
3    第三实施型式的冷却曲线
P1    加压淬火起始时间点
P2    加压淬火起始时间点
P3    加压淬火起始时间点
oK    上临界冷却速度
uK    下临界冷却速度
t1    中间冷却温度的保持时间
t2    中间冷却温度的保持时间
Z1    中间冷却的时间点
Z2    中间冷却的时间点
Z3    中间冷却的时间点

Claims (7)

1.用于制造机动车用的热成型和加压淬火的金属构件的方法，该金属构件包括至少两个具有不同硬度的区域，其特征在于下述方法特征：
提供可淬火的钢板坯，将该钢板坯至少加热到奥氏体化温度；
中间冷却钢板坯的第一区域，冷却速度选择得大于钢板坯的材料的下临界冷却速度；
在加压淬火工具中将钢板坯热成型和加压淬火成金属构件，其中，第一区域在加压淬火工具中从贝氏体组织转变阶段被淬火，由此在第一区域中产生由马氏体和贝氏体构成的混合组织。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，第二区域直至输送到所述加压工具中都保持在奥氏体化温度以上。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在中间冷却第一区域时如此选择冷却速度，即获得贝氏体组织，优选冷却到600℃至400℃之间、尤其是500℃的温度。
4.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于，所述第一区域在一段预定的时间上保持在中间冷却的冷却温度上，优选等温地保持。
5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，所述第一区域保持等温，直到第一区域完全转变为贝氏体。
6.根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于，中间冷却的冷却速度选择得大于上临界冷却速度。
7.根据权利要求1至6之一的方法，其特征在于，第一区域的中间冷却在加压淬火工具中进行，优选通过设置在加压淬火工具中的冷却板进行。
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