CN103003002A - 由铁锰钢板制造零件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由铁锰钢板（1）制造部件的方法，在该方法中，在成型工具（3）中使钢板工件（2）冷成型。经成型的钢板工件被加热至500℃至700℃之间的温度并在校正工具（5）中进行校正。

Description

由铁锰钢板制造零件的方法

技术领域

本发明涉及一种用铁锰钢板制造零件的方法。

背景技术

铁锰钢是轻质结构钢，其可以同时具有高强度和高延展性。这使得铁锰钢成为在车辆制造中具有巨大潜力的材料。高的材料强度实现了车体重量的降低，由此降低了油料消耗。高的延展性和稳定性对于通过深拉方法制造车身部件以及对于撞击性能都具有重大意义。例如，诸如车门防撞支架、A柱和B柱、保险杠缓冲器或纵梁和横梁的结构和/或安全部件实现了复杂的部件几何形状，并同时实现了重量上的目标和安全要求。

已知，由铁锰钢板构成的车身部件通过冷成型来制造。然而，冷成型通过在成型区域的冷作硬化导致变形性能的降低并由此导致在负载（撞击）情况下的能量吸收性能的降低。这种通过冷作硬化导致的不均匀的部件机械性能会导致，该部件不能满足安全要求。冷成型技术的缺陷在于，该技术由于氢脆化提高了延迟裂缝生成的风险，经成型的部件显示出明显的回弹行为（所谓的“spring back”效应），冷成型部件在负载情况下的部件行为的数值模拟性较差。

热成型提供了已知的冷成型过程的替代方案。通常的热成型工艺在约900℃的高温中或者在高于该温度中进行。热成型减少了热成型部件的回弹以及在成型区域的冷作硬化。由此，以热成型技术在一步中制成复杂的深拉部件，而没有明显的回弹。然而，热成型的缺点在于高的过程温度以及由热成型造成的、取决于材料的、冷却过程之后的部件强度的降低。

为避免强度降低，热成型通常与淬火技术相结合。这一点的基础在于通过马氏体结构实现的钢材强度的提升。在淬火时通过将部件加热至高于Ac3的所谓的淬火温度生成奥氏体结构，奥氏体结构随后通过快速冷却完全转化为马氏体。完全马氏体转化的条件在于，超过临界冷却速度。为此需要冷却的压制工具，其通过使热的工件表面与冷的工具表面相接触实现工件足够快速的冷却。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种方法，用该方法可以由机械性能良好的铁锰钢板廉价地制造成型部件。特别是该方法允许制造具有复杂部件形状的经成型的钢板工件，并允许了经成型的部件区域的有益的材料特性。

通过权利要求1所述的特征实现了本发明的目的。有利的设计方案和扩展方案在从属权利要求中给出。

在此提供了由铁锰钢板制造部件的方法，其中，钢板工件在成型工具中冷成型，经成型的钢板工件加热至500℃至700℃的温度，而经加热的钢板工件在校正工具中进行校正。通过在给定的、提高的温度下对经成型钢板工件进行校正实现了，在经成型的区域，再次降低了在冷成型时出现的冷作硬化。特别是可以由此实现整个部件的机械性能的均质化。本发明的方法的另一优势在于，通过对经加热的部件的校正，既可以显著降低由于氢脆化产生的延迟裂缝的生成风险，又可以显著降低从校正工具取出后的部件的回弹。

在此指出了，在所述温度下，没有超出奥氏体化温度Ac3，即，加热时没有出现工件结构完全转化为奥氏体结构的情况。

在经成型的部件区域的冷作硬化的降低程度可以通过温度的选择来控制。在高温下，经成型区域的强度甚至降至低于未经成型或较低程度成型的区域的强度。为避免冷作硬化的过度降低，从600℃至680℃的温度是有利的。为将经成型钢板工件加热至校正所需的提高的温度，可以在炉中加热经成型钢板工件，并在加热后置于校正工具中。还可以考虑，钢板工件的加热直接在校正工具中进行。在这两种情况下，校正时的起始温度同样都位于500℃至700℃的给定范围。在校正时，经成型钢板工件的冷却在维持或固定状态下进行。

钢板工件在炉中的停留时间可以这样选择，即，确保对钢板工件的均匀加热，其中应当注意，随着钢板工件厚度的增加估计会伴随加热时长的延长。

在校正工具中进行在维持状态下的钢板工件的快速冷却。由于在冷却时不会像所谓的压制淬火那样导致从奥氏体结构到马氏体结构的结构转化，不必维持由压制淬火已知的临界最小冷却速率，即，在校正工具中，可以以其它的视角（例如周期时间、运行费用、工具费用等）来确定冷却速率。

经成型的钢板工件的加热温度对于钢板工件的经成型区段中的冷作硬化的降低程度意义重大。在实施例中可以确定，通过校正，冷作硬化在（经成型）钢板工件的经成型区段中降低至少70%，特别是至少80%。

根据另一实施例，可以对钢板工件的加热温度这样进行校正，即，使经校正的钢板工件在其整个几何外形具有20%、特别是10%的最大抗拉强度波动宽度。换言之，鉴于抗拉强度，可以实现部件的机械性能的广泛的均质化。

附图说明

下面，凭借引用附图的描述以实例的方式进一步阐明本发明。附图中：

图1以示意图示出了根据本发明的实施例的工艺步骤的流程；而

图2为记载了经成型部件的硬度相对于成型位置的距离的变化的示意图。

具体实施方式

下面描述了由铁锰钢板制造部件的方法的实施例。这里的部件涉及用于车辆制造的车身部件。车身部件可以具有复杂的部件几何形状。在此涉及结构部件和/或安全部件，其在必要时，在负载（撞击）情况下满足安全要求。该部件例如涉及A柱和B柱、车门中的防撞支架、钢梁、框架件、保险杠缓冲器、用于底部或顶部的横梁或者前纵梁或后纵梁。

该部件由铁锰（FeMn）钢构成。FeMn部件在车辆制造中是已知的并可以具有12至35重量%的锰含量。可以使用例如TWIP钢、TRIP/TWIP钢或TRIPLEX钢以及这些钢的混合形式。

TWIP钢（孪生诱发塑性钢,TWining Induced Plasticity）是奥氏体钢。它的优势在于，高的锰含量（例如超过25%）和相对高的铝和硅的合金添加物。在塑性冷成型中，产生密集的孪晶形态，这会使钢固化。TWIP钢具有高延伸率。因此，它特别适于制造车身的事故相关区域的结构部件或安全部件。

TRIP/TWIP钢是TWIP钢和TRIP钢（相变诱发塑性钢，Transformation Induced Plasticity）的结合。TRIP钢基本上由铁碳合金的多个相构成，即，铁素体、贝氏体和富含碳的残余奥氏体。TRIP效应基于残余奥氏体变形电感地转化为高强度马氏体相（α马氏体）。TRIP/TWIP钢出现双重TRIP效应，这是因为，奥氏体结构首先转化为六边形结构，然后转化为体心立方的马氏体。由于两次马氏体转化，TRIP/TWIP钢具有双重的延伸潜力。

TRIPLEX钢的构成为具有马氏体s相和/或k相的、由α铁素体和γ奥氏体混合晶体构成的多相结构。该种钢具有良好的可变形性。

进而，在本发明的实施例中采用所述钢的组合。上述钢的列举并未结束，对于本发明，同样可以采用其它FeMn钢。

图1以图示方式示出了本发明的方法的实施例，其中，示出了可选的工作步骤。该工艺流程的出发点是带状钢材的卷1，如该产品在钢厂中制造出并交付给客户（车辆制造商或配件商）的那样。对于FeMn带钢，在此例如涉及经冷轧并退火的钢。然而还有可能使用热轧钢。钢厂中，FeMn带状钢材的制造工艺应当这样设计，即，要确保钢的良好的冷成型性。

带状钢材例如在车辆制造商和配件商处裁切为FeMn钢板2。裁切在裁切站进行。

然后将一个或多个钢板2置于冷成型工具3中并进行冷成型。冷成型工具中的温度位于常见范围，例如70℃至80℃。为实现该温度不用炉。工件在冷成型工具3中的停留时间一般不对工件性能造成影响。

在冷成型过程中，取决于部件的几何形状，在局部实现不同的强度。局部变形度越大，相应的强度值越高。该效应称作冷作硬化。可以出现强至1800MPa的冷作硬化。原始材料（板材2）的抗拉强度可以为R_m≈1100MPa，延伸极限例如为R_p0.2≈600MPa，而原始材料的断裂伸长率A可以例如为40%或更多（A≥40%）。在冷成型时会考虑到回弹，而工件经它的最终几何形状成型。然而由于后继的处理步骤，这一点不是紧要的。冷成型工具3可以通过深拉伸压力机的形式来实现。

进一步可能的是，在冷成型工具3中同时进行工件的切边。切边是指部件的最终切边。进而，在必要时可以在冷成型工具3中进行必要的冲压和生成孔隙。即，在冷成型步骤之后可以得到一个对材料去除工艺而言已经完成的部件。

在此还有可能，材料去除工艺（切边，孔隙生成等）在切割道（未示出）上进行，切割道处于冷成型工具3（处于所谓的压制道上）之外或之后。在这种情况下，可以在切边或孔隙生成之后得到一个对材料去除工艺而言的最终部件。

接着将经冷成型并在必要时经过切边的工件引入炉4，并在那里加热至位于500℃至700℃的温度。加热应当持续这样长的时间，即，部件应当均匀地具有统一的温度（T=500℃-700℃）。到达统一的温度时，在该温度下维持一定时间。在炉中的停留时间可以为10分钟，其中5分钟用于达到均匀的温度分布，而另外5分钟用于使部件维持在该均匀温度下。然而由于随着温度升高没有伴随决定性的部件结构的转化，加热步骤也可以无维持时间地进行。在此有可能，炉温显著高于工件的预期目标温度T=500℃-700℃，而工件温度通过在炉4中的停留时间来控制。

作为炉4可以使用照射炉，或者设置多个炉，其以另外的方式向工件引入能量。例如可以进行对流加热、电感加热或红外加热，以及使用上述机制的结合。

然后将加热至500℃至700℃的目标温度的经成型工件从炉4中取出，置于校正工具5中，并在此以预期的方式固定然后冷却。在校正过程开始时，工件的温度也可以低于工件从炉中取出时的温度，该取出时的温度特别位于400℃至700℃。校正工具5例如为校正压力机。校正确保了工件的尺寸精密性。工具的压制面的表面几何形状对应于工具的最终形状或非常接近最终形状，这是因为，通过在校正工具中校正，显著降低了回弹。通过使工件维持在具有所需的形状的校正工具中，工件由此获得最终形状。

工件的冷却在校正工具5中通过固定工件进行，即，通过将工件表面置于工具表面进行。热量流出经工具进行。冷却速度例如约为30℃/s，也可以是非临界的，这是因为，不同于压制淬火，不必超出临界冷却速率。冷却速率例如可以小于50℃/s，这无需大的工具耗费就可以实现，并在许多情况下实现了足够短的周期时间。更高的冷却速率，例如在50℃/s至150℃/s范围的冷却速率同样是可能的。校正工具5可以具有冷却装置（例如水冷装置）。通过在固定的工具几何形状下对工件进行加热和后继的“维持”冷却，在强烈膨胀区域实现的冷作硬化降低了，即，减少、拉平或者必要时甚至过度补偿，如在下文中通过图2所示。

经加热的工件的温度在校正开始时同样位于T=500℃-700℃的给定范围或仅略低于该值。这一点可以由此得到保证，即，炉4和校正工具5之间的输送路径是短的和/或经加热的工件在炉4和校正工具5之间的输送路径上通过热辐射进行加热或保温。另一可能性在于，在一个或同一的压制站中实现炉4和校正工具5，即，设置与炉相偶联的校正工具5。

本发明通过图1所描述的实施例可以从多个角度进行修改和扩展。例如，经过涂层的FeMn钢用于该方法。钢板工件可以以有机和/或无机或金属镀层，特别是基于锌或铝的合金进行涂层。该涂层可以在冷成型之前或在其它的时间点，例如在校正后进行。

阴极腐蚀保护例如通过镀锌进行。该涂层可以电解地或通过热浸镀法在冷成型步骤3之前（例如在钢制造商处的卷1处）或者在冷成型步骤3之后、在炉4中加热之前进行。通过校正之前或校正期间的热处理，在Zn涂层上、FeMn钢和Zn涂层之间形成混合晶体层，该混合晶体层用于使Zn涂层良好地粘附在部件上。还有可能，涂层（例如镀锌）在成品部件上，即，在校正工具5中进行校正之后进行。

图2涉及图1所示方法的另一实施例，并示出了冷作硬化依赖于通过加热所达到的工件温度的降低。示出了维氏硬度Hv依赖于变形位置的距离的变化。使用了板材2，该板材由经冷轧、退火的FeMn带钢裁切而成。板材2的抗拉强度为R_m≈1100MPa，其对应于带钢的抗拉强度。断裂伸长率为A≈60%。由多个板材2，借助冷变形工具3深拉出若干个同样的小盆，其直径为D=50mm。然后，这些小盆在炉4中加热至T=500℃、600℃、650℃和700℃的温度。在炉4中的停留时间分别为10分钟，从而确保了小盆的完全而均匀的加热。紧接着，以基本上同样的温度T使热的小盆在校正工具5中固定为最终形状并在此冷却。该实施例中，冷却速率为30℃/s。

维氏硬度Hv用作抗拉强度R_m的尺度，其中，换算因子为3.1，即，原始材料的Hv=350的维氏硬度对应于约R_m≈1100MPa的抗拉强度，如附图标记6所示。图2中经冷拉伸的、未经加热的小盆具有R_m=1600MPa（对应于Hv=520）的冷作硬化，如附图标记7所示，该冷作硬化在部件中导致了强烈的非均匀机械性能。此外，由于氢脆化提高了延迟断裂的风险，这是因为，这种现象会特别在冷成型时在观察到高的冷作硬化梯度的地方出现。

根据本发明的热校正导致了小盆中冷作硬化的降低。在T=500℃时，抗拉强度在变形位置附近为R_m≈1490MPa（Hv=480），在T=600℃时，最大冷作硬化已经降低至R_m≈1330MPa（Hv=430），T=650℃导致了经成型和未经成型的部件区段的机械性能（R_m≈1120MPa，对应于Hv=360）的拉平，而在T=700℃时出现过度补偿，即，在成型邻近区段的工件强度为R_m≈870MPa（Hv=280），明显低于未经变形或仅轻微变形的工件区段（小盆）的抗拉强度。

由图2可以看出，通过为热校正选择适宜的温度T，可以有意地影响部件的变形邻近区域的冷作硬化，并根据需要将其降低至一定值。例如，可以鉴于抗拉强度达到一个均匀的力学性能，该抗拉强度对于经成型和未经成型的部件的区段具有少于20%，甚至少于10%的波动宽度。还有可能，使冷作硬度降低70%或80%。图2示出了，通过热处理和热校正，仅影响并降低了通过冷作硬化导致升高的强度值，而不使工件的其它区段（几乎未发生变形）的力学性能发生变化。即，换言之，可以实现，具有复杂的部件几何形状的部件在其整个长度具有均匀的机械性能，或者，相对于未经成型的区段，在成型位置实现有意地提高或降低的强度。

Claims (10)

1.一种由铁锰钢板制造部件的方法，所述方法包括下述步骤：

-在成型工具（3）中使钢板工件（2）冷成型；

-使经成型的钢板工件（2）加热至500℃至700℃之间的温度；

-在校正工具（5）中对经加热的钢板工件（2）进行校正。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述温度位于600℃至680℃之间。

3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法包括下述步骤：

-在炉（4）中对经成型的钢板工件进行加热；而且

-将经加热的钢板工件置于校正工具（5）中。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，钢板工件在炉（4）中的停留时间如此选择，从而确保对钢板工件基本上均匀的加热。

5.根据前述权利要求的任意一项所述的方法，其中，所述铁锰钢板为TWIP钢、TRIP/TWIP钢或TRIPLEX钢。

6.根据前述权利要求的任意一项所述的方法，其中，所述铁锰钢板的锰含量位于12至35重量%之间。

7.根据前述权利要求的任意一项所述的方法，其中，所述温度如此进行校正，从而通过校正，使经成型的钢板工件的经成型的区段中的冷作硬化降低至少70%，特别是80%。

8.根据前述权利要求的任意一项所述的方法，其中，所述温度如此进行校正，即，使经校正的钢板工件在它的整个几何外形上具有20%、特别是10%的最大抗拉强度波动宽度。

9.根据前述权利要求的任意一项所述的方法，所述方法包括下述步骤：

在冷成型之前，用有机和/或无机或金属镀层，特别是基于锌或铝的合金进行涂层。

10.根据前述权利要求的任意一项所述的方法，所述方法包括下述步骤：

在校正之后，用有机和/或无机或金属镀层，特别是基于锌或铝的合金进行涂层。

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