CN105247080A - 用于构件或半成品硬化的方法和硬化工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使构件或半成品硬化的方法，该构件或半成品由包含钢材的工件制成，其中，该工件在成型工具中成型成为构件或半成品，其中，构件或半成品随后放入围绕该构件或半成品的硬化工具的容纳区域中并通过至少一个集成在硬化工具中的感应线圈电感加热，并且其中，该构件或半成品随后通过冷却而硬化。即使在复杂的形状下也可以以经济的方式实现构件或半成品的工艺可靠的硬化，这一目的通过按照本发明的方法以此得以实现，即，将构件或半成品形状配合地放入硬化工具的容纳区域中并在闭合的硬化工具中加热期间在构件或半成品与至少一个感应线圈之间保持基本上恒定的间距。此外，本发明还涉及一种硬化工具，特别是用于实施该方法的硬化工具。

Description

用于构件或半成品硬化的方法和硬化工具

技术领域

本发明涉及一种用于构件或半成品硬化的方法，该构件或半成品由包括钢材的工件制成，其中，该工件在成型工具中成型成为构件或半成品，其中，构件或半成品随后放入围绕该构件或半成品的硬化工具的容纳区域中并通过至少一个集成在硬化工具中的感应线圈电感加热，并且其中，该构件或半成品随后通过冷却而硬化。此外，本发明还涉及一种硬化工具，特别是用于实施该方法的硬化工具，该硬化工具具有：用于容纳和围绕该构件或半成品的容纳区域和至少一个集成在该硬化工具中的感应线圈，该感应线圈用于电感加热位于容纳区域中的构件或半成品。

背景技术

特别是在汽车工业的领域中，为了实现尽可能高的重量减轻，对所使用的构件性能提出了越来越高的要求，尤其是在更薄的材料厚度的同时对稳定性和强度提出了更高的要求。这特别是适用于车身的结构构件。

为了改善钢构件的强度，现有技术中已充分地公开对这类钢构件进行硬化处理。在此使能够硬化的钢材达到钢材的Ac1或Ac3温度以上的温度并随后冷却、特别是淬火。因此，组织结构总是首先部分地转换为奥氏体结构并随后通过冷却转换为马氏体结构，从而可以实现强度的提高。例如在锰硼钢中在硬化后的状态下可以达到最大2000MPa的抗拉强度。

为了满足上述要求的另一种方案在于，将构件设计为空心型材。这些空心型材例如可以由挤压硬化的构件、比如钢背(Halbschale)制成。但是在此存在的问题在于，在薄壁厚的情况下，这类空心型材可能导致刚性问题。为了克服这一点，该空心型材可以作为闭合的空心型材形成。但是如果闭合的空心型材由钢背组成，重量因此增加而且也必需有额外的工艺步骤。

在汽车工业的领域中首先将相对较简单的构件、例如侧面防撞杆形成为闭合的空心型材。由于相对较简单的形状，可以简单地并具有足够品质地实施硬化。随着时间总是尝试使更复杂的构件硬化。特别是在车身结构内部，一部分构件需要具有复杂程度高的形状。

为了使具有复杂形状的构件硬化的解决方案在于，构件首先在炉中加热并随后在硬化工具中通过冷却而硬化。但是已显示，在复杂的形状下，通过随后在硬化工具中的硬化不能达到令人满意的硬化。另外，由于成型、加热、硬化以及在此期间的构件的运输是相互分离的过程步骤，这类方法使制造的总成本增加。

即使如DE10012974C1或DE102009042387A1中已知的通过在工具内部加热和硬化，也不能在复杂的构件中达到令人满意的构件的硬化。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提出一种方法和一种设备，从而即使在复杂的形状下也可以以经济的方式实现构件或半成品的工艺可靠的硬化。

根据本发明的第一教导，该目的通过按照本发明的方法由此得以实现，即，构件或半成品形状配合地放入硬化工具的容纳区域中并在闭合的硬化工具中的加热期间构件或半成品与至少一个感应线圈之间保持基本上恒定的间距。

已发现，由于在构件或半成品的加热和冷却期间依赖于温度的膨胀与收缩过程，在硬化工具中不能设置构件或半成品的可靠的位置。在电感加热过程中这会导致，通过构件或半成品与感应线圈之间耦合距离的变化而在工件中耦合不同大小的能量。由此引起的温度波动会导致不同程度的膨胀并导致波浪形的工件表面，这进一步导致待加热构件或半成品的不同的间距。

现已证实，如果构件或半成品充分形状配合地放入硬化工具的容纳区域中，在闭合的硬化工具中的加热期间在构件或半成品与至少一个感应线圈之间可以保持基本上恒定的间距。通过在构件或半成品与硬化工具之间预设的接触区域中硬化工具的形状恰好具有构件或半成品的形状，实现了形状配合的放入，该形状为构件或半成品在放入该硬化工具中时所具有形状。以此在加热构件或半成品之前确保在硬化工具与构件或半成品之间存在面接触。在放入硬化工具时，构件或半成品通常具有在该钢材的奥氏体化温度以下的温度，例如大约为室温。该接触区域可以根据构件的形状而设置为不同的。例如，将接触区域设置在平面的构件或半成品的两个侧面上或者将接触区域设置在构件或半成品的外侧面上，特别是在型材中，从而在进一步加热过程中可以简单地保持该面接触。由此，即使是在复杂和高复杂程度的形状的情况下，构件或半成品与至少一个感应线圈之间保持基本上恒定的间距也是可能的。复杂或不复杂的构件的特征在于，变化的横截面和/或大幅弯曲的形状变化和/或大幅变化的构件高度。特别是复杂成型的构件，例如以内高压成型法(IHU-Verfahren)和以U-O方法制成的构件，可以按照本发明程序可靠地硬化。因此可以在加热期间基本上在构件或半成品与硬化工具之间维持全面的接触。通过形状配合的放入，构件或半成品与硬化工具实际上不会进行或仅进行可忽略的相对运动。另外，已显示，通过将成型过程与硬化过程分配在分开的工具中可以这样设计硬化工具，即，构件或半成品特别是形状配合地放入硬化工具的容纳区域中，在该区域中不再进行成型。

特别有利的是，至少一个感应线圈另外以相对于容纳区域的硬化工具表面恒定的间距设置。至少一个感应线圈与硬化工具表面距离恒定的间距可以由此得以实现，即，硬化工具的作用面以壳体结构或皇冠状结构形成并且在背侧上铣削出通道，或者使用与通道一件式铸成的壳体，其中可以嵌入至少一个感应线圈。

因此提供了一种方法，通过该方法即使在复杂的形状下也可以以经济的方式实现构件或半成品的工艺可靠的硬化。

根据按照本发明的方法的一个设计，空气硬化材料作为钢材使用而且构件或半成品在硬化工具的容纳区域外部通过空气冷却而硬化，由于省略了在硬化工具中集成淬火或者省略了外部硬化过程，该过程可以特别经济地实施。由于在硬化工具中构件或半成品非常均匀与能够预见的加热，通过接下来空气中的冷却可以实现特别均匀与精确的硬化。同样能够使用强制空气冷却。

空气硬化材料特别是具有高铬含量的钢，例如铬含量在12至18重量％之间。元素钼、锰和/或镍也可以促进钢材的空气硬化性。

根据按照本发明的方法的另一个设计，当在加热之后通过冷却、特别是借助冷却介质使构件或半成品在闭合的硬化工具的容纳区域内部硬化，即使在复杂的形状下也可以实现构件或半成品的特别工艺可靠的硬化。因此也可以程序可靠地使钢材硬化，该钢材为了硬化必须非常快速冷却，例如必须淬火。

特别是在硬化工具中加热和冷却的结合实现了对经济有利的方法，因为不必在这些过程步骤中进行运输。

例如，构件或半成品可以通过硬化工具表面本身而冷却，该硬化工具表面通过与构件或半成品的接触可以提供充分的热量排散。同样可以使用冷却介质，比如气体、液体或固体，可以通过冷却系统将这些冷却介质引入硬化工具的容纳区域中或者也可以通过冷却系统将硬化工具的工具表面的热量排出。

特别是锰硼钢、例如Mn-Si-Ti-B基锰硼钢可以视为通过淬火硬化并达到非常高强度的钢材。例如可以使用MBW1500+AS,MBW1500+Z或MBW-K1500型钢。这些钢材在硬化之后具有至少1500MPa的抗拉强度、至少1000MPa的屈服极限和至少5％的断裂延伸率A₈₀。

根据按照本发明的方法的一个特别优选的设计，在加热期间以及在冷却期间构件或半成品都形状配合地位于硬化工具的容纳区域中。特别是已显示，通过在加热之前形状配合地放置构件或半成品就可以实现，虽然在构件或半成品的加热和随后的冷却中有膨胀与收缩的过程，但是不仅在加热期间而且在冷却期间，在闭合的硬化工具中都维持基本上在整个构件或半成品与硬化工具之间全面的接触并且构件或半成品与硬化工具实际上不会进行或仅进行可忽略的相对运动。

在电感加热的过程中在构件或半成品中形成压力，但是该压力由于构件或半成品形状配合的放置在硬化工具上并不会导致或仅导致可忽略的相对运动。在构件或半成品的冷却或淬火期间，在通过由温度决定的构件或半成品的收缩不会对构件或半成品与硬化工具之间的接触造成损失的条件下，该压力再次消失。因此，以这种方式可以在复杂的形状下进一步优化构件或半成品的工艺可靠地硬化。

根据按照本发明的方法的另一种设计，如果用于使构件或半成品硬化的冷却在硬化工具的容纳区域内部通过容纳区域的硬化工具表面和/或通过主动冷却进行，可以实现工艺特别可靠的硬化，特别是针对这种情况，即，在加热期间以及在冷却期间构件或半成品都形状配合地位于硬化工具的容纳区域中。

如上所述，可以使用冷却介质用于冷却。例如水或油可以作为冷却介质。但是也可以使用工业气体。作为固态冷却介质例如可以使用冰或金属芯，冰或金属芯特别是可以用在以空心型材形式的构件或半成品中并且可以放入空心型材中。

根据按照本发明的方法特别有利的是，根据另一种设计使工件冷成型，特别是通过U-O成型或通过卷边技术冷成型。

如果工件预先在成型工具中冷成型成为构件或半成品，还不能形成硬化结构或者不能形成充分的硬化结构。通过其他的工艺步骤，特别是通过将构件或半成品形状配合地放入硬化工具的容纳区域中并在闭合的硬化工具中加热期间构件或半成品与至少一个感应线圈之间保持基本上恒定的间距，即使在复杂的形状下也可以以经济的方式实现经冷成型的构件或半成品的工艺可靠的硬化。

构件或半成品优选通过U-O成型或通过卷边技术由工件成型，通常同样作为冷成型实施。通过这类成型或技术能够制造具有复杂形状的构件或半成品。IHU方法也可以用于制造复杂的形状。特别是也可以制造所谓的“定制管(TailoredTubes)”,举几个例子，该定制管例如可以形成为具有横向于型材纵向变化的厚度的圆柱型材、锥形型材、闭合型材和/或成型有附属部件的型材。在U-O成型过程中，平面的扁坯通常成型成为预成型件(一般可能具有附属部件)，在铸模中成型成为闭合的空心型材并随后接合，例如通过激光焊接而焊接接合。预成型件例如可以具有V或U形的横截面。但还存在这样的可能性，为预成型件设置其他类型的横截面形状。在卷边技术的实施过程中，通常扁坯(一般具有可能设置的附属部件)放入铸模中，该铸模由平面的扁坯成型成为空心型材。在此，如果使用了型芯，扁坯在型芯和铸模之间的缝隙区域中滑动，直到扁坯用于焊接的边缘彼此相对。

已令人意外地发现，即使上述空心型材具有高复杂程度的形状也可以通过按照本发明的方法进行令人满意的硬化。

按照本发明的方法的另一种设计设置为，特别是在四面压制机中工件成型成为至少部分闭合、特别是完全闭合的空心型材。目前，至少部分闭合的空心型材不能或者不能充分地以经济的方式程序可靠地硬化。这特别是适用于复杂的、至少部分闭合的空心型材，比如定制管。已显示，另一个优点在于，通过按照本发明的方法可以实现在闭合型材的接合(例如焊接)区域中减少氧化皮形成。通过将构件或半成品形状配合地放入硬化工具的容纳区域中并在加热期间构件或半成品与至少一个感应线圈之间保持基本上恒定的间距，即可以实现短的加热时间。

根据按照本发明的方法的另一种实施，由于构件或工件的氧化皮形成减少，可以特别有利地在硬化之后省去构件或半成品的照射。如上所述，由于至少一个感应线圈与构件或工具之间基本上恒定的间距，可以实现特别有效且短的加热时间，从而可以减少特别是在未涂层的构件或半成品中的氧化皮形成。通过省略照射过程可以由此进一步提高该方法的经济性。

原则上通过电感加热可以使构件或半成品基本上完全奥氏体化。如果构件或半成品的电感加热导致仅局部的和/或部分的奥氏体化，根据按照本发明的方法的另一个设计可以制备与要求相适应的构件或半成品。通过一个或多个感应线圈的布设与控制例如可以实现构件或半成品的仅局部的奥氏体化或部分奥氏体化。例如，至少一个感应线圈可以不完全地围绕构件或半成品。

优选构件或半成品具有最大1.2mm、优选最大1.0mm以及特别优选最大0.8mm的壁厚。在构件或半成品中，例如薄壁型材构件，壁厚代表对构件或半成品待达到的刚性和稳定性而言决定性的因素。因此，在这类薄壁构件或半成品中非常重要的是，可以实现构件或半成品的程序可靠的硬化。

根据按照本发明的方法制成的构件或半成品，可以特别有利地作为机动车的车身部分、特别是作为车身的内部结构部件，或者用于其制造。作为另一个例子，不使用在机动车中，而是使用在轨道车辆或航空领域中的结构部件，也是能够考虑的。

根据第二教导，开头所述的目的也可以通过按照本发明的硬化工具由此实现，即，硬化工具的容纳区域设计用于形状配合地容纳构件或半成品，在闭合的硬化工具中的加热期间构件或半成品与至少一个感应线圈之间保持基本上恒定的间距。

如上对按照本发明的方法的说明，已发现，如果构件或半成品充分形状配合地放置在硬化工具的容纳区域中，在闭合的硬化工具中的加热期间可以在构件或半成品与至少一个感应线圈之间保持基本上恒定的间距。已显示，即使在构件或半成品的或者硬化工具的容纳区域具有复杂以及复杂程度高的形状的情况下这也是可能的。因此可以在电感加热的期间维持整个构件或半成品与硬化工具之间全面的接触。另外，构件或半成品与硬化工具实际上不会进行或仅进行可忽略的相对运动。另外还显示，通过将成型过程与硬化过程分配在分开的工具中可以这样设计硬化工具，即，构件或半成品特别是可以形状配合地放入硬化工具的容纳区域中。

因此这样提供了一种设备，通过该设备即使在复杂的形状下也可以以经济的方式实现构件或半成品的工艺可靠的硬化。

根据按照本发明设备的一个设计，如果用于冷却构件或半成品的冷却系统借助冷却介质设置在闭合的硬化工具容纳区域内部，在硬化工具内部既可以进行加热又可以进行冷却，即使在构件或半成品与容纳区域的硬化工具面的形状配合的接触并不充分时，从而足够快速地冷却构件或半成品。该冷却介质例如可以排散容纳区域的硬化工具面的热量或者以液体(比如水、油)、气体或固体(比如冰或金属芯)的形式直接引入该容纳区域中。

另外，该目的也可以通过具有按照本发明的硬化工具和成型工具的系统得以实现，该成型工具用于将工件成型成为构件或半成品。通过将成型过程与硬化过程分配在分开的工具中可以这样设计硬化工具，即，构件或半成品特别是可以形状配合地放入硬化工具的容纳区域中。

该成型工具特别是设计用于工件的冷成型，特别是用于U-O成型，例如作为四面压制机，或用于卷边技术冷成型。但是该成型工具也可以设计用于其他的同样能够考虑的冷成型方法，例如内高压成型。在此，优选工件成型成为至少部分闭合、特别是完全闭合的空心型材。如果构件或半成品预先在成型工具中冷成型，还不能形成硬化结构或者不能形成充分的硬化结构。通过按照本发明的硬化工具，可以将构件或半成品形状配合地放入硬化工具的容纳区域中，从而在闭合的硬化工具中加热期间在构件或半成品与至少一个感应线圈之间保持基本上恒定的间距。因此即使在复杂的形状下也可以以经济的方式实现构件或半成品的工艺可靠的硬化。

按照本发明的设备和按照本发明的系统的其他优点和有利的设计可参见对于按照本发明的方法及其设计的描述。

附图说明

以下结合附图借助对实施例的描述进一步说明本发明。在附图中，唯一的附图1概括性地示出了按照本发明的方法的实施例和按照本发明的系统的实施例，该系统具有按照本发明的设备的实施例。

具体实施方式

在第一个步骤中提供由钢材、特别是锰硼钢制备以板材坯料或扁坯形式、立体示出的工件1。该工件1在示意性示出的成型工具2中成型成为完全闭合的、立体示出的空心型材4。该成型工具例如是四面压制机并且例如通过U-O成型将工件1成型成为完全闭合的、管状的空心型材4。因为成型工具2使工件1冷成型，该空心型材4是未硬化的半成品或构件。空心型材的闭合例如也在成型工具2中进行。例如通过激光焊接沿纵向的边缘使空心型材4接合。在这种情况下制成基本上八角形的空心型材。但是这不应局限地理解。更确切地说，也可以通过成型工具2制成具有与所述不同的并且特别是复杂的形状的构件或半成品，特别是具有在纵向上变化的横截面的构件或半成品。

该空心型材4在这种情况下是一种具有壁厚在1.2mm以下的薄壁空心型材。因此该型材4还不具有足够的强度。

在另一个步骤中，未硬化的空心型材4因此放入以横截面示出的硬化工具6的容纳区域8中。该硬化工具6的容纳区域8在此这样与空心型材4相匹配，即，空心型材4可以形状配合地放入硬化工具6的容纳区域8中并且在闭合的硬化工具6中空心型材4的外表面与容纳区域8的硬化工具表面之间存在全面的接触。在这种情况下，硬化工具具有上铸模6a和下铸模6b,这两个铸模可以围绕空心型材4。当空心型材4放入硬化工具6中时，通过上铸模6a与下铸模6b恰好与空心型材4形状相匹配实现了全面的接触。

在硬化工具6中，感应线圈10a和10b分别集成在上铸模6a和下铸模6b中。感应线圈10a、10b在此这样集成，即，感应线圈10a和10b具有相对于容纳区域8的硬化工具面并相对于放置在容纳区域8中的空心型材4而恒定的间距并且基本上全面地围绕空心型材4。通过感应线圈10a、10b可使空心型材达到奥氏体化温度，即至少达到Ac1或Ac3温度。由于形状配合地放入容纳区域8中的空心型材4，在闭合的硬化工具6中加热的期间，可以在空心型材4与感应线圈10a、10b之间保持基本上恒定的间距。通过均匀且有效地加热特别是可以减少在空心型材4接合区域中的氧化皮形成。

针对空心型材4由空气硬化钢构成的情况，该空心型材随后从硬化工具6中取出并通过在空气中冷却而硬化，从而可以制备成硬化的空心型材4’。

针对这种情况，即空心型材由为了硬化需要快的冷却速度的钢材组成(例如锰硼钢)，在无需打开硬化工具6的情况下，该空心型材可以在加热之后在闭合的硬化工具6的容纳区域8内部冷却。在此，不用通过感应线圈10a、10b进一步加热空心型材4并且与上铸模和下铸模10a、10b的接触充分就已经足够使空心型材4足够快地冷却。但是也可以设置额外的液态、气态或固态的冷却介质(未示出)，该冷却介质吸收热量或排散热量。通过空心型材4在加热期间和在冷却期间均形状配合地位于硬化工具6的容纳区域8中，可以工艺非常可靠地实施这两个步骤，从而实现了即使在复杂形状的条件下也可以以经济的方式工艺可靠地使空心型材4硬化。在空心型材4在硬化工具6中冷却之后可以提供硬化的空心型材4’。

Claims (13)

1.一种用于使构件或半成品硬化的方法，所述构件或半成品由包含钢材的工件制成，其中，所述工件在成型工具中成型成为所述构件或半成品，

其中，所述构件或半成品随后放入围绕所述构件或半成品的硬化工具的容纳区域中，并通过至少一个集成在所述硬化工具中的感应线圈电感加热并且

其中，所述构件或半成品随后通过冷却而硬化，

其特征在于，

-所述构件或半成品形状配合地放入所述硬化工具的容纳区域中并在闭合的硬化工具中加热期间在所述构件或半成品与至少一个感应线圈之间保持基本上恒定的间距。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，空气硬化材料作为钢材使用而且所述构件或半成品在所述硬化工具的所述容纳区域外部通过在空气中冷却而硬化。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在加热之后，通过冷却、特别是借助冷却介质使所述构件或半成品在闭合的所述硬化工具的容纳区域内部硬化。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在加热期间以及在冷却期间所述构件或半成品都形状配合地位于所述硬化工具的所述容纳区域中。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，为了使所述构件或半成品硬化，在所述硬化工具的容纳区域内部通过所述容纳区域的硬化工具表面和/或通过主动冷却进行冷却。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述工件特别是通过U-O成型或通过卷边技术而冷成型。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征在于，特别是在四面压制机中，所述工件成型成为至少部分闭合的空心型材。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，其特征在于，在所述硬化之后省略了所述构件或半成品的照射。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征在于，所述构件或半成品的电感加热导致仅局部的和/或部分的奥氏体化。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的方法，其特征在于，所述构件或半成品具有最大1.2mm、优选最大1.0mm以及特别优选最大0.8mm的壁厚。

11.一种硬化工具，特别是用于实施根据权利要求1至10中任意一项所述的方法，包括：

用于容纳和围绕构件或半成品(4)的容纳区域(8)

至少一个集成在所述硬化工具(6)中的感应线圈(10a,10b)，所述感应线圈用于电感加热位于所述容纳区域(8)中的所述构件或半成品(4)，

其特征在于，

用于形状配合地容纳所述构件或半成品(4)的所述硬化工具(6)的容纳区域(8)这样设计，即，在闭合的所述硬化工具(6)中加热的期间在所述构件或半成品(4)与至少一个感应线圈(10a,10b)之间保持基本上恒定的间距。

12.根据权利要求11所述的硬化工具，其特征在于，用于冷却所述构件或半成品(4)的冷却系统借助冷却介质设置在闭合的所述硬化工具(6)的容纳区域(8)内部。

13.一种系统，包括：根据权利要求11或12所述的硬化工具(6)和成型工具(2)，所述成型工具用于将所述工件(1)成型成为所述构件或半成品(4)，特别是通过U-O成型。