CN105358718B - 用于制造加压淬火的钢板构件的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制造加压淬火的钢板构件的方法和设备，具有如下步骤：a)借助加热装置(20)将由可热成型的钢板形成的构件坯至少升温(步骤S1)到钢材的奥氏体化温度，b)借助成型模具(24)将构件坯热成型(步骤S2)，c)在成型模具(24)中将构件坯冷却(步骤S3)到比材料特定的马氏体终结温度高的温度、优选冷却到至少200℃，d)将构件坯从成型模具(24)送至(步骤S4)升温装置(26)，e)借助升温装置(26)在使奥氏体稳定的情况下将构件坯退火(步骤S5)，其中，将构件坯直接从成型模具(24)送至升温装置(26)(步骤S4)以避免将构件坯冷却到低于材料特定的马氏体终结温度、优选避免将构件坯冷却到低于200℃。

Description

用于制造加压淬火的钢板构件的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于制造加压淬火的钢板构件的方法以及一种根据权利要求6的前序部分所述的用于制造这样的加压淬火的钢板构件的设备。
背景技术
在汽车、尤其是乘用汽车的批量制造中，由材料22MnB5构成的热成型的构件的使用是已知的。这种由可热成型的钢板、尤其由22MnB5构成的热成型的构件目前已在世界范围并且跨制造商地以每年超过一亿件的件数被制造。加压淬火的钢板构件被应用在汽车的车身中，在事故时钢板构件应具有高稳定性且没有或仅有非常小的形变。
然而，在此情况下关键的是由22MnB5构成的加压淬火的构件的断裂应变相对小，例如在5％到7％的范围中。因此，通过加压淬火的构件塑性形变只能在微小的程度上减小动能或事故能量。构件的过载因此例如会导致相应的构件撕裂或该构件失效。
因此对于形变性能要求特别高的车辆应用而言，不能使用由22MnB5构成的完全硬化的构件。目前备选于此的是由微合金钢构成的或由拼焊板构成的热成型的构件，所述拼焊板局部由可加压淬火的和微合金的钢构成。然而，在该方案中不利的是，在热成型之后微合金的钢的强度低。这样，在热成型之后的强度例如仅为大约600兆帕斯卡。由此，与具有类似的延展性的更结实的材料相比需要更大的板厚度。
对于车辆应用而言值得期望的是板材构件或钢板构件，其具有10％或更高的高伸缩性或断裂应变(遵循ISO 6892-1测量)以及例如范围在1,200到2,000兆帕斯卡的高强度，其中包括所述端值。由于伸缩性或断裂应变高并且由于强度高，所以这种构件会具有非常良好的事故特性并且适合于实现尤其在乘用汽车或商用车辆领域中轻量化结构形式的白车身设计。这种机械特征实现对事故情况下对碰撞能量的明显更大的吸收，随之实现对乘员的特别好的保护。而相比于实心成型的部件，同时值得期望的是实现仅仅低的碳含量，以便确保可焊接性。
这种钢板构件的实际研发目前由于无相应的半成品或构件坯和处理构件的设备技术可用而不能实现(或只能在非常高成本的情况下实现)。
US 2012/0273096 A1公开了用于制造加压淬火的钢板构件的设备和方法，其中，由可热成型的钢材形成的构件坯借助加热装置至少被升温到钢材的奥氏体化温度，由所述构件坯来制造钢板构件。接着，构件坯借助成型模具来热成型。接着，构件坯在一个构件区域中在成型模具中被冷却到至少200℃，其中，另一构件区域通过模具技术的措施保持在200℃之上的温度。在另一步骤中，构件坯被从成型模具送至升温装置。最后，构件坯借助升温装置在使奥氏体稳定的情况下来退火。
然而，在US 2012/0273096 A1中提出的处理途径与所提出的材料结合并未构成对开头所述的制造具有特别高的伸缩性以及同时特别高的强度的均质构件的问题的解决方案。尤其是，那个根据US 2012/0273096A1淬火到200℃之下的温度的构件区域在制成件上具有非常高的强度以及小于10％的非常小的断裂应变。此外，在US 2012/0273096A1中不利的是，模具区域必须被升温到550℃，以便在部分区域中通过贝氏体的和/或珠光体铁素体的相变引起延展性提高。这种模具温度导致必须使用特殊的和比较昂贵的模具材料。除了加热能量的成本之外，另一缺点在于延长了用于制造这种构件的生产周期。由于贝氏体和/或珠光体铁素体相变与马氏体转变相比明显更缓慢地进行，所以延长了构件在模具中停留的时间。生产速度正是以该部分被减小，这造成附加成本。
发明内容
因此，本发明的任务是，改进开头所述类型的方法和设备，使得能够以简单、省时且低廉的方式制造具有特别高的延展性且同时特别高的强度的加压淬火的钢板构件。
该任务通过具有权利要求1的特征的方法以及通过具有权利要求6的特征的设备来解决。具有本发明的合适的并且特殊的改进方案的有利的构型在从属权利要求中予以说明。
为了提出一种方法，借助该方法能够以省时和低廉方式制造具有特别高的延展性且同时特别高的强度的加压淬火的构件，在根据本发明的方法中设计为，将构件坯直接从成型模具送至加热装置以避免构件坯冷却到低于马氏体终结温度(Martensit-Finish-Temperatur)Mf、优选避免构件坯冷却到低于200℃。通过从成型模具直接送至用于退火的升温装置或送入用于退火的升温装置中或通过从成型模具直接运送至用于退火的升温装置中或运送到用于退火的升温装置中，可以避免构件坯的过度冷却。由于在成型时即在构件加压淬火时冷却速率非常高，伴随着在限定的温度下极快地过渡到等温维持阶段，从热成型模具到用于退火的加热装置的过渡以及避免构件坯冷却到低于200℃起到重要作用，以便能够在批量制造的过程中低廉地以高的延展性和高的强度制造加压淬火的构件。这能够借助根据本发明的方法来实现，使得具有高延展性、例如具有10％或更大的断裂应变以及具有高的硬度、例如在1,200兆帕斯卡(包含所述端值)到2,000兆帕斯卡(包含所述端值)的范围中的强度的加压淬火的构件可以省时或低廉地制造。尤其，可以实现从10％(包含所述端值)到20％(包含所述端值)的范围内的断裂应变。由于高的断裂应变或高的延展性，借助根据本发明的方法可制造的加压淬火的钢板构件具有因塑性形变产生的非常高的能量吸收能力，从而使其例如在汽车事故中能够将特别大量的碰撞能量转换成形变能量。同时，加压淬火的钢板构件由于改善的延展性而具有改善的碰撞稳固性，由此得到特别有利的故障特性用以实现非常良好的乘员保护。与其他方式制造的、例如通过马氏体相钢辊轧成形制造的构件相比，于是在相同或甚至更小的单件重量的情况下可以实现改善的乘员保护。相对于由22MnB5构成的并且尤其由微合金钢构成的热成型的构件，可以进一步减小壁厚度，使得可以实现具有非常小的壁厚度并且因此具有非常小的重量的加压淬火的钢板构件。
与常规的钢板构件相比，根据本发明的方法能够通过使用马氏体钢进一步提高强度。常见的马氏体结构是钢中最硬的结构变形。同时，纯马氏体结构是非常脆的并且根据碳含量仅能够实现微小的形变，使得应变值或断裂应变通常低于7％。
本发明在此基于如下构思和认识：为提高应变或断裂应变，需要减小在马氏体针之间的应力并且由此为钢板构件的塑料特性提供更好的条件。对此，一种方案在于，在马氏体针之间形成薄的奥氏体膜。这例如在技术上通过从奥氏体相不完全转换到马氏体而实现。在所谓的马氏体终结温度Mf之上中断冷却的情况下，奥氏体转换成马氏体，但保留很少比例的奥氏体。马氏体终结温度Mf在此为马氏体转换绝大部分结束时的温度。当紧接着将钢板构件或构件坯的结构保持到略微提高的温度上时，碳从过饱和的马氏体通过扩散转换成奥氏体。为了实现这点，成型的构件坯直接从热成型模具运送至升温装置中，其中避免构件坯冷却到低于200℃。由此，奥氏体能够特别良好地稳定，因为通过直接的送入能够在退火时利用来自热成型过程的剩余热。通过将构件坯从热成型模具直接运送至(用于构件退火的)升温装置，使构件坯中的奥氏体稳定并且在构件坯或制成的钢板构件进一步冷却到室温之后也保持在构件结构中。所谓的剩余奥氏体减小了在马氏体针之间的应力并且实现该结构在高强度的同时具有相对于马氏体显著更好的应变或延展性。作为用于制造构件坯的初始材料特别有利地是使用具有如下合金元素的钢合金：
-碳(C)，在0.2重量百分比到0.5重量百分比(重量％)(Gew.％)的范围中，其中包含所述端值，
-硅(Si)，在0.5重量％到2.9重量％的范围中，其中包含所述端值，
-锰，在0.7重量％到4.1重量％的范围中，其中包含所述端值，
-磷(P)，最多0.1重量％，
-硫(S)，最多0.1重量％，
-铝(Al)，在0.001重量％到0.5重量％的范围中，其中包含所述端值，
-铬(Cr)，在0.1重量％到1.5重量％的范围中，其中包含所述端值，
-钛(Ti)，在0.01重量％到0.2重量％的范围中，其中包含所述端值，
-硼(B)，在0.01重量％到0.03重量％的范围中，其中包含所述端值，
-氮(N)，最多0.025重量％。
本发明也包括根据权利要求6的前序部分所述的设备，其中根据本发明设计为，升温装置直接连接到成型模具上，使得将构件坯直接从成型模具送至升温装置并且尤其送入升温装置中以避免构件坯冷却到低于200℃。根据本发明的方法的有利的构型可以视为根据本发明的设备的有利的构型，反之亦然。特别在批量制造的过程中，借助根据本发明的设备可以以简单、省时和低廉的方式制造加压淬火的钢板构件，其具有特别高的强度并且同时具有特别高的延展性。尤其可能的是，避免特别大量的只有小瑕疵的次品，因为避免了在成型模具中冷却之后和在退火之前对构件坯的过度冷却。
与例如由22MnB5构成的构件的常规加压淬火相比，升温装置设置为其他的用于使剩余奥氏体稳定的加热装置。加热装置优选为辊膛炉或步进式炉(Hubbalkenofen)。
成型模具在该方法中优选可调温到范围从25℃到500℃的温度(其中包含所述端值)，以便由此控制并且有目的地调节淬火温度并且由此用作半成品的构件坯的剩余奥氏体含量。在从成型模具运送至或运送进升温装置中时，构件坯通过诸如热辐射器和/或屏蔽板的措施来避免构件坯的冷却，或将冷却保持在低水平，使得避免构件坯冷却到低于200℃。
在升温装置中，一个或多个构件坯可以放置于物品支架上，借助该物品支架将一个或多个构件坯例如输送通过升温装置。物品支架在此优选可以抵抗部件的热扭曲。
作为构件坯并且因此钢板构件或板材构件的材料，已证明如下钢合金是特别有利的：
(0.25-0.35)重量％的C+(0.5-0.7)重量％的Mn+(1.5–2.5)重量％的Si+(0.5-1.5)重量％的Cr+(0.001-0.008)重量％的B+最大0.01重量％的N+(0.015-0.08)重量％的Al+(0.001-0.009)重量％的Ti+(0.010-0.025)重量％的P+最大0.010重量％的S，
或
(0.25-0.35)重量％的C+(1.2-1.8)重量％的Mn+(1.0-2.0)重量％的Si+(0.3-1.0)重量％的Cr+(0.001-0.008)重量％的B+最大0.01重量％的N+(0.015-0.08)重量％的Al+(0.001-0.009)重量％的Ti+(0.010-0.025)重量％的P+最大0.010重量％的S，
或
(0.25-0.35)重量％的C+(1.2-1.8)重量％的Mn+(1.0–2.0)重量％的Si+(0.10-0.30)重量％的Cr+(0.001-0.008)重量％的B+最大0.01重量％的N+(0.015-0.08)重量％的Al+(0.001-0.009)重量％的Ti+(0.010-0.025)重量％的P+最大0.010重量％的S。
附图说明
本发明的其他优点、特征和细节从如下对优选的实施例的描述以及参照附图得到，附图示出：
图1示出了用于制造加压淬火的钢板构件的方法和设备的示意图，具有用于成型构件坯的成型模具和用于对构件坯退火的升温装置，构件坯被从成型模具送至升温装置中，其中升温装置直接连接到成型模具上，使得将构件坯直接从成型模具被送至升温装置以避免构件坯冷却到低于马氏体终结温度、优选避免构件坯冷却到低于200℃；
图2示出了在执行根据第一实施形式的方法的过程中构件坯的示意性时间温度曲线；
图3示出了根据第二实施形式的设备的示意图；
图4示出了根据第三实施形式的设备的示意图；以及
图5示出了在执行根据其第二实施形式的方法的过程中构件坯的示意性时间温度曲线；
在附图中，相同的或作用相同的元件设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了用于制造加压淬火的钢板构件的方法的过程的示意图，所述钢板构件为板材构件形式，所述板材构件由构件坯构成，该构件坯由可热成型的钢材形成。构件坯也称作半成品。出于清楚性原因，参照构件坯构成的钢板构件或板材构件的制造来描述该方法。然而，该方法也毫无困难地特别良好地适于这种加压淬火的钢板构件的批量制造。
为了执行该方法，设置了图1中整体用10表示的设备。借助设备10使构件坯经受该方法，其中构件坯在该方法的过程中被升温和冷却。该升温和冷却在图2中可特别清楚地看到。图2示出了曲线图12，其中绘出了构件坯的时间温度曲线14。在曲线图12的横坐标16上绘制了时间t，其中在曲线图16的纵坐标18上绘制了温度。参照时间温度曲线14因此可看到，在何种温度上构件坯相应地被升温或冷却，并且构件坯能够被保持到相应的温度多久。
如从图1中可看到的那样，设备10包括例如炉形式、尤其是辊底式炉形式的加热装置12，其中构件坯被送入加热装置20中并且必要时穿过该加热装置被输送。如结合图2可看到的那样，构件坯在该方法的第一步骤S1中借助加热装置20至少被升温到形成该构件坯的钢材的奥氏体化温度，优选超过该奥氏体化温度。换言之，加热装置20用于在第一步骤S1中使构件坯奥氏体化。
构件坯例如可以以板的形式存在。
如从图2中可看到的那样，构件坯借助加热装置20被升温到900℃以上的温度，其中在图2中借助虚线22表示了900℃的温度。
此外，该设备10包括成型模具24，该成型模具例如集成到液压机中。被升温的构件坯由加热装置20或从其引至、尤其是输送至成型模具24或引入、尤其是输送至成型模具中，并且借助成型模具24在该方法的第二步骤S2中热成型。在热成型的过程中和在随后的锁模阶段中，热成型的构件坯在成型模具24中被冷却，然而未冷却到200℃之下(步骤S3)。在此可以设计为，构件坯被冷却到200℃到500℃之间的温度。换言之，构件坯这样被冷却，即在成型之后构件温度并不低于200℃并且不高于500℃。
此外，该设备10包括另一加热装置，其为升温装置26的形式，该加热装置可以构建为炉。加热装置20和/或升温装置26可以是辊膛炉、步进式炉、链式运输炉或回转膛炉。然而也可以考虑使用其他加热装置。例如，其他方案，如接触板升温、通过热辐射器升温、电感式升温、电容式升温、红外升温同样是可能的，以便加热或升温构件坯。尤其在使用炉时，升温装置26可以通过加热装置20的废热被加热。
在构件坯在成型模具24中冷却(步骤S3)之后，构件坯被从成型模具24送至或者送入升温装置26(步骤S4)。升温装置26在此直接连接到成型模具24上，使得将构件坯直接从成型模具24送至或送入升温装置26以避免构件坯冷却到低于200℃。该运送在此优选可以通过多轴工业机器人或供料系统进行。
升温装置26尤其可以构建为穿行炉，使得构件坯穿过升温装置26被运送。借助升温装置26在该方法的第五步骤S5中在使构件坯的结构中的奥氏体稳定的情况下使构件坯退火。为了避免原子氢的吸收，在加热装置中和升温装置中的露点优选被控制和调节到小于5℃的值。优选小于-5℃的值。
如从图2中可看到的那样，构件坯在退火的过程中从构件坯在第三步骤S3中所冷却到的温度又略微被升温。构件坯当前被冷却到250℃，在此在第五步骤S5中构件坯被升温到高于200℃并且低于500℃，并且在该温度范围中保持2到15分钟之间的时长。
在退火之后，构件坯被从升温装置26送至或送入装置10的切割装置28中，其中构件坯、尤其是板形式的构件坯借助切割装置28被切割并且在切割装置中冷却到室温(第六步骤S6)。最后，构件坯被从切割装置28在链接/料道的范围内送至最终切削装置30并且借助其在该方法的第七步骤S7中完成切削并且被清洁。
时间温度曲线14阐明根据第一实施形式的方法，其中也可以设定其他温度。借助该方法因此示出了构件坯的直接或间接加压淬火，其优选由硼锰钢形成。构件坯在此可以是未涂层的或涂层的。优选地，构件坯是热镀铝的或热镀锌的。构件坯的板厚度可以在0.5毫米到3毫米的范围中，其中包含所述端值。借助该方法可以低廉以及省时地制造高断裂应变和因此高延展性的以及同时非常高的强度的加压淬火的钢板构件。
图3示出了根据第二实施形式的设备10。通过方向箭头在图3中阐明了构件坯的所谓的穿通方向，构件坯沿着该穿通方向穿过设备10。
根据第二实施形式的设备10包括沿穿通方向设置在用于奥氏体化的加热装置20上游的进料辊道32，借助所述进料辊道将构件坯输送进入加热装置20中。出料辊道34连接到加热装置20上，借助该出料辊道将构件坯从加热装置20运输出。进料辊道32和出料辊道34在此可以是加热装置20的组成部分。
此外，根据第二实施形式的设备10包括进料辊道36，借助该进料辊道将构件坯在冷却之后、即在经过成型模具24之后输送进入升温装置26中。另一出料辊道36连接到升温装置26上，借助该出料辊道将构件坯在退火之后从升温装置26运输出来。进料辊道36和出料辊道38在此也可以是升温装置26的组成部分。因此，构件坯可以直接在冷却之后并且在其未冷却到低于200℃的情况下从成型模具24被送入用于奥氏体稳定化的升温装置26中。
图4示出了根据第三实施形式的设备10，其中其他的用于加工构件坯的挤压机40、42、44连接到出料辊道38上。借助挤压机40例如对构件坯打孔。借助挤压机42切削构件坯，其中构件坯借助挤压机44又切削一次。
图5示出了根据第二实施形式的方法的时间温度曲线14。在第一步骤S1中，构件坯以加热速率Tsoll1被加热到用A表示的奥氏体化温度，用以奥氏体化，并且在奥氏体化时间B期间保持在奥氏体化温度A。用Tsoll2表示冷却速率，构件在其成型中和/在其成型之后，即在第二步骤S2期间和/或在第三步骤S3期间以该冷却速率来冷却，其中用Tkrit-MS表示用于形成马氏体的临界冷却速率。
在成型之后和在冷却之后，构件坯在维持时间D1期间在成型模具24中被保持在维持温度C。接着，构件坯从成型模具24被运送到升温装置26中，其中该运送持续了运送时间D2。在该运送时间D2期间，避免构件坯冷却到低于200℃。
在升温装置26中，构件坯以加热速率Tsoll3被加热到退火温度E，并且在退火时间F期间被保持在退火温度E。在退火之后，构件坯以冷却速率Tsoll4例如冷却到室温。

Claims (6)

1.用于制造加压淬火的钢板构件的方法，该方法具有如下步骤：
a)借助加热装置(20)将由可热成型的钢板形成的构件坯至少升温(步骤S1)到该钢材的奥氏体化温度，
b)借助成型模具(24)将构件坯热成型(步骤S2)，
c)在成型模具(24)中将构件坯冷却(步骤S3)到比材料特定的马氏体起始温度低且比材料特定的马氏体终结温度高的200℃到500℃的范围内的温度，该范围包括端值在内,
d)将构件坯从成型模具(24)送至(步骤S4)升温装置(26)，
e)借助升温装置(26)在使奥氏体稳定的情况下将构件坯退火(步骤S5)，
其特征在于，
将构件坯直接从成型模具(24)送至升温装置(26)(步骤S4)以避免将构件坯冷却到低于材料特定的马氏体终结温度。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
在步骤a)(步骤S1)中将构件坯升温到800℃到1000℃之间。
3.根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，
在步骤a)(步骤S1)中将构件坯升温到900℃到1000℃之间的温度。
4.根据上述权利要求1-3之一所述的方法，
其特征在于，
作为所述钢材使用具有如下合金元素的合金：
0.2到0.5重量％的碳
0.5到2.9重量％的硅
0.7到4.1重量％的锰
最多0.1重量％的磷
最多0.1重量％的硫
0.001到0.5重量％的铝
0.1到1.5重量％的铬
0.001到0.2重量％的钛
0.001到0.03重量％的硼
最多0.025重量％的氮。
5.根据上述权利要求1-3之一所述的方法，
其特征在于，
在步骤e)(步骤S5)中借助升温装置(26)相对于构件坯在步骤c)(步骤S3)中所被冷却到的温度(c)加热构件坯。
6.一种用于制造加压淬火的钢板构件的设备，该设备具有：
-用于将由可热成型的钢材形成的构件坯至少升温到钢材的奥氏体化温度(A)的加热装置(20)，
-成型模具(24)，用于在升温之后将构件坯热成型并且在成型之后在成型模具(24)中将构件坯冷却到比材料特定的马氏体起始温度低且比材料特定的马氏体终结温度高的200℃到500℃的范围内的温度，该范围包括端值在内,
-用于在冷却之后在使奥氏体稳定的情况下将构件坯退火的升温装置(26)，
其特征在于，
升温装置(26)直接连接到成型模具(24)，从而构件坯从成型模具(24)能够被直接送至升温装置(26)以避免将构件坯冷却到低于200℃。
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