CN107208170A - 用于通过由钢制成的板坯的改形来制造结构部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种按专利权利要求1前序部分所述的用于通过由钢制成的板坯的改形来制造结构部件的方法，其实现了冷作硬化的机械分开的板材边缘的可改形性，并且独立于改形成结构部件地在所述板坯切割成型以及可能的其它冲裁或切割操作之后在任意的时间点上，将通过切割或冲裁操作冷作硬化的、在制造结构部件时经历随后的冷变形的板材边缘区域加热到至少600℃的温度上并且温度加载的时间最高为10秒。

Description

用于通过由钢制成的板坯的改形来制造结构部件的方法

技术领域

本发明涉及一种按专利权利要求1前序部分所述的用于通过由钢制成的板坯（Platine）的改形来制造结构部件的方法，其实现了冷作硬化的（kaltverfestigter）机械地分开的板材边缘的高的可改形性。

背景技术

结构部件在下面理解为由板材板坯（Blechplatine）在室温下通过借助于改形工具进行改形来制造的结构部件。作为板材原料考虑所有可改形的金属原料、然而尤其是钢。板材板坯能够没有涂层或者设有金属的和/或有机的防腐表层（Korrosionsschutzüberzug）。

这种结构部件主要用在车身制造中，然而使用可行性也出现在家用器具工业、机械制造或建筑业中。

竞争激烈的汽车市场强制制造商在保持尽可能高的舒适性以及乘客保护的情况下不断地寻找用于降低其全体油耗的解决方案。在此，所有车辆构件的重量节省一方面起到了决定性的作用，然而另一方面在运行以及碰撞情况下在高的静态以及动态的负荷下各个结构部件的尽可能适宜的特性也起到了决定性的作用。

预制材料供应商如下地尝试考虑所需的原料要求，即通过提供高以及最高强度的钢能够在制造以及运行中同时改善的结构部件特性的情况下来降低壁厚。

因此，所述钢必须满足例如在冷改形和焊接时关于强度、延展性、韧性、能量吸收和耐腐蚀性及其可加工性方面的相对高的要求。

在前面所述的方面下，由具有高于600MPa的屈服极限的较高以及高强度的钢构成的结构部件的制造越来越重要。

为了制造结构部件，首先将由热或冷带构成的板材板坯在室温下切割成一定尺寸（auf Maß）。作为切割方法，大多数使用机械的分离方法、如例如剪断或冲裁，然而较罕见地也使用热分离方法、如例如激光切割。热分离方法相对于机械的分离方法明显成本更高，从而所述热分离方法只用于特殊情况下。

在切割成型（Zuschneiden）之后将被切割成型的板坯放入改形工具中，并且在一或多级的改形步骤中产生制造好的结构部件、如例如底盘载体。

在改形之前将按具体情况地（fallweise）各种（diverse）其它制造步骤、如例如冲裁和切割操作在所述板坯处来实行，以及在改形期间组合的翻边操作（Bördeloperationen）在打孔的区段处来实行。

在改形时，切割边缘（尤其在其例如在打孔的板坯中进行制造突缘操作（Kragenoperationen）时立起或者说竖起时）特别受载。

在所述切割边缘处能够存在各种提早损伤（Vorschädigungen）。一方面通过由于机械分离引起的原料的冷作硬化所决定，这种分离呈现为完全的改形直到材料分离为止。另一方面能够出现切口效应，其通过切割面的形貌（Topographie）产生。

因此，刚好在高以及最高强度的板材原料中，在随后的改形中在所述切割边缘的缘边区域内出现提高的裂纹几率。

在所述板材边缘处的所提及的提早损伤能够在后面的改形操作中或在所述构件的运行中导致过早的失灵。被切割的板材边缘在其边缘裂纹敏感性方面的改形特性的检查用根据ISO 16630的孔扩张试验（Lochaufweitversuch）来执行。

在所述孔扩张试验中通过剪切切割（Scherschneiden）将圆形的孔置入所述板材中，之后该孔通过锥状的冲模（Stempel）来扩张。测量变量是孔直径的基于初始直径的变化，在其中在所述孔的缘边处出现穿过所述板材的第一裂纹。

为了在经剪切切割或冲裁的板材边缘的冷改形中使前面所描述的边缘裂纹敏感性最小化，例如已知用于合金成分和原料处理（例如有针对性地调整贝氏体组织（Gefügen））的或在冷切边（Kaltbeschnitt）所述板坯（例如通过修改切割间隙、速度、多次切边等）时的方法技术的改变的方式。

所述措施要么是贵且消耗的（例如多级的切割操作、3D切割的维护等），要么所述措施还没有提供最佳的结果。

此外，由公开文件DE 10 2009 049 155 A1已知至少将所述切割边缘的区域加热到定义的温度上并且在该温度时执行所述切割，以便改善被切割的边缘的可改形性并且由此降低或避免在所述切割边缘的区域内的冷作硬化。在此，一方面需要用于加热所述板材的高的技术以及经济方面的消耗是不利的，并且另一方面用于强制耦联所述板坯的加热以及就在后面的切割是不利的，这使得生产较不灵活。

此外由DE 10 2011 121 904 A1已知的是，将被剪切切割的板材进行冷改形，并且在进一步改形过程之前借助于激光局部加热冷作硬化的区域，带有局部软化的目的。在此，如下局部软化尤其是不利的，其在所使用的经常高以及最高强度的材料方面尤其在负载情况下以及在波动的负荷下呈现为不完善性（Ungänze）。此外，不清楚哪里刚好发生加热以及应该如何以温度和时间过程具体地进行局部加热。此外不清楚能够如何以及以何种程度通过局部软化来改善已经冷改形的板材的改形能力。

发明内容

本发明的任务是，说明一种用于由在室温下剪切切割的板材板坯用按具体情况地各种其它在室温下执行的制造步骤、如例如孔冲裁或切割操作来制造冷改形的结构部件的方法，该方法降低或消除了切割区域在其影响方面的前面所描述的提早损伤，并且由此在所述板材板坯的随后的冷改形中减少了或者甚至消除了边缘裂纹敏感性。所述方法应该能够简单并且成本适宜地实现，并且应该一方面在尤其关于所述切割边缘的可改形性方面的制造中以及另一方面在结构部件中尤其关于静态强度方面实现了可比较的和/或改善的性质。

根据本发明的教导，该任务通过用于在室温下通过由钢制成的板坯的改形来制造结构部件的方法得到解决，具有机械地在所述板坯处切割或冲裁的边缘的降低的裂纹敏感性以及高的可改形性，在其中所述板坯在室温下事先从带或板材中切割成型，其中，在室温下执行按具体情况地其它制造步骤、如例如冲裁或切割操作用于在所述板材或所述板坯处实现凹处或缺口，并且随后将如此准备的板坯在一个或多个步骤中在室温下改形成结构部件，其特征在于，独立于改形成结构部件地在所述板坯切割成型以及可能的其它冲裁或切割操作之后在任意时间点上将通过所述切割或冲裁操作冷作硬化的、在制造所述结构部件时经历随后的冷改形的板材边缘区域加热到至少600℃的温度上并且温度加载的时间小于10秒。

试验已证实，为了改善孔扩张能力（Lochaufweitvermögens）不需要在切割边缘区域的提高的温度的情况下执行切割过程本身，而是足够的是，仅将冷作硬化的剪切影响（scherbeeinflussten）的切割边缘区域在小于10秒、然而通常在0.1和2.0秒之间的范围内以出乎意料短的时间间隔加热到至少600℃的温度上。按本发明这能够与所述切割或冲裁过程以及随后的制造步骤分开地在改形成结构部件之前在任意时间点上发生。

在此，热作用在整个板材厚度上并且在最高相应于板材厚度的区域内沿着所述板坯的平面方向进行。在此，所述热作用的持续时间视热处理方法的类型而定。

加热本身能够以任意的方式例如传导地、感应地通过辐射加热或借助于激光加工来进行。传导的加热突出地适用于所述热处理，如该加热例如在汽车制造中反复地用在点焊的例子处那样。例如具有相对而言（eher）短的作用时间的点焊机有利地适用于处理在所述板坯中冲裁的孔，相反，在待处理的较长的边缘区段中考虑具有较长作用时间的感应的方法、辐射加热或激光加工。

为了保护经加热的切割边缘区域以防氧化，本发明的有利的改进方案提出，用惰性气体、例如氩气冲洗所述区域。在此，惰性气体冲洗在热处理的持续时间期间进行，然而所述惰性气体冲洗也能够在显得需要时附加地已经在执行热处理开始之前不久和/或还在执行热处理之后在受限制的时间段内进行。

由此，热引入仅非常集中地在剪切影响的切割边缘区域内进行，并且因此与相对少的能量消耗相联系、尤其在如下方法方面，在其中整个板坯进入加热或者使用在时间上以数量级更加消耗的去应力退火（Spannungsarmglühung）。

此外，在所述切割边缘区域内用于待实现的温度的处理窗口是非常大的并且包括从高于600℃直到大约1500℃的固相温度（Solidustemperatur）的温度范围。

此外，试验指出了，单单冷作硬化的消除对于明显改善孔扩张能力来说是决定性的，并且不可恢复的不完整性如例如微孔有着次要的意义。

这独立于所述热处理是在转变温度Ac1以下还是以上来发生的。

如果在Ac1以上执行所述热处理，那么在能够转变的钢方面在处理以后在快速冷却的进程中由于周围的冷的材料引起到所谓的亚稳相的转变。因此调整出的组织在提高的强度方面不同于初始状态。

具有在各种情况下与之伴随的硬度和强度提高的组织转变惊人地对孔扩张能力没有负面影响，独立于是否调整出相对于初始组织较硬并且不太坚韧的（zähes）组织，从而也可实现所述切割边缘直到固相极限的处理温度。在每种情况下保持决定性的是，在最大程度上消除由所述切割引入的冷作硬化。

为了实现按本发明的目的，根据现有调查不足以在600℃以下以持续几秒来执行加热，因为必须明显减少由机械的分离过程引入的错位（Versetzungen）。

按本发明的方法相对于已知的用于降低边缘裂纹敏感性的措施具有以下优点，即通过仅仅剪切影响的边缘区域的热处理在微观结构上得到改变，并且在此通常没有降低而是提高了强度。由此，在较大的孔扩张能力的意义中相对于边缘裂纹的不敏感性能够以系数2或者甚至多于3地来改善。

在按本发明的方法的工业应用中，能够由于严重的（kritischen）剪切影响的板材边缘区域的明显增加的可改形性，一方面降低在被改形的结构部件方面的次品并且另一方面能够在构造例如支承部位（Lagerstellen，有时称为轴颈）时例如通过现在可执行的制造突缘操作来节省至今所需的接合操作。

按本发明的方法通过所述切割边缘区域的改善的改形能力允许较复杂的结构部件几何形状，并且由此允许在使用同一原料时较大的结构上的自由。此外，正如预计那样（erwartungsgemäß）没有由于出现的、虽然可能相对于初始状态更硬的、却均匀的组织而降低冷改形的结构部件的疲劳强度，而是在显著地两相的组织如例如双相组织中所述疲劳强度得到提高。

待冷改形的切割边缘区域的热处理能够完全在切割或冲裁过程之后以及在所述板坯改形之前在任意的时间点上或者在所述板坯成结构部件的多级的改形操作中作为中间步骤来执行，从而所述板坯的切割或冲裁、所述切割边缘的热处理以及所述板坯成结构部件的改形这些过程步骤相互完全地分开。由此，这种制造比根据现有技术在通过热处理进行的边缘改型的集成中可实现的那样明显更灵活。

由于相对于已知的措施短的处理持续时间，所述方法能够作为中间制造步骤集成在预先给出在0.1到10秒范围内的节拍（Taktung）的批量生产中。由此，在汽车领域中以多个相继步骤来制造板材构件尤其呈现为注定的（prädestinierten）应用领域。

此外能够有利地用已经在生产中现有的改形工具来执行如此准备的板坯的改形，因为不需要附加的加热机构、如例如炉子以用于加热所述板坯本身。这实现了进一步成本适宜的制造，并且通过制造步骤的分离实现了生产过程中的高的灵活性。

然而根据本发明的有利的改进方案，所述切割边缘的加热能够取决于所设置的生产过程地（如果这显得有利的话）还直接在机械的切割或冲裁过程之后或者直接在改形成结构部件之前在与相应的制造过程组合的工作步骤中进行。切割以及冲裁机构例如能够设有后置的热处理装置，或者其能够直接前置于用于所述板坯的冷改形的改形机构。

所述板坯本身例如能够灵活地以不同厚度进行轧制，或者能够由相同或不同厚度和/或品质（Güte）的冷或热带接合而成。本发明能够应用于由软的直到高强度的、例如具有140MPa到1200MPa的屈服极限的钢制成的、热或冷轧的钢带，其能够设有抗腐蚀覆层作为金属的和/或有机的表层。金属的表层例如能够由锌或者由锌或由镁或由铝和/或硅构成的合金构成。

所涂层的钢带的适当性（Eignung）从以下可行性中得到解释，即所述边缘区域的处理限制到与所述边缘的如下间距上，该间距相应于板材厚度的一小部分，因为在所述剪切切割时有害的冷作硬化的大多数份额存在于该区域内。由此在几毫米厚度的板材厚度中，直到与所述边缘几十微米的间距的区域能够已经足够，从而例如不影响或者仅仅不显著地影响金属的抗腐蚀覆层的有效的防腐。

作为较高强度的钢，使用所有单相的但还有多相的钢种类。属于此的是微合金的（mikrolegierte）、较高强度的钢种类就如同（genauso wie）贝氏体或马氏体种类那样、以及双相、复相和TRIP钢。

附图说明

本发明的其它特征、优点和细节从所示出的附图的下面的描述中获得。其中：

图1示出在按本发明进行热处理的切割边缘处的按ISO 16630的孔扩张试验的示意图，

图2示出用于剪切影响的切割边缘的传导的热处理的试验设计（Versuchsaufbau），

图3示出在剪切影响的切割边缘的传导的热处理之后在未涂层的试样HDT780C处的根据ISO 16630的孔扩张试验的结果，

图4示出在剪切影响的切割边缘借助于激光进行热处理之后在热浸镀锌的试样HCT780CD和未涂层的试样HDT780C处的根据ISO 16630的孔扩张试验的结果，

图5示出在按本发明进行热处理的切割边缘处的组织以及硬度变化。

具体实施方式

在图1中示出示意性地在按本发明进行热处理的切割边缘处的根据ISO 16630的孔扩张试验。

按本发明，所述热处理仅仅在剪切影响的切割边缘处在所述板坯切割成型之后并且在靠近边缘的区域的改形之前作为中间步骤来发生。

在图2中示出了用于剪切影响的切割边缘的传导的热处理的试验设计。

在试验中除了功率强劲的激光之外还使用商业通用的用于钢板材的连接焊接（Verbindungsschweißen）的点焊机作为加热机构，如其也在汽车工业中制造车辆部件时使用的那样。然而在当前情况下没有将处于相叠的板材相互焊接，而是根据图1对具有在其中冲出的孔（步骤1）的板材在剪切影响的板材边缘的区域内进行热处理（步骤2）。随后在步骤3中借助于冲模进行实际上的孔扩张，该孔扩张随后在经检查的试样处进行测定。

如在图2中所示那样，对置的点焊电极具有大于被冲裁的孔的直径，由此能够对剪切影响的孔边缘进行热处理。此外，所述电极在接触孔缘边的端部处具有半球状的形状，由此一方面对所述板材进行简单定心，另一方面能够将热集中地仅仅在剪切影响的区域内进行引入。

为了基本上仅仅将剪切影响的区域以电流来加载，应该使得接触性的电极顶部的形状与边缘区域的相应几何构造相匹配。

将具有680MPa的最小屈服极限以及800MPa的最小抗拉强度的品质HDT780C的未涂层的较高强度的热轧的贝氏体钢用于试验。此外，使用品质HCT780CD的具有500MPa的最小屈服极限以及780MPa的最小抗拉强度的热浸镀锌的冷轧的复相钢。

根据方法，处理持续时间、也就是说在感应加热的情况下电流通流的持续时间以及通过激光来进行的功率接收（Leistungsabnahme）的持续时间或者其它热源的作用持续时间能够以20ms到最高10s、然而通常有利地在100ms直到2000ms之间的范围内进行使用。在每种情况下重要的是，在热处理的情况下达到至少600℃的温度。

除了所述处理持续时间之外以及在感应的加热的情况下，重要的方法参数是电流，该电流在4和10kA之间变化。在借助于激光进行热处理中，首先调整出5kW的激光功率，其分布到大约12mm的圆面上，从而大约对带有如下试样的切割的圆孔的1mm缘边宽度的环形进行热处理，所述试样带有10mm的直径。

在剪切影响的切割边缘的传导的热处理之后在未涂层的试样HDT780C处的根据ISO 16630的孔扩张试验的结果能够从图3中获知，并且在借助于激光对剪切影响的切割边缘进行热处理之后在热浸镀锌的试样HCT780CD以及未涂层的试样HDT780C处的相应的结果能够从图4中获知。

在热处理之后，根据图3和4能够实现相对于未处理的参考试样从主要系数2直到系数3及以上的孔扩张的提高。在结果方面的数值分散（Streuungen）尤其能够归因于未优化的几何形状的比例和因此能够归因于通过激光进行的不均匀的热处理。

图5在上面子图中在左边以示意图以朝冲裁到板材中的孔的俯视图进行示出，该孔按本发明在孔边缘的区域内进行热处理。在热影响的区域内出现的组织示意性地在上面子图中在右边示出。

由此能够示例性地示出热处理的作用，并且能够推导出针对当前的（vorgelegenen）温度的推断。所示出的结果基于用500ms处理持续时间以及8kA的电流对具有贝氏体组织的钢HDT780C进行的感应的处理。

在大约0.5mm的附近的缘边区域内，所述组织由100%马氏体构成。因此存在有Ac3以上的加热，随之进行快速冷却。随着与所述边缘的间距的增加，贝氏体的份额提高，直到与所述边缘的大约2.5mm的间距为止，从所述间距起100%贝氏体存在。从2.5mm的边缘间距起，所述组织不再经受转变，从而在此存在Ac1以下的处理温度（大约700℃）。

在孔边缘的附近区域内的硬度增加（图5，下面的子图）对于微合金的贝氏体的热带来说是典型的，并且由在大约500℃-700℃的温度范围内纳米微粒的后来的沉淀（Ausscheiden）而引起。

总之，本发明的优点能够总结如下：

-产生具有减少的边缘裂纹敏感性以及高的孔扩张能力的能够很好改形的切割边缘，这实现了较复杂的结构部件几何形状的制造并且降低了在改形时由于边缘裂纹引起的次品的危险。

-在轻质结构以及成本视角下通过制造复杂的结构部件几何形状产生最佳的产品。

-由于热处理的很少的持续时间以及非常广的温度跨度可实现所述方法到挤压结构部件的多级制造中的集成。

-由于在地点以及时间方面非常受限的加热能够将所述方法用于防腐涂层板材。

-通常没有软化，而是在能够转变的原料中相对于基本原料存在有经热处理的区域的硬化。

Claims (15)

1.用于在室温下通过由钢制成的板坯的改形来制造结构部件的方法，具有机械地在所述板坯处切割或冲裁的边缘的高的可改形性以及降低的裂纹敏感性，在其中所述板坯事先在室温下从带或板材中切割成型，其中，在室温下执行按具体情况地其它制造步骤、如例如冲裁或切割操作用于在所述板材或所述板坯处实现凹处或缺口，并且随后在一个或多个步骤中将如此准备的板坯在室温下改形成结构部件，

其特征在于，

独立于改形成结构部件地在所述板坯切割成型以及可能的其它冲裁或切割操作之后在任意时间点上，将通过切割或冲裁操作冷作硬化的、在制造所述结构部件时经历随后的冷改形的板材边缘区域加热到至少600℃的温度上，并且温度加载的时间最高为10秒。

2.按权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述温度加载的时间为0.02到10秒。

3.按权利要求2所述的方法，

其特征在于，

所述温度加载的时间为0.1到2秒。

4.按权利要求1到3所述的方法，

其特征在于，

将冷作硬化的板材边缘区域加热到600℃直到固相温度的温度上。

5.按权利要求4所述的方法，

其特征在于，

将所述冷作硬化的板材边缘区域加热到Ac1直到固相温度的温度上。

6.按权利要求1到5所述的方法，

其特征在于，

感应地、传导地、借助于辐射加热或借助于激光辐射来加热到改形温度上。

7.按权利要求6所述的方法，

其特征在于，

借助于阻焊机构或者借助于激光进行加热。

8.按权利要求1到7中至少一项所述的方法，

其特征在于，

所述板坯在一个或在多个步骤中进行改形。

9.按权利要求1到8中至少一项所述的方法，

其特征在于，

板材板坯具有有机的和/或金属的表层。

10.按权利要求9所述的方法，

其特征在于，

所述金属的表层包含Zn和/或Mg和/或Al和/或Si。

11.按权利要求1到10中至少一项所述的方法，

其特征在于，

热处理沿着所述板坯的平面方向从板材边缘出发在最大相应于板材厚度的区域中来进行。

12.按权利要求1到11中任一项所述的方法，

其特征在于，

保护所述热处理的部位周围的区域以防氧化。

13.按权利要求1到12中任一项所述的方法，

其特征在于，

为了进行保护以防氧化，使得所述热处理的部位周围的区域至少在热作用期间借助于惰性气体来冲洗。

14.按权利要求13所述的方法，

其特征在于，

所述热处理的部位周围的区域附加地在所述热作用之前和/或之后借助于惰性气体来冲洗。

15.由钢制成的板坯用于在室温下改形成结构部件的用途，在其中所述板坯在所述改形之前在室温下机械地从带或板材中切割成型，并且在室温下执行按具体情况地其它冲裁或切割操作用于实现凹处或缺口，在其中在改形成结构部件之前在经历了冷作硬化的、被切割或冲裁的板材边缘处在0.02到10秒的或者0.1到2秒的持续时间上执行至少600℃的热处理。