CN108472709B - 用于热冲压成形工艺的高频加热方法 - Google Patents

用于热冲压成形工艺的高频加热方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于热冲压成形工艺的高频加热方法，该方法包括：将在铁(Fe)基母材上形成铝(Al)质涂膜的钢板以一次升温速度高频加热至一次目标温度的一次加热步骤；将通过所述一次加热步骤的所述钢板以小于所述一次升温速度的二次升温速度进行高频加热至二次目标温度以熔化所述涂膜的二次加热步骤；以及将通过所述二次加热步骤的所述钢板以大于所述二次升温速度的三次升温速度高频加热至三次目标温度的三次加热步骤；所述二次加热步骤中基于所述涂膜材料和所述母材材料的反应生成化合物，从而即使在涂膜的融化点以上的温度进行高频加热，具有涂膜也不会从母材脱落的效果。

Description

用于热冲压成形工艺的高频加热方法
技术领域
本发明涉及用于热冲压成形工艺的高频加热方法，更具体地，涉及一种将钢板加热并加工为超高强度钢的用于热冲压成形工艺的高频加热方法。
背景技术
通常，热冲压成形(hot stamping)技术是通过将钢板加热至适当温度(约900℃)并在冲压模具内以冲压成形的方式一次成形后进行急速冷却，以制造高强度部件的成形技术。
现有的热冲压成形工艺利用电炉对材料进行加热。然而，利用电炉的加热方式为了加热需要准备很长的设备线，而且在提升电炉自身温度时能量消耗很大，而且即使在非工作状态下为了维持电炉的温度也要持续地使用能量，因此导致能量效率低的问题发生。
为了改善这种问题，首先引进了高频加热器加热的方法。这种情况下，高频加热器只需要很短的设备线，而且可在较短的时间内加热钢板，具有优秀的节能效果。
参照图1，根据现有的高频加热方法，由于高频加热器的线圈上产生的电磁力(洛伦兹力)，在涂膜融化点温度之后，涂膜中发生离子化，使具有极性的离子基于洛伦兹力被推移，导致涂膜发生结团、脱落现象。因此，导致在涂膜融化后的温度中不能利用高频加热器而是通过利用电炉进行加热的问题发生。
发明内容
本发明的目的在于，为了改善如上所述的现有的用于热冲压成形工艺的高频加热方法中存在的问题，提供一种在涂膜的融化点以上的温度中也可以进行高频加热的用于热冲压成形工艺的高频加热方法。
为了达到如上所述的目的，本发明提供一种用于热冲压成形工艺的高频加热方法，该方法包括：将在铁(Fe)基母材上形成铝(Al)质涂膜的钢板以一次升温速度高频加热至一次目标温度的一次加热步骤；将通过所述一次加热步骤的所述钢板以小于所述一次升温速度的二次升温速度高频加热至二次目标温度以熔化所述涂膜的二次加热步骤；以及将通过所述二次加热步骤的所述钢板以大于所述二次升温速的三次升温速度高频加热至三次目标温度的三次加热步骤；所述二次加热步骤中基于所述涂膜材料和所述母材材料的反应生成化合物。
所述二次加热步骤中，通过调节导入的电流以使高频加热时产生的电磁力(F)可小于所述涂膜的粒子间结合力或者所述涂膜与所述母材之间的结合力(f)，即(F<f)。
此外，所述一次目标温度为所述涂膜的融化点以下的温度，并可在530℃以上且570℃以下。
所述二次目标温度为所述钢板失去强磁体的性质的温度，并可在730℃以上且770℃以下。
此外，所述二次升温速度还可为6.4℃/s以上且24℃/s以下。
另外，所述一次加热步骤及所述二次加热步骤以纵向磁场加热方式(LFIH)进行高频加热，所述三次加热步骤以垂直型磁场加热方式(TFIH)进行高频加热。
另外，所述二次加热步骤中，可使用比所述一次加热步骤中使用的线圈宽度更宽的线圈，布置有比所述一次加热步骤中布置的线圈的间隔更宽的间隔的线圈。
所述二次加热步骤中可使用宽度为70mm以上且90mm以下的线圈进行加热。
此外，所述二次加热步骤中可将线圈间的间隔布置为50mm以上且70mm以下，并进行加热。
根据如上所述本发明涉及的用于热冲压成形工艺的高频加热方法，通过在涂膜和母材之间形成化合物层，从而即使在涂膜的融化点以上温度中进行高频加热，涂膜也不会在母材上发生推移，从而具有可执行高频加热的效果。
附图说明
图1是图示现有的基于高频加热的涂膜被推移的照片。
图2是图示基于热冲压成形工艺的钢板的断面照片。
图3是图示本发明一实施例涉及的用于热冲压成形工艺的高频加热方法的流程图。
图4是本发明一实施例涉及的用于热冲压成形工艺的高频加热方法的时间-温度曲线图。
图5a是本发明中使用的纵向磁场加热方式(LFIH)的高频加热方式的示意图。
图5b是本发明中使用垂直型磁场加热方式(TFIH)的高频加热方式的示意图。
图6a是图示现有的加热方法及一次加热步骤(S10)中加热时施加在钢板上的电磁力大小的示意图。
图6b是图示本发明二次加热步骤(S20)中加热时施加在钢板上的电磁力大小的示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
参照图3，本发明一实施例涉及的用于热冲压成形工艺的高频加热方法包括：一次加热步骤(S10)、二次加热步骤(S20)及三次加热步骤(S30)。
所述一次加热步骤(S10)和所述二次加热步骤(S20)通过纵向磁场加热方式(LFIH)的高频加热方式进行加热。
图5a图示了作为纵向磁场加热方式(LFIH)的高频加热方式的示意图。高频加热是通过将所述钢板100放入施加有高频(1KHz以上)电流的线圈210内并使其通过，从而以基于电磁感应现象由所述线圈210产生的磁场相抵的方向，在所述钢板100上形成用于磁场感应的涡电流(I1)。此时，基于该涡电流及所述钢板100自身的电阻(R)间的关系，功率(单位时间的能量消耗)P1＝I1 2R的电能转换为热能，并使所述钢板100的温度上升。
所述一次加热步骤(S10)中将钢板100以一次升温速度V1加热至一次目标温度T1。此时，本发明中，所述钢板100具有在铁(Fe)基母材110上形成有铝(Al)质涂膜120的结构(参照图2)。由于铁具有很高的伸张强度，因此基于热冲压成形工艺进行加工时，可制造成150kg/mm2以上的超高强度钢。而且，本发明中所述涂膜120使用硅铝(Al-Si)基的铝材料。
所述一次加热步骤(S10)中在5秒以上10秒以下的时间内加热至一次目标温度T1，T1为所述涂膜120的融化点以下的温度。另外，本发明中作为一次目标温度T1的所述涂膜120的融化点以下的温度优选为530℃以上，570℃以下的温度。如果不足530℃，则需要在所述二次加热步骤(S20)中进行加热，导致时间变长，由此，加热所需的设备线变长，从而导致效率下降。此外，如果超出570℃，则会导致所述涂膜120事先融化的问题发生。
因此，假设如果在常温(20℃)开始加热，并在5秒以上10秒以下的时间内加热至530℃以上，570℃以下的温度，则所述一次升温速度V1应为51℃/s以上110℃/s以下。
所述二次加热步骤(S20)通过将通过所述一次加热步骤(S10)的所述钢板100以二次升温速度高频加热至二次目标温度以融化所述涂膜120，从而基于所述涂膜120材料和所述母材110材料的反应形成化合物130。所述化合物130如图2所示，可形成于母材110的表面，附图中虽未图示也可以形成于所述涂膜120的内部。由此形成的所述化合物130可防止三次加热步骤(S30)中发生的涂膜120结团或脱落的现象
所述涂膜120是硅铝(Al-Si)基铝材，所述钢板100由铁(Fe)制备，所述化合物130可形成为Al8Fe2Si、Al2Fe2Si或者Fe2Al5/FeAl2化合物中至少任意一个化合物。Al8Fe2Si化合物的融化温度约为855℃，Al2Fe2Si化合物的融化温度约为1050℃，Fe2Al5/FeAl2化合物的融化温度约为1156℃，因此通过在所述涂膜120上形成这种化合物，可使所述涂膜120的融化温度变高，从而可防止三次加热步骤(S30)中所述涂膜120发生结团或者脱落的现象。
所述二次加热步骤(S20)中将通过所述一次加热步骤(S10)的所述钢板100以二次升温速度V2高频加热至二次目标温度T2。此时，本发明中通过将导入所述线圈210的电流调至所述一次加热步骤(S10)中以下的电流，从而降低所述钢板100中产生的涡电流I2。因此，减少所述钢板100中转换为热能的功率P2＝I2 2R。所述二次升温速度V2小于所述一次升温速度V1。
另外，本发明中通过调节导入的电流，使高频加热时产生的电磁力(F)小于所述涂膜120和所述母材110之间的结合力(f)。即，(F<f)。
高频加热金属时，基于电磁感应现象可对金属进行加热的同时，基于导入所述线圈210的电流产生磁场(B)，向以速度(v)移送的金属电荷(q)施加电磁力(洛伦兹力：F＝qv×B)。金属在固体状态下，即使被施加以电磁力(F)，由于具有很强的粒子间的结合力，也不受影响。金属在融化后，基于电磁力(F)，液态金属的电荷(q)将发生移动。因此，如果在超过所述涂膜120融化点的温度下进行高频加热，则融化的所述涂膜120基于电磁力(F)发生移动，同时与所述母材110发生分离，可能导致结团或者脱落的现象发生。这种情况下，所述涂膜120的厚度很难保持一致，所述钢板100的表面则会形成凹凸不平状(参照图1)。
因此，本发明中，二次加热步骤(S20)中通过降低导入的电流，以降低电磁力(F)并使其小于所述涂膜120的粒子间的结合力或者所述涂膜120和所述母材110之间的结合力(f)。其结果，所述钢板100中产生的涡电流I2变小，所述二次升温速度V2小于所述一次升温速度V1。
所述二次加热步骤(S20)中在10秒以上25秒以下的时间内加热至二次目标温度T2，T2为的使所述钢板100失去强磁体性质的温度(居里温度)。如果在不足10秒时间内加热至所述二次目标温度T2，则所述涂膜120基于电磁力(F)与所述母材110发生分离并导致结团或者脱落的现象发生。如果在超过25秒时间内加热至所述二次目标温度T2，则加热所需的设备线变长，导致效率降低。
另外，本发明中作为二次目标温度T2的使所述钢板100失去强磁体性质的温度(居里温度)优选为730℃以上，770℃以下。如果不足730℃，则所述三次加热步骤(S30)中所需的加热时间将会变长，由此加热所需的设备线也变长，导致效率降低。此外，如果超出770℃，则所述钢板100失去强磁体的性质，在使用纵向磁场加热方式(LFIH)的高频加热方法的情况下，导致加热效率急速降低的问题发生。
因此，基于所述一次目标温度T1在10秒以上25秒以下的时间内加热至所述二次目标温度T2，所述二次升温速度(V2)可变为6.4℃/s以上24℃/s以下。
另外，参照图6a和图6b，本发明的所述二次加热步骤(S20)中使用比所述一次加热步骤(S10)中使用的线圈210a宽度更宽的线圈210b进行加热。线圈间隔即，线圈210b间的间隔大于一次加热步骤(S10)中的线圈210a的线圈间隔。本实施例中优选使用宽度为70mm以上，90mm以下的线圈210b，将线圈210b之间的间隔布置为50mm以上，70mm以下并进行加热。
如果线圈的宽度不足70mm或者线圈间的间隔不足50mm，则可能发生所述涂膜120结团或者脱落的现象。如果线圈的宽度超过90mm或者线圈间的间隔超过70mm，则加热所需的设备线变长导致效率降低。
所述一次加热步骤(S10)及现有的加热方式中使用10mm至20mm宽度的线圈，线圈间的间隔布置为不足50mm。相反，本发明的所述二次加热步骤(S20)中使用比所述一次加热步骤(S10)中使用的线圈210a宽度更宽的线圈210b，通过以比所述一次加热步骤(S10)中线圈210a的间隔更宽间隔布置线圈210b，从而可使所述涂膜120均匀地形成。
图6a图示了现有的线圈及采用线圈间隔的线圈210a施加在所述钢板100上的电磁力(F)大小(参照箭头)。现有的线圈及使用线圈间隔对所述钢板100进行加热时，所述钢板100的单位面积上施加的电磁力(F)大小测定为1.29×107至9.09×107(N/m2)。即，施加在所述钢板100上的电磁力(F)可能发生最大7倍的偏差。这是由于线圈210a的宽度窄，线圈210a间的间隔较窄的情况下，单位面积上施加的电流-功率密度变大而发生的现象。因此，发生电磁力(F)不能保持均匀而是瞬间向一处集中的现象，从而导致所述涂膜120结团或者脱落。
相反，如图6b所示，应用本实施例时，所述钢板100的单位面积上施加的电磁力(F)大小为1.29×107至2.59×107(N/m2)。即，本实施例中通过拓宽线圈210b的宽度，加大线圈210b间的间隔，将单位面积的电磁力(F)的偏差调至2倍以下。因此，根据本实施例，由于所述钢板100上施加的电磁力(F)相对均匀，从而可防止所述涂膜120发生结团或者脱落的现象。
此外，图6b图示的所述钢板100的推进方向的侧端部上测定的电磁力(F)为所述钢板100整体受力，因此与所述涂膜120发生结团及脱落的现象无关。
所述三次加热步骤(S30)中将通过所述二次加热步骤(S20)的所述钢板100以三次升温速度V3高频加热至三次目标温度T3。所述三次加热步骤(S30)中，以垂直型磁场加热方式(TFIH)进行高频加热。
图5b图示了本发明中使用垂直型磁场加热方式(TFIH)的高频加热方式的示意图。参照图5b对垂直型磁场加热方式(TFIH)进行说明如下。与所述钢板100的移送路径垂直地将两个垂直线圈220布置在移送路径的上下两侧，使所述钢板100在它们之间通过。此时，所述垂直线圈220为面向所述钢板100的开放的圆形线圈状。因此，如果导入电流，则所述垂直线圈220间产生电磁场，通过该电磁场的所述钢板100上产生基于电磁感应现象的涡电流I3，相当于P3＝I3 2R功率的能量转化为热能，则使所述钢板100的温度上升。
本发明中所述一次加热步骤(S10)及所述二次加热步骤(S20)中以纵向磁场加热方式(LFIH)进行高频加热，所述三次加热步骤(S30)中以垂直型磁场加热方式(TFIH)进行高频加热。在采用纵向磁场加热方式(LFIH)的情况下，例如铁(Fe)，具有强磁体性质时，通过较好地吸收所述线圈210上产生的磁场，很容易进行加热。相反，具有非磁体性质时，由于所述线圈210上产生的磁场不能被吸收，加热效率降低。另外，在采用垂直型磁场加热方式(TFIH)的情况下，即使所述钢板100上使用非磁性体，通过增加所述垂直线圈220上产生的磁场和所述钢板100相遇的磁场的数量(磁通量)，可具有提高加热效率的效果。
因此，本发明中，通过在到达居里温度之前，在所述一次加热步骤(S10)及所述二次加热步骤(S20)中以纵向磁场加热方式(LFIH)进行高频加热，在到达居里温度之后，以垂直型磁场加热方式(TFIH)进行高频加热，可最大化加热效率。
在所述三次加热步骤(S30)中在2秒以上5秒以下的时间内加热至三次目标温度T3，T3为900℃以上，950℃以下。因此，基于所述二次目标温度T2在2秒以上5秒以下的时间内加热至所述三次目标温度T3，可使所述三次升温速度(V3)变为26℃/s以上110℃/s以下。
另外，本发明的所述三次加热步骤(S30)不限于三次目标温度T3，如有必要可将温度上升至其以上的温度，而且在所述三次加热步骤(S30)之后还可增加加工所述钢板100的步骤。
图4的曲线图为时间-温度曲线图，图示了伴随时间的推移所述钢板100的升温模式。此时，所述一次升温速度V1是曲线图的0～t1区间的斜线，所述二次升温速度V2是曲线图的t1～t2区间的斜线，所述三次升温速度V3是曲线图的t2～t3区间的斜线。参照图2，本发明涉及的用于热冲压成形工艺的高频加热方法通过引进能够提升能量效率的高频加热方法，能够以110℃/s的速度对所述钢板100进行加热，高频加热时可防止所述涂膜120发生结团，从而可克服在750℃以上的区间发生加热效率减少的问题。
此外，所述二次加热步骤(S20)中通过使用比所述一次加热步骤(S10)中使用的线圈210a的线圈宽度及线圈间的间隔更大的线圈210b，并进行加热，从而减小所述钢板100上施加的电磁力(F)的偏差，进而可防止所述涂膜120发生的结团或者脱落的形象。
以上虽通过具体的实施例对本发明进行了详细是说明，但这只是用于具体说明本发明，而非用于限定本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员而言，显而易见的是，基于本发明的技术思想可对本发明进行变形和改良。
对于本发明的单纯的合并及变更皆应属于本发明的范畴，权利要求书对本发明的具体保护范围做出明确的定义。

Claims (8)

1.一种用于热冲压成形工艺的高频加热方法，其特征在于，该方法包括：
将在铁(Fe)基母材上形成铝(Al)质涂膜的钢板以一次升温速度高频加热至一次目标温度的一次加热步骤，所述一次目标温度为所述涂膜的融化点以下的温度；
将通过所述一次加热步骤的所述钢板以小于所述一次升温速度的二次升温速度高频加热至二次目标温度以熔化所述涂膜的二次加热步骤；以及
将通过所述二次加热步骤的所述钢板以大于所述二次升温速度的三次升温速度高频加热至三次目标温度的三次加热步骤；
所述二次加热步骤中基于所述涂膜材料和所述母材材料的反应生成化合物，所述二次升温速度为6.4℃/s以上且24℃/s以下。
2.如权利要求1所述的热冲压成形工艺的 高频加热方法，其特征在于，所述二次加热步骤中，通过调节导入的电流以使高频加热时产生的电磁力(F)小于所述涂膜的粒子间结合力或者所述涂膜与所述母材之间的结合力(f)，即(F<f)。
3.如权利要求1所述的热冲压成形工艺的 高频加热方法，其特征在于，所述一次目标温度在530℃以上且570℃以下。
4.如权利要求1所述的热冲压成形工艺的 高频加热方法，其特征在于，所述二次目标温度为所述钢板失去强磁体的性质的温度，并在730℃以上770℃以下。
5.如权利要求1所述的热冲压成形工艺的 高频加热方法，其特征在于，
所述一次加热步骤及所述二次加热步骤以纵向磁场加热方式(LFIH)进行高频加热，所述三次加热步骤以垂直型磁场加热方式(TFIH)进行高频加热。
6.如权利要求2所述的热冲压成形工艺的 高频加热方法，其特征在于，所述二次加热步骤中，使用比所述一次加热步骤中使用的线圈宽度更宽的线圈，布置比所述一次加热步骤中布置的线圈的间隔更宽的间隔的线圈。
7.如权利要求6所述的热冲压成形工艺的 高频加热方法，其特征在于，所述二次加热步骤中，使用宽度为70mm以上且90mm以下的线圈进行加热。
8.如权利要求6所述的热冲压成形工艺的 高频加热方法，其特征在于，所述二次加热步骤中，将线圈间的间隔布置为50mm以上且70mm以下，并进行加热。
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