CN108603239B - 生产轧辊成形的部分硬化型材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于连续轧辊成形和硬化钢板的方法，其中钢板条带在轧辊成形装置中连续地轧辊成形为型材，其特征在于，轧辊成形的型材股线被预热到低于奥氏体初始温度(Ac1)的温度，和轧辊成形的型材股线然后在其横截面的子区域和/或其长度的子区域上被加热到高于AC3的温度，其中至少在将子区域加热至>AC3的温度期间，轧辊成形的型材股线经受轴向拉伸应力。

Description

生产轧辊成形的部分硬化型材的方法
技术领域
本发明涉及一种用于生产轧辊成形的部分硬化型材的方法。
背景技术
金属型材的轧辊成形是本身已知的技术。在轧辊成形中，通常连续平坦的金属板带被引导通过多个辊筒架并且在该过程中变形或成形。这可用于生成多个不同的横截面，从简单的圆柱形管到更复杂的管几何形状。
通常，这种管材然后在邻接区域纵向焊接以产生封闭结构。但也经常通过轧辊成形生成开放的型材。
EP 1 660 693 B1公开了一种由具有阴极防腐的可硬化钢合金制造硬化型材部件的方法；带有锌或锌合金涂层的钢板条带被轧辊成形，然后使经涂覆的钢板达到奥氏体化温度，然后冷却以使其硬化；在硬化之前或之后将型材股线切割成一定长度成为型材股线段，并在其成型和切割成一定长度之前，设置有孔、开口、冲压的穿孔等。
US 6,564,604 B2的目的是提供经过热处理的钢板，并提供一种通过对这些经涂覆的钢板进行加压硬化来生产部件的方法。在这种情况下，尽管温度升高，但目标是确保在热压或热处理之前、期间和之后，钢板不会脱碳并且钢板表面不会氧化。为此，应该在冲压之前或之后在表面上沉积合金化的金属间混合物，这应该提供防腐蚀和防脱碳保护，并且还可以提供润滑功能。在一个实施方案中，该参考文献提出使用以电解方式清楚沉积的常规锌层；在随后的钢板基材的奥氏体化中，该锌层和钢基材应该转变成均匀的Zn/Fe合金层。这种均匀的层结构被微观凹陷覆盖。与之前的假设相反，这种涂层应具有抗机械性，以防止其熔化。尽管如此，这种效果在实践中并未表现出来。另外，如果存在切屑的话，使用锌或锌合金应该为边缘提供阴极保护。然而，在该实施方案中，缺点在于使用这种涂层-与该参考文献中所述的相反-在边缘处几乎没有提供任何阴极防腐蚀保护，并且如果该层在钢板的表面区域中被破坏的话，仅实现了差的防腐蚀保护。
在US 6,564,604 B2的第二实施例中，公开了一种涂层，其由高达50％至55％的铝和45％至50％的锌组成，任选地具有少量的硅。这种涂层本身并不新颖，并且以品牌名称
Figure GDA0002471795120000021
而被知。该参考文献指出涂层金属锌和铝与铁应产生均匀的锌/铝/铁合金涂层。这种涂层具有的缺点是不再具有足够的阴极防腐蚀保护，但是当用于压制硬化过程时，由于在某些区域不可避免地在表面中出现破坏(breach)，所以用它实现的大部分屏障保护是不够的。总之，可以说在该参考文献中描述的方法不能解决这样的问题：一般来说，锌基阴极防腐蚀保护涂层不适用于保护在涂覆程序后待经受热处理并且可能还经历进一步的成型或成形步骤的钢板。
EP1013785A1公开了一种用于生产钢板部件的方法；钢板表面应该有铝层或铝合金层。提供有这种涂层的钢板旨在进行压制硬化过程；所指出的可能的涂层合金包括具有9-10％硅、2-3.5％铁、残余铝和杂质的合金以及具有2-4％铁和剩余铝与杂质的第二合金。这种涂层本身是已知的并且对应于热浸镀铝钢板的涂层。这种涂层具有仅实现所谓的屏障保护的缺点。当这种屏障保护被破坏或Fe/Al层发生裂纹时，基质材料(在这种情况下为钢)会受到侵蚀和腐蚀。没有阴极保护作用。
也不利的是，当钢板被加热到奥氏体化温度并且在随后的压制硬化步骤期间，这种热浸镀铝涂层经受化学和机械应力两者至所产生的部件不具有足够的腐蚀防护层的程度。因此可以说，这种热浸镀铝涂层不太适合复杂几何形状的压制硬化，即，钢板被加热到高于奥氏体化温度的温度。
DE 10246614 A1已经公开了一种用于制造用于汽车构造的涂覆的结构部件的方法。该方法应该解决上述欧洲专利申请1013785A1的问题。具体而言，该参考文献指出，在根据欧洲专利申请1013785A1的浸渍过程中，在钢的涂覆过程中已经形成金属间相；根据该参考文献，钢和实际涂层之间的这种合金层硬且脆并且在冷成型期间会开裂。这会导致微裂纹至涂层本身与基质材料分离并因此失去其保护功能的程度。因此，DE10246614A1提出通过电镀法在有机非水溶液中沉积金属或金属合金形式的涂层，特别合适且因此优选的涂层材料是铝或铝合金。或者，锌或锌合金也是合适的。这样涂覆的钢板然后可以冷成型和热成型为最终形状。然而，该方法的缺点是，即使铝涂层已被电解沉积，但如果其被破坏，则铝涂层不再提供防腐蚀保护，因为所述破坏会破坏保护屏障。电解沉积的锌涂层的缺点是，随着用于热成型的加热，大部分锌被氧化并且不再可用于阴极保护。在保护性气氛中，锌蒸发。
DE 10120063 C2公开了一种用于生产机动车辆的金属型材部件的方法。在用于生产机动车辆的金属型材部件的这种已知方法中，以带状形式提供的原材料被输送到轧辊成形单元并形成为轧制型材。在离开轧辊成形单元之后，轧制型材的至少一些区域被感应加热至硬化所需的温度，然后在冷却单元中淬火。在此之后，将轧制型材切割成一定长度以生产型材部件。轧辊成形的一个特别的优点可以体现在由于高加工速度引起的低生产成本上和与压制模具相比低的工具成本。特别可热处理的钢被用于型材部件。根据该方法的一种替代方案，原材料的一些区域可以感应加热到淬火所需的温度，即使在进入轧辊成形单元之前也是如此，并且可以在将轧制型材切割成一定长度之前在冷却单元中进行淬火。第二种替代方案的缺点是切割至一定长度必须在已经硬化的状态下进行，这会有问题而导致材料的高硬度。还有不利的是，在上述现有技术中，必须对切割至一定长度的型材部件进行清洁和除垢，并且在除垢之后必须施加单件防腐蚀保护涂层；这种单件防腐蚀保护涂层通常不能提供非常好的阴极防腐蚀保护。
PCT/EP2008/006214同样公开了一种用于生产硬化型材部件的方法；这些型材部件是轧辊成形的并且为了硬化目的而被感应加热。为了在部件的不同区域获得不同的硬度，在要具有较高硬度的区域中，产生多个边缘或珠粒。具体地说，在钢板中冲压出开孔，例如，以网格图案，因为在感应加热过程中，位于开口边缘或与珠粒相邻的区域(即所有形式的边缘)比平板钢部件更加强烈和更快速地加热。因此，可以说，通过材料弱化实现了高硬度。
在迄今为止已知的所有方法中，不可能实现这种部件的部分加热和部分硬化，使得部件不翘曲。至少，这在连续过程中是不可能的，因此这种方法不能在轧辊成形系统中进行，或者只能随后对已经被切割至一定长度的部件进行。
发明内容
本发明的目的是创造一种方法，该方法可以成功地连续使用，以在轧辊成形部件的一些区域中实现硬化，而不会产生不连续性或引起翘曲。
通过本发明，轧辊成形管型材部分地奥氏体化并硬化；在本文中，“部分奥氏体化和硬化”并不意味着-如在传统方法中那样-在型材的整个横截面上和均匀横跨型材的部分长度的圆周奥氏体化和硬化所述型材，而是仅在管型材圆周的部分区域中，这些部分圆周区域可以在型材的整个长度上延伸或仅在型材的部分长度上延伸。
在传统的轧辊成形系统中，这种部分加热和部分硬化不成功，因为发生了部件的翘曲，这在厚度或位置方面不会以可重现的方式发生。
根据本发明，产生仅在部分区域中发生的加热或者以管段的圆周方向的分段方式甚至仅在部分长度上进行的加热，因为连续输送的被弯曲形成管的钢板股线
-通过感应器预热到低于奥氏体化温度的温度
-在要进行奥氏体化的区域，使用燃烧器将温度升高到奥氏体化温度以上，其中
-利用在预定部件的整个长度上的期望的硬化，燃烧器以固定的方式作用在正被传送经过的股线上的待硬化区域上，或
-利用在部分长度上的加热和硬化，燃烧器以浮动方式与它们一起移动，并且仅加热随后将被硬化的区域。
通过这些不同的方法，在奥氏体化之后，在任何情况下发生淬火，即以大于临界硬化速度的速度快速冷却，使得在待硬化的区域中产生至少部分马氏体结构；在所有的方法中，至少在奥氏体化的区域中，在股线上施加张力，使得在加热的区域中股线经历一定程度的延长；特别是在未被燃烧器加热的区域中发生延长，并且因此由于热膨胀而延长。
在股线上施加张力，特别是通过使用轧辊对在股线上在未经过奥氏体化的位置施加张力，从而在奥氏体化的区域中补偿股线的热膨胀。这种热膨胀的补偿导致这些部件不翘曲的事实。
根据本发明，在硬化之后通过激光执行任何需要的孔或切口以及任何需要的切割至一定长度。
通过浮动型锻单元进行股线中所需的型锻过程，这使得该过程能够连续成功地进行。
附图说明
将基于附图通过实施例来解释本发明。
在所述附图中，
图1示出了根据本发明的用于轧辊成形的系统，其具有对表面的整合的后处理；
图2是利用根据本发明的系统已经轧辊成形并且部分硬化的型材的示意性截面图；
图3a是用于轧辊成形和硬化的设备的示意图，其不补偿不同硬度区域中的不同长度膨胀；
图3b是用于轧辊成形和硬化的设备的示意图，其补偿不同硬度区域中的不同长度膨胀；
图4a：以仰视图示出根据图3a的系统；
图4b：以仰视图示出根据图3b的系统；
图5示出根据图3b的根据本发明的设备的示意性侧视图，其中在型材的纵向上具有不同硬度的区域；奥氏体化阶段与型材一起传送，而预热阶段是静止的；
图6a显示根据图3a的设备的另一视图，没有限定条带中的温度差异，显示由此产生的翘曲；
图6b示出了根据图3b的设备的另一视图，其具有感应器并限定条带的温度差，这导致型材保持(实际上)没有翘曲；
图7示出了用于在具有型锻的区域中的加热区中引导条带的受控型材引导件；
图8是根据图7的布置的示意图，该装置接合型材的型锻凸缘；
图9示出了在其运输的不同阶段中型材的顶视图；和
图10是根据图9的布置的视图，示出了作为型锻区域的函数的导辊对的受控打开和关闭。
图11示出了根据本发明的轧辊成形系统，随后对单个部件中的表面进行后处理。
具体实施方式
为了实施该方法，提供轧辊成形单元1(图1和图11)；图1和图11中所示的系统1仅在表面的后处理的位置上不同。根据这些图，轧辊成形单元1包括条带制备装置2，其中适当宽度的钢带从线圈(coil)退绕并且被输送到系统1的连续输送工具中。
从条带制备装置2开始，到目前为止已经平整的钢带行进到成型区域3中，在成型区域3中，成型轧辊将钢带以本质上已知方式形成期望的，特别是管状或部分管状的形式(例如具有帽形轮廓(图2))。
如果已经在系统的成型部分的末端提供了第一矫直和校准单元，则是有利的。
为了生产珠粒、凹痕或印记，成型条带然后行进到其中浮动冲压机4产生相应的珠粒、型锻件或凹痕的区域中。
然后在清洁站5进行预清洁。
在清洁之后，在相应的加热站6中进行根据本发明的两阶段加热；然后在冷却和淬火单元7中对条带淬火，并因此部分硬化。
在图1所示的情况下，冷却单元7之后是用于后处理的单元9，其可以以用于真空喷砂清理或喷射器喷砂清理的系统的形式来实施。特别是，这可以除去由高温过程引起的任何积聚物型材。
在根据图1的系统中，紧随其后的是张紧单元8和校准单元22，通过该张紧单元8和校准单元22将条带保持在张紧状态；特别是在张紧单元8中，被引导通过两阶段加热单元6和冷却单元7的条带以将其稍微拉伸的预拉力作用。
在图11的情况下，张紧单元8和校准单元22直接位于冷却单元7之后。
在后处理的两个位置中的张紧单元8和校准单元22后，在分拣器23之前的最后处理步骤中，具有长度切割和穿孔站10；特别地使用激光切割条带至一定长度并在部件中产生孔。
在根据图11的成型系统1中，各个部件在被切割至一定长度后进行后处理；再次，该后处理站9可以使用真空喷砂清理技术和喷射器喷砂清理技术来实施。如果后处理站9不直接邻近成型系统1放置，使得型材仅在后处理站9之后被分类和捆扎，则这可能需要用于分离型材24然后将其捆扎25的单元。
例如，用根据本发明的方法制造的型材部件的横截面为帽形(图2)。但是，它也可以假设其他显著更复杂的形状。
在其横截面上观察，该条带和/或型材11具有硬质区域12和软质区域13(图2)。
这些区域也可以分布在部件的长度上，使得硬质区域12例如仅在部件长度的一部分上延伸。
为此，根据该方法，整个部件在第一加热阶段例如感应加热到所选钢材尚未转变成奥氏体结构的温度，从而对在第一阶段被加热的该钢材的加热不会导致马氏体硬化。
在第一阶段的加热因此相应地在大约650℃至720℃的温度下进行；特别是可以在<680℃的温度下进行预热。无论如何，温度仍低于奥氏体起始温度(Ac1)。所使用的钢材优选为设有防腐蚀保护涂层的钢材或钢带。例如，涂层是由锌或锌合金组成的涂层；这种由锌或锌合金构成的涂层在第一阶段的温度下保持固态，即在这些温度下该锌涂层与下面的钢材合金化以形成锌/铁化合物。
然而，优选地，本发明使用已经具有锌/铁合金涂层的钢材或钢带。这种锌/铁合金涂层也被称为镀锌层，并且通常通过在镀锌之后对钢带进行温度处理来生产。镀锌涂层具有的优点是，在根据本发明的方法中，它具有非常好的耐受温度处理的能力，并且即使关于可能的等待时间等也对温度处理非常坚固和不敏感。
同样根据该方法，在第二加热阶段中，仅将要硬化的部分条带11(硬化区域12)选择性地进一步加热，使得这些区域形成奥氏体结构。如果这些奥氏体区域随后与非奥氏体区域一起冷却，在奥氏体区域发生马氏体硬化。特别是，在某些区域，型材被加热到720℃-920℃的温度。
根据本发明，可以使用不同的程序来加热这些待硬化的区域。
如果期望的部件设置有在钢板条带11或型材11的整个长度上延伸的硬化区域12，则当条带11行进经过固定加热单元时，固定加热单元17可作用于条带11。
如果条带11的仅部分长度具有硬化区域12，则依次具有两种选择，一方面是在待不硬化的区域中被屏蔽或关闭的固定加热单元17，或者与条带11一起输送(可能以不同的速度)然后移回其起始点的加热单元(浮动加热单元17)。
以这种方式进行的在型材横截面上-也可能在整个长度上-的不均匀加热通常会导致该型材变形或弯曲。
根据本发明，型材11(图3)被传送到两阶段加热单元15中；例如，加热单元15包括作用在型材11上的感应器16和燃烧器17。当然，也可以仅用燃烧器17进行预热(图3a)。
在一个优选的实施方案中，燃烧器体现为以预混合气体操作的燃烧器的形式。术语“预混合气体”是指实际燃料(例如天然气)和空气或氧气预先混合。用预混合气体操作的这种燃烧器允许非常精确地控制加热。使用这些燃烧器，温度控制特别简单；在型材纵向具有不同硬度的区域中，这些燃烧器优选用作浮动燃烧器，因此它们不必关闭。关闭这些燃烧器需要用压缩空气吹洗(flushing)，这应该避免。这种吹洗会在燃烧器的运行阶段之间产生一定的最短时间。
在这种情况下(图3b)，在加热单元15之前和加热单元15之后用一对轧辊18、19输送型材11或条带11；每个辊对具有上轧辊18a、19a和下轧辊18b、19b。轧辊18、19优选至少通过非主动接合来输送型材11，可能也通过主动和非主动接合二者来进行。
所施加的拉伸力和引入的拉伸-特别是如果在淬火硬化过程中也存在这种拉伸-也防止马氏体转变引起的翘曲。因为冷却后钢带存在于不同的相中，在硬化区域中马氏体相和优选地在较软区域中铁素体相，在相应的相变中也产生差异。这些同样通过施加的拉伸得到补偿。在这种情况下施加的拉伸因此是有利的，因为一方面不产生翘曲或仅产生轻微的翘曲。这种轻微的翘曲或不存在的翘曲会使得在其他情况下和常规提供的型材的矫直变得多余。这一点特别重要，因为随后的矫直会对部件断裂伸长率产生负面影响。
在图6a中，加热被描述为仅用燃烧器进行，没有预热阶段并且没有根据本发明的条带张力，这导致型材的屈曲。
在图6b中，感应器16执行相应的预热；由于相应的条带张力，特别是通过张紧单元8，型材11保持平坦。
优选地，型材11的引导和条带张力的施加(图7至10)仅发生在未硬化的区域中；在型材中有印痕(impression)的情况下，必须将这些释放。然而，为了保持加热区中的型材精确到位，设置了从动引导单元21，其不一定必须被驱动并且优选具有三个辊对21a、21b和21c。辊对21a、21b和21c可以彼此独立地靠置在条带上并且例如作用在型材11的凸缘上(图8)，使得它们侧向地接合凸缘11上的型材11(图9)并且相应地根据移动方向20引导对应的型材11。
在这种情况下，辊对21a、21b、21c被实施成使得它们根据型材11的某些型锻区域而作用于型材并引导型材，或者相应的辊对彼此拉开并且限定它们之间的开放空间，以便该辊对至少不会碰到条带两侧上的型材。
当型锻区域行进穿过辊对时这是特别重要的，因为否则，型锻将被再次辊压回去(roll back out)。如果具有型锻区域的这种型材行进通过单元21，那么具有它们的辊对21a、21b、21c的单元21连续地移动到打开位置并且返回到关闭位置，以便一方面可靠地引导型材，另一方面，不会造成任何不希望的变形。
在这种情况下，待加热的区域尤其被加热到720-920℃，如上所述，相应的加热单元也可以以浮动方式实施。
通过感应加热条带，在型锻边缘和切割或冲压边缘，感应产生的加热比条带的平坦区域更强烈。
为了保护这些区域免于过热，根据本发明，在冲压或弯曲的边缘区域中，根据需要使用所谓的吸收物料，其吸收这些区域的热量并使其与平坦条带的其余部分相等。
为此，相应成形的固体物料与条带一起被引导通过系统，并且在它们离开加热区域之后，被拾取或从条带移除并且在被返回到它们的起始位置之前根据需要被冷却。
借助用于硬化目的的燃烧器的局部加热，在燃烧器以主要水平方式作用在待硬化的部件或型材11的区域上的区域中，燃烧器以至少单轴方式被引导。
本发明具有的优点是，它成功地连续生产具有部分硬化区域的轧辊成形型材，并且连续过程不会受到翘曲或屈曲的负面影响。
附图标记列表：
1 轧辊成形单元
2 条带制备装置
3 成型区域
4 冲压压机
5 清洁站
6 加热站
7 淬火单元
8 张紧单元
9 第二清洁站
10 长度切割和穿孔站
11 部件/型材/条带
12 硬质区域
13 软质区域
14
15 加热单元
16 感应器
17 燃烧器
18 单元
18a 上轧辊
18b 下轧辊
18c 轧辊对
19a 上轧辊
19b 下轧辊
20 移动方向
21 单元
21a 轧辊对
21b 轧辊对
21c 轧辊对
22 矫直和校准单元

Claims (15)

1.一种用于连续轧辊成形和硬化钢板的方法，其中钢板条带在轧辊成形单元中连续地轧辊成形为型材，其特征在于，轧辊成形的型材股线被预热到低于奥氏体初始温度(Ac1)的温度，和然后轧辊成形的型材股线在其横截面的子区域(12)和/或其长度的子区域上被加热到高于AC3的温度，其中至少在将子区域加热至>AC3的温度期间，轧辊成形的型材股线受到轴向拉伸应力的作用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少在将子区域加热到>AC3的温度期间，在具有低于AC3的温度的区域中，所述轧辊成形的型材股线受到轴向拉伸应力的作用。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述拉伸应力通过张紧单元(8)施加在所述型材股线上，其中所述拉伸应力由输送方向上位于后方的轧辊(19)施加。
4.根据前述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，施加拉伸应力，其导致在未被硬化的区域中的0.5至2％的拉伸。
5.根据前述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在将子区域加热到>AC3的温度之后，所述型材股线以大于临界硬化速度的冷却速度冷却，这导致已经加热到>AC3的温度的子区域发生硬化。
6.根据前述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在加热之前，所述型材股线通过浮动型锻单元设置有型锻件。
7.根据前述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述型材股线被感应预热至低于奥氏体起始温度(Ac1)的温度。
8.根据前述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述轧辊成形并被预热的型材股线通过燃烧器(17)在一些区域中被加热到>AC3的温度。
9.根据前述权利要求8所述的方法，其特征在于，为了将所述型材股线的子区域加热至高于AC3的温度，燃烧器(17)以静止的方式布置或以浮动方式与条带一起行进而作用于所述条带。
10.根据前述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述型材股线在硬化之后被切割成一定长度和/或设置有孔。
11.根据前述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述轧辊成形且被硬化的型材股线通过喷射器喷砂清理或真空喷砂清理来清洁。
12.根据前述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在预热和/或奥氏体化期间，孔的边缘和/或型锻件的边缘与吸收物料接触，以消散这些区域中的过剩热。
13.根据前述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对于所述钢板，使用具有基于锌的防腐蚀保护层或由锌/铁合金构成的镀锌防腐蚀保护层的钢板条带。
14.根据前述权利要求8所述的方法，其特征在于，具有预混合气体的燃烧器用于所述燃烧器(17)。
15.根据前述权利要求8所述的方法，其特征在于，所述燃烧器(17)被实施为浮动燃烧器，所述浮动燃烧器能够沿所述型材股线的输送方向移动，并且在所述型材股线移动时加热所述型材股线，其中所述燃烧器以型材股线的速度移动，在加热期间比型材股线行进更快，或者在加热期间比型材股线行进更慢，从而型材股线的轴向长度或部分长度被加热。
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