CN108884508A - 热处理方法和热处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于钢部件的热处理的方法和装置，其特别对准部件的各个区域。在钢部件的一个或多个第一区域中可以设置主要奥氏体结构,通过淬火，从其中可以产生主要马氏体结构，并且在钢部件的一个或多个第二区域中具有主要铁素体‑珠光体结构。首先将钢部件在第一熔炉中加热至低于Ac3温度的温度，然后将钢部件转移到处理站中。在转移期间，钢部件可以冷却，并且在处理站中，钢部件的一个或多个第二区域在停留时间t150内冷却至最终冷却温度θS，然后将其转移到第二熔炉中，在其中将热量输送到钢部件。在停留时间t130期间，一个或多个第二区域的温度再次升高至低于Ac3温度的温度，同时将一个或多个第一区域的温度在相同的停留时间t130加热到高于Ac3温度的温度。

Description

热处理方法和热处理装置
说明书
本发明涉及用于钢部件的热处理的方法和装置，其特别对准部件的各个区域。
在技术方面，各部门许多案例都需要质量轻的高强度金属板部件。例如，汽车工业一直努力减少车辆的燃油消耗和降低二氧化碳的排放，同时，提高乘客的安全性。因此，有一个不断增长的关于优良的强度一重量比的车身零部件需求。这些部件尤其包括A和B柱，车内的侧门防撞杆、踏脚板、框架件、保险杠、用于车身和车顶的横梁，以及前、后纵梁。在现代车辆上，带有安全笼的车身外壳通常由强度约为1,500MPa的硬质钢板组成。在许多情况下，这里使用Al-Si涂层钢板。为了制造硬质钢板的部件，开发了所谓的模压淬火工艺。在此，首先将钢板加热至奥氏体化温度，然后放入模压工具中快速成型，并通过水冷工具快速淬火至马氏体开始温度以下。这里产生约1,500MPa强度的坚硬，强大的马氏体结构。但是，这种硬质钢板在断裂时仅具有轻微的断裂伸长率。由于这个原因，碰撞时的动能不能充分地转换成变形热。
因此，汽车工业试图制造在部件中具有几种不同伸长区间和强度区间的车身部件，使得一方面倾向于是坚固的的区域(以下的第一区域)和另一方面倾向于是易延展的的区域(以下的第二区域)存在于一个部件中。一方面，原则上需要具有高强度的部件以便获得具有高机械负载能力和低重量的部件。另一方面，即使是高强度部件也应该能够具有部分柔软的区域。这使得在发生碰撞时具有所需的、部分增强的变形能力。只有这样才能消除冲击的动能，并且以这种方式使乘客和车辆的其余部分的加速力最小化。此外，现代连接工艺需要软化点，其允许相同类型或不同类型材料的连接。例如，当需要部件中的可变形区域，通常必须使用弯曲、卷曲或铆接的连接点。
此处仍应遵守对生产设备的一般要求：因此，在模压淬火设备中不应发生周期时间损失，整个设备应能够无限制地使用并且以产品特定的方式快速修改。该过程应该是稳健且经济的，并且生产设施应该仅需要最小的空间。部件的形状和边缘应该是高度精确的。
在所有已知的方法中，部件的定向热处理在费时的处理步骤中进行，其对整个热处理装置的周期时间具有显著影响。
因此，本发明的目的是提出用于钢部件的热处理的方法和装置，其特别对准部件的各个区域,其中可以实现具有不同硬度和延展性的区域,其中对整个热处理装置的周期时间的影响最小化。
根据本发明，通过具有独立权利要求1的特征的方法实现该目的。该方法的有利改进由从属权利要求2至5产生。通过如权利要求8的装置进一步实现该目的。该装置的有利实施方式由从属权利要求6至15产生。
首先将钢部件加热至低于奥氏体化温度Ac3。
然后将钢部件转移到处理站。这里，单个第二区域或各第二区域在一处理时间tB内尽可能快地冷却。在热处理装置的优选实施方式中，处理站具有一个定位装置，借助其，保证了各个区域的精确定位。在该方法的优选实施方式中，单个第二区域或各第二区域通过用气态流体(例如空气或惰性气体)吹来进行快速冷却。在一个有利的实施方式中，为此目的，处理站具有用于对第二区域或各区域进行吹处理的装置。例如，该装置可以具有一个或多个喷嘴。在该方法的有利实施方式中，对单个第二区域或各第二区域的吹处理通过用气态流体吹进行，其中,例如,将雾化形式的水添加到气态流体中。为此，在一个有利实施方式中，该装置具有一个或多个雾化喷嘴。通过用添加水的气态流体吹处理，来自第二区域或各区域的散热增加。在处理时间tB到期时，单个第二区域或各第二区域已经达到最终冷却温度θS。处理时间tB通常在几秒的范围内。在这种情况下，单个第二区域或各第二区域甚至可以冷却到显著低于马氏体开始温度MS。例如，对于常用的车身结构钢22MnB5，马氏体开始温度MS约为410℃。单个第一区域或各第一区域在处理站中不经受任何特殊处理，即,它们不通过其他特殊措施吹处理或加热或冷却。例如，单个第一区域或各区域通过自然对流在处理站中缓慢冷却。已经证明如果在处理站中采取措施以减少单个第一区域或各第一区域的温度损失是有利的。这种措施可以是，例如，热辐射反射器的附属物和/或在单个第一区域或各第一区域中的处理站的绝缘表面。
随后，即在处理时间tB尾声时，将钢部件转移到第二熔炉中。整个钢部件在该第二熔炉中加热。例如，可以通过热辐射进行加热。这里，钢部件在停留时间t130期间保留在第二熔炉中，其被测量以使得单个第一区域或各第一区域的温度升高到Ac3温度以上。在停留时间t130开始时,由于来自前述方法步骤的单个第二区域或各第二区域具有比单个第一区域或各第一区域低得多的温度，在第二熔炉中，在停留时间t130尾声时，它们没有达到Ac3温度。然后可以将钢部件转移到模压淬火工具，其中单个第一区域或各第一区域完全奥氏体化，而单个第二区域或各第二区域没有奥氏体化，因此，由于在随后模压淬火的淬火，单个第一区域或各第一区域形成具有高强度值的马氏体结构。由于该方法中在任何时候单个第二区域或各第二区域都没有奥氏体化，,它们具有低强度值的铁素体-珠光体结构和在模压淬火步骤之后的高延展性。
根据本发明,部件在处理站放置几秒钟后被输送(其还可以有一个定位装置以保证不同区域的精确定位)进入第二熔炉，优选地，其没有用于对不同区域进行不同的处理的特殊设备。在一个实施方式中，仅熔炉温度θ4，即在整个熔炉空间中基本均匀的温度被设定，其高于奥氏体化温度Ac3。通过两个区域之间的小温差使部件间的变形最小化，并且可以实现各个区域的清楚标出的分界。在进一步模压处理中，部件温度水平的小温差具有有利的效果。
在一个实施方式中，有利地,提供连续熔炉作为第一熔炉。因为连续熔炉可以在没有大量花费的情况下进行加载和操作，它们通常具有大容量并且特别适合于大规模生产。然而，分层式熔炉，例如箱式炉，也可用作第一熔炉。
在一个实施方式中，有利地,第二熔炉是连续熔炉。
如果第一熔炉和第二熔炉都设为连续熔炉，通过设定输送速度和设计相应熔炉长度，可以实现第一和第二区域或各区域的必要停留时间为部件长度的函数。用这种方式，可避免具有热处理装置和用于后续的模压硬化的压力机的整个生产线的周期时间的影响。
在一个替代的实施方式中，第二熔炉是分层式熔炉，例如箱式炉。
在优选实施方式中，处理站具有用于快速冷却钢部件的一个或多个第二区域的装置。在一个优选的实施方式中，该装置具有用于用气态流体(例如，空气或惰性气体，比如氮气)吹处理钢部件的第二区域或各区域的喷嘴。为此，在有利实施方式中，该装置具有一个或多个雾化喷嘴。通过吹添加水的气态流体，来自第二区域或各区域的散热增加。
在另一个实施方式中，第二区域或各第二区域通过热传导冷却，例如，通过使它/它们与远低于钢部件温度的一个冲床或几个冲床接触。为此目的，冲床可以由令人满意的导热材料制造和/或直接或间接冷却。冷却类型的结合也是有可能的。
使用根据本发明的方法和根据本发明的热处理装置，分别具有一个或多个第一和/或第二区域的钢部件，其也可以以复杂的方式形成，可以成本节约地给出相应的温度曲线，因为不同的区域可以非常快速地以清晰的波状外形的方式达到必要的处理温度。
根据使用所示方法的本发明和根据本发明的所述的热处理装置，使实际上设置几乎任何数量所需的第二区域的数量成为可能。在本方法的执行过程中，第二区域或各第二区域从未奥氏体化，并且即使在模压之后,也具有与未处理的钢部件的原始强度相似的低强度值。子区域的所选择的子区域的几何形状也是可自由选择的。例如,可以生产生点状或线性区域，例如以及作为大规模区域。即使各区域的位置是不相关的。各第二区域可以完全被各第一区域包围，或者位于钢部件的边缘。甚至全表面处理也是可能的。为根据本发明的用于钢部件的热处理的特别对准部件的各个区域的方法的目的，钢部件对全部方向的特定取向不是必需的。通过模压硬化工具或整个热处理装置的输送技术，对同时处理的钢部件的数量的限制被设置最多。将该方法应用于已经预成型的钢部件同样是可能的。由于已经预成型的钢部件的三维模制表面，更高的设计费用仅对相对表面的生产产生。
此外，有利的是，甚至现有的热处理设备也可以适用于根据本发明的方法。为此，在仅具有一个熔炉的传统热处理装置的情况下，仅需要在其后面安装处理站和第二熔炉。根据现有熔炉的配置，也可以将其分开,使得从一个原来的熔炉生成第一和第二熔炉。
本发明的其他优点、特定特征和有利的改进源自从属权利要求和参考附图的优选代表性实施方式的如下表述。
如图所示，
图1显示了具有第一和第二区域的钢部件在热处理中的典型温度曲线。
图2表示了作为一个示意图的根据本发明的热处理装置的顶部视图。
图3表示了作为一个示意图的根据本发明的另一热处理装置的顶部视图。
图4表示了作为一个示意图的根据本发明的另一热处理装置的顶部视图。
图5表示了作为一个示意图的根据本发明的另一热处理装置的顶部视图。
图6表示了作为一个示意图的根据本发明的另一热处理装置的顶部视图。
图7表示了作为一个示意图的根据本发明的另一热处理装置的顶部视图。
图1显示具有第一区域210和第二区域220的钢部件200借助于依据本发明所述创造性的方法在热处理过程中的典型温度曲线。根据示意性绘制的温度曲线图θ200,110，在第一熔炉中在停留时间t110期间，在第一熔炉110中加热钢部件200到低于Ac3温度的温度。然后将钢部件200在转移时间t120期间转移到处理站150。钢部件在这里散热。在处理站中，钢部件200的第二区域220被快速冷却，其中,根据绘制曲线θ220,150第二区域220散热。吹制处理结束于处理时间tB后到期时，其仅为几秒，这取决于钢部件200的厚度和第二区域220的尺寸。在第一近似值中，处理时间tB在此与处理站150中的停留时间t150相等。第二区域220现在已达到最终冷却温度θS。同时，根据绘制的温度曲线θ210,150，在处理站150中,第一区域210的温度下降，其中第一区域210不位于冷却装置的区域中。在处理时间tB到期时，在转移时间t121期间,钢部件200被转移到第二熔炉130,它会进一步散热。在第二熔炉130中，根据示意性绘制的温度曲线θ210,130,钢部件200的第一区域210的温度在停留时间t130期间发生变化,即，钢部件200的第一区域210的温度被加热到高于Ac3温度的温度。根据绘制的温度曲线θ220,130，钢部件200的第二区域220的温度在停留时间t130期间温度也升高,没有达到Ac3温度。第二熔炉130没有用于各种区域210,220的不同处理的特殊装置。仅熔炉温度θ4，即在第二熔炉130的整个熔炉空间中的设定基本均匀的温度被设定；，熔炉温度θ4，即该温度其高于奥氏体化温度Ac3。在停留时间t130开始时，由于在停留时间t130开始时在第二熔炉130中第二区域或各第二区域具有比第二熔炉130中的的第一区域或各第一区域低得多的温度并且两个区域在第二熔炉130中第二熔炉130中被均等地加热，在停留时间t130结束时它们也具有同样不同的温度。在第二熔炉130中钢部件200的停留时间t130被测量以使得在停留时间t130结束时第一区域或各第一区域的温度高于Ac3温度，而此时第二区域或各第二区域尚未达到Ac3温度。
然后可以在转移时间t131期间将钢部件转移到模压硬化工具160，其安装在未示出的压力机中。在转移时间t131期间，钢部件200再次散热，因此第一区域或各区域的温度也降至低于Ac3温度。该区域或这些区域基本上完全奥氏体化，然而，当它们离开第二熔炉130时，因此，由于在停留时间t160期间在模压硬化工具160中的淬火，它们经历向硬质马氏体结构的转变。
在两个区域210、220之间可以实现各个区域210、220的清楚标出的分界，并且由于小温差部件200的变形最小化。在模压硬化工具160中的进一步处理中，钢部件200的温度水平的小温差具有有利的效果。通过设定输送速度和设计第二熔炉130的长度，在第二熔炉130中钢部件200的必要停留时间t130可以实现为钢部件200的长度的函数。因此热处理装置100的周期时间的影响被最小化并且甚至可以完全避免。
图2以90°布置示出了根据本发明的热处理装置100。热处理装置100具有装载站101，通过其将钢部件供应到第一熔炉110。热处理装置100还具有处理站150和在主输送方向D上布置在其后面的第二熔炉130。在主输送方向D上进一步布置的是卸排站131，其配备有定位装置(未示出)。现在主要的输送方向大致弯曲90°，使压力机(未示出)中的模压硬化工具160跟随，其中钢部件200被模压硬化。在第一熔炉110和第二熔炉130的轴向方向上布置有容器161，废弃部分可被输送到其中。优选地，第一熔炉110和第二熔炉120在这种布置中被设为连续熔炉，例如辊底式炉。
图3示出了以直线布置的根据本发明的热处理装置100。热处理装置100具有装载站101，通过其将钢部件供应到第一熔炉110。热处理装置100还具有处理站150和在主输送方向D上布置在其后的第二熔炉130。在主输送方向D上进一步布置的是卸排站131，其配备有定位装置(未示出)。在主输送方向上还跟随有，它仍然是线性的,在压力机(未示出)中的模压硬化工具160，在其中钢部件200被模压硬化。容器161与卸排站131基本成90°布置，废弃部分可被输送到其中。第一熔炉110和第二熔炉120优选在这种布置中被设为连续熔炉，例如辊底式炉。
图4示出了根据本发明的热处理装置100的另一种变体。再一次,热处理装置100具有装载站101，通过该装载站其将钢部件供应到第一熔炉110。在该实施方式中，第一熔炉110再次优选地形成为连续熔炉。热处理装置100还具有处理站150，其在该此实施例方式中与卸排站131组合。例如，卸排站131可具有夹持装置(未示出)。例如，卸排站131借助于夹持装置从第一熔炉110移除钢部件200。进行对具有冷却的第二区域或各第二区域220的冷却进行的热处理，并将钢部件或各钢部件200放入第二熔炉130中，第二熔炉130其与第一熔炉110的轴线基本呈90°布置。在该实施例方式中，该第二熔炉130优选地设置为箱室式熔炉，例如具有多个腔室。在第二熔炉130中的钢部件200的停留时间t130到期时，钢部件200通过卸排站131从第二熔炉130中取出，并放入集成在相对的模压力机(未示出)中的模压淬火硬化工具160中。为此，卸排站131可具有定位装置(未示出)。在第一熔炉110的轴向方向上在卸排站131后面的第一熔炉110的轴向方向上布置有容器161，废弃部分在容器161可以被通过传送进入其中。在该实施例方式中的主输送方向D上描述了大致90°的偏转。在该实施例方式中，不需要用于处理站150的第二定位系统。此外，例如，如果在生产车间中第一熔炉110的轴向上没有足够的空间，则该实施例是有利的。在该实施例方式中，对钢部件200的第二区域220的冷却也可以在卸排站131和第二熔炉130之间进行，从而不需要固定的处理站150。例如，冷却装置，例如空气吹处理喷嘴，可以被集成到夹持装置中。移除装置131负责将钢部件200从第一熔炉110转移到第二熔炉130并且转移到模压淬火硬化工具160或容器161。
如图5所示，在该实施方式中，可以更换模压硬化工具160和容器161的位置。在该实施方式中的主输送方向D上描述了大致90°的两个偏转。
如果用于设置热处理装置的空间有限，建议使用图6所示的热处理设备：与图4所示的实施方式相比较,第二熔炉130移动到第一熔炉110上方的第二高度上。在该实施方式中，钢部件200的各第二区域220的冷却也可以在卸排站131和第二熔炉130之间进行，这样就不需要固定的处理站150。再次有利的是，将第一熔炉110设为连续熔炉并且将第二熔炉120设为箱式炉，其可能具有多个腔室。
最后，图7中示意性地示出了创造性的热处理装置的最后一个实施方式。与图6所示的实施方式相比较,更换了模压硬化工具160和容器161的位置。
这里示出的实施方式仅代表本发明的实施例，因此不能以限制性方式理解。本领域技术人员考虑的替代实施方式同样包含在本发明的保护范围内。
附图标记列表
100 热处理装置
110 第一熔炉
130 第二熔炉
131 卸排站
135 卸排站
150 处理站
152 点状红外辐射器
153 加热板
160 模压硬化工具
161 容器
200 钢部件
210 第一区域
220 第二区域
D 主输送方向
MS 马氏体开始温度
tB 处理时间
t110 在第一熔炉中的停留时间
t120 将钢部件转移到处理站的转移时间
t121 将钢部件转移到第二熔炉的转移时间
t130 在第二熔炉中的停留时间
t131 将钢部件转移到模压硬化工具的转移时间
t150 在处理站中的停留时间
t160 在模压硬化工具中的停留时间
θS 最终冷却温度
θ3 第一熔炉的内部温度
θ4 第二熔炉的内部温度
θ200,110 第一熔炉中钢部件的温度曲线
θ210,150 处理站中金属部件的第一区域的温度曲线
θ220,150 处理站中钢部件的第二区域的温度曲线
θ210,130 第二熔炉中钢部件的第一区域的温度曲线
θ220,130 第二熔炉中钢部件的第二区域的温度曲线
θ200,160 模压硬化工具中钢部件的温度曲线

Claims (16)

1.一种用于钢部件(200)的热处理的方法，其特别对准所述部件的各个区域，其中，在所述钢部件(200)的一个或多个第一区域(210)中可以设置主要奥氏体结构，通过淬火，从其中可以产生主要马氏体结构，并且在一个或多个第二区域(220)中可以设置主要铁素体-珠光体结构，
其特征在于，
首先将钢部件(200)在第一熔炉(110)中加热至低于Ac3温度的温度，然后将钢部件(200)转移到处理站(150)，其中它可以在转移期间冷却，并且在处理站(150)中，所述钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)在停留时间t150内冷却至最终冷却温度θS，然后转移到第二熔炉130，在其中，热量被输送到所述钢部件(200)，其中一个或多个第二区域(220)的温度在停留时间t130期间再次升高至低于Ac3温度的温度，同时，一个或多个第一区域(210)的温度在相同的停留时间t130内被加热到高于Ac3温度的温度。
2.如权利要求1所述的方法，
其特征在于，
第二熔炉(130)中的热量供应通过热辐射实现。
3.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
在停留时间t150内，在处理站(150)中，向钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)吹气态流体以冷却。
4.如权利要求3所述的方法，
其特征在于，
气态流体含有水。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)的冷却通过热传导在处理站(150)中在停留时间t150内进行。
6.如权利要求5所述的方法，
其特征在于，
在停留时间t150内，钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)在处理站(150)中与冲床接触以冷却，其中冲床具有低于单个第二区域或各第二区域(220)的温度。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
第二熔炉(130)中的内部温度θ4大于Ac3温度。
8.一种热处理装置(100)，具有用于将钢部件(200)加热至低于Ac3温度的温度的第一熔炉(110)，
其特征在于，
所述热处理装置(100)还具有处理站(150)和第二熔炉(130)，其中，处理站(150)具有用于快速冷却钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)的装置，并且第二熔炉(130)具有用于引入热量的装置，借助其可以将钢部件(200)的至少单个第一区域或各第一区域(210)加热到大于Ac3温度的温度。
9.如权利要求8所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
用于快速冷却钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)的装置具有用于用气态流体吹钢部件(200)的单个第二区域或各第二区域(220)的喷嘴。
10.如权利要求8或9中一个所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
用于快速冷却钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)的装置具有用于用添加了水的气态流体吹钢部件(200)的单个第二区域或各第二区域(220)的喷嘴。
11.如权利要求8到10任一所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
用于快速冷却钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)的装置具有用于接触钢部件(200)的单个第二区域或各第二区域(220)的冲床。
12.如权利要求11所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
用于接触钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)的冲床被设置以便为可冷却的。
13.如权利要求8到12任一所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
处理站(150)具有定位装置。
14.如权利要求8到13任一所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
第二熔炉(130)被加热到基本均匀的温度θ4。
15.如权利要求8到14任一所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
处理站(150)具有热反射器。
16.如权利要求8到15任一所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
处理站(150)具有热绝缘墙。
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