CN109070172B - 用于生产硬化钢部件的设备和硬化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加热钢板坯料的设备，特别是用于在压制硬化过程中成形和硬化的设备，其中存在加热装置，该加热装置包括：至少一个加热模块；其中所述至少一个加热模块具有板形或矩形中空空间的盒式、箱式元件，所述腔在下侧上具有平板；其中至少一个加热元件位于所述中空空间中，该元件被实施为电阻加热元件，其中所述中空空间被高导热材料(优选铜)完全填充，使得至少一个加热元件被嵌入和包围。本发明还涉及一种为此目的的方法。

Description

用于生产硬化钢部件的设备和硬化方法

技术领域

本发明涉及一种用于生产硬化钢板坯和钢板部件的方法和设备。

背景技术

人们早就知道，包括在汽车工程中，使用硬化部件用于钢板车身部件。硬化钢板部件的优点在于，由于它们具有相当高的硬度和抗拉强度(R_m)，它们在车身制造方面实现了重量减轻，因此不需要使用强度较低且因此重量较大的大型部件。

在过去的几年中，在市场上已经建立了两种生产硬化金属板部件的方法。

第一种方法是所谓的直接方法或压制硬化。在这种方法中，坯料由钢板带冲压而成，钢板带也可以设有由金属制成的防腐涂层，然后将该坯料加热，并且将加热的坯料在成形工具中成形并且同时硬化，均一次冲压成型。硬化发生是因为可硬化的钢材料将其热量传递给成形工具。在此，重要的是，以高于临界硬化温度的速度发生热量的传递。这种淬火硬化的效果是具有奥氏体微观结构的加热坯料随后具有基本上马氏体的微观结构并且因此具有高抗拉强度。

在这种方法中，通常使用所谓的硼锰钢，换句话说，硼合金锰碳钢，如22MnB5，这是最广泛使用的，但基本上基于相同的合金化概念，也有许多其它适用于此目的的钢。

在由申请人研发的称为成形硬化的第二种方法中，从钢板带上切下钢板坯，钢板带可能具有防腐涂层，然后在常规多阶段塑造过程中使该钢板坯成形以形成部件。该部件优选地具有最终轮廓，该最终轮廓在空间的所有方向上比该部件的最终轮廓小约2％。接着，将该部件加热至奥氏体化温度，使钢板微型结构成为奥氏体。在这种情况下的热膨胀使得该加热的金属板部件补偿生产尺寸上的2％减小。

接下来，将该奥氏体金属板部件放入成形硬化工具中，在该工具中对其进行压制并且同时冷却，但实际上不再成形，或者仅成形到非常小的程度。同样，使用上述钢，并且在此也必须超过临界硬度速度。然后微型结构也以相同的方式产生。

间接方法或成形硬化的优点是可以实现具有更高复杂度的几何形状。

所谓的直接方法或压制硬化的优点是可以更快地生产简单的部件。

当使用直接压制硬化工艺时，一个挑战是加热坯料。

通常，对扁平坯料的加热在长度约为40米的常规炉中进行；例如，特别是1.5mm厚的坯料在三分钟内通过该炉子。

此外，已经执行了通过施加热金属体来加热这种坯料的一些实验。

这伴随着大量问题。

在传统的辐射炉中，不利的是由于炉子的结构相对较大，因此它们需要大量的空间。此外，不利的是，在发生故障的情况下，发生高的废品率，因为炉子中的所有板由于它们在炉子中保留的时间长于计划的时间而不再可用。即使在正常操作中，也会发生明显的表面氧化，这是不希望的。

DE102014101539A1公开了一种用于由金属坯料生产热加工和压制硬化的金属板产品的热成型件，其包括加热站和成型站。加热站具有下部工具和上部工具，在它们之间接收金属坯料以进行加热。加热站中的金属坯料的加温或加热通过间接电阻加热来完成。热量在金属坯料外部产生，并且通过热传导到达金属坯料本身。为此，下部工具和/或上部工具也具有带有至少一个表面加热元件的电阻加热器。根据本发明，表面加热元件是加热坯料，其具有导电材料的板体；板体被实施为热导体。为此，加热体开槽并且例如设置有槽，该槽在板体的厚度上延伸。

DE102009007826A1公开了一种用于加热金属坯料的加热装置，其具有下部加热单元和上部加热单元。这些加热单元可以在闭合的加热位置和释放位置之间移动，在闭合的加热位置，加热单元在它们之间接收坯料，在释放位置，加热单元彼此间隔开。每个加热单元都有与坯料接触的可加热的加热板。在这种情况下，下部和/或上部加热单元的加热板包括许多加热段，这些加热段相对于彼此以预定图案定位，并且在由加热段和坯料之间的接触面限定的平面中，可相对于彼此移位。

DE102014101891A1公开了一种用于加热工件的系统，特别是用于热成形站的系统，该系统具有加热装置和至少一个要通过预热装置运输的货物载体。货物载体可以配备工件并且设置有用于传导加热工件的回火部件；预热装置具有可动电极，以用于电接触回火部件。

在已知的板系统中，不利的是，感应加热板具有低效率，并且功率分布仅可以非常差地被调节。已经提出的陶瓷加热元件也受到以下事实：它们具有短的使用寿命，功率分布同样调节不良，并且在许多小元件中，控制复杂性相当高。

已知的曲折解决方案同样具有功率分布不利的缺点。

发明内容

本发明的目的是产生一种用于加热钢板部件的设备，利用该设备确保扁平坯料能够在尽可能小的空间内快速且尽可能均匀地加热，并且如果发生故障，则几乎没有废弃，并且此外通过该设备确保改善的腐蚀防护。

本发明的另一个目的是提供一种使用该设备加热钢板部件的方法。

根据本发明，使用根据本发明实施的加热模块加热坯料。对扁平坯料的加热在热板下进行；必要的高功率密度和最重要的均匀温度分布可以通过具有良好导热性的材料，优选铜和电加热来实现。根据本发明，将矿物绝缘的热导体铸造成铜，使得可以实现最大功率密度。或者，也可以考虑其它电加热元件，例如高温加热筒。

根据本发明，通过模块化设计和模块化控制获得具有各种性能的部件的最佳温度均匀性和可能性。特别是，如果将多个单独调节的加热模块用于一个坯料表面，则可以通过不同等级的硬度非常精确地调节机械性能。

根据本发明，有利地保护铜免受氧化，因为铜以及因此铸造成铜的热导体被气密地密封在耐热的不锈钢壳体中。

另外，为了更长的使用寿命和尽可能少的腐蚀层，特别是锌的粘附-板可以有利地提供有非常耐磨和光滑的涂层，其可以由例如碳化铬或氧化铝其它已知的涂层组成。

附图说明

将基于附图以示例性方式描述本发明。在附图中：

图1是根据本发明的加热模块的高度示意图；

图2是多个加热模块的布置的高度示意图，其中坯料位于它们下面；

图3是通过用于具有多个加热模块的坯料的加热压机的横截面的高度示意图。

图4示出了图3中的设备在穿过加热模块的水平截面中的示意图。

图5示出了具有上部和下部加热模块的加热模块装置，其中中间加热模块还具有主动冷却，以便生产具有不同机械性能的部件；

图6示出了具有内置非功能模块的模块化布置，以便不加热部件的某些区域；

图7示出了带有导向螺栓和弹簧的加热模块的布置，以用于产生均匀的表面压力并且防止倾斜；

图8示出了根据本发明的加热模块的透视局部剖视图，该加热模块具有加热筒和铜芯。

图9是穿过图8的加热模块的纵剖视图。

图10示出了图8的加热模块的水平剖视图。

图11示出了具有矿物绝缘加热电缆和铜芯的加热模块的剖面透视图。

图12示出了图12的加热模块的顶视图；

图13以与剖面线A-A对应的剖视图示出了图13的加热模块；

图14以与剖面线B-B对应的剖视图示出了图12的加热模块；

图15以与图15中的线C-C对应的水平剖面示出了图12的加热模块；

图16示出了加热模块的侧视图；

图17示出了具有冷却器的本发明的加热模块的另一实施例；

图18以沿线A-A的剖面图示出了图17的加热模块；

图19以沿线B-B的剖视图示出了图17的加热模块；

图20以沿线C-C的剖视图示出了图19的加热模块；

图21示出了沿图17中线A-A的局部剖视透视图；

图22示出了被加热到870℃的板之间的1.5mm厚钢板的加热曲线。

具体实施方式

根据本发明的加热模块1是以盒状方式实施的盒状元件，其具有板状或矩形腔2，该腔在下侧3上具有平板4，以及从板垂直延伸的侧壁5和在所有侧面上限定盒状元件2的盖板6。绝缘体7定位在板6上，朝向顶部。

可以经由入口和出口管线9、10经受电流的加热线圈或加热元件8定位在空腔2中。另外且有利地，可以存在温度传感器11，其连接到温度调节器12，温度调节器12调节电流的流动。

特别是在矩形加热模块1的情况下，多个矿物绝缘加热线圈8串联连接并且并排设置，使得加热模块可以在整个表面上被加热。

除了加热元件8之外，可以存在冷却软管或管线9(图5)，使得加热模块不仅可以被加热而且特别是相对于相邻的加热模块被冷却。

多个加热模块1可以组合成加热装置14，加热装置14例如包括被布置成使得模块适当地覆盖待加热的坯料15的模块1。

优选地，加热模块1各自位于相应的加热装置14内，并且加热装置14可以位于加热压机的上部16或加热压机的下部19或两者上；这些部件可朝向彼此和远离彼此移动，从而在各个加热装置14的加热模块1之间，坯料15可被夹紧就位并且被加热。

相应的加热装置14可以例如包括六个模块1(图4)，并且这些模块通过绝缘体18在加热装置14的周围被包围。然而，模块的数量是任意的。

加热装置14还可以在优选位置处具有冷却的加热模块，其具有冷却管线9和/或空模块20或绝缘体材料的绝缘体块，在其附近不发生加热(图6)。

根据本发明，腔体2填充有铜，使得热导体8通过非导电的矿物绝缘体与铜绝缘，并且完全被铜包围并且嵌入铜中，以确保特别好的热传递。板4、侧壁5和顶壁6优选地由耐热或高耐热的不锈钢构成，并且理想地被气密密封在高导热芯，特别是铜芯中，以防止芯的氧化。

在另一个有利的实施例中，加热模块1同样具有铜芯，但具有加热筒。这里的加热模块1也被实施为在外壁5附近具有完整的绝缘体(图8、图9、图10)。

在另一个有利的实施例中(图11至图15)，加热模块同样被实施为具有矿物绝缘的热导体和铜芯；加热模块，在本实施例中作为单个模块，具有均匀的绝缘体20，其在侧壁和密封壁附近具有C形横截面；并且绝缘体20包含实际的加热区域，由具有矿物绝缘的热导体的填充铜的不锈钢盒组成。

为了将盒固定到绝缘体20上，在盒中存在连接元件21，其特别地被实施为螺纹柱，螺纹柱向上延伸穿过绝缘体20，并且在绝缘体的顶侧22上，延伸穿过配对支承板23并且拧紧在其上。此外，接触杆24定位在配对支承板23上，该接触杆24延伸穿过配对支承板23和绝缘体22并且被实施为使得它们接触加热元件8。

在另一个有利的实施例中(图17至图21)，加热模块同样以这样的方式实施，使得填充有铜并且包括定位为加热线圈的加热电缆8的不锈钢盒2，另外包括以冷却软管25或冷却管线25的形式的冷却装置，并且来自外部的冷却软管25设有入口26和出口27。

入口26和出口27延伸穿过绝缘体20和板6两者并且到达铜芯的内部。

在加热模块1的组合中，除了顶板绝缘体之外，可以在板6和配对支承板23之间移除绝缘体20，使得加热模块彼此接触并且加热模块能够在没有温度桥接的情况下进行均匀的加热或冷却。

在本发明中，有利的是，通过一方面联接矿物绝缘的加热管线并且另一方面联接铜芯连接，并且在坯料上结合防热的不锈钢板，实现了特别好的和高效的热传递。

从加热芯(图22)可以看出，在几秒钟内，1.5毫米厚的这种钢坯在热板下被加热(最好回火到高于870℃)到这种材料的Ac3以上，例如850℃，并且特别是高达700℃的温度范围被非常快地穿越。“非常快”意味着这大约需要10秒钟。

在本发明中，有利的是，在加热装置中使用非加热或水冷却模块允许某些未硬化的区域保持不被加热。这使得能够实施具有不同微结构的坯料，结果，在压制硬化之后，获得具有不同机械性能的部件(定制性能部件＝TPP)。

Claims (13)

1.一种用于加热钢板坯料的设备，其中有加热装置(14)，并且所述加热装置(14)包括至少一个加热模块(1)；所述至少一个加热模块(1)具有以盒状方式构造的盒状元件，所述盒状元件具有矩形腔(2)，所述矩形腔(2)在下侧(3)上具有板(4)；至少一个加热元件(8)位于所述腔(2)中，该元件被实施为电阻加热元件；并且所述腔(2)以嵌入方式完全填充，使得它完全被高导热材料的铜芯包围；并且围绕所述腔(2)或填充铜的腔(2)的板(4)、侧壁(5)和顶壁(6)由耐热的不锈钢制成，并且彼此连接，使得高导热材料的铜芯被气密地密封。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述加热模块(1)还包括用于冷却所述模块(1)的冷却管线(9)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述加热装置(14)具有：具有加热元件(8)的加热模块(1)，和/或具有加热元件(8)和冷却管线(9)的加热模块(1)；和/或既不被加热也不被冷却的模块。

4.根据权利要求中1或2所述的设备，其特征在于，具有至少一个加热模块(1)的加热装置(14)位于加热压机上部(16)和/或加热压机下部(17)上，所述加热压机上部(16)和/或加热压机下部(17)能够朝向和远离彼此移动，使得在所述加热装置(14)的加热模块(1)之间，坯料(15)可以被夹紧就位并且被加热。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述加热装置(14)在不使坯料硬化的地方具有未加热或冷却的加热模块(1)。

6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，在加热装置(14)中呈单一布置的所述加热模块(1)，被实施为在所述侧壁(5)附近以及在所述顶壁(6)附近具有绝缘体(20)。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述绝缘体(20)的横截面被实施为C形，并且为了将所述盒状元件固定到所述绝缘体(20)，在所述盒状元件中存在连接元件(21)，所述连接元件(21)从所述板(4)延伸穿过所述绝缘体(20)，并且在所述绝缘体的顶侧(22)上存在配对支承板(23)，所述配对支承板(23)由此被穿过，并且所述连接元件(21)与所述配对支承板(23)结合。

8.根据权利要求1、2、5-7中任一项所述的设备，其特征在于，位于所述加热模块(1)的与所述板(4)相对的一侧上的接触杆(24)被实施为使得它们接触所述加热元件(8)。

9.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，在具有冷却管线(9)的加热模块(1)中，来自外部的所述冷却管线被实施为具有入口(26)和出口(27)，并且所述入口(26)和出口(27)延伸穿过所述绝缘体(20)和所述顶壁(6)并且延伸到所述铜芯中，使得所述入口(26)和出口(27)能够向所述冷却管线(9、25)供应冷却剂。

10.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，在具有多个加热模块(1)的加热装置(14)中，所述绝缘体(20)被实施为使得在所述加热模块(1)的非绝缘侧壁(5)之间，它们定位成相互直接接触。

11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述加热元件被实施为加热筒或矿物绝缘的热导体。

12.一种操作根据权利要求1所述的设备的方法，其中，所述钢板坯料在至少一侧上受热；所述钢板坯料与加热装置(14)的加热模块(1)的板(4)接触；并且所述加热模块(1)被电加热，并且所述加热模块中的热量从电阻加热元件(8)被传递到高导热的铜芯，并且从所述铜芯被传递到所述顶壁(6)，并且从所述顶壁(6)传递到所述坯料。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，加热装置(14)被实施为具有多个加热元件(8)，并且所述多个加热元件(8)的坯料被选择性地加热，未被加热，或者冷却。

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