CN109070173A - 用于生产硬化钢部件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于热冲压金属钢板部件的方法，其中金属板坯料从由可硬化钢合金构成的金属钢板带分离，并且然后使金属钢板坯料奥氏体化，其中坯料被加热到大于Ac3的温度，然后被放置到成型工具中并且在成型工具中成型，并且在成型期间，以大于临界硬化速度的速度冷却，其特征在于，为了防止在成型和硬化过程中产生第二类型的微裂纹，在正半径和/或拉伸边缘附近将氧气供应到将要成型的金属板坯料。本发明还涉及一种用于该方法的装置。

Description

用于生产硬化钢部件的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于生产硬化钢部件的方法和装置。

背景技术

硬化钢部件，特别是在用于机动车辆的车身结构中，具有以下优点：由于其出色的机械性能，可以实现特别稳定的乘客舱，而不必使用在正常强度下更大并且必须由此体现得更重的部件。

为了生产这种硬化钢部件，使用可以通过淬火硬化来硬化的钢种。这种钢种包括例如硼合金锰碳钢，这些钢中最广泛使用的钢是22MnB5。但是其它硼合金锰碳钢也用于此目的。

为了用这些类型的钢生产硬化部件，必须将钢材加热到奥氏体化温度(>Ac₃)，并且必须等到钢材奥氏体化。根据所需的硬度，可以在这方面实现部分或完全的奥氏体化。

如果在奥氏体化之后，这种钢材料以高于临界硬化速度的速度冷却，则奥氏体结构转变成非常坚硬的马氏体结构。以这种方式，可以实现高达1500MPa以上的拉伸强度R_m。

目前，通常使用两种不同的程序方法来生产钢部件。

在所谓的成型硬化中，从钢带分离钢板坯料，例如从钢带切出或冲压出钢板坏料，然后使用常规的，例如五步深拉工艺，即，深拉钢板坯料以生产成品部件。在这种情况下，该成品部件的尺寸略小，以便在奥氏体化期间补偿随后的热膨胀。

以这种方式使生产的部件奥氏体化，然后被插入成型硬化工具中，在该工具中对部件进行压制，但是部件没有形成或仅形成很小的程度，并且通过压制，热量从部件流出并且进入压制工具，特别是在大于临界硬化速度的速度下。

另一种程序方法是所谓的压制硬化，其中从钢板带分离坯料，例如从钢板带切出或冲压出钢板坏料，然后使坯料奥氏体化，并且在优选的一步步骤中在782℃以下的温度形成热坯料，并且同时以大于临界硬化速度的速度冷却。

在这两种情况下，都可以使用设置有带有例如锌或锌基合金的金属防腐涂层的坯料。成型硬化也称为间接过程，而压制硬化被称为直接过程。间接过程的优点是可以实现更复杂的工具几何形状。

直接方法的优点是可以实现更高的材料利用率。但是可实现的组件复杂性较低，特别是在一步成型过程中。

然而，在压制硬化中，不利的是在表面中形成微裂纹，特别是镀锌钢板坯。

在这方面，区分了一阶微裂纹和二阶微裂纹。

一阶微裂纹归因于所谓的液态金属脆化。该理论是，在成型过程中，即当将拉伸应力施加在材料上时，液态锌相与仍然存在的奥氏体相相互作用，导致在材料中产生深度高达几百μm的微裂纹。

申请人通过主动或被动冷却材料成功地抑制这些一阶微裂纹-在从加热炉中取出和热成型过程开始之间的时间内-到不再存在液态锌相的温度。这意味着热成型在低于约750℃的温度下进行。

到目前为止，尽管预冷却，仍然无法控制热成型中的二阶微裂纹，即使在低于600℃的热成型温度下也会发生这种情况。裂纹深度在这种情况下达到几十μm。

用户不接受一阶微裂纹和二阶微裂纹，因为它们构成了潜在的破坏源。

然而，利用先前的方法，不可能确保没有二阶微裂纹的部件的生产。

DE102011055643A1已经公开了一种用于由钢板制成、特别是由钢板组成的镀锌工件制成的热成型压制硬化部件的方法和成型工具。在这种情况下，用于热成型和压制硬化的阴模，在它们的由正拉伸半径定义的拉伸边缘区域中，应该用材料液体涂覆或者设置有插入件，该插入件的热导率比与拉伸边缘区域相邻并且当工件被热成型并压制时与工件接触硬化的阴模的部段的热导率小至少10W/(m×K)。施加到面向工件的拉伸边缘区域或已经放置到位的插入件的表面的材料应该具有横跨拉伸边缘延伸的横向尺寸，该横向尺寸在阴模的正拉伸半径的1.6倍至10倍的范围内。这将改善在热成型期间由钢板制成的工件的流动性能，并且因此应当显著降低在由钢板制成、优选地由镀锌钢坯制成的工件的热成型中产生裂缝的风险。然而，这种工具不能避免第二种类型的微裂纹。

DE102011052773A1公开了一种用于压制硬化工具的工具，其中该工具的模具表面在一些区域中通过引入到模具表面的两个微腔而微结构化。该步骤旨在限制用于在位于腔体之间的表面部分上的具有坯料的模具表面之间形成坯料的有效接触面积。这旨在减少摩擦。

DE102004038626B3公开了一种用于由钢板生产硬化部件的方法，其中在成型部分的成型之前或之后，执行成型部分的所需的最终修整以及任何必要的冲压程序或孔图案的产生，然后将成型部件至少在某些区域加热到能够使钢材奥氏体化的温度；然后将该部件转移到成型硬化工具中，并且在成型硬化工具中进行成型硬化，其中部件被冷却并且因此通过对部件的接触和冲压在至少在一些区域中被硬化；并且所述部件至少在一些区域中在所述正半径的区域中由成型硬化工具支撑，并且在所述修剪边缘的区域中以及在所述部件未被夹紧的区域中优选地通过两个夹具保持，部件通过间隙至少与半模间隔开。该措施使得可以以无变形的方式夹紧部件并且通过不同的硬化速度来设定不同的硬度梯度。

发明内容

本发明的目的是避免直接热成型的、即压制硬化的部件中的第二类微裂纹。

该目的通过具有权利要求1的结构的方法实现。

有利的修改的特征在于从属权利要求。

本发明的另一个目的是提供一种装置，利用该装置，钢板坯料可以在压制硬化过程中热成型和硬化，并且其中避免了微裂纹。

该目的通过具有权利要求4的特征的装置来实现。有利的改进的特征在于取决于该权利要求的从属权利要求。

发明人已经认识到，当在拉伸应变区域中，产生的锌蒸气以足够的浓度到达钢，即所谓的蒸气金属脆化(VME)时，产生第二类微裂纹。由于在成型过程中在拉伸中产生的锌/铁层的撕裂，所以产生锌蒸汽。特别是在金属板与工具的直接接触占主导或金属板与工具的距离非常小的区域中产生足够的浓度。如本发明所定义的非常小的距离小于0.5mm。根据本发明，应该避免二阶微裂纹，同时保持关于材料和温度的最大可能的工作窗口并且确保低价的实施。至少具有相同的停留时间，在组件生产期间不应增加循环时间或降低生产量。

根据本发明，在拉伸应变区域(伸长边缘纤维)中，产生的锌蒸汽要么被气流(对流)输送，要么更精确地被吹走，或者被充分稀释。作为另外一种选择或除此之外，通过流体的流入，锌可以快速转化为稳定的化合物，例如氧化锌或ZnI₂。另外，还可以通过供应流体来产生诸如氧化物层的保护层来实现对钢的保护防止二级微裂纹。所有上述措施已经分别证明微裂纹显著减少。

通过以下事实确保在这种情况下防止二阶微裂纹，在待成型的金属板坯料处，在成型和硬化过程中，在边缘纤维中产生拉伸应变的区域中更换环境介质。通过交换，稀释或除去产生的锌蒸气。

通过更换环境介质尤其可以通过连续引入或移除，即，注入或抽吸介质来实现。

用于此目的的介质可以是空气、氧气、氮气或其他流体或气体。

诸如空气或氧气的含气态氧的流体是特别优选的，因为它们不会过度地污染工具，此外，例如通过水可能发生的那种可能不希望的大量冷却作用可能更容易通过对液体回火来调节。

这些介质经由孔或诸如工具中的凹部的其它通道引入，并且以特别优选的方式，以大于1巴的正压注入。通过抽吸，这同样在超过1巴的压力下发生。

特别优选的选择是在操作期间连续更换介质，因为以这种方式，可以在操作期间实现介质的连续更换，因为这实现了最均匀的可能的制造条件。

此外，可以提供预热单元，用于在引入流体之前加热流体，以实现特定的温度控制并且还减少冷却作用，因为优选地，对部件的硬化应该仅在成型过程结束时即当工具完全关闭时发生。

此外，可以在工具中提供凹部，其尺寸一方面被设计成使得，深拉伸不会受到负面影响或者坯料或工件变得波动，另一方面，尺寸被设计成使得硬化所必需的热量流出同样不会在很大程度上受到负面影响。

然而，凹部的尺寸被设计成使得它们构成流体，特别是氧气的贮存部，使得足够量的氧气行进到被拉伸的坯料和材料，以为了供应氧气用于氧化正被释放的锌相或锌/铁相。

有利地，凹部可以在成型期间从工具侧例如经由合适的入口连续地被供给流体或含氧流体，有利地允许形成流动垫。另外，在从模具中取出工件之后以及在插入另一个坯料之前，可以用含氧流体冲洗模腔，含氧流体然后存在于凹部中。含氧流体的示例包括以气态形式供应的空气和上述流体。

事实证明，即使当这种介质没有直接供给这些受到拉伸应变的点时，在受到拉伸应变的点处的环境介质的交换也通过输送走产生的锌蒸气而有效地防止了形成二阶微裂纹。

附图说明

将基于附图通过示例来解释本发明。在附图中：

图1示出了根据本发明的与具有凹部的拉延边缘相邻的工具区域。

图2示出了根据本发明的具有凹部的不同实施例的工具的拉伸边缘区域。

图3是根据本发明的具有狭槽布置的工具的拉伸边缘区域的局部剖视侧视图。

图4是根据图3的布置的顶视图。

图5示出了具有金属板压紧机构和流体供应喷嘴的工具的拉伸边缘区域。

具体实施方式

拉伸边缘区域1或正半径的区域1定位在成形工具上并且具有朝向工件定向的两个表面3、4，这两个表面3、4在拉伸边缘或正半径的区域2中相交。

凹部5设置在表面4中，该表面4在拉伸方向上位于拉伸边缘2之后。在这种情况下，凹部5的尺寸设计成使得表面3和凹部5之间的拉伸边缘2的剩余厚度大致对应于其半径，以便为待拉伸的材料提供足够的支撑作用。

在拉伸边缘2和表面4之间，凹部5的高度约为25mm至35mm，深度为5mm至9mm。

在另一个有利的实施例中(图2)，代替在拉伸边缘2附近提供大面积凹部5并且使其具有上述厚度，在表面4中引入凹槽6。在这种情况下，凹槽6在表面4和拉伸边缘2之间的高度总共约为8mm至12mm，深度为5mm至9mm。

在另一个有利的实施例中，代替在壁4的与拉伸边缘2相邻的区域中的连续凹部5，设置多个凹槽7，所述凹槽7沿拉伸方向延伸；例如，凹槽7或狭槽7具有4mm至8mm的狭槽宽度和7mm至11mm的狭槽间距，使得其余的桥接件具有1mm至5mm的宽度。在这种情况下，凹槽7或狭槽7同样具有5mm至9mm的深度。

令人惊讶地发现，利用上述几何形状，可能即使存在桥接件4，通过提供氧气，凹部5、6、7内的相对少量的流体也足以有效地防止第二种类型的微裂纹的形成。

在一个有利的实施例(未示出)中，凹部5、凹槽6和狭槽7从后部，即从工具侧，通过供应开口和相应的钻孔线被供应含氧流体，如果需要，则以为了进一步增加凹部5、凹槽6和狭槽7的区域中的氧分压。

为了在连续加工过程中在凹部5、凹槽6和狭槽7中将氧含量保持在高水平，模腔也可以用含氧流体冲洗，这样在任何时候都有足够的氧气贮存部位于凹部5、凹槽6和狭槽7中。

根据本发明，在所有情况下，通过经由工具1或压紧机构或阳模9中的供应孔8能够供应加压气体的事实来确保供应含氧气体的供应。在这种连接中，该气体可以被输送到凹槽(图1至图4)和/或表面4(图2)或输送到表面4、3。如果上部工具或金属板压紧机构9存在，则这里也可以存在相应的孔8，这些孔延伸到压紧表面10。在该区域中是否也发生金属板膨胀，这是特别重要的。

每个供应孔8的直径都优选为3mm至8mm。但是如果必要的话，那么如果流出的流体量足够大，则也可以使用更小的直径。

例如，已经证明，在250毫米/秒的模具速度下，为了有效地防止在低于600℃的成形温度下的二阶微裂纹，将要形成的金属板表面的每平方厘米的0.01升/秒的空气供应就足够了。

在较高的成型温度下，需要更大量的空气。

主要地，在直接压制硬化工艺中，除22MnB5外，还使用20MnB8、22MnB8和其它锰/硼钢。

因此，以下合金成分的钢适用于本发明(所有标记以质量％表示)：

其余的由铁和熔炼引起的杂质组成；在这种钢中，特别是合金元素硼、锰、碳和任选的铬和钼用作转变延迟剂。

具有以下一般合金成分的钢也适用于本发明(所有标记以质量％表示)：

其余的由铁和熔炼引起的杂质组成。

以下钢结构已证明特别合适(所有标记以质量％表示)：

其余的由铁和熔炼引起的杂质组成。

含氧介质的最佳引入位置取决于组件几何形状，因为还必须考虑焊珠或底切。

代替几个较大的孔，提供分布在工具中较大区域上的小引入开口的筛状样式也是有利的。

Claims (7)

1.一种用于压制硬化钢板部件的方法，其中将坯料从由可硬化钢合金构成的钢板带分离，并且然后使所述坯料奥氏体化，其中，所述坯料被加热到大于Ac₃的温度然后被插入成型工具中并且在所述成型工具中成型，并且在成型过程中，以大于临界硬化速度的速度被冷却，该方法的特征在于，为了避免在成型和硬化过程中待成型的所述金属板坯料中形成第二类型的微裂纹，从受到拉伸应变的点注入或吸入环境介质。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境介质的注入以大于1巴的正压进行。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述环境介质是空气或氧气或氮气。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，连续地注入或吸入所述环境介质。

5.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的装置，具有：两个成型工具半部，所述两个成型工具半部配合以为了深拉坯料并且被实施为使得它们可以朝向和远离彼此移动；至少一个供应管线或排放管线(8)，其用于在受到拉伸应变的点处交换流体介质。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述金属板的受到拉伸应变的区域中设置至少一个凹部。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，通过供应开口和相应的钻孔管线(8)从后部，即，从所述工具(1)侧为所述凹部(5、6、7)和/或工具表面(3、4、10)供应含氧流体。