CN109070174A - 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模压淬火钢板部件的方法，其中将坯料从由可硬化钢合金制成的钢板带切出，然后将坯料通过将其加热到大于Ac3的温度而进行奥氏体化，然后将其插入到成形工具中并在成形工具中成形，并且在成形期间，以大于临界硬化速度的速度将其冷却，其特征在于，为了防止在成形和硬化过程中在要成形的金属板坯料中产生第二类型的微裂纹，在正半径和/或拉伸边缘附近供应氧气；本发明还涉及一种用于执行该方法的装置。

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

特别是在用于机动车辆的车身结构中的硬化钢部件，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质量并且必定实施得更重的部件。

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，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。

为了用这些钢种生产硬化部件，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，将这种钢材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Rm。

目前，通常使用两种不同的过程方法来生产钢部件。

在所谓的成形硬化中，从钢带上切下钢板坯料，然后使用常规的，例如五步深拉工艺，将其深拉以生产成品部件。在这种情况下，该成品部件的尺寸被设定为略小，从而在奥氏体化期间补偿随后的热膨胀。

以这种方式生产的部件经奥氏体化，然后被插入成型硬化工具中，在该工具中其被进行压制，但是没有成形或仅以很小的程度成形，并且通过压制，热量特别是以大于临界硬化速度的速度从部件流出并且进入压制工具。

另一种过程方法是所谓的模压淬火，其中从钢板带上切下坯料，然后将坯料进行奥氏体化，并且在单级步骤中使热坯料成形，并且同时以大于临界硬化速度的速度将其冷却。

在这两种情况下，都可以使用带有例如锌的防腐涂层的坯料。成形硬化也称为间接过程，而模压淬火被称为直接过程。间接过程的优点是可以实现更复杂的工具几何结构。

直接方法的优点是可以实现更高的材料利用率，但具有更低的部件复杂性。

然而，在模压淬火中，不利的是在表面中形成微裂纹，特别是在镀锌钢板坯料的情况下。

在这方面，区分了一级微裂纹和二级微裂纹。

一级微裂纹归因于所谓的液态金属脆化。该理论是，在成形过程中，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。

申请人通过将材料冷却-在从加热炉中取出和插入成形工具中之间的时间-到不再存在液态锌相的温度来成功地抑制了这种情况。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，但仍然无法控制热成型中的二级微裂纹，并且即使在低于600℃的热成型温度下它们也会出现。裂纹深度达到几十μm。

使用者不接受一级微裂纹和二级微裂纹，因为它们构成了潜在的破坏源。

然而，利用先前的方法，尚不可能确保生产没有二级微裂纹的部件。

DE102011055643A1已经公开了用于对由钢板制成、特别是由钢板制成的镀锌工件制成的部件进行热成形模压淬火的方法和成形工具。在这种情况下，用于热成型和模压淬火的阴模-在它们的由正拉伸半径限定的拉伸边缘区域中-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阴模的与拉伸边缘区域相邻并且当工件被热成型并模压淬火时与工件接触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的表面的材料或已经放置到位的插入件应该具有跨过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。这将改善在热成形期间由钢板制成的工件的流动性能，并且因此将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形中出现裂纹的风险。然而，这种工具不能避免第二种类型的微裂纹。

DE102011052773A1公开了一种用于模压淬火工具的工具，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中的两个微腔而微结构化。该步骤旨在限制用于在具有坯料的模具表面与位于腔体之间的表面部分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，其中在成形部分的成形之前或之后，对成形部分进行所需的最终修整以及任何必要的冲压过程或孔图案的产生，然后将成形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形硬化工具中，并且在成形硬化工具中进行成形硬化，其中将部件冷却并且因此通过对部件的接触和压制在至少一些区域中使其硬化；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形硬化工具支撑，并且在所述修整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模半体间隔开。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形的，即模压淬火的部件中的第二类微裂纹。

该目的通过具有权利要求1的特征的方法实现。

在从属权利要求中表征了有利的修改。

本发明的另一个目的是提供一种装置，利用该装置，钢板坯料可以在模压淬火过程中被热成形和硬化，并且其中避免了微裂纹。

该目的通过具有权利要求5的特征的装置来实现。在作为该权利要求的从属权利要求中表征了有利的修改。

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时，即所谓的蒸气金属脆化(VME)时，产生第二类型微裂纹。由于在成形过程中在拉伸期间产生的锌/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，应该避免二级微裂纹，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廉价的实施。在至少相同的停留时间下，在部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，通过含氧流体的流入，产生的锌蒸气或游离锌迅速转变成稳定的化合物，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。上述措施已经表明微裂纹显著减少。

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，并且此外，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通过对流体回火来更容易地调节。

根据本发明，在工具中，优选地在正半径的区域中或者与正半径相邻的区域，使用插入件，在金属板坯料变形时，即当坯料流动时，这些插入件允许氧气进入。此外，还可以在金属板坯的窄点或接触区域处设置插入件，这些接触区域被定义为金属板与工具的距离最多为0.5mm的区域。

为此，相应的材料自然必须被支撑在正半径的区域中，因为这些是产生变形并且引发材料流动的边缘。

邻近这些边缘并且与它们间隔开以使插入件不被损坏，插入件具有能够使氧气进入的装置。例如，这些装置可以是烧结金属嵌入部或多孔陶瓷嵌入部，其中在彼此远离并且工件硬化之后且在插入新坯料之前，存储足够的氧气以使其可以被提供给释放的锌或释放的锌相。

此外，插入件具有保持开放的表面，使得材料在它流过边缘之后与插入件间隔开。

在一个有利的实施例中，该左开放区域被实施为开槽的，使得材料的最小支撑是可能的，但是确保了氧气的进入。

在所有这些情况下，还可以存在流体连接管线，所述流体连接管线供给到开口区域中或供给到填充有烧结金属或多孔陶瓷的区域中，从而供应足够量的氧气。在最简单的情况下，例如，这可以是空气或水蒸气。

本身具有高氧扩散能力的材料，例如某些陶瓷，也可以以块状形式实施，并且在压力机打开时或从后部对含氧流体起作用，并且储存该氧气直至其可以被提供给释放锌铁相或释放锌。

这些插入件可以被实施在阴模和阳模上。

也可以通过例如用水蒸气或用上面已提到的介质使模腔充满来进行充氧。

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示出了在块状实施例中的工具插入件的示例；

图2示出了带凹部的工具插入件；

图3示出了带凹部的另一个工具插入件；

图4是开槽工具插入件的侧剖视图；

图5以从成形表面看到的视图示出了开槽工具插入件。

具体实施方式

例如，插入件1由陶瓷制成，特别是由氧化物陶瓷制成。陶瓷插入件沿着拉伸边缘2延伸并且在工具中用于代替金属拉伸边缘2；它具有后侧3和下侧4，通过该下侧4以形状配合的方式插入金属工具的凹部中。另外，陶瓷插入件1具有顶侧6和模具前侧5，模具前侧5和顶侧6优选地与工具的相应表面齐平。

该陶瓷插入件可以被实施为块状的或非渗透性且坚硬的或多孔且坚硬的。

在从金属成形工具引出并且对应于金属成形工具的表面3或4的区域中，如果陶瓷被实施为导氧或多孔的，则可以提供气体连接(未示出)，这使得足够的浓度氧气通过插入件1到达表面5和拉伸边缘2的区域。

在另一个有利的实施例中(图2)，在与拉伸边缘2相邻的表面5的区域中产生凹部7。例如，凹部7的深度为5mm至10mm，而插入件在表面4和6之间整体具有35mm至50mm的高度，并且例如在表面3和5之间，具有15mm至30mm的宽度。

优选地，在这种情况下，拉伸边缘2被实施为使得凹部7前面的拉伸边缘的厚度大致对应于其半径。

在另一个有利的实施例中，代替与拉伸边缘2相邻的凹部7(图3)，仅存在平行于表面6延伸的凹槽8，凹槽8具有例如5mm至8mm的深度，其中拉伸边缘2和表面5之间的凹槽8的高度为8mm至12mm。

根据本发明，已经证明，具有这些尺寸的这种凹槽8在部件脱模和新坯料的插入之后以气体形式存储足够的氧气以确保在成形期间足够的氧气供应。

在另一个有利的实施例中(图4、图5)，表面5被实施为具有槽9，槽9从表面4沿拉伸边缘2的方向延伸，但是拉伸边缘2仍然具有与其半径相对应的厚度。

在这种情况下，槽宽度为4mm至8mm，槽间距为7mm至11mm，因此通过槽深度为5mm至9mm实现了桥接件宽度为2mm至5mm。在这里，也已经证明桥接件宽度不会对氧气供应产生负面影响。

在另一个有利的实施例(未示出)中，凹部7或凹槽8或槽9填充有多孔陶瓷材料或多孔烧结金属材料；在插入件的后侧3，可以设置用于含氧流体的供应开口和/或烧结金属插入件或陶瓷插入件在成形过程之间填充有氧气(例如通过用水蒸气充满模腔)，或者陶瓷和/或烧结金属具有足够高的氧亲和力，在成形过程中，氧被吸收，在拉伸过程中，氧被提供给释放的锌铁或锌相中。

本发明的优点是可以使用相对简单的措施来有效地防止二级微裂纹的形成；另外，现有的成形工具可以通过铣出正半径区域和/或嵌入相应形状的嵌入部的拉伸边缘来改装。

主要地，在直接模压淬火工艺中，除22MnB5外，还使用20MnB8、22MnB8和其它锰/硼钢。

因此，以下合金组成的钢适用于本发明(所有标示以质量％表示)：

其余部分的由铁和熔炼产生的杂质组成；在这种钢中，特别地，合金元素硼、锰、碳和可选的铬和钼用作转变延迟剂。

具有以下一般合金组成的钢也适用于本发明(所有标示以质量％表示)：

其余部分由铁和熔炼产生的杂质组成。

以下钢结构已证明特别合适(所有标示以质量％表示)：

其余部分由铁和熔炼产生的杂质组成。

Claims (8)

1.一种用于模压淬火钢板部件的方法，其中从由可硬化钢合金制成的钢板带切出坯料然后将所述坯料通过加热到大于Ac₃的温度而进行奥氏体化，然后将所述坯料插入成形工具中并在所述成形工具中成形，并且在成形过程中，以大于临界硬化速度的速度将所述坯料冷却，所述方法的特征在于，为了避免在成形和硬化过程中在待成形的所述金属板坯料中形成第二类型的微裂纹，

-在正半径和/或拉伸边缘中和/或附近供应氧气，和/或

-在接触区域中供应氧气。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于由储氧材料制成的插入件(1)，氧气入口在所述拉伸边缘和/或正半径附近或在所述拉伸边缘和/或正半径的区域中被设置在所述成形工具中，插入件(1)的尺寸被设计成使得所述深拉不会受到负面影响，并且所述插入件(1)形成氧气贮存器。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用由烧结金属、多孔陶瓷或非渗透性陶瓷制成的插入件(1)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述插入件(1)从所述成形工具侧被供应氧气或含氧流体，或者所述插入件(1)或模腔在两个成形过程之间充满氧气或含氧流体。

5.一种用于对钢板坯料进行模压淬火或热成形和硬化的装置，具有两个成形工具半体；所述两个成形工具半体共同作用以深拉坯料并且被实施为使得它们能够朝向彼此移动并且彼此远离；取决于所需的成形轮廓，至少一个正半径或一个拉伸边缘区域设有拉伸边缘(2)，所述陶瓷插入件定位成取代金属拉伸边缘(2)，其中所述陶瓷插入件以形状配合的方式插入到各个所述成形工具半体中。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述陶瓷插入件中设置凹部(7)，所述凹部的尺寸被设定为使得所述拉伸边缘(2)的在限制所述拉伸边缘的表面与所述凹部(5)之间剩余厚度大致对应于其半径。

7.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述拉伸边缘(2)与成形工具表面(4)之间的所述凹部(5)在深度为5mm至9mm处具有大约25mm至35mm的高度；或被实施为凹槽(8)，所述凹槽(8)在所述表面(4)和所述拉伸边缘(2)之间具有的总高度在深度为5mm至9mm处约为8mm至12mm，；或在与所述拉伸边缘(2)相邻的壁(4)的区域中，有多个沿所述拉伸方向延伸的槽(9)的形式的凹部；并且所述槽(9)的槽宽为4mm至8mm，槽间距为7mm至11mm，因此其余的桥接件的宽度为1mm至5mm。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述凹部(7)、所述凹槽(8)或所述槽(9)通过供应开口和相应的钻孔线从后部，即，从所述工具侧被供应含氧流体。