CN109072325A - 热处理方法和热处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于热处理钢部件的方法和装置，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，可以调整主要的奥氏体结构，从其通过淬火得到主要的马氏体结构。在钢部件的一个或多个第二区域中，存在主要的贝氏体结构，其中金属部件首先在第一熔炉中加热至高于Ac3温度的温度。随后，将钢部件转移到处理站中，其中钢部件可在转移期间冷却。在处理站中，钢部件的一个或多个第二区域在处理期间被冷却至冷却停止温度θ2。随后，将所述金属部件转移到第二熔炉中，其中一个或多个第二区域的温度再次升高到低于Ac3温度的温度。

Description

热处理方法和热处理装置
本发明涉及一种用于有针对性地热处理钢部件的各个区域的方法和装置。
在各种技术工业中，多种应用需要具有低部件重量的高强度金属板部件。例如，车辆工业旨在减少机动车辆的燃料消耗和减少二氧化碳排放，但同时增加乘员安全性。因此，对具有有利的强度与重量比的车身部件的需求显著增加。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。在现代机动车辆中，包括安全架的白色车身通常由强度约为1500MPa的硬化钢板构成。在这种情况下，使用涂有几层Al-Si的钢板。所谓的压制硬化的工艺已经被开发，以便用于从硬化钢板生产部件。在这种情况下，首先将钢板加热至奥氏体温度，然后放入冲模中，快速成形并通过水冷模具快速淬火至低于马氏体起始温度。由此生产出具有约1,500MPa强度的坚硬、坚固的马氏体结构。但是，以这种方式硬化的钢板的断裂时伸长率低。因此，冲击的动能不能充分地转换成变形热。
因此，对于汽车工业来说，希望能够生产出在部件内包括多个不同的伸长率和强度区域的车身部件，使得部件具有相当强度的区域(在下文中称为第一区域)和相当可扩展的区域(以下称为第二区域)。一方面，具有高强度的部件对获得高机械载荷和低重量的部件在原则上是可取的。另一方面，高强度部件也需要能够包括部分柔软的区域。这允许在发生碰撞时希望的部分增加的可变形性。只有这样才能减小冲击的动能，并且作用在乘员和车辆其余部分上的加速力才因此最小化。此外，现代连接方法需要软化点，其允许相同或不同的材料连接。例如，必须使用在部件中需要可变形区域的卷边接缝、压接连接或铆接连接。
在这种情况下，通常仍应考虑生产系统的需求：模压淬火系统因此不应遭受任何循环时间损失；整个系统应该以不受限制的和一般的方式使用，并且应该可以对所述系统进行快速的、产品特定的修改。该过程应该是稳健且经济的，并且生产系统应该仅需要最小的空间。该部件应具有高度的轮廓和边缘精度。
在所有已知的方法中，在耗时的处理步骤中对部件进行针对性热处理，这基本上影响整个热处理装置的循环时间。
因此，本发明的目的是提供一种用于有针对性地热处理钢部件的各个区域的方法和装置，由此可以产生具有不同硬度和延展性的区域，从而使所述处理步骤对整个热处理装置的循环时间的影响最小化。
根据本发明，该目的通过具有独立权利要求1的特征的方法实现。在从属权利要求2至6中可以找到该方法的有利改进。该目的还通过根据权利要求8的装置实现。该装置的有利实施方式可以在从属权利要求7至15中找到。
首先将钢部件加热到奥氏体化温度Ac3以上，使得结构可以完全转变成奥氏体。在随后的固化过程中，例如模压淬火过程中，然后进行快速淬火，从而形成主要马氏体的结构，并且获得约1,500MPa的强度。在这种情况下，该结构有利地从完全奥氏体化结构淬火。为此目的，所述结构必须至少在较低的临界冷却速度下冷却，不迟于温度降至结构转变起始温度θ1以下，那时结构转变开始。例如，对于通常用于模压淬火的材料22MnB5，应认为约660℃是极限θ1。虽然当在较低温度下开始淬火时仍然可以产生至少部分马氏体结构，但在该区域中应预期降低的部件强度。
在模压淬火方法中，特别地对于完全硬化的部件，该温度曲线是常规的。
首先将一个第二区域或多个第二区域同样地加热到高于奥氏体化温度Ac3，使得该结构可以完全转变成奥氏体。然后在处理时间tB内尽可能快地将其冷却至冷却停止温度θ2。例如，对于22MnB5，马氏体起始温度约为410℃。在马氏体起始温度以下的温度范围也可能有轻微的变化。该结构不再快速冷却，因此形成了主要贝氏体结构。这种结构转变不会立即发生，但需要处理时间。转变是放热的。如果这种转变能够在具有与冷却过程结束时的部件温度相似温度的加热环境中发生，则冷却停止温度θ2，其可以清楚地识别由再辉引起的部件的温度升高。通过设定冷却速度和/或结构冷却的温度，以及直到部件被压出的停留时间，原则上可以设定所需的强度和伸长率值，其位于第一区域中结构的最大可达到强度与未处理部件的值之间。试验表明，由于通过部件的附加强制冷却而进行再辉来抑制温度升高对于可实现的伸长率值是相当不利的。因此，在冷却温度下等温保持结构似乎不是有利的。相反，再加热是有利的。
在一个实施例中，第二区域或多个第二区域在该阶段中另外被主动加热。例如，可以使用热辐射。
在一个实施例中，冷却停止温度θ2选择为高于马氏体起始温度MS。
在替代实施例中，冷却停止温度θ2选择为低于马氏体起始温度MS。
原则上对第一和第二区域进行不同的热处理，因此，第二区域或多个第二区域的处理主要取决于处理持续时间。根据本发明，为了实现下游处理站的奥氏体化温度，在第一熔炉中的几秒处理时间tB内将第二区域部分地冷却至冷却停止温度θ2。在该处理站中，第一区域或多个第一区域未经过特殊处理。
为此目的，处理站也可任选地被加热。为此，例如可以通过对流或热辐射进行加热。
根据本发明，在处理站中几秒之后将部件传送到第二熔炉，其还可以包括确保不同区域被精确定位的定位装置，该第二熔炉优选地不包括用于不同地处理不同区域的任何特殊装置。熔炉温度θ4，即在整个炉腔中的基本均匀的温度θ4，仅仅设定并且通常位于奥氏体化温度Ac3和最小淬火温度之间。有利的温度例如在660℃和850℃之间。因此，不同区域接近第二熔炉的温度θ4。如果多个第一区域在处理站期间的温度下降足够小以使多个第二区域的温度不低于第二熔炉的温度θ4，则第一类型区域的温度曲线从上方接近第二熔炉的温度θ4。在一个有利的实施例中，最小冷却温度，即第二类型区域中的冷却停止温度θ2低于第二熔炉选择的温度θ4。在这方面，各第二区域的温度曲线从下方接近第二熔炉的温度θ4。该过程使以不同方式处理的各区域的温度彼此接近。
当第一区域或多个第一区域在高于第二熔炉的内部温度θ4的温度下到达第二熔炉时，它们在第二熔炉中散发热量。第二区域或各第二区域在第二熔炉中吸收热量。总的来说，这仅需要第二熔炉中相对少量的加热功率。在生产过程中，可以任选地完全省略额外的加热。因此，该处理步骤特别节能。
例如，可以提供连续式炉或间歇式炉，例如分室炉，作为第一熔炉。连续式炉通常具有更大的容量并且特别适合于大规模生产，因为它们可以在不付出大量努力的情况下进行充电和操作。
根据本发明，处理站包括用于快速冷却钢部件的一个或多个第二区域的装置。在优选实施例中，该装置包括用于将气态流体(例如空气或保护气体，例如氮气)吹入到钢部件的第二区域或多个第二区域的喷嘴。
在该方法的另一个有利的实施方式中，将气态流体吹入第二区域或多个第二区域中，将水混合到气态流体中，例如以雾化形式。为此目的，在一个有利的实施例中，该装置包括一个或多个雾化喷嘴。通过将与水混合的气态流体吹入所述第二区域或多个第二区域，从而散发更多的热量。蒸发钢部件上的水导致更大的散热和能量传输。
例如，也可以提供连续式炉或间歇式炉，例如分室炉，作为第二熔炉。
在另一个实施例中，第二区域或多个第二区域通过热传导冷却，例如通过与冲床或多个冲床接触，其具有比钢部件低得多的温度。为此目的，冲床可以由导热和/或可以直接或间接冷却的材料制成。也可以想到冷却方法的组合。
已证明有利的是，在处理站中采取措施以减少第一区域或多个第一区域的温度下降。例如，这种措施可以将热辐射反射器和/或处理站的绝缘表面附接在第一区域或多个第一区域的区域中。
通过本发明所述的方法和本发明所述的热处理装置，在每种情况下包括一个或多个第一和/或第二区域的钢部件(其也可以具有复杂的轮廓)可以经济地印有相应的温度曲线，因为不同的区域可以快速地达到所需具有清晰的轮廓的工艺温度。可以在两个区域之间形成各个区域的清晰轮廓边界，并且小的温差使部件的翘曲最小化。在压力机中的进一步加工期间，部件温度的小膨胀具有有利的效果。在连续式炉中，第二区域或多个第二区域所需的停留时间例如可以基于部件的长度通过设定传送的速度和熔炉长度的尺寸来建立。由此，热处理装置的循环时间受到最小影响，甚至根本不受影响。
根据本发明，所示的方法和本发明所述的热处理装置可以设定几乎任何数量的第二区域，此外其可在钢部件中各具有彼此不同的强度和伸长率值。选择用于各部分的轮廓也可以自由选择。例如，可以想到点状或线性区域，以及具有大表面积的区域。这些区域的位置也无关紧要。各第二区域可以完全被各第一区域包围或可以位于钢部件的边缘。甚至可以想象全面处理。为了根据本发明所述方法的有针对性地热处理钢部件的各个区域的目的，钢部件不需要以任何特定方式相对于流动方向定向。在任何情况下，同时处理的钢部件的数量受到模压淬火模具或整个热处理装置的材料处理技术的限制。将该方法应用于已经预成型的钢部件也是可能的。已经预成型的钢部件的三维模制表面仅意味着配合面的形成涉及更大程度的设计复杂性。
此外，有利地，可以将已经存在的热处理系统适用于本发明所述的方法。为此目的，在仅包括一个熔炉的传统热处理装置中，只需要在所述熔炉的下游安装处理站和第二熔炉。根据所提供的熔炉的设计，还可以将所述熔炉分开，这样第一熔炉和第二熔炉从最初的一个熔炉生成。
本发明的其他优点、特征和有利的改进可以在从属权利要求和基于附图的优选实施例的以下描述中找到，其中：
图1显示当对具有第一和第二区域的钢部件进行热处理时的典型温度曲线，
图2是本发明所述的热处理装置的示意性平面图，
图3是本发明所述的另一种热处理装置的示意性平面图，
图4是本发明所述的另一种热处理装置的示意性平面图，
图5是本发明所述的另一种热处理装置的示意性平面图，
图6是本发明所述的另一种热处理装置的示意性平面图，和
图7是本发明所述的另一种热处理装置的示意性平面图。
图1示出了本发明所述的方法对包括第一区域210和第二区域220的钢部件200进行热处理时的典型温度曲线。根据示意性绘制的温度曲线θ200,110，钢部件200在第一熔炉110中在第一熔炉t110中的停留时间期间被加热到高于Ac3温度的温度。然后将钢部件200在转移时间t120转移到处理站150。在这种情况下，钢部件会散热。在处理站中，钢部件200的第二区域220被快速冷却，第二区域220根据所绘制的曲线θ220,150快速地散热。一旦处理时间tB(取决于钢部件200的厚度，其仅持续几秒)冷却结束，第二区域220的尺寸和所需的材料特性已经具有。在第一近似值中，在这种情况下，处理时间tB等于处理站150中的停留时间t150。然后，第二区域220达到高于马氏体起始温度MS的冷却停止温度θ2。同时，处理站150中的第一区域210的温度也根据温度曲线θ210,150而降低，由此第一区域210不在冷却装置的区域中。一旦处理时间tB已经经过，钢部件200在转移时间t121期间被转移到第二熔炉130中，因此如果其温度高于第二熔炉130的内部温度θ4则会损失更多的热量。在第二熔炉130中，钢部件200的第一区域210的温度根据在停留时间t130期间示意性绘制的温度曲线θ210,130而变化，即钢部件200的第一区域210的温度缓慢地继续降低。在这种情况下，钢部件200的第一区域210的温度可以低于Ac3温度，但不是必须的。相反，根据所绘制的温度曲线θ220,130，钢部件200的第二区域220的温度在停留时间t130期间再次增加，而没有达到Ac3温度。第二熔炉130不包括用于不同地处理不同区域210,220的任何特殊装置。仅设定一个熔炉温度θ4(即在第二熔炉130的整个内部的基本均匀的温度)，并且熔炉温度θ4在奥氏体化温度Ac3和冷却停止温度θ2之间，例如在660℃和850℃之间。因此，不同区域210,220接近第二熔炉130的内部温度θ4。假设在处理站150中的停留时间t150期间，第一区域210中的温度下降对于温度不低于第二熔炉130的温度θ4的第二区域220而言足够小，第一区域的温度曲线θ210,130从上方接近第二熔炉130的温度θ4。在该实施例中，冷却停止温度θ2低于为第二熔炉130选择的温度θ4。第二区域的温度曲线θ220,130从下方接近第二熔炉130的温度θ4。区域210的温度不低于结构转换起始温度θ1。由于两个区域210,220之间的小温差，可以形成各个区域210,220的清晰轮廓边界，并且使钢部件200的翘曲最小化。当在模压淬火模具160中进一步加工所述部件时，钢部件200的温度的小膨胀具有有利的效果。基于钢部件的长度通过设定传送速度和第二熔炉130的长度尺寸，可以确定第二区域220所需的停留时间t130。因此，热处理装置100的循环时间受到最小程度的影响，甚至根本不受影响。钢部件200的第一区域220在第二熔炉130中散热。钢部件200的第二区域220在第二熔炉130中吸收热量，在结构的再辉期间，热吸收受到在钢部件200的第二区域220中释放的热量的限制。总之，在第二熔炉130中，这仅需要相对少量的加热功率。可任选地完全省略第二熔炉130的额外加热。因此，该处理步骤特别节能。
一旦第二熔炉130中的钢部件200的停留时间t130结束，则在转移时间t131期间将所述部件转移到模压淬火模具160中，在停留时间t160期间其被重塑和硬化。
图2以90°排列示出本发明所述的热处理装置100。热处理装置100包括装载站101，通过其将钢部件供给到第一熔炉110。此外，热处理装置100包括处理站150和在主流动方向D后面布置的第二熔炉130。在主流动方向D的下游进一步布置一卸排站131，其配备有定位装置(未示出)。然后，主流动方向偏离大致90°，以允许设置压力机(未示出)中的模压淬火模具160，在该冲床中，钢部件200被模压淬火。在第一熔炉110和第二熔炉130的轴向方向上布置容器161，其中可以放置废品。在这种布置中，第一熔炉110和第二熔炉120优选为连续式炉，例如辊底炉。
图3以线性排列显示本发明所述的热处理装置100。热处理装置100包括装载站101，通过其将钢部件供给到第一熔炉110。热处理装置100还包括处理站150和在主流动方向D的下游布置的第二熔炉130。在主流动方向D的下游进一步布置一卸排站131，其配备有定位装置(未示出)。然后沿继续直行的主流动方向设置在压力机(未示出)中的模压淬火模具160，其中钢部件200被模压淬火。容器161设置在与卸排站131基本成90°的位置，其中可以放置废品。在这种布置中，第一熔炉110和第二熔炉120也优选形成为连续式炉，例如辊底炉。
图4示出了本发明所述的热处理装置100的另一种变型。热处理装置100还包括装载站101，通过其将钢部件供给到第一熔炉110。在该实施例中，第一熔炉110再次优选形成为连续式炉。此外，热处理装置100包括处理站150，在该实施例中，其与卸排站131组合。卸排站131可包括例如夹持装置(未示出)。例如，卸排站131通过夹持装置从第一熔炉110移除钢部件200。对第二区域或多个第二区域200进行热处理和冷却，并将钢部件或多个钢部件200装载在第二熔炉130中，其在与第一熔炉110的轴线基本成90°的位置布置。在该实施例中，该第二熔炉130优选为分室炉，例如包括多个腔室。一旦第二熔炉130中的钢部件200的停留时间t130已经经过，则钢部件200经由卸排站131从第二熔炉130移除并放置在相对的安装在压力机(未示出)中的模压淬火模具160中。为此目的，卸排站131可包括定位装置(未示出)。容器161沿第一熔炉110的轴向布置在卸排站131的下游，该容器中可放置废品。在该实施例中，主流动方向D描述了一个大致90°的偏转。在该实施例中，不需要用于处理站150的第二定位系统。此外，当在第一熔炉110的轴向上没有足够的可用空间时，例如在生产车间中，该实施例是有利的。在该实施例中，钢部件200的第二区域220也可以在卸排站131和第二熔炉130之间冷却，从而不需要固定的处理站150。例如，冷却装置，例如吹嘴，可以集成在夹持装置中。卸排装置131确保钢部件200从第一熔炉110转移到第二熔炉130并且转移到模压淬火模具160或容器161。
在该实施例中，模压淬火模具160和容器161也可以切换位置，如图5所示。在该实施例中，主流动方向D描述了两个大致90°的偏转。
如果要放置热处理装置的空间受限，则如图6的热处理装置是有利的：与图4所示的实施例相比，第二熔炉130移动到位于第一熔炉110上方的第二个平面。在该实施例中，钢部件200的第二区域220同样可以在卸排站131和第二熔炉130之间冷却，从而不需要固定处理站150。再次有利的是，第一熔炉110形成为连续式炉，并且第二熔炉120形成为分室炉，可能包括多个腔室。
最后，图7是本发明所述的热处理装置的最后实施例的示意图。与图6所示的实施例相比，模压淬火模具160和容器161互换了位置。
这里示出的实施例仅代表本发明的示例，因此不应理解为是限制性的。本领域技术人员将考虑的替代实施例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
150 处理站
160 模压淬火模具
161 容器
200 钢部件
210 第一区域
220 第二区域
D 主流动方向
MS 马氏体起始温度
tB 处理时间
t110 在第一熔炉中的停留时间
t120 钢部件到处理站的转移时间
t121 钢部件到第二熔炉的转移时间
t130 在第二熔炉中的停留时间
t131 钢部件到模压淬火模具的转移时间
t150 在处理站中的停留时间
t160 在模压淬火模具中的停留时间
θ1 结构转变起始温度
θ2 冷却停止温度
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 处理站中钢部件的第一区域的温度曲线
θ210,150 处理站中钢部件的第二区域的温度曲线
θ210,θ130 第二熔炉中钢部件的第一区域的温度曲线
θ220,130 在第二熔炉中钢部件的第二区域的温度曲线
θ200,160 在模压淬火模具中的钢部件的温度曲线

Claims (15)

1.用于针对性地热处理钢部件(200)的各个区域的方法，它可在钢部件(200)的一个或多个第一区域(210)中形成主要奥氏体结构，通过淬火从该结构可形成主要马氏体结构，并且可以在一个或多个第二区域(220)中形成主要贝氏体结构，其特征在于，在第一熔炉(110)中首先将钢部件(200)加热至高于Ac3温度的温度，然后将钢部件(200)转移到处理站(150)，所述部件在转移过程中可冷却，且在处理时间tB期间，在处理站(150)中将钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)冷却至冷却停止温度θ2，然后转移至第二熔炉中，一个或多个第二区域(220)的温度再次升高到低于Ac3温度的温度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，冷却停止温度θ2选择为高于马氏体起始温度MS。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，冷却停止温度θ2选择为低于马氏体起始温度MS。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述一个或多个第一区域(210)在所述第二熔炉中冷却到高于所述结构转变起始温度θ1的温度。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二区域或多个第二区域(220)通过供热在所述第二熔炉中再加热。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，第二熔炉的内部温度θ4大于冷却停止温度θ2。
7.热处理装置(100)，包括用于将钢部件(200)加热到高于Ac3温度的温度的第一熔炉(110)，其特征在于，热处理装置(100)还包括处理站(150)和第二熔炉，处理站(150)包括用于快速冷却钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)的装置。
8.如权利要求7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)的装置包括用于将气态流体吹入到钢部件(200)的第二区域或多个第二区域(220)的喷嘴。
9.如权利要求7或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)的装置包括用于将混合水的气态流体吹入到钢部件(200)的第二区域或多个第二区域(220)中的喷嘴。
10.如权利要求7至9中任一项所述的热处理装置(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)的装置包括与钢部件(200)的第二区域或多个第二区域(220)接触的冲床。
11.如权利要求10所述的热处理装置(100)，其特征在于，与钢部件(200)的第二区域或多个第二区域(220)接触的冲床可被冷却。
12.如权利要求7至11中任一项所述的热处理装置(100)，其特征在于，所述处理站(150)包括定位装置。
13.如权利要求7至12中任一项所述的热处理装置(100)，其特征在于，所述第二熔炉(130)被加热至基本均匀的温度θ4。
14.如权利要求7至13中任一项所述的热处理装置(100)，其特征在于，所述处理站(150)包括热反射器。
15.如权利要求7至14中任一项所述的热处理装置(100)，其特征在于，所述处理站(150)包括热绝缘墙。
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