CN109072326A - 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，其特定对准部件的各个区域。在钢部件的一个或多个第一区域中，可以产生主要的奥氏体微结构，通过淬火工艺可以从其产生主要的马氏体微结构。在钢部件的一个或多个第二区域中，可以产生主要的铁素体‑珠光体微结构。在一个或多个第三区域中，可以产生主要的贝氏体微结构。为此目的，首先在第一熔炉中将钢部件加热至低于AC3温度的温度，然后将钢部件转移到处理站中，其中钢部件可在转移过程中冷却。在随后的处理站中，钢部件的一个或多个第一区域和一个或多个第三区域在停留时间t151内达到高于奥氏体化温度的温度。然后，仅将所述一个或多个第三区域冷却至冷却停止温度θs。然后将钢部件转移到第二熔炉中，其温度低于AC3温度。在那里，三个不同区域的温度彼此接近。

Description

热处理方法和热处理装置
说明书
本发明涉及一种用于针对性地热处理钢部件的各个区域的方法和装置。
在各种技术工业中的若干应用需要具有低部件重量的高强度金属板部件。例如，汽车工业旨在降低机动车辆的燃料消耗并减少CO2排放，同时增加乘员安全性。因此，对具有有利的强度重量比的车身部件的需求显著增加。这些部件尤其包括A柱和B柱，车内的侧门防撞杆、踏脚板、框架件、保险杠、用于车底和车顶的横梁，以及前、后纵梁。在现代机动车辆中，包括安全笼的白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。已经开发了所谓的模压淬火工艺以便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，然后放入压模中，快速成形并通过水冷模具快速淬火至小于马氏体开始温度。制造具有约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伸长率很小。因此，撞击的动能不能充分地转换成变形热。
因此，对于汽车工业，希望能够生产在部件内包括多个不同的伸长率和强度区域的车身部件，从而也可以形成包括相当坚固的区域(在下文中称为第一区域)和最大可扩展的区域(在下文中称为第二区域)和可扩展的区域(在下文中称为第三区域)的一个部件。一方面，为获得能够承受高机械负载并且重量轻的部件，具有高强度的部件原则上是希望的。另一方面，高强度部件也希望可以包括部分柔软的区域，通过其可以在碰撞时实现所需的稍微更大的可变形性。只有这样才能减小冲击的动能，并且因此可以使作用在乘员和车辆其余部分上的加速力最小化。此外，现代连接方法需要软化点，以允许相同或不同的材料被连接。例如，通常必须使用锁缝、卷曲连接或铆接连接，且这需要在部件中有可变形区域。
此外，部件的软边缘区域已经允许在模具中进行轮廓切割，因而使得复杂的激光切割变得过时。
在这种情况下，仍应考虑对生产系统的一般要求：因此模压淬火系统不应遇到任何循环时间损失；应该不受限制地和普遍地使用整个系统，并且应该可以对所述系统进行快速的、产品特定的改进。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形状和边缘精度。
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，这实质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，以最小化所述处理步骤对整个热处理装置的循环时间的影响。
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8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9的装置实现。在从属权利要求10至17中可以找到该装置的有利实施方式。
根据本发明的用于针对性地热处理钢部件的各个区域的方法，可以在钢部件的一个或多个第一区域中形成主要奥氏体结构，通过淬火可以从该奥氏体结构产生主要马氏体结构，并且可以在一个或多个第二区域中形成主要铁素体-珠光体结构，并且可以在一个或多个第三区域中形成主要贝氏体结构，其特征在于，首先在第一熔炉中加热钢部件到低于AC3温度的温度，然后将钢部件转移到处理站，所述部件可以在转移时冷却，并且在停留时间t151内，钢部件的一个或多个第一区域和一个或多个第三区域在处理站中被加热到高于AC3温度的温度，然后将钢部件的第三区域或各第三区域冷却至冷却停止温度θs，然后将钢部件转移至第二熔炉中，在其中钢部件保持在低于奥氏体化温度的温度，直至在第三区域或各第三区域中已形成足够的贝氏体结构。
为此目的，根据本发明的热处理装置包括用于将钢部件加热到低于AC3温度的温度的第一熔炉、处理站和第二熔炉，该处理站包括用于快速加热各第一和第三区域的装置以及用于快速冷却钢部件的一个或多个第三区域的装置，且第二熔炉包括用于引入热量的装置。
在该方法的有利实施方式中，通过热辐射将热量引入第二熔炉中。
首先将钢部件在熔炉中加热至低于奥氏体化温度。然后在处理站对各不同区域进行不同处理：
在处理站中，例如，首先通过高功率激光在几秒钟内将第一区域或各第一区域加热到高于AC3的温度，由此该结构被最大可能程度地转换成奥氏体。在优选的实施方式中，激光照射的区域由通道壁(channel walls)精确限定，该通道壁相对于部件的表面尽可能垂直地布置。
然后，在处理站中，不对第一区域或各第一区域进行任何额外的特殊处理，即没有吹入流体，也不使用其他特殊措施对其进行加热或冷却。例如，第一区域或各第一区域通过自然对流和辐射在处理站中缓慢冷却。在处理站中采取措施以减少第一区域或各第一区域的温度下降已经证明是有利的。例如，这种措施可以是在处理站的第一区域或各第一区域的区域中附加热辐射反射器和/或绝缘表面。
在处理站中，不对第二区域或各第二区域进行任何特殊处理，即没有吹入流体，也不使用其他特殊措施对其进行加热或冷却。例如，第二区域或各第二区域通过自然对流和辐射在处理站中缓慢冷却。在处理站中采取措施以减少第二区域或各第二区域的温度下降已经证明是有利的。例如，这种措施可以是在处理站的第二区域或各第二区域的区域中附加热辐射反射器和/或绝缘表面。
在该方法的进程中，第二区域或各第二区域尚未完全奥氏体化，并且即使在随后的模压淬火方法中被压出之后，也具有与未处理的钢部件的原始强度值类似的低强度值。
首先通过高功率激光在处理站中在几秒内将第三区域或各第三区域加热到高于AC3的温度，使得该结构最大可能程度地转变成奥氏体。在优选的实施方式中，激光照射的区域由通道壁精确限定，该通道壁相对于部件的表面尽可能垂直地布置。
此后立即在处理时间t152内尽快冷却第三区域或各第三区域。在该方法的一个优选实施方式中，通过向第三区域或各第三区域吹入气态流体(例如空气或保护气体)，使其快速冷却。在有利的实施方式中，为此目的，处理站包括用于将流体吹入第三区域或各第三区域的装置。例如，该装置可包括一个或多个喷嘴。在该方法的一个有利的实施方式中，将混合有水(例如雾化形式的水)的气态流体吹入第三区域或各第三区域。为此目的，在一个有利的实施方式中，该装置包括一个或多个雾化喷嘴。吹入加有水的气态流体增加了来自第三区域或各第三区域的散热。一旦超过处理时间t152，第三区域或各第三区域已经达到冷却停止温度θs。在这种情况下，处理时间t152通常在几秒的范围内变动。
根据本发明，在处理站中几秒钟之后，其还可以包括用于确保各不同区域被精确定位的定位装置，各部件被输送到第二熔炉，其优选地不包括用于以不同的方式处理各不同区域的任何特殊装置。在处理站中已经形成了轮廓清晰的边界。在一个实施方式中，仅设定一个熔炉温度θ4，即在整个炉腔中基本均匀的低于奥氏体化温度AC3的温度。各区域的温度彼此接近，并且通过各区域之间的小的温度差使各部件的热变形最小化。在压机中进一步加工期间，部件温度水平的最小可能膨胀具有有利效果。
在该方法的另一有利实施方式中，第二熔炉内的温度θ4低于AC3温度。
在一个实施方式中，优选提供连续炉作为第一熔炉。连续炉通常具有大容量并且特别适合于大规模生产，因为其可以在不费力的情况下进行填充和操作。然而，间歇炉，例如箱式炉，也可用作第一熔炉。
在一个实施方式中，第二熔炉优选为连续炉。
如果第一和第二熔炉都被设计为连续炉，通过设定输送速度和特定熔炉长度的设计，可以基于部件长度设定第一和第二区域或各第一和第二区域所需的停留时间。因此，这可以防止包括热处理装置和用于随后的模压淬火的压机的整个产品线的循环时间受到影响。
在另一个实施方式中，第二熔炉是间歇炉，例如箱式炉。
在优选的实施方式中，处理站包括用于快速加热钢部件的一个或多个第三区域的装置。在有利的实施方式中，该装置包括一个或多个高功率激光器，用于照射钢部件的第三区域或各第三区域。在优选的实施方式中，各区域由具有相应形状的通道清楚地限定。
在优选的实施方式中，处理站包括用于快速冷却钢部件的一个或多个第三区域的装置。在一个有利的实施方式中，该装置包括用于将气态流体(例如空气或诸如氮气的保护气体)吹入钢部件的第三区域或各第三区域的喷嘴。为此目的，在一个有利的实施方式中，该装置包括一个或多个雾化喷嘴。吹入加有水的气态流体会增加来自第三区域或各第三区域的散热。
在另一个实施方式中，第三区域或各第三区域通过热传导和接触冷却来冷却，例如通过与具有比钢部件更低的温度的冲床或多个冲床接触。为此目的，冲床可以由导热材料制成和/或其温度可以直接或间接被控制。冷却方法的组合也是可能的。
通过根据本发明的方法和根据本发明的热处理装置，每个包括一个或多个第一、第二和/或第三区域的钢部件，其也可以具有复杂的形状，可被经济地印上相应的温度曲线，因为具有清晰轮廓的各不同区域可以被加热到所需的加工温度。
根据本发明，所示方法和根据本发明的热处理装置使得可以提供几乎任何数量的三个不同区域，如果需要，不同的第三区域仍然可以实现彼此不同的强度值。
各部分所选择的几何形状也可以自由选择。例如点状或线性区域是可能的，例如具有大表面积的区域。这些区域的位置也无关紧要。各个区域可以完全被其他区域包围，或者可以位于钢部件的边缘。遍及全面的处理也是可能的。为了根据本发明的方法的针对性地热处理钢部件的各个区域的目的，钢部件不需要相对于流动方向以特定方式定向。在任何情况下，整个热处理装置同时处理的钢部件的数量受到模压淬火模具或材料处理技术的限制。该方法也可以应用于已经预成型的钢部件。已经预成型的钢部件的三维模制表面仅意味着配合表面的形成涉及更大程度的设计复杂性。
此外，有利的是，也可以使已经存在的热处理系统适用于根据本发明的方法。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，使得第一和第二熔炉由最初的一个熔炉形成。
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方式的以下描述中找到，其中：
图1显示了对包含第一、第二和第三区域的钢部件进行热处理时的典型温度曲线，
图2是根据本发明的热处理装置的示意性平面图，
图3是根据本发明的另一种热处理装置的示意性平面图，
图4是根据本发明的另一种热处理装置的示意性平面图，
图5是根据本发明的另一种热处理装置的示意性平面图，
图6是根据本发明的另一种热处理装置的示意性平面图，和
图7是根据本发明的另一种热处理装置的示意性平面图。
图1示出了根据本发明的方法对包括第一区域210、第二区域220和第三区域230的钢部件200进行热处理时的典型温度曲线。可以提供每个区域中的几个，即，可以提供多个第一区域210、多个第二区域220和多个第三区域230，可以组合任意数量的区域。根据示意性绘制的温度曲线θ200,110，在停留时间t110期间在第一熔炉110中将钢部件200加热至低于AC3温度的温度。然后在转移时间t121将钢部件200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的第一区域210和第三区域230通过激光辐射被快速加热到奥氏体化温度AC3以上，第二区域220根据绘制的曲线θ220,151或θ220,152散热。这发生在几秒钟内。紧接着，根据绘制的温度曲线θ230,152，将第三区域230快速冷却到期望的冷却停止温度θs。在这种情况下，如果希望一个部件内的各第三区域230具有变化的材料特性，则各第三区域230的各个部分表面之间的冷却停止温度θs可以是不同的。例如，第三区域230可以通过在其中吹入的气态流体快速冷却。
一旦冷却时间t152结束，就不再吹入流体，这仅持续几秒钟，取决于钢部件200的厚度。第三区域230现在已达到冷却停止温度θs。同时，处理站150中的第一区域210和第二区域220的温度也根据绘制的温度曲线θ210,152或θ220,151，θ220,152而下降。
一旦处理站150中的停留时间t150结束，则在转移时间t122期间将钢部件200转移到第二熔炉130。在第二熔炉130中，钢部件200的第一区域210的温度根据示意性绘制的温度曲线θ210,130在停留时间t130期间改变。钢部件200的第二区域220的温度也根据绘制的温度曲线θ220,130在停留时间t130期间变化，所述温度曲线未达到AC3温度。钢部件200的第三区域230的温度也根据绘制的温度曲线θ230,130在停留时间t130期间变化，没有达到AC3温度。
第二熔炉130不包括用于以不同方式处理不同区域210、220、230的任何特殊装置。仅仅一个熔炉温度θ4，即基本上均匀的温度θ4设定在第二熔炉130的整个内部，其低于奥氏体化温度AC3。
然后可以在转移时间t140期间将钢部件转移到模压淬火模具160，其集成在压机(未示出)中。
可以在区域210、220、230之间形成轮廓清晰的边界，并且小的温差使钢部件200的热变形最小化。钢部件200的温度水平的小膨胀在模压淬火模具160中的进一步加工期间具有有利的效果。通过设定输送速度和选择第二熔炉130的长度，可以基于钢部件200的长度设定第二熔炉130中的钢部件200的必要停留时间t130。由此，热处理装置100的循环时间被最小地影响，或甚至可根本不受影响。
图2示出了以90°布置的根据本发明的热处理装置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和布置在其主流动方向D下游的第二熔炉130。在主流动方向D上进一步向下游布置的是卸排站140，其设置有定位装置(未示出)。然后，该主流动方向偏离大致90°以匹配压机(未示出)中的模压淬火模具160，在该模具中，钢部件200被模压淬火。容器161沿第一熔炉110和第二熔炉130的轴向布置，其中可放置废品。在这种布置中，第一熔炉110和第二熔炉130优选地形成为连续炉，例如辊底炉。
图3示出了直线布置的根据本发明的热处理装置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和布置在其主流动方向D下游的第二熔炉130。在主流动方向D上进一步向下游布置的是卸排站140，其设置有定位装置(未示出)。然后沿现在以直线继续的主流动方向设置压机(未示出)中的模压淬火模具160，在其中钢部件200被模压淬火。容器161基本上与卸排站131成90°布置，在该容器中可放置废品。在这种布置中，第一熔炉110和第二熔炉130同样优选地形成为连续炉，例如辊底炉。
图4示出了根据本发明的热处理装置100的另一种变型。热处理装置100再次包括装载站101，通过其将钢部件供给到第一熔炉110。在该实施方式中，第一熔炉110再次优选地形成为连续炉。此外，热处理装置100包括处理站150，在此实施方式中，其与卸排站131组合。例如，卸排站140可包括夹持装置(未示出)。在卸排站140中，例如借助于夹持装置将钢部件200从第一熔炉110移除。对第二区域或各第二区域220和/或第三区域或各第三区域230进行热处理，并且将钢部件或各钢部件200装载在第二熔炉130中，其以与第一熔炉110的轴线成基本90°布置。在该实施方式中，该第二熔炉130优选地设置为箱室炉，例如包括多个箱室。一旦钢部件200在第二熔炉130中的停留时间t130结束，则钢部件200经由卸排站140从第二熔炉130移除并且放置在集成在压机(未示出)中的相对的模压淬火模具160中。为此目的，卸排站140可包括定位装置(未示出)。关于主流动方向D，容器161在第一熔炉110的轴向方向上布置在卸排站140的下游，在该容器中可以放置废品。在此实施方式中，主流动方向D描述了基本上90°的偏转。在此实施方式中，无需用于处理站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，该实施方式是有利的。在此实施方式中，钢部件200的第一区域或各第一区域210和第三区域或各第三区域230也可以在卸排站140和第二熔炉130之间进行热处理，从而无需固定的处理站150。例如，处理站150可以集成在夹持装置中。卸排站140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。
在此实施方式中，模压淬火模具160和容器161也可以切换位置，如图5所示。在此实施方式中，主流动方向D描述了两个基本上90°的偏转。
如果放置热处理装置的空间受限，则根据图6的热处理装置是有利的：与图4所示的实施方式相比，第二熔炉130被移动到第一熔炉110上方的第二个平面。在此实施方式中，同样可以在卸排站140和第二熔炉130之间处理钢部件200的第一区域或各第一区域210和第三区域或各第三区域230，从而无需固定的处理站150。再次有利的是，第一熔炉110被形成为连续炉，并且第二炉熔130被形成为箱室炉，可能包括多个箱室。
最后，图7是根据本发明的热处理装置的最后实施方式的示意图。与图6所示的实施方式相比，模压淬火模具160和容器161切换了位置。
这里示出的实施方式仅代表本发明的实施例，因此不应被视为限制。本领域技术人员将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
101 装载站
110 第一熔炉
130 第二熔炉
140 卸排站
150 处理站
151 高功率激光器
152 冷却装置
160 模压淬火模具
161 容器
200 钢部件
210 第一区域
220 第二区域
230 第三区域
D 主流动流向
t110 在第一熔炉中的停留时间
t121 钢部件到处理站的转移时间
t122 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
t140 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
t151 在处理站中的加热时间
t152 在处理站中的冷却时间
t160 在模压淬火模具中的停留时间
θs 冷却停止温度
θ3 第一熔炉内的温度
θ4 第二熔炉内的温度
θ200,110 钢部件在第一熔炉内的温度曲线
θ210,151 钢部件的第一区域在处理站中在加热期间的温度曲线
θ220,151 钢部件的第二区域在处理站中的温度曲线
θ220,152 钢部件的第二区域在处理站中的温度曲线
θ230，152 钢部件的第三区域在处理站中在冷却期间的温度曲线
θ210,130 钢部件的第一区域在第二熔炉中的温度曲线
θ220,13 钢部件的第二区域在第二熔炉中的温度曲线
θ230,130 钢部件的第三区域在第二熔炉中的温度曲线
θ200,160 钢部件在模压淬火模具中的温度曲线

Claims (17)

1.一种用于针对性地热处理钢部件(200)的各个区域的方法，其可以在钢部件(200)的一个或多个第一区域(210)中形成主要奥氏体结构，通过淬火可以从该奥氏体结构产生主要马氏体结构，并且其可以在一个或多个第二区域(220)中形成主要铁素体-珠光体结构，其特征在于，还可以在钢部件(200)的一个或多个第三区域(230)中形成主要贝氏体结构，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)，所述部件可以在转移的同时冷却，并且在停留时间t151内，钢部件(200)的一个或多个第一区域(210)和一个或多个第三区域(230)在处理站(150)中被加热到高于AC3温度的温度，然后将钢部件(200)的第三区域或各第三区域(230)冷却到冷却停止温度θs，随后将钢部件(200)转移到第二熔炉(130)，在其中钢部件(200)保持在低于奥氏体化温度的温度，直到在第三区域或各第三区域(230)中已经形成足够的贝氏体结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过热辐射将热量供应到第二熔炉(130)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在处理站(150)中在停留时间t151内，通过高功率激光将钢部件(200)的一个或多个第一区域(210)加热到高于奥氏体化温度的温度。
4.如前述权利要求任一所述的方法，其特征在于，在处理站(150)中在停留时间t151内，通过高功率激光将钢部件(200)的第三区域或各第三区域(230)加热至高于奥氏体化温度的温度。
5.如前述权利要求任一所述的方法，其特征在于，在处理站(150)中，在停留时间t152内，将气态流体吹入钢部件(200)的第三区域或各第三区域(230)中以冷却它们。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气态流体含有水。
7.如前述权利要求任一所述的方法，其特征在于，在处理站(150)中，在停留时间t152内，将钢部件(200)的第三区域或各第三区域(230)与冲床接触以冷却它们，所述冲床具有比第三区域或各第三区域(230)更低的温度。
8.如前述权利要求任一所述的方法，其特征在于，第二熔炉(130)内的温度θ4低于AC3温度。
9.热处理装置(100)，包括用于将钢部件(200)加热到低于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)还包括处理站(150)和第二熔炉(130)，所述处理站(150)包括用于快速加热各第一和第三区域(210,230)的装置和用于快速冷却钢部件(200)的一个或多个第三区域(230)的装置，且第二熔炉(130)包括用于引入热量的装置。
10.如权利要求9的热处理装置(100)，其特征在于，用于快速冷却钢部件(200)的一个或多个第三区域(230)的装置包括用于将气态流体吹入钢部件(200)的第三区域或各第三区域(230)的喷嘴。
11.如权利要求9或权利要求10的热处理装置(100)，其特征在于，用于快速冷却钢部件(200)的一个或多个第三区域(230)的装置包括用于将气态流体吹入钢部件(200)的第三区域或各第三区域(230)的喷嘴，所述气态流体中混合有水。
12.如权利要求9至11任一的热处理装置(100)，其特征在于，用于快速冷却钢部件(200)的一个或多个第三区域(200)的装置包括与钢部件(200)的第三区域或各第三区域(230)接触的冲床。
13.如权利要求12的热处理装置(100)，其特征在于，与钢部件(200)的第三区域或各第三区域(230)接触的冲床的温度是可以控制的。
14.如权利要求9至13任一的热处理装置(100)，其特征在于，所述处理站(150)包括定位装置。
15.如权利要求9至14任一的热处理装置(100)，其特征在于，第二熔炉(130)被加热到基本均匀的温度θ4。
16.如权利要求9至15任一的热处理装置(100)，其特征在于，所述处理站(150)包括热反射器。
17.如权利要求9至16任一的热处理装置(100)，其特征在于，所述处理站(150)包括热绝缘墙。
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