CN110129527A - 用于钢件热冲压的混合淬火工艺 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“用于钢件热冲压的混合淬火工艺”。提供了一种对可模压硬化钢进行淬火的方法。所述方法包括对在冲压模具内冲压的部件进行模具淬火的初始步骤，随后在所述模具淬火初始步骤后进行部分淬火。在各种方法中，所述可模压硬化钢是36MnB5级钢和/或所述模具淬火初始步骤在被配置用于36MnB5级钢的模具中在约200℃±10℃的温度下进行。至少一种方法还包括打开所述模具，随后进行所述部分淬火，所述部分淬火包括将冷却液喷射到所述部件上以将所述部件的温度降低到约130℃±10℃以下，且可选择地进行喷射以将所述部件的所述温度降低到约100℃±10℃以下。

Description

用于钢件热冲压的混合淬火工艺
技术领域
本公开涉及高强度可模压硬化钢(PHS)以及用PHS制造部件的方法。
背景技术
本部分中的说明仅提供与本公开相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。
在满足各种强度和安全要求的同时，减少车辆结构重量的需求日益增加，从而导致车辆团队研究高强度钢。一类高强度钢是硼基钢，其中具有Al-Si涂层的22MnB5级钢(来自Arcelor Mittal的1500商品名)为行业领先的硼基钢。22MnB5级钢在热处理后的典型材料性能为～1200MPa的屈服强度和～1500MPa的极限拉伸强度。
22MnB5级钢是可模压硬化钢(PHS)。模压硬化工艺是一种热冲压工艺，其允许高强度钢成形为复杂的形状，这对于常规的冷冲压操作来说是不可行的(或成本过高的)。模压硬化有两个主要工艺：直接模压硬化和间接模压硬化。
在直接模压硬化期间，将未成形的坯料在炉中进行加热，在热状态下成形且在模具中进行淬火以实现所需的机械性能。在间接模压硬化期间，将未成形的坯料在冷状态下成形、修整和刺穿，将成形的坯料随后进行加热并在模具中进行淬火以获得高强度性能。直接或间接模压硬化的选择取决于部件的复杂性和坯料的涂层(锌基涂层通常采用间接工艺)。在任一种方法中，将坯料成形为更加柔软和可成形的状态且随后在模具中进行硬化。高强度钢具有低于较低等级的可成形性。此外，高强度钢具有更高的回弹和模具磨损问题，这是因为成形应力和接触压力更高。
新等级的PHS是36MnB5级钢(来自Arcelor Mittal的2000)，这是一种硼基钢且具有进一步减轻热冲压部件的重量的潜力。36MnB5级钢具有在热处理后实现大于1400MPa屈服强度和大于2000MPa极限拉伸强度的材料性能的潜力。36MnB5级钢比22MnB5级钢要求显著更低的部件提取温度，以实现目标机械性能，从而导致模具淬火时间比22MnB5级钢增加了1.5-5秒。22MnB5级钢和36MnB5级钢之间的模具淬火时间增加5秒导致加工成本至少增加10％。迄今为止，对于用36MnB5级钢来以小、中或大量生产替换22MnB5而言，淬火时间增加大于或等于1秒已被认为是成本过高的。
此外，36MnB5级钢对冷却型材的变化比22MnB5级钢更加敏感，从而导致更高的质量控制成本。36MnB5级钢的加工可能涉及由改进的冷却系统、模具导热率、接触压力和工艺控制导致的额外成本。至少出于这些原因，36MnB5级钢尚未完全集成到车辆结构中。
本公开解决了与可模压硬化钢相关的这些问题和其它问题。
发明内容
在本公开的一个形式中，提供了一种用于对可模压硬化钢(PHS)进行淬火的方法。所述方法包括对在冲压模具内冲压的部件进行模具淬火的初始步骤，随后在所述模具淬火初始步骤后进行部分淬火。
在本公开的另一种方法中，所述PHS具有按重量百分比(重量％)包含以下的组成：大于零且高达1.4重量％的锰；大于零且高达0.7重量％的硅；大于零且高达0.37重量％的碳；和大于零且高达0.005重量％的硼。
在本公开的至少一种方法中，所述模具淬火初始步骤在被配置用于PHS的模具中进行，所述PHS包含：大于零且高达1.4重量％的锰；大于零且高达0.4重量％的硅；大于零且高达0.25重量％的碳；和大于零且高达0.005重量％的硼。在本公开的各种方法中，所述模具淬火初始步骤在约200℃±10℃的温度下进行。
本公开的又一种方法还包括打开所述模具，随后进行所述部分淬火，且所述部分淬火包括将冷却液喷射到所述部件上以将所述部件的温度降低到约130℃±10℃以下。在本公开的一种方法中，所述喷射将所述部件的所述温度降低到约100℃±10℃以下。在本公开的方法中，所述冷却液选自由氯氟烃(CFC)、二酯、酯、乙二醇、聚乙二醇、合成流体、半合成流体、水、水和盐的组合、水和油的组合及它们的组合组成的组。
还根据本公开的各种方法制造了一种部件。
本公开的另一种方法还包括打开所述模具并将所述部件转移到冷却器，其中所述部分淬火包括在所述冷却器中冷却所述部件以将所述部件的温度降低到约130℃±10℃以下，且随后将所述部件转移到机架或其它容纳或库存装置。
在本公开的又一种方法中，在所述冷却器中的所述冷却将所述部件的所述温度降低到约100℃±10℃以下。
在本公开的一种冷却器中，所述冷却器包括流动和过滤系统。在本公开的另一种冷却器中，在所述部分淬火期间，所述部件在所述冷却器内是竖直取向的。在本公开的至少一种冷却器中，所述冷却器包括选自由氯氟烃(CFC)、二酯、酯、乙二醇、聚乙二醇、合成流体、半合成流体、水、水和盐的组合、水和油的组合及它们的组合组成的组的冷却液。在又一种冷却器中，搅动所述冷却液。在本公开的至少一个冷却器中，所述部件的较厚部分在所述部件的其它较薄部分之前进入所述冷却器中。
在本公开的另一种形式中，提供了一种用于对可模压硬化钢(PHS)进行淬火的方法。所述方法包括对在模具内的部件进行模具淬火的初始步骤，随后在所述模具淬火初始步骤后进行部分淬火，其中在所述模具淬火初始步骤前没有预淬火步骤。
在本公开的一种方法中，所述部分淬火是将冷却液喷射到所述部件上和在冷却器中冷却所述部件以将所述部件的温度降低到约130℃±10℃以下中的一项。
在本公开的又一种形式中，提供了一种对可模压硬化钢(PHS)进行淬火的方法，其中使所述可模压硬化钢在冲压模具内被冲压成部件之后达到约200℃±10℃的温度。所述方法包括对所述部件进行模具淬火的初始步骤，随后在所述模具淬火初始步骤后进行部分淬火。
另外的应用领域将根据本文提供的描述显而易见。应理解，描述和特定示例意图仅出于说明的目的，而不意图限制本公开的范围。
附图说明
为了可以很好地理解本公开，现在将参考附图通过示例的方式描述其各种形式，在附图中：
图1示出了36MnB5级钢的强度和部件提取温度之间的关系；
图2示出了22MnB5级钢和36MnB5级钢的冷却速率与坯料厚度之间的关系；
图3示出了22MnB5级钢和36MnB5级钢的冷却速率与模具温度之间的关系；
图4示出了1.5mm 36MnB5级钢坯料从约830℃冷却到约200℃的坯料温度和时间之间的关系；
图5示出了1.5mm 36MnB5级钢坯料从约830℃冷却到约200℃的冷却速率和时间之间的关系；
图6示出了1.5mm 36MnB5级钢坯料从约830℃冷却到约100℃的坯料温度和时间之间的关系；
图7示出了1.5mm 36MnB5级钢坯从约830℃冷却到约100℃的冷却速率和时间之间的关系；
图8是根据本公开的教导的在没有预淬火的情况下对可模压硬化钢进行淬火的方法的流程图；
图9是根据本公开的教导的对可模压硬化钢进行淬火的方法的流程图；以及
图10是根据本公开的教导的对达到约200℃的温度的可模压硬化钢进行淬火的方法的流程图。
本文所述的附图仅出于说明的目的，而不意图以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并且决不意图对本公开、其应用或用途进行限制。应理解，贯穿各附图，对应的附图标记指示相似或对应的部件和特征。
通常，为了解决与使用被设计用于22MnB5级PHS的制造设备时使可模压硬化钢(PHS)成形相关的问题，本公开在冲压操作期间将36MnB5PHS部分地淬火至小于或等于约200℃±10℃。
在36MnB5钢的模压硬化方面的这种改进是出乎意料的，这是因为没有迹象表明额外的(补充的)淬火加工步骤将是有益的和具有成本效益的。这是因为工业商业化的努力正使用为36MnB5钢定制的新制造设备，因为36MnB5钢对冷却型材的变化比22MnB5级钢更加敏感。
发明人发现，在22MnB5级钢和36MnB5级钢的生产条件之间，36MnB5级钢的模具淬火时间将显著地高于22MnB5级钢。发明人还发现，36MnB5级钢的屈服强度(YS)和极限拉伸强度(UTS)将低于使用现有生产设备/加工的规格。这反映在下面的表1中：
样本 YS(MPa) UTS(MPa) ％EL
22MnB5PHS#112 1013 1456 18
22MnB5PHS#114 1050 1468 17
平均值 1031.5 1462 17.5
36MnB5PHS#109 1247 1824 12
36MnB5PHS#110 1235 1821 15
平均值 1241 1822.5 13.5
规格 ≥1400 ≥1800 ≥4
表1：约210℃的部件提取温度下在22MnB5级钢的生产路径上的22MnB5级钢和36MnB5级钢模拟模压硬化
如图所示，针对YS和UTS的22MnB5级钢性能在针对约200℃的典型生产部件提取温度的规格内。然而，用22MnB5级钢典型生产部件提取温度加工的36MnB5级钢的屈服强度低于为大于或等于1400MPa的36MnB5屈服强度的规格。
参考图1，如本发明人所发现的，示出了用22MnB5级钢热冲压工具作业和程序加工的36MnB5级钢的强度和部件提取温度之间的关系。如图所示，相对于在约75-200℃的范围内的部件提取温度而言，36MnB5级钢的拉伸强度(TS)相对恒定(≤75MPa)。然而，36MnB5级钢的屈服强度变化约300MPa，且因此取决于在约75-200℃的范围内的部件提取温度。36MnB5级钢的期望屈服强度大于1400MPa，这表明当部件提取温度低于约130℃时，使得能够生产36MnB5级钢。
参见图2-3，如本发明人所发现的，绘制了要达到22MnB5级钢和36MnB5级钢的目标温度的相关于坯料厚度(图2)和模具稳态温度(图3)的差异。发明人发现，对于36MnB5级钢与22MnB5级钢而言，要达到目标提取温度的时间差异变化1.5-5秒。这些结果表明，36MnB5级钢的机械性能对冷却系统(淬火技术和工艺)的变化比22MnB5级钢更加敏感。
根据本公开，减少36MnB5级钢淬火时间的一种方法是减少时间-温度-转变(TTT)关系并因此减少对36MnB5级钢进行淬火的时间。许多分析和测试产生下面表2的加工参数和图4至图7所示的关系。
表2：36MnB5级钢时间-温度-转变淬火参数
模具接触压力是模具和钢之间的压力，且至冷却通道的距离为冷却通道的中心至模具接触表面的距离。此外，随着模具导热率的增加，模具的耐磨性降低，因此可能需要耐磨的涂层和/或模具的表面硬化。
在一种形式中，本公开提供了一种方法，其中在热坯料已成形之后打开铸模或模具。更具体地，当成形的坯料或部件处于成形的坯料的马氏体开始温度和马氏体终止温度之间的温度下时，打开铸模或模具。将冷却液或冷却介质喷射到开式模具中至成形的坯料上以将温度降低到小于或等于100℃。冷却液可以作为雾、浆液、粉末或其组合进行施加。冷却液可包括氯氟烃(CFC)、二酯、酯、乙二醇、聚乙二醇、合成流体、半合成流体、水、水和盐的组合、水和油的组合、它们的组合以及用于控制和修改成形的坯料或模具表面的冷却速率的任何其它类型的冷却剂混合物。在一种形式中，风扇能够对成形的坯料和模具进行对流冷却，且移动冷却液。
在本公开的另一种形式中，将成形的坯料转移到冷却器或冷却系统。冷却器或冷却系统将部件冷却至小于或等于100℃(“目标温度”)。然后将冷却的成形坯料转移到机架。冷却器或冷却系统包括用于维持目标温度的流动系统和用于减少冷却剂中的污染物的过滤系统。
发明人已经发现，不同的冷却液、冷却流体和冷却介质对冷却或淬火部件的特性具有不同的影响。一些冷却介质使冷却部件扭曲、破裂或以其它方式降低冷却部件的性能(例如，机械或美学的)。将冷却液混合在一起通常减缓了冷却部件的性能的降低。作为一个示例，水可能会过快地冷却部件，从而导致裂缝或扭曲。通过将氯氟烃(CFC)、二酯、酯、乙二醇、聚乙二醇、合成流体、半合成流体、盐(高达20％)、油及其组合(例如，合成流体通常稀释3-10％)，或提高冷却速率的另一种材料添加至水中，可以抑制由于淬火导致的裂缝或扭曲。减缓淬火性能降低的其它方法包括：
·加热冷却液；
·冷却加热液；
·竖直冷却长部件；
·在边缘上冷却扁平部件；
·首先或优先冷却厚的部分；以及
·搅动冷却液以减少冷却液的蒸发(例如，蒸汽)。
本公开提供了制造方法，其在与22MnB5级PHS和22MnB5级钢加工和制造设备大致相同的循环时间内生产36MnB5或等效级的PHS。
更具体地且参考图8，提供了一种对可模压硬化钢(PHS)进行淬火的方法100。方法100包括对在模具内的部件进行模具淬火的初始步骤，随后在模具淬火初始步骤后进行部分淬火，其中在模具淬火初始步骤前没有预淬火步骤。简而言之，在工艺中遇到的对部件或坯料的第一次淬火是在模具内对部件进行模具淬火初始步骤。换句话说，所述方法使PHS达到升高的温度，且在将PHS置于模具中104之前不预先对PHS进行淬火102。在进行初始模具淬火(所述方法中的第一次淬火)后，将加热的PHS冲压成部件106。在初始淬火和冲压之后，对PHS部件进行部分淬火108。
在这个方法的变型中，部分淬火是将冷却液喷射到部件上和在冷却器中冷却部件以将部件的温度降低到约130℃±10℃(“目标温度”)以下中的一项。
现在参考图9，根据本公开的教导提供了另一种用于对可模压硬化钢(PHS)进行淬火的方法120。方法120使PHS达到升高的温度，将PHS置于模具中122，且包括对在冲压模具内冲压的PHS部件进行模具淬火的初始步骤124，随后在模具淬火初始步骤之后进行部分淬火126。
在本公开的另一种方法中，PHS具有按重量百分比(重量％)包含以下的组成：大于零且高达1.4重量％的锰；大于零且高达0.7重量％的硅；大于零且高达0.37重量％的碳；和大于零且高达0.005重量％的硼，如下面表3中所示。
表3
在本公开的至少一种方法中，所述模具淬火初始步骤在被配置用于PHS的模具中进行，所述PHS包含：大于零且高达1.4重量％的锰；大于零且高达0.4重量％的硅；大于零且高达0.25重量％的碳；和大于零且高达0.005重量％的硼，如在下面表4中所示。
表4
在本公开的各种方法中，所述模具淬火初始步骤在约200℃±10℃的温度下进行。
本公开的又一种方法包括打开模具，随后进行部分淬火，且部分淬火包括将冷却液喷射到部件上以将部件的温度降低到约130℃±10℃以下。在所述方法的变型中，喷射将部件的温度降低到约100℃±10℃以下。冷却液选自由氯氟烃(CFC)、二酯、酯、乙二醇、聚乙二醇、合成流体、半合成流体、水、水和盐的组合、水和油的组合及它们的组合组成的组。
根据本公开的另一种方法包括打开模具并将部件转移到冷却器，其中部分淬火包括在冷却器中冷却部件以将部件的温度降低到约130℃±10℃以下；且随后将部件转移到机架或其它容纳或库存装置。在所述方法的变型中，在冷却器中的冷却将部件的温度降低到约100℃±10℃以下。
在形式上，冷却器包括流动和过滤系统。在另一种形式中，在部分淬火期间，部件在冷却器内是竖直取向的。在又一种形式中，冷却器包括选自由氯氟烃(CFC)、二酯、酯、乙二醇、聚乙二醇、合成流体、半合成流体、水、水和盐的组合、水和油的组合及它们的组合组成的组的冷却液。在又一种形式中，搅动冷却液。在另一种形式中，部件的较厚部分在部件的其它较薄部分之前进入冷却器中。还可以提供流动和过滤系统。
参考图10，以附图标记140示出了根据本公开的另一种方法。所述方法140包括对可模压硬化钢(PHS)进行淬火的方法，其中使所述可模压硬化钢在冲压模具内被冲压成部件之后达到约200℃±10℃的温度。所述方法包括对所述部件进行模具淬火的初始步骤，随后在所述模具淬火初始步骤后进行部分淬火。通常，将PHS置于模具中142，且将PHS冲压成部件144。然后，部件的初始模具淬火146使部件达到约200℃148，随后对部件进行部分淬火150。
另外，可以根据本公开的教导使各种部件成形。
在整个申请中，关于工艺或可测量的变量(温度、组成、时间等)，“近似”、“约”、和类似的表达表明所述值在如由工业和机器能力的常规实践所确定的制造公差和可变性内。
本公开的描述本质上仅是示例性的，因此，不脱离本公开的实质的变型意图落入本公开的范围内。不应将此类变化视为脱离本公开的精神和范围。
根据本发明，一种方法包括对可模压硬化钢(PHS)进行淬火，所述方法包括对在冲压模具内冲压的部件进行模具淬火的初始步骤，随后在所述模具淬火初始步骤后进行部分淬火。
根据一个实施例，所述PHS具有包含以下的组成：大于零且高达1.4重量％的锰、大于零且高达0.7重量％的硅、大于零且高达0.37重量％的碳、和大于零且高达0.005重量％的硼。
根据一个实施例，其中所述模具淬火初始步骤在被配置用于PHS的模具中进行，所述PHS包含：大于零且高达1.4重量％的锰、大于零且高达0.4重量％的硅、大于零且高达0.25重量％的碳和大于零且高达0.005重量％的硼，其中所述模具淬火初始步骤在约200℃±10℃的温度下进行。
根据一个实施例，本发明的特征还在于打开所述模具，随后进行所述部分淬火，所述部分淬火包括将冷却液喷射到所述部件上以将所述部件的温度降低到约130℃±10℃以下。
根据一个实施例，所述喷射将所述部件的所述温度降低到约100℃±10℃以下。
根据一个实施例，所述冷却液选自由水；氯氟烃(CFC)、二酯、酯、乙二醇、聚乙二醇、合成流体、半合成流体、水的组合；水和盐的组合；水和油的组合及它们的组合组成的组。
根据一个实施例，本发明的特征还在于根据上述方法制造的部件。
根据一个实施例，本发明的特征还在于打开所述模具并将所述部件转移到冷却器，其中所述部分淬火包括在所述冷却器中冷却所述部件以将所述部件的温度降低到约130℃±10℃以下并将所述部件转移到机架。
根据一个实施例，在所述冷却器中的所述冷却将所述部件的所述温度降低到约100℃±10℃以下。
根据一个实施例，所述冷却器包括流动和过滤系统。
根据一个实施例，在所述部分淬火期间，所述部件在所述冷却器内是竖直取向的。
根据一个实施例，所述冷却器包括选自由氯氟烃(CFC)、二酯、酯、乙二醇、聚乙二醇、合成流体、半合成流体、水、水和盐的组合、水和油的组合及它们的组合组成的组的冷却液。
根据一个实施例，搅动所述冷却液。
根据一个实施例，所述部件的较厚部分在所述部件的其它较薄部分之前进入所述冷却器中。
根据本发明，一种方法包括对可模压硬化钢(PHS)进行淬火，所述方法包括对在模具内的部件进行模具淬火的初始步骤，随后在所述模具淬火初始步骤后进行部分淬火，其中在所述模具淬火初始步骤前没有预淬火步骤。
根据一个实施例，所述PHS具有包含以下的组成：大于零且高达1.4重量％的锰、大于零且高达0.7重量％的硅、大于零且高达0.37重量％的碳、和大于零且高达0.005重量％的硼。
根据一个实施例，所述部分淬火是将冷却液喷射到所述部件上和在冷却器中冷却所述部件以将所述部件的温度降低到约130℃±10℃以下中的一项。
根据本发明，一种方法包括对可模压硬化钢(PHS)进行淬火，其中使所述可模压硬化钢在冲压模具内被冲压成部件之后达到约200℃±10℃的温度，所述方法包括对所述部件进行模具淬火的初始步骤，随后在所述模具淬火初始步骤后进行部分淬火。
根据一个实施例，所述PHS具有包含以下的组成：大于零且高达1.4重量％的锰、大于零且高达0.7重量％的硅、大于零且高达0.37重量％的碳、和大于零且高达0.005重量％的硼。
根据一个实施例，所述部分淬火是将冷却液喷射到所述部件上和在冷却器中冷却所述部件以将所述部件的温度降低到约130℃±10℃以下中的一项。

Claims (15)

1.一种对可模压硬化钢(PHS)进行淬火的方法，其包括对在冲压模具内冲压的部件进行模具淬火的初始步骤，随后在所述模具淬火初始步骤后进行部分淬火。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述PHS具有包含以下的组成：
大于零且高达1.4重量％的锰；
大于零且高达0.7重量％的硅；
大于零且高达0.37重量％的碳；和
大于零且高达0.005重量％的硼。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述模具淬火初始步骤在被配置用于PHS的模具中进行，所述PHS包含：
大于零且高达1.4重量％的锰；
大于零且高达0.4重量％的硅；
大于零且高达0.25重量％的碳；和
大于零且高达0.005重量％的硼，
其中所述模具淬火初始步骤在约200℃±10℃的温度下进行。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其还包括打开所述模具，随后进行所述部分淬火，所述部分淬火包括将冷却液喷射到所述部件上以将所述部件的温度降低到约130℃±10℃以下。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述喷射将所述部件的所述温度降低到约100℃±10℃以下。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述冷却液选自由水；氯氟烃(CFC)、二酯、酯、乙二醇、聚乙二醇、合成流体、半合成流体、水的组合；水和盐的组合；水和油的组合及它们的组合组成的组。
7.一种根据权利要求1或2所述的方法制造的部件。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其还包括：
打开所述模具并将所述部件转移到冷却器，
其中所述部分淬火包括在所述冷却器中冷却所述部件以将所述部件的温度降低到约130℃±10℃以下；以及
将所述部件转移到机架。
9.根据权利要求8所述的方法，其中在所述冷却器中的所述冷却将所述部件的所述温度降低到约100℃±10℃以下。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述冷却器包括流动和过滤系统。
11.根据权利要求8所述的方法，其中在所述部分淬火期间，所述部件在所述冷却器内是竖直取向的。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述冷却器包括选自由氯氟烃(CFC)、二酯、酯、乙二醇、聚乙二醇、合成流体、半合成流体、水、水和盐的组合、水和油的组合及它们的组合组成的组的冷却液。
13.根据权利要求12所述的方法，其中搅动所述冷却液。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述部件的较厚部分在所述部件的其它较薄部分之前进入所述冷却器中。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述模具淬火初始步骤前没有预淬火步骤。
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