CN116689258A - 兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及汽车制造技术领域，公开了一种兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法，利用在线可控喷涂等技术，在待加热金属板材表面涂覆特定厚度涂层，根据成本控制、加热最高温度以及定制区域加热要求，涂层厚度控制在5‑100μm；通过控制加热过程短波红外加热的功率、辐射加热距离可以进一步调控板材加热的速度；对于有定制区域加热(柔性加热)需求的板材，可以根据加热区域的温度要求合理设计涂层类型、厚度等，从而实现特定区域的特定加热需求，以达到热冲压成形后产品的定制强度的目的。本发明解决了常规加热炉依靠对流热传导方式加热效率低、加热过程非涂层板氧化严重、加热不均匀、加热不可控等问题。
Description
技术领域
本发明属于汽车制造技术领域，具体涉及一种兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法。
背景技术
汽车“轻量化”以及“安全性”的双重需求使得以热冲压成形超高强钢为代表的汽车轻量化产品技术得到了前所未有的关注。而热冲压成形的典型产品——定制强度构件(如图1：定制强度B柱)通过高强度区的抗变形能力以及低强度区的溃缩吸能性来有效保证乘员的安全以及整体构件减重，使其在白车身上的应用比例逐年增加。
目前，利用定制温区坯料实施直接热冲压制备定制强度构件是极具成本优势以及工艺竞争力的技术之一。但基于辊底炉和箱式炉的空气对流加热方式最大问题在于加热效率低而严重制约生产效率：如图2(a)中尺寸为1m×0.3m×1.5mm的B柱坯料在900℃辊底炉内的加热升温曲线所示：由于热传导系数在不同温区的显著差异，导致对流加热方式在室温～600℃区间钢板加热速度较快，超过600℃加热效率显著降低，同时造成坯料加热与热冲压成形节拍(～20s)严重脱节。同时，如图2(b)非涂层板高温氧化形貌图所示，加热过程板材容易产生高温氧化铁皮，热冲压过程影响对模具造成磨损，影响模具使用寿命。
而感应加热和自阻加热方式在加热速度方面具有无可比拟的优势。但是，由于两种方式均是基于导体(金属板坯)内产生的电流，利用焦耳热实现快速升温，导致热成形异形薄板坯的加热均匀性调控始终是其应用的瓶颈问题。如图3(a)所示，纵向磁场下梯形板料沿传送方向(高度方向)温度随板宽变化，图3(c)所示，横向磁场下板材样品不同时间节点的温度场分布，由于磁力线切割产生的感应电流密度沿磁力线轨迹方向分布的显著差异，致使较大宽厚比的薄板材感应加热出现明显温度梯度，如图3(b)纵向磁场下矩形板坯由于感应加热温度场不均匀性导致的板形不良，严重时出现板型缺陷(瓢曲)导致板坯报废。如图4(a)所示，对于金属板材尤其是异形板材，电极端的冷却以及沿不同截面电流密度差异性的双重作用，非均匀截面构件自阻加热过程温度场分布不均匀，如图4(b)、图4(c)所示，热模拟高温拉伸样品平行段各点温度具有一定的差异性，对于异形板材均匀可控加热目前也还远未完善。
如图5所示的热成钢板在特定波段短波红外加热过程的吸收率变化曲线图，红外加热是一种直接辐射加热，且当发射的红外线波长和被加热物体的光谱吸收峰值区域波长一致或相近时，被加热的物体大量吸收红外线，而使物体温度升高以达到加热目的。红外加热对于材料表面特征极为敏感，主要体现在发射率(或反射率)的变化显著影响材料对特定波段红外线的吸收效果，即加热效率。针对热成形钢的红外加热研究发现，随着加热温度的提高，钢板对特定波段红外线的吸收率反馈呈现出递增趋势，正是基于上述特征，本发明提出一种基于吸收率调控的短波红外快速辐射加热技术制备定制温区坯料的工艺思路，为板材柔性定制加热的高效率调控提供全新解决方案。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)板材柔性常规加热炉依靠对流热传导方式加热效率低；
(2)板材柔性常规加热炉加热过程非涂层板氧化严重；
(3)板材柔性感应加热以及自阻加热等快速加热方式加热均匀性严重依赖板形，且区域定制加热不可控。
发明内容
针对现有板材柔性加热存在上述技术问题，本发明提出了一种兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法，利用在线可控喷涂等技术，在待加热金属板材表面涂覆特定厚度涂层，根据成本控制、加热最高温度以及定制区域加热要求，涂层厚度控制在5-100μm；通过控制加热过程短波红外加热的功率、辐射加热距离可以进一步调控板材加热的速度；对于有定制区域加热需求的板材，可以根据加热区域的温度要求合理设计涂层类型、厚度等，从而实现特定区域的特定加热需求，利用不同区域吸收率的调控，或者在不同区域设计不同吸收率涂层来合理设计涂层类型、厚度等，从而有效实施短波红外的定制加热功能，以达到热冲压成形后产品的定制强度的目的。
本发明是这样实现的，一种兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法，包括以下步骤：
步骤一：对不同板厚(如1.6mm、1.8mm、2.5mm)的热冲压成形用硼钢表面进行去油清洗，并烘干；
步骤二：在钢板上下表面根据不同的需求喷涂不同厚度的纳米石墨涂层，并对涂层进行干燥处理，提高附着度；或者是喷涂一种高亮涂料，降低对短波红外线的吸收率；
步骤三：将经过涂层处理的板材在短波红外加热炉内进行加热，并在板材的中心部位以及边缘部位或者是板材的石墨涂层区、两种涂层交界区以及高亮涂层区等部位根据需求分别焊接K型热电偶实施升温监测；
步骤四：以石墨涂层区温度作为目标温度，将加热后的板坯快速转移至平板模具内进行模拟热冲压的保压淬火工艺处理，30s后开模取样，从涂层区检测样品的显微维氏硬度的分布，观察板坯的表面形貌特征。
进一步，所述步骤三中的短波红外加热炉加热功率在30KW。
进一步，所述步骤四的板坯块温度加热到约930℃左右。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明提供的兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法，是利用在线可控喷涂等技术，在待加热金属板材表面涂覆特定厚度涂层，根据成本控制、加热最高温度以及定制区域加热要求，涂层厚度控制在5-100μm；通过控制加热过程短波红外加热的功率、辐射加热距离可以进一步调控板材加热的速度；对于有定制区域加热需求的板材，可以根据加热区域的温度要求合理设计涂层类型、厚度等，从而实现特定区域的特定加热需求，以达到热冲压成形后产品的定制强度的目的。
本发明是通过在金属板材表面涂覆特定厚度纳米石墨涂层，可以在加热全过程保持高的红外吸收率从而提高红外加热效率；此外，加热过程石墨涂层产生自氧化行为，可以避免空气中的氧气与金属基体接触(阻隔氧气)，从而最大程度保证金属板材抗高温氧化能力；在定制区域加热方面，利用不同区域吸收率的调控，或者在不同区域设计不同吸收率涂层，可以有效实施短波红外的定制加热功能，实现柔性加热的目的。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明的关键点在于提供了一种兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法。利用纳米石墨涂层实现高效短波红外加热；利用纳米石墨涂层实现高效短波红外加热的同时能够防止板料高温氧化；基于涂层厚度或者涂层类型调控实现加热路径柔性控制；利用分区涂层调控(或者针对红外加热的吸收率分区调控)实现板坯分区柔性加热。
附图说明
图1是本发明提供的某车型白车身吸能结构设计及定制强度B柱的示意图；
图2(a)是本发明提供的带遮蔽加热工艺下坯料的温升曲线图，(b)是本发明提供的非涂层板高温氧化形貌图；
图3(a)是本发明提供的纵向磁场下梯形板料沿传送方向(高度方向)温度随板宽变化示意图，(b)是本发明提供的纵向磁场下矩形板坯由于感应加热温度场不均匀性导致的板形不良图，(c)是本发明提供的横向磁场下板材样品不同时间节点的温度场分布图；
图4(a)是本发明提供的非均匀截面构件自阻加热过程温度场分布不均匀性典型特征图，(b)是本发明提供的某热模拟高温下拉伸样品平行段各点温度的差异性曲线图，(c)是本发明提供的另一热模拟高温下拉伸样品平行段各点温度的差异性曲线图；
图5是本发明提供的热成钢板在特定波段短波红外加热过程的吸收率变化曲线图；
图6是本发明实施例提供的纳米石墨涂层辅助短波红外加热高效吸收及阻氧机理示意图；
图7本发明实施例提供的兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法流程图；
图8是本发明实施例提供的纳米石墨涂层辅助短波红外加热下板坯升温曲线及板坯表面形貌对比图；
图9是本发明实施例提供的辐射加热功率的调控后加热升温路径的曲线图；
图10是本发明实施例提供的改变板材区域涂层吸收率实现区域定制加热及热压淬火后的硬度分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
本发明实施例适用的金属材料不局限于热成形用硼钢，同样适用于不锈钢，钛合金，铝合金等其它金属材料。
如图6、所示的纳米石墨涂层辅助短波红外加热高效吸收及阻氧机理示意图，本发明实施例提供的兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法，是通过在金属板材表面涂覆特定厚度纳米石墨涂层，可以在加热全过程保持高的红外吸收率从而提高红外加热效率；此外，加热过程石墨涂层产生自氧化行为，可以避免空气中的氧气与金属基体接触(阻隔氧气)，从而最大程度保证金属板材抗高温氧化能力；在定制区域加热方面，利用不同区域吸收率的调控，或者在不同区域设计不同吸收率涂层，可以有效实施短波红外的定制加热功能，实现柔性加热的目的。
如图7所示，本发明实施例提供的加热效率提升同时兼具抗氧化能力的工艺实例：
(1)首先对热冲压成形用硼钢(板厚1.8mm)进行去油清洗，烘干；
(2)在钢板上下表面喷涂约50μm厚的纳米石墨涂层并对涂层进行干燥处理，提高附着度；
(3)将经过涂层处理的板材在短波红外加热炉内(加热功率约30KW)进行加热，在板材的中心部位以及边缘部位分别焊接K型热电偶实施升温监测；
(4)将加热到温(～930℃)的板坯快速转移至平板模具内进行模拟热冲压的保压淬火工艺处理，30s后开模取样，观察板坯的表面形貌特征。
如图8所示的纳米石墨涂层辅助短波红外加热下板坯升温曲线及板坯表面形貌对比图，左侧曲线即板坯在短波红外加热过程中温度监测曲线，整板加热均匀性良好，且加热速度接近20℃/s，远高于常规对流热传导的加热方式。右侧上下两图分别给出的是无涂层红外加热及带涂层红外加热及保压淬火后样品的表面氧化形貌，可见添加涂层对于提高板坯抗高温氧化的性能是突出的。
本发明实施例提供的通过改变涂层厚度以改变板料升温路径的工艺实例：
(1)首先对热冲压成形用硼钢(板厚2.5mm)进行去油清洗，烘干；
(2)在两块钢板的表面分别喷涂约50μm以及10μm厚的纳米石墨涂层并对涂层进行干燥处理，提高附着度；
(3)将经过涂层处理的板材在短波红外加热炉内(加热功率约30KW)进行加热，在板材的中心部位以及边缘部位分别焊接K型热电偶实施升温监测；
如图9所示的辐射加热功率的调控后加热升温路径的曲线图，整体上板料厚度的增加需要更长的加热时间。但是不同涂层厚度的板料升温曲线(A、B曲线为50μm厚度涂层，C、D为10μm厚度涂层)反映出，通过改变涂层厚度，很明显能够改变板料加热过程的升温路径。且升温曲线A、B的拐点出现的主要原因在于涂层氧化消耗的动力学。
本发明实施例提供的通过调控板料不同区域的涂层吸收率实现分区柔性加热的工艺实例：
(1)首先对热冲压成形用硼钢(板厚1.6mm)进行去油清洗，烘干；
(2)在同一钢板上，一半面积上表面喷涂约50μm厚的纳米石墨涂层并对涂层进行干燥处理，提高附着度；另一半面积上喷涂一种高亮涂料，降低对短波红外线的吸收率(涂料的选择根据该区域板料最终加热的目标温度来匹配，以选择合适的吸收率为目的)；
(3)将经过分区涂层处理的板材在短波红外加热炉内(加热功率约30KW)进行加热，在板材的石墨涂层区、两种涂层交界区以及高亮涂层区分别焊接K型热电偶实施特定区域的升温监测；
(4)以石墨涂层区温度作为目标温度，待该区温度达到～930℃后，将板坯快速转移至平板模具内进行模拟热冲压的保压淬火工艺处理，30s后开模取样，从高亮涂层区中至石墨涂层区中心检测样品的显微维氏硬度的分布(每隔5mm选择一个测试点)。
如图10所示的改变板材区域涂层吸收率实现区域定制加热及热压淬火后的硬度分布图，高亮涂层区的维氏硬度值维持在～160℃，显示出较低的强度水平，说明该区域在加热完毕保压淬火前的温度较低并没有达到完全奥氏体化的温度水平；而相反，在石墨涂层区域维氏硬度达到了～520℃的水平，说明该区域的强度超高，原因在于该区域的加热温度较高，在保压淬火中获得了全部的马氏体组织。同时，从图中也可以观察到，温度过渡区很窄，约10mm，体现出这一工艺对于实现板坯分区柔性加热的效果显著。二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
本发明的关键点在于提供了一种兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法。利用纳米石墨涂层实现高效短波红外加热；利用纳米石墨涂层实现高效短波红外加热的同时能够防止板料高温氧化；基于涂层厚度或者涂层类型调控实现加热路径柔性控制；利用分区涂层调控(或者针对红外加热的吸收率分区调控)实现板坯分区柔性加热。三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
如图7所示，本发明实施例提供的加热效率提升同时兼具抗氧化能力的工艺实例：
(1)首先对热冲压成形用硼钢(板厚1.8mm)进行去油清洗，烘干；
(2)在钢板上下表面喷涂约50μm厚的纳米石墨涂层并对涂层进行干燥处理，提高附着度；
(3)将经过涂层处理的板材在短波红外加热炉内(加热功率约30KW)进行加热，在板材的中心部位以及边缘部位分别焊接K型热电偶实施升温监测；
(4)将加热到温(～930℃)的板坯快速转移至平板模具内进行模拟热冲压的保压淬火工艺处理，30s后开模取样，观察板坯的表面形貌特征。
如图8所示的纳米石墨涂层辅助短波红外加热下板坯升温曲线及板坯表面形貌对比图，左侧曲线即板坯在短波红外加热过程中温度监测曲线，整板加热均匀性良好，且加热速度接近20℃/s，远高于常规对流热传导的加热方式。右侧上下两图分别给出的是无涂层红外加热及带涂层红外加热及保压淬火后样品的表面氧化形貌，可见添加涂层对于提高板坯抗高温氧化的性能是突出的。
本发明实施例提供的通过改变涂层厚度以改变板料升温路径的工艺实例：
(1)首先对热冲压成形用硼钢(板厚2.5mm)进行去油清洗，烘干；
(2)在两块钢板的表面分别喷涂约50μm以及10μm厚的纳米石墨涂层并对涂层进行干燥处理，提高附着度；
(3)将经过涂层处理的板材在短波红外加热炉内(加热功率约30KW)进行加热，在板材的中心部位以及边缘部位分别焊接K型热电偶实施升温监测；
如图9所示的辐射加热功率的调控后加热升温路径的曲线图，整体上板料厚度的增加需要更长的加热时间。但是不同涂层厚度的板料升温曲线(A、B曲线为50μm厚度涂层，C、D为10μm厚度涂层)反映出，通过改变涂层厚度，很明显能够改变板料加热过程的升温路径。且升温曲线A、B的拐点出现的主要原因在于涂层氧化消耗的动力学。
本发明实施例提供的通过调控板料不同区域的涂层吸收率实现分区柔性加热的工艺实例：
(1)首先对热冲压成形用硼钢(板厚1.6mm)进行去油清洗，烘干；
(2)在同一钢板上，一半面积上表面喷涂约50μm厚的纳米石墨涂层并对涂层进行干燥处理，提高附着度；另一半面积上喷涂一种高亮涂料，降低对短波红外线的吸收率(涂料的选择根据该区域板料最终加热的目标温度来匹配，以选择合适的吸收率为目的)；
(3)将经过分区涂层处理的板材在短波红外加热炉内(加热功率约30KW)进行加热，在板材的石墨涂层区、两种涂层交界区以及高亮涂层区分别焊接K型热电偶实施特定区域的升温监测；
(4)以石墨涂层区温度作为目标温度，待该区温度达到～930℃后，将板坯快速转移至平板模具内进行模拟热冲压的保压淬火工艺处理，30s后开模取样，从高亮涂层区中至石墨涂层区中心检测样品的显微维氏硬度的分布(每隔5mm选择一个测试点)。
如图10所示的改变板材区域涂层吸收率实现区域定制加热及热压淬火后的硬度分布图，高亮涂层区的维氏硬度值维持在～160℃，显示出较低的强度水平，说明该区域在加热完毕保压淬火前的温度较低并没有达到完全奥氏体化的温度水平；而相反，在石墨涂层区域维氏硬度达到了～520℃的水平，说明该区域的强度超高，原因在于该区域的加热温度较高，在保压淬火中获得了全部的马氏体组织。同时，从图中也可以观察到，温度过渡区很窄，约10mm，体现出这一工艺对于实现板坯分区柔性加热的效果显著。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法，其特征在于，利用在线可控喷涂技术在待加热金属板材表面涂覆特定厚度涂层，根据成本控制、加热最高温度以及定制区域加热要求，涂层厚度控制在5-100μm；通过控制加热过程短波红外加热的功率、辐射加热距离可以进一步调控板材加热的速度；对于有定制区域加热需求的板材，可以根据加热区域的温度要求，利用不同区域吸收率的调控，或者在不同区域设计不同吸收率涂层来合理设计涂层类型、厚度，实施短波红外的定制加热功能，实现特定区域的特定加热需求，以达到热冲压成形后产品的定制强度的目的。
2.如权利要求1所述的兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对不同板厚的热冲压成形用硼钢表面进行去油清洗，并烘干；
步骤二：在钢板上下表面根据不同的需求喷涂不同厚度的纳米石墨涂层，并对涂层进行干燥处理；
步骤三：将经过涂层处理的板材在短波红外加热炉内进行加热；
步骤四：以石墨涂层区温度作为目标温度，将加热后的板坯快速转移至平板模具内进行模拟热冲压的保压淬火工艺处理，30s后开模取样，从涂层区检测样品的显微维氏硬度的分布，观察板坯的表面形貌特征。
3.如权利要求2所述的兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法，其特征在于，步骤二：在钢板上下表面根据不同的需求喷涂不同厚度的纳米石墨涂层，并对涂层进行干燥处理，提高附着度；或者是喷涂一种高亮涂料，降低对短波红外线的吸收率。
4.如权利要求2所述的兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法，其特征在于，步骤三：将经过涂层处理的板材在短波红外加热炉内进行加热，并在板材的中心部位以及边缘部位或者是板材的石墨涂层区、两种涂层交界区以及高亮涂层区根据需求分别焊接K型热电偶实施升温监测。
5.如权利要求2所述的兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法，其特征在于，所述步骤三中的短波红外加热炉加热功率在30KW。
6.如权利要求2所述的兼具高加热效率且同步抗氧化的短波红外柔性加热方法，其特征在于，所述步骤四的板坯块目标温度加热到约930℃左右。
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