CZ2010939A3 - Zpusob k tvárení za tepla a kalení výstrižku - Google Patents

Abstract

Výstrižek (5) oddelený z pásu kalitelné oceli (3) tvárené za tepla se v pruchozí peci (7) ohrívá na homogenní teplotu menší než horní bod AC.sub.3.n. premeny v diagramu železo-uhlík. Následne se výstrižek (5) pomocí kondukcní ohrívací stanice (8) v oblasti (9) prvního typu privádí na teplotu nad bodem AC.sub.3.n. a potom se v za tepla tvárecím a kálícím nástroji (11) v oblasti prvního typu (9) kalí. Tím se vytvárí tvárená soucást z oceli s minimálne dvema oblastmi se strukturou o rozdílné tažnosti. Tímto zpusobem se mohou v bežné lince (1) k tvárení za tepla vyrábet cástecne kalené soucásti.

Description

ZPŮSOB K TVÁŘENÍ ZA TEPLA A KALENÍ VÝSTŘIŽKU

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu k tvářeni za tepla a kalení rovného nebo předtvářeného ocelového výstřižku s minimálně dvěma oblastmi se strukturou o různé tažnosti podle znaků v úvodní části nároků 1 a 2.

Dosavadní stav techniky

V automobilovém průmyslu se více a více používají součásti vozidel z pevné a vysokopevnostní oceli, aby se vyhovělo kritériím lehké konstrukce. Toto platí zejména pro konstrukci karosérií, kde se mezi jinými nosné a bezpečnostní díly konstrukce, jako výztuhy dveří proti bočnímu nárazu, A- a B- sloupky, nárazníky nebo podélné a příčné nosníky, stále častěji k dosažení hmotnostních cílů a bezpečnostních požadavků vyrábějí z oceli, za tepla tvářené a kalené lisováním, s pevnostmi v tahu > 1.000 MPa.

Z DE 24 52 486 C2 je znám způsob k tváření a kalení ocelového plechu s malou tloušťkou materiálu a dobrou rozměrovou stálostí, u kterého se plech z oceli legované borem ohřívá na teplotu nad horním bodem přeměny AC₃ v diagramu železo-uhlík (v dalším nazýván diagram Fe-C) a potom se v méně než 5 vteřinách lisuje do konečného tvaru mezi dvěma nepřímo chlazenými nástroji při podstatné změně tvaru, jakož se i při setrvání v lisu podrobuje rychlému

-2chlazení tak, že se dosahuje martenzitické a/nebo bainitické struktury. Na základě těchto opatřeni dostáváme výrobek o vysoké tvarové přesnosti, dobré rozměrové stálosti a vysokých hodnotách pevnosti, který se znamenitě hodí pro nosné a bezpečnostní díly v automobilovém průmyslu.

Tento proces je v dalším zamýšlený jako tváření za tepla a kalení lisováním. Při tom se mohou jak rovné, tak i předtvářené výstřižky tvářet za tepla a kalit lisováním. Proces tváření se může u předtvářených výstřižků omezovat na tváření několika málo procent konečné geometrie nebo na kalibrování.

V různých případech použití automobilové techniky mají mít tvářené součásti v určitých úsecích vysokou pevnost, v jiných úsecích zase v poměru k ní vyšší tažnost. Vedle zesílení při použití dodatečných plechů nebo spojování částí o různé pevnosti je v této souvislosti také známo, pomocí úpravy za tepla vytvořit tvářenou součást tak, že má lokální úseky o vyšší pevnosti nebo vyšší tažnosti.

Z DE 102 08 216 Cl je znám způsob k výrobě kalené kovové součásti s alespoň dvěma úseky rozdílné tažnosti. Přitom se rovný nebo přeďtvářený výstřižek ohřívá v ohřívacím zařízení na austenitizační teplotu a následně se transportní trasou přivádí ke kalícímu procesu. Během transportu se oblasti prvního typu rovného nebo předtvářeného výstřižku, které mají v konečné součásti vyšší vlastnosti ohledně tažnosti, ochlazují. Způsob se optimalizuje pro hromadnou výrobu tím, že oblasti prvního typu se od předem určené ochlazovací počáteční teploty, která leží nad γ-α teplotou přeměny v diagramu Fe-C prudce ochlazují, a že prudké ochlazování se ukončuje, když je

-3dosaženo předem dané ochlazovací konečné teploty, a sice před přeměnou na ferit a/nebo perlit nebo teprve poté, co se udála malá přeměna na ferit a/nebo perlit. Následně se polotovar udržuje přibližně izotermicky k přeměně austenitu na ferit a/nebo perlit. Mezitím je v oblastech druhého typu, které v konečné součásti mají v poměru menší vlastnosti ohledně tažnosti, teplota kalení právě tak vysoká, že může existovat dostatečná tvorba martenzitu během procesu kaleni. Potom se provádí proces kalení. U tohoto způsobu se do oblasti prvního typu nejprve dodává do rovného nebo předtvářeného výstřižku více tepelné energie než je nutné a potom se ve druhém kroku procesu tepelná energie zase odebírá, což je rovněž spojené se spotřebou energie. Způsob má proto relativně špatnou energetickou bilanci.

DE 101 08 926 Cl zveřejňuje způsob tepelného zpracování ke změně fyzikálních vlastností kovového předmětu. Přitom se předmět minimálně v předem určeném úseku povrchu elektromagneticky ozařuje při použití zářiče s teplotou 2.900 K nebo víc v oblasti blízké infračervené s vysokou hustotou energie. Tím materiál povrchové vrstvy přijímá v závislosti na parametrech materiálu předem určenou teplotu zpracování. Následně se ozářený úsek povrchu aktivně chladí a tímto způsobem se zušlechťuje. Úplné ohřátí velkoplošného předmětu z pokojové teploty až na teplotu kalení by ale způsobem popsaným v DE 101 08 926 Cl bylo v praxi pro průmyslovou linku tváření za tepla příliš nehospodárné.

V DE 102 56 621 B3 se zveřejňuje způsob k výrobě tvářené součásti s minimálně dvěma oblastmi rozdílné tažnosti z polotovaru z kalitelné oceli ohřátím v průchozí peci a kalicím procesem. Přitom je upraveno, že polotovar, který je třeba ohřát během transportu průchozí pecí,

-4prochází současně minimálně dvěma vedle sebe ve směru průchodu umístěnými zónami s rozdílnými úrovněmi teploty a přitom se ohřívá rozdílně silně, takže se při následujícím kalícím procesu nastavují minimálně dvě oblasti se strukturou s rozdílnou tažností. Obě zóny jsou od sebe oddělené pomoci dělící stěny, takže zpracovávaný kus probíhající pecí, se částečně nachází jak v jedné, tak i ve druhé zóně, a v obou zónách je možná oddělená teplotní regulace. Tato vicezónová pec je jinak speciální pec pro součásti, které je třeba částečně ohřívat.

Podstata vynálezu

Vynález má - vycházeje ze stavu techniky - za úkol, dát hospodárně v lisovacím taktu k dispozici běžnou tvářecí linku za tepla pro výrobu částečně kaleného výstřižku.

Tento úkol řeší vynález znaky nároku 1 nebo nároku 2.

Přednostní další nároků 3 až 7.	provedení	vynálezu jsou	předmětem
Podle toho se	navrhuj e,	rovný nebo	předtvářený
výstřižek z kalitelné	oceli ohřívat nejprve	v peci na

homogenní teplotu menší než bod AC3 v diagramu Fe-C. Ohřátí se zejména uskutečňuje v průchozí peci. Následně se výstřižek v oblasti prvního typu ohřívá v kondukční ohřívací stanici nebo v otevřené ohřívací stanici mající olejový nebo plynový hořák v oblasti prvního typu na teplotu nad bodem AC3 a potom se výstřižek kalí v oblasti prvního typu v za tepla tvářecím a kalícím nástroji. Tím se vytváří výstřižek z oceli s minimálně dvěma oblastmi se strukturou o rozdílné

-5tažnosti. Díky konvenční peci, zejména průchozí peci, se způsobem podle vynálezu mohou poskytovat v běžné lince tváření za tepla částečně kalené výstřižky. Průběh tváření se může omezovat na tváření několika málo procent konečné geometrie nebo na kalibrování výstřižku.

Při tváření za tepla a kalení lisováním musí výstřižek podstoupit definovaný tepelný vklad. Každá oblast, která má na základě kaleni podstoupit, pokud možnou úplnou, přeměnu struktury na martenzit, se musela napřed ohřívat na teplotu větší nebo rovnou bodu AC₃. Tato se následně označuje jako oblast prvního typu. Oblasti, které se nemají kalit vůbec, nebo ne zcela, v dalším nazývané oblasti druhého typu, se nesmějí ohřívat nad teplotu přes AC₃. Pro proces kaleni lisováním by stačilo, když by oblasti druhého typu měly teplotu okolí. Toto by byla i energeticky nejpříznivější varianta. Ocel při pokojové teplotě má jinak podstatně menší schopnost tváření než ohřátá ocel. Proto je pro tvářecí proces minimálně u komplexnějších hluboko tažených částí nutné, že ocel se ohřívá také v oblastech druhého typu, protože obvyklá za tepla tvářená ocel po tváření za studená odpružuje, což se projevuje negativně na dodržovaných tolerancích. K tomu ještě příliš velký teplotní gradient mezi oblastí prvního typu a oblastmi druhého typu po kalení může vést ke pnutím v přechodových oblastech.

Aby se vyloučila tvorba martenzitu v oblastech druhého typu po kalení, v přednostním provedení ohřívá se výstřižek v průchozí peci na teplotu až maximálně ke spodnímu bodu přeměny ACi v diagramu Fe-C. Po překročení bodu ACj začíná již částečná přeměna struktury, která po kalení může vést také k částečné tvorbě martenzitu, což není žádoucí. Obráceně ale nemá kondukční ohřev nebo ohřev s otevřenými hořáky (v dalším uvedeno krátce jako ohřev) trvat příliš dlouho. Proto má počáteční teplota pro ohřev ležet co možná nejvýše. Následně se celý výstřižek přednostně ohřívá v peci na homogenní teplotu až maximálně k bodu ACi a následně se přemisťuje do ohřívací stanice, aby se oblast prvního typu ohřála nad AC₃. Oblasti druhého typu se mezitím vůbec neohřívají nebo se drží na své teplotě. Tímto způsobem se ohřátí uskutečňuje dost rychle, aby se zaručil výrobní postup v taktu lisování. Pokud by měl ohřev oblasti prvního typu nad AC₃ být pomalejší než takt lisování, musí se pracovat se dvěma nebo více ohřívacími stanicemi. Je proto výhodou způsobu podle vynálezu zachovat běžnou průchozí pec ve standardní výrobní lince pro tváření za tepla a moci přestavovat konvenční linku jednoduše a hospodárně pro výrobu jen částečně kaleného výstřižku. K tomu je možné u, pro tento účel zřízené, výrobní linky konstruovat průchozí pec celkově jednodušeji a výhodněji, když průchozí pec musí poskytovat jen teploty až ACi a ne až nad AC₃ a v trvalém provozu se musí tento stav udržovat.

V dalším přednostním provedení se výstřižek v peci celkově ohřívá na homogenní teplotu menší než AC₃, ale větší než ACi, a potom se přemisťuje do ohřívací stanice, kde se oblast prvního typu ohřívá nad AC₃. V oblastech druhého typu se po kalení vyskytuje smíšená struktura, která je usídlená mezi vlastnostmi výchozí struktury a vlastnostmi tvrdé struktury. Tato smíšená struktura může být výhodná pro určité účely použití. Parametry výstřižku se proto mohou nastavovat flexibilně podle potřeby se stoupajícím výkonem v ohřívací stanici.

Způsob se hodí zejména pro tváření za tepla výstřižku z ocelové slitiny, jejíž složení je, vyjádřeno ve • *

-7* «···««· « * * 9 9 hmotnostních procentech uhlík (C) 0,18 % až 0,3 % křemík (Si) 0,1 % až 0,7 % mangan (Mn) 1,0 % až 2,5 % fosfor (P) maximálně 0,025 % chrom (Cr) až 0,8 % molybden (Mo) až 0,5 % síra (S) maximálně 0,01 % titan (Ti) 0,02 % až 0,05 % bor (B) 0,002 % až 0,005 % hliník (Al) 0,01 % až 0,06 % zbytek železo a nečistoty podmíněné tavením.

Přitom se jedná o borem legovanou, nepotaženou ocel tvářenou za tepla. Výstřižek z této oceli se nejprve homogenně ohřívá na minimálně 400 °C, přednostně na přibližně 700 °C a potom se v oblasti prvního typu kondukčně nebo pomocí otevřených hořáků ohřívá na teplotu cca. 930 °C. Oblasti druhého typu se mezitím drží na přibližně 700 °C. Hned v napojení na ohřev se výstřižek přivádí, za tepla, tvářecímu a kalícímu nástroji a tváří se, jakož se i v oblasti prvního typu kalí. Tím dostáváme částečně kalený, rozměrově přesný, za tepla tvářený, výstřižek s definovanými vlastnostmi v oblastech prvního a druhého typu.

Způsob je ale použitelný i pro výstřižek z oceli tvářené za tepla, opatřený kovovou vrstvou, jako například hliník nebo zinek. Zejména výstřižek z oceli tvářené za tepla opatřené vrstvou obsahující hliník se musí k vytvoření takzvané intermetalické fáze nejprve ohřívat na teplotu nad bod AC₃ a nalegovávat. K hospodárnému použití zde popsaného

-8způsobu podle vynálezu se musí výstřižek z oceli tvářené za tepla potažené hliníkem proto nejprve nalegovat ve zvláštním pracovním kroku. Nejlépe by se tento pracovní krok prováděl již při výrobě svitku.

Nakonec je podle vynálezu ještě účelné, že v ohřívací stanici jsou upravená rozdílná teplotní pole a jsou od sebe oddělená pomocí přepážek.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude přesněji popsán prostřednictvím příkladů provedení znázorněných na výkresech, na kterých představují:

obr. 1 schéma linky k tváření za tepla pro výstřižek z nepotažené oceli;

obr. 2 obr. 3 obr. 4 obr. 5 rovněž schematicky linku k tváření za tepla pro výstřižek z potažené oceli;

ve zvětšeném měřítku ve schematickém řezu ohřívací stanici linky k tváření za tepla podle obrázků 1 a 2;

schematicky rozděleni tvrdosti u výstřižku na způsob B-sloupku pro motorové vozidlo a ohřívací křivku oblasti prvního typu výstřižku.

Příklady provedení vynálezu * »

Na obrázku 1 je pomoci 1 schematicky označená linka k tvářeni za tepla pro výstřižek 5. Nepotažená ocel 3 tvářená za tepla navinutá do svitku 2 se kontinuálně odvíjí z cívky 2 a ve stříhací stanici 4 se stříhá na výstřižky 5.

Výstřižky 5 se mohou v tvářecí stanici 6 volitelně za studená předtvářet a/nebo ořezávat. Tváření za studená je zpravidla hluboké tažení při pokojové teplotě a ořez se provádí co možná nejbližší konečnému obrysu. Tvářecí stanice 6 je volitelná a je závislá na komplexnosti geometrie součásti. Může také úplně odpadnout.

Následně se výstřižky 5 převádějí do pece, konkrétně průchozí pece Ί_, V průchozí peci 7 se výstřižky 5 homogenně ohřívají na teplotu menší než horní bod přeměny AC₃ v diagramu železo-uhlík a potom se rychle přesouvají do ohřívací stanice 8. Ohřívací stanice 8 je zde znázorněná jako samostatná stanice. Může být ale také integrovaná do průchozí pece 7, například do její koncové oblasti.

V ohřívací stanici 8 se výstřižky 5 ohřívají v oblasti 9 prvního typu na teplotu nad bodem AC₃. Oblasti 10 druhého typu zůstávají na teplotě pod AC₃.

Nejenom průchozí pec 7 ale i ohřívací stanice 8 se mohou provozovat kondukčním způsobem. Jsou ale i myslitelné otevřené ohřívače provozované s plynem nebo olejem.

V příkladu provedení obrázků 1 a 3 leží oblasti 10 druhého typu na příslušných koncích výstřižků 5 a oblast 9 prvního typu ve středu výstřižků 5. Takto předehřáté výstřižky 5 se v návaznosti přivádějí nucené chlazenému tvářecímu a kalícímu nástroji 11 a v něm se tváří za tepla jakož se i částečně kalí.

Na obrázku 2 schematicky znázorněná varianta pro linku la tváření za tepla používá potaženou ocel 3a. Do svitku 12 navíjená ocel 3a tvářená za tepla, která je potažená slitinou obsahující hliník, se kontinuálně odvíjí a transportuje se skrz průchozí pec 7. V průchozí peci 7 se potažená ocel 3a tvářená za tepla ohřívá homogenně na teplotu nad bod AC₃, takže potažení se nalegovává a se základním materiálem vytváří takzvanou intermetalickou fázi. Ohřátá potažená ocel 3a se potom ale prudce neochlazuje, takže se nekalí, protože potom by byl jeho přetvářný odpor pro další zpracování příliš vysoký. Při opuštění průchozí pece 7 se nalegovaná potažená ocel 3a zase navíjí do svitku

12.

Od tohoto svitku 12 se potažená ocel 3a potom kontinuálně odvíjí a ve stříhací stanici 4 se stříhá na potažené výstřižky 5a.

Tvářecí stanice 6 podle obrázku k tváření za studená přitom odpadá, protože intermetalická fáze vzniklá při nalegování, se bez popraskání nemůže za studená tvářet.

Proto se výstřižky 5a rovnou převádějí do průchozí pece 7. V průchozí peci 7 se potažené výstřižky 5a ohřívají homogenně na teplotu menší než AC₃ a potom se rychle překládají do kondukčně nebo s plynovými nebo olejovými hořáky provozované ohřívací stanice 8. Ohřívací stanice 8 je zde rovněž zobrazená jako samostatná stanice. Může být ale také integrovaná do průchozí pece 7, například do její koncové oblasti. V ohřívací stanici 8 se výstřižky 5a ve střední oblasti 9 prvního typu ohřívají na teplotu nad bodem AC₃. Koncové oblasti 10 druhého typu zůstávají na teplotě « ♦ • ·

-11 pod AC3. Takto předehřáté výstřižky 5a se potom přivádějí nuceně chlazenému tvářecímu a kalícímu nástroji 11 a zde se za tepla tváří jakož i částečně kalí.

Obrázek 3 ukazuje ve zvětšeném měřítku schematicky ohřívací stanici 8 podle obrázků 1 a 2. Na držáku 13 jsou umístěné vodiče 14. Vodiče 14 jsou ve vnějších teplotních polích 15 a 16 řízené tak, že předtvářený a předehřátý výstřižek 5, 5a, ležící na držáku 17, udržuji právě v oblastech 10 druhého typu na přibližně 700 °C. Ve středním teplotním poli 18 jsou vodiče 14 řízené tak, že výstřižky 5, 5a se ohřívají ve středu v oblasti 9 prvního typu na cca. 930 °C.

V obrázku 3 jsou teplotní pole 15, 16 a 18 od sebe oddělené přepážkami 19. Přepážkami 19 se teplotní rozdělení výstřižků 5, 5a mohou lépe zvládat a hodnoty tvrdosti se nakonec v hotové součásti 20 (obrázek 4) přesněji nastavují.

Po tváření za tepla a kalení vznikl z výstřižků 5, 5a podle obrázku 3 částečně zakalený B-sloupek 20, na obrázku 4 lépe znázorněný. B-sloupek 20 je oblasti 21 hlavy a v patě 22 sloupku relativně tvárný. Ve střední oblasti 23 je Bsloupek 20 kalený. V přechodových oblastech 24 od kalené střední oblasti 23 na nekalené koncové oblasti 21, 22 se nastavila smíšená struktura.

Obrázek 5 ukazuje křivku 25 ohřevu oblasti 9 prvního typu výstřižku 5, 5a. Je znázorněná teplota ve stupních

Celsia v čase ve vteřinách. Oblast 26 křivky ukazuje kontinuální ohřev výstřižků 5, 5a v průchozí peci 7. Během právě 200 vteřin se celý výstřižek 5, 5a homogenně přivádí z pokojové teploty na teplotu cca. 700 °C. Potom se

-12výstřižek 5, 5a i ohřívací stanice 8 na právě 930 °C. I ukončen.

bodu 27 křivky přemisťuje do kondukční a zde se během přibližně 30 vteřin ohřívá bodu 28 křivky je ohřev výstřižků 5, 5a

Zastupuje:

Dr. Miloš Všetečka v.r.

-13JUDr, Miloš Všetečka advokát 120 00 Praha 2, Hálkova 2

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (7)

1. Způsob k tváření za tepla a kaleni rovného nebo předtvářeného ocelového výstřižku (5, 5a) s minimálně dvěma oblastmi (9, 10) se strukturou o různé tažnosti, které se po úsecích rozdílně ohřívají a potom se v za tepla tvářecím a kalícím nástroji (11) tváří, jakož i se po oblastech kalí, vyznačující se tím, že výstřižek (5, 5a) se nejprve v peci (7) ohřívá na homogenní teplotu menší než horní bod AC3 přeměny v diagramu železo-uhlík, potom se v kondukční ohřívací stanici (8) v oblasti prvního typu (9) ohřívá na teplotu nad bodem AC₃ a nakonec se v za tepla tvářecím a kalícím nástroji (11) v oblasti prvního typu (9) kalí.

2. Způsob k tváření za tepla a kalení rovného nebo předtvářeného ocelového výstřižku (5, 5a) s minimálně dvěma oblastmi (9, 10) se strukturou o různé tažnosti, které se po úsecích rozdílně ohřívají a potom se v za tepla tvářecím a kalícím nástroji (11) tváří, jakož i se po oblastech kalí, vyznačující se tím, že výstřižek (5, 5a) se nejprve v peci (7) ohřívá na homogenní teplotu menší než bod AC₃ slitiny, potom se v ohřívací stanici (8), mající minimálně jeden otevřený hořák, v oblasti prvního typu (9) ohřívá na teplotu nad bodem AC₃ a nakonec se v za tepla tvářecím a kalícím nástroji (11) v oblasti prvního typu (9) kalí.

3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že výstřižek (5, 5a) se v peci (7) ohřívá na

-14homogenni teplotu do maximálně spodního bodu přeměny AC_X v diagramu železo-uhlik.

4. Způsob podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že výstřižek (5, 5a) se v peci (7) ohřívá na homogenní teplotu menší než bod AC₃, ale větší než bod AC_X.

5. Způsob podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že se používá ocelová slitina, jejíž složení je, vyjádřeno v hmotnostních procentech uhlík (C) 0,18 % až 0,3 %

křemík (Si) 0,1 % až 0,7 0 Ό mangan (Mn) 1,0 % až 2,5 O 0 fosfor (P) maximálně 0,025 % chrom (Cr) až 0,8 0. 'd

molybden (Mo) až 0,5 % síra (S) maximálně 0,01 % titan (Ti) 0,02 % až 0,05 % bor (B) 0,002 % až 0,005 % hliník (AI) 0,01 % až 0,06 %

Zbytek železo a nečistoty podmíněné tavením.

6. Způsob podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že se používá výstřižek (5, 5a) opatřený kovovým potažením, přičemž potažení se v přípravném stadiu nalegovává.

7.

Způsob podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že v ohřívací stanici (8) jsou upravená rozdílná teplotní pole (15, 16, 18) a oddělují se od • *

-15sebe pomoci přepážek (19).

Zastupuje:

Dr. Miloš Všetečka