TWI622491B - Hot stamping forming low heat transfer heating mold and hot stamping part forming method - Google Patents

Abstract

一種熱沖壓成形之低熱傳的加熱模具及熱沖壓件成形方法，其加熱模具結構包含：一組分模面相互對應模合的凹模與凸模，凹模具有一接觸胚料的第一工作區域，凸模具有一接觸胚料的第二工作區域；一低熱傳鍍層，被覆於第一工作區域及/或第二工作區域；其熱沖壓件成形方法步驟包含：移動一奧斯田鐵化溫度的成型鋼板至低熱傳的加熱模具；使成型鋼板在低熱傳的加熱模具內淬火其冷卻速率在25℃/sec.以下而使成型鋼板之與低熱傳鍍層接觸區域形成以肥粒鐵之金相組織為主的低強度區域。

Description

熱沖壓成形之低熱傳的加熱模具及熱沖壓件成形方法

本發明係有關於一種熱沖壓成形之加熱模具及熱沖壓件成形方法，特別是有關於一種具有與工件接觸之低熱傳表面的加熱模具及熱沖壓件成形方法。

熱沖壓為高強度鋼製程的主流技術，可得到超高強度的車身零件，減小零件厚度，減少車身補強板的數量，提高車身的碰撞性能，有效減重。且成形性較好，可成形複雜形狀件，提高設計之彈性，可有效控制綜合製造成本，由於鋼板在高溫成形後必須馬上進行模內淬火製程，因此模具溫度將會影響鋼板淬火後組織變化，因此冷卻溫度的控制將是一大議題，而熱沖壓模具兼具成形和淬火的雙重功能，是熱沖壓成形技術的重要設備。

美國專利US 20120097298 A1公開一種具有部分硬化之鋼構件的製造方法，由可硬化的鋼板構成的胚體，經接受足以淬火硬化的升溫，在達到所需的溫度之後，且任選地在所需的保持時間之後，將該胚體轉移到成型工具中，在該成型工具中，該胚體形成件並同時淬火硬化，或者將該胚體冷成型，然後將由冷成型得到的該成型件經過升溫，所述升溫的進行使得達到淬火硬化所需的成型溫度，然後將該成型件轉移到工具中，在所述工具中將該經加熱的成型件冷卻並由此淬火硬化，特徵在於在為了將溫度升高到硬化所需的溫度而對該胚體或成型件進行加熱的過程中，吸收物質靠在傾向於具有較低硬度和/或較高延性的區域上和/或與其間隔小的間隙；從該吸收物質的膨脹和厚度、導熱率、熱容量、和/或發射係數方面 考慮，該吸收物質的尺寸使得作用在該成型件的待保持延展性的區域中的熱能通過該成型件流入該吸收物質中。惟，該技術需考量如何不脫落地將該吸熱物質確實放置在該胚體或部件上，且在加熱過程中不能使脫離，另在完成淬火硬化後，仍需將該吸熱物質自該成品移除，衍生許多額外製程。

本發明目的係提供一種在熱沖壓模具與熱沖壓工件接觸的區域形成一低熱傳導係數表面，以提高冷卻曲線控制能力而獲得在同一產品中包含更低的強度。

為達成上述結構之目的，本發明提供一種熱沖壓成形之低熱傳的加熱模具，包含：一組凹凸模以及設置在凹凸模上的低熱傳鍍層。該該凹模具有一接觸胚料的第一工作區域，該凸模具有一接觸胚料的第二工作區域；該低熱傳鍍層，係被覆於該第一工作區域及/或該第二工作區域。

在一實施方式中，該低熱傳鍍層係被覆於該第一工作區域及/或該第二工作區域的全部或部分區域。

在一實施方式中，該低熱傳鍍層為一陶瓷鍍層。

在一實施方式中，該低熱傳鍍層係以電漿熔射方式鍍覆於該第一工作區域及/或該第二工作區域(鍍覆該低熱傳鍍層之前，該第一工作區域及/或該第二工作區域的表面可進一步施有粗化處理)。

為達成上述熱沖壓件的成形方法，本發明提供的步驟包含：移動一均勻加熱至奧斯田鐵化溫度的成型鋼板至前述的該低熱傳的加熱模具；以及使該成型鋼板在該低熱傳的加熱模具內淬火，其冷卻速率約在25℃/sec.以下。

在一實施方式中，該低熱傳的加熱模具的溫度大於420℃，淬火時間大於80秒。

在一實施方式中，該成型鋼板移動至該低熱傳的加熱模具的移動時間為10秒，該低熱傳的加熱模具的加熱溫度為450℃，淬火時間為100 秒，空氣冷卻時間為120秒。

本發明之特點包含：本發明提供具有優良冷卻曲線控制能力的模具，並能兼具低加熱模具溫度下作業的優勢，可節省部分的加熱能源；本發明可生產同一零件不同強度之熱沖壓製程方法；本發明結合模具加熱以及模具表面的低熱傳導鍍層結構設計，可在不需依賴特殊設備、縮短成型週期時間(cycle time)而進一步降低熱沖壓鋼板之淬火效果/強度。

1‧‧‧低熱傳的加熱模具

11‧‧‧凹模

111‧‧‧分模面

1111‧‧‧第一工作區域

12‧‧‧凸模

121‧‧‧分模面

1211‧‧‧第二工作區域

13‧‧‧低熱傳鍍層

131‧‧‧凹模低熱傳鍍層

132‧‧‧凸模低熱傳鍍層

20‧‧‧胚料

C‧‧‧標準曲線

T1‧‧‧第一實驗試片

T2‧‧‧第二實驗試片

T3‧‧‧第三實驗試片

t1,t2,t3‧‧‧連續冷卻曲線

步驟S10~步驟S12‧‧‧熱沖壓件的成形方法之成形步驟

步驟S13‧‧‧結合氣冷之冷卻手段之成形步驟

圖1為本發明之低熱傳的加熱模具示意立體圖；圖2為本發明之低熱傳之加熱模具沖壓胚料前之正視圖；圖3為本發明之低熱傳之加熱模具沖壓胚料時之正視圖；圖4為本發明之應用低熱傳之加熱模具的熱沖壓件的成形方法步驟流程圖；圖5為本發明之低熱傳之加熱模具的熱沖壓件的成形方法各實施例之連續冷卻曲線圖。

茲配合圖式將本創作實施例詳細說明如下，其所附圖式均為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本創作之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本創作有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

請同時參照圖1、圖2及圖3所示。本實施例之熱沖壓成形之低熱傳的加熱模具1包括：一組分模面(111,121)相互對應模合的凹模11與凸模12，以及在該凹模11與凸模12上的低熱傳鍍層13，該凹模11具有一接觸胚料20的第一工作區域1111，該凸模12具有一接觸胚料20的第二工作區域1211，該低熱傳鍍層13包含被覆於該第一工作區域1111及/或該第二工作區域1211之凹模低熱傳鍍層131及/或凸模低熱傳鍍層132。

在一實施例中，該低熱傳鍍層13係被覆於該第一工作區域1111及/或該第二工作區域1211的全部或部分區域。

在一實施例中，該低熱傳鍍層13可為一陶瓷鍍層。

在一實施例中，該低熱傳鍍層13的厚度為0.3mm，其熔點約為2000℃，熱傳導係數為2.2-2.9(W/mK)，熱膨脹係數為11x10^-6(1/K)。

在一實施例中，該低熱傳鍍層13係以電漿熔射(plasma spray)方式鍍覆於該第一工作區域1111及/或該第二工作區域1211，且在鍍覆該低熱傳鍍層13之前，該第一工作區域1111及/或該第二工作區域1211的表面可預先施有粗化處理，以提高該低熱傳鍍層13的結合強度。

續請參見圖4所示。本實施例之熱沖壓件的成形方法的步驟包含：步驟S10，提供前述任一實施例之低熱傳的加熱模具1。步驟S11，移動一均勻加熱至奧斯田鐵化溫度的成型鋼板(即胚料20)至該低熱傳的加熱模具1進行熱沖壓；以及步驟S12，使該成型鋼板(胚料20)在加熱之該低熱傳的加熱模具1內淬火，其冷卻速率低於25℃/sec.；藉此，使該成型鋼板(胚料20)之與該低熱傳鍍層13接觸區域形成以肥粒鐵之金相組織為主的低強度區域，而該成型鋼板(胚料20)未與該低熱傳鍍層13接觸區域包含有原沖壓件之高強度區域。

在一實施例中，在完成該低熱傳的加熱模具1內淬火程序(步驟S12)後，更包含：步驟S13，將該成型鋼板(胚料20)移出該低熱傳的加熱模具1，並在空氣中冷卻120秒。

在一熱沖壓件的成形方法的實施例中，該低熱傳的加熱模具的溫度大於420℃，淬火時間大於80秒。

在一熱沖壓件的成形方法的實施例中，該成型鋼板(胚料20)移動至該低熱傳的加熱模具的移動時間為10秒，該低熱傳的加熱模具的加熱溫度為450℃，淬火時間為100秒，空氣冷卻時間為120秒。

請參照圖5所示。經以本發明之熱沖壓成形之低熱傳的加熱 模具及熱沖壓件的成形方法，實驗三組試片(第一實驗試片T1、第二實驗試片T2、第三實驗試片T3)，其連續冷卻曲線圖分別如圖5中之第一實驗試片T1之連續冷卻曲線t1、第二實驗試片T2的連續冷卻曲線t2及第三實驗試片T3的連續冷卻曲線t3。圖5之連續冷卻曲線圖中，標示M區域者為麻田散鐵相，標示A區域者為沃期田鐵相，標示F區域者為肥粒鐵相，標示P區域者為波來鐵相，標示B區域者為變韌鐵相，各曲線下方圓圈內的數值為硬度值，單位為Mpa。

圖5中，在冷卻速率25℃/sec.的黑色點線之標準曲線C的左側下方區域為完全麻田散鐵，其金相強度較高，標準曲線C右側區域中，各種金相混合，其強度被軟化。圖中：第一實驗試片T1的連續冷卻曲線t1為結合不同軟化手段：移入低熱傳的加熱模具1的移動時間10秒、加熱模具1的溫度75℃內淬火20秒及氣冷120秒。

第二實驗試片T2的連續冷卻曲線t2為結合不同軟化手段：移入低熱傳的加熱模具1的移動時間10秒、加熱模具1的溫度450℃內淬火100秒及氣冷120秒。

第三實驗試片T3的連續冷卻曲線t3為結合不同軟化手段：移入低熱傳的加熱模具1的移動時間10秒、低熱傳的加熱模具1的溫度450℃內淬火100秒及氣冷120秒。

由上述各實驗試片及圖5可知，第一實驗試片T1使用傳統的加熱模具，因此具有傳統熱沖壓的冷卻曲線t1能產生大量的麻田散鐵，以提高產品強度；藉由對傳統熱沖壓模具加熱的冷卻曲線t2，則可避開麻田散鐵的生成而產生主要為變韌鐵的金相組織，以降低產品強度；而本發明之方法中，結合了低熱傳鍍層13之低熱傳的加熱模具1及加熱該低熱傳的加熱模具1之手段下，其冷卻過程中，其冷卻曲線t3甚至避開大多數變韌鐵的生成區域，而得到以肥粒鐵為主的金相組織，得到更低的產品強度。由圖5可知， 典型熱沖壓製程下的加工件硬度最高為HV446，約抗拉強度1470MPa；結合了低熱傳鍍層(陶瓷鍍層)及加熱該低熱傳的加熱模具機制後的加工件硬度最高為HV179，約抗拉強度580MPa。

前述本發明所採用的技術手段之實施方式或實施例，並非用來限定本創作專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

Claims (9)

1. 一種熱沖壓成形之低熱傳的加熱模具，其結構包括：一組分模面相互對應模合的凹模與凸模，該凹模具有一接觸胚料的第一工作區域，該凸模具有一接觸胚料的第二工作區域；以及一低熱傳鍍層，係被覆於該第一工作區域及/或該第二工作區域，該低熱傳鍍層為一陶瓷鍍層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱沖壓成形的低熱傳之加熱模具，其中，該低熱傳鍍層係被覆於該第一工作區域及/或該第二工作區域的全部或部分區域。
3. 如申請專利範圍第1項所述之熱沖壓成形的低熱傳之加熱模具，其中，該低熱傳鍍層的厚度為0.3mm，其熔點約為2000℃，熱傳導係數為2.2-2.9(W/mK)，熱膨脹係數為11x10^-6(1/K)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之熱沖壓成形的低熱傳之加熱模具，其中，該低熱傳鍍層係以電漿熔射(plasma spray)方式鍍覆於該第一工作區域及/或該第二工作區域。
5. 如申請專利範圍第4項所述之熱沖壓成形的低熱傳之加熱模具，其中，鍍覆該低熱傳鍍層之前，該第一工作區域及/或該第二工作區域的表面施有粗化處理。
6. 一種熱沖壓件的成形方法，其步驟包含：提供如申請專利範圍第1至5項中任一項之低熱傳的加熱模具；移動一均勻加熱至奧斯田鐵化溫度的成型鋼板至該低熱傳的加熱模具進行熱沖壓；使該成型鋼板在該低熱傳的加熱模具並對該低熱傳的加熱模具加熱，並進行模內淬火，其冷卻速率低於25℃/sec.。
7. 如申請專利範圍第6項所述之熱沖壓件的成形方法，其中，在完成該低熱傳的加熱模具內淬火程序後，更包含將該成型鋼板移出該低熱傳的加熱 模具，並在空氣中冷卻120秒的步驟。
8. 如申請專利範圍第6項所述之熱沖壓件的成形方法，其中，該低熱傳的加熱模具的溫度大於420℃，淬火時間大於80秒。
9. 如申請專利範圍第6項所述之熱沖壓件的成形方法，其中，該成型鋼板移動至該低熱傳的加熱模具的移動時間為10秒，該低熱傳的加熱模具的加熱溫度為450℃，淬火時間為100秒，空氣冷卻時間為120秒。