CN102084011A - 通过差温致冷从坯料成形硬化材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种从坯料(6)成形和冷却钢件的冲压工具(1)，所述工具包括：至少一个冲头(2)；和至少一个基体(3)；所述冲头和基体各自包括：对应于冲压工具的热区(11)的至少第一部分(21，31)；和对应于冲压工具的冷区(12)的至少第二部分(22，32)；在冷区中，当冲压工具闭合时，使得冲头的第二部分和基体的第二部分与坯料接触；其特征在于，在冲压工具的热区中，提供加热装置以将所述热区加热至约400℃以上的温度，以及，在所述热区中，当冲压工具闭合时，在冲头和基体之间提供除坯料厚度(e)之外的距离(L)，该距离与热区的温度(T)相关，并表现为公式T＝100.(6-L)，其中L＞0.2且400≤T＜600，L以毫米计和T以℃计。
Description
技术领域
本发明涉及通过冷却的热成形方法。更特别地，本发明涉及通过差温致冷从坯料热成形硬化材料的方法。
背景技术
在同一工具中对硬化材料件进行硬化的冲压方法是公知的，并记载于文献JP 2005-205416。在该方法中，使用冲压工具成形坯料。冲压之后，当所述件(piece)仍保持于工具中时，通过工具和冲压坯料之间的接触进行硬化。除了该接触之外，在提供至冲压工具末端的管道中循环冷却水，使得可能加速冷却。
然而，对于某些钢件，仅在所述件的部分上能够进行硬化是有用的。例如，在汽车领域，能够制造具有不同机械特性区域的中央支柱是有利的。因此，某些区域可被制得或保持易延展的以改善碰撞过程中的缓冲。
如今，这种类型的件使用不同的成形和冷却方法被制成两个或数个零件(parts)。然后使用本领域技术人员公知的焊接技术使所述两个或数个零件结合在一起。
因此，如今使用的方法费时且在设备方面成本昂贵。此外，焊接部分为易碎区域(fragile zone)，其在冲击过程中对用户存在危险。
文献US 5,916,389也记载了这样的方法，其中得到钢物件。所述钢物件由不同零件组成，其中不同零件的材料处于不同的结构态；某些零件为硬的，其他零件保持易延展的。
已提出数种可能性来保持某些位置更易延展的钢结构：
-可在冲压工具的冲头和基体中提供加热元件；或
-在冲压工具的冲头和基体中提供凹槽(indentations)，使得当冲头和基体与钢坯料接触时在凹槽所在之处没有接触；亦即，在该处钢必须保持易延展的。
然而，制造后的机械性能密切取决于冷却速度。仅使用加热装置或仅使用凹槽不会使得有可能获得机械性能方面的必然结果。
文献US 2002/0104591记载了一种方法，其中形成具有不同机械性能的两部分的中央支柱。对应于中央支柱上部的第一部分具有机械阻力超过1400牛/平方毫米的马氏体结构。对应于中央支柱下部的第二部分具有机械阻力为850牛/平方毫米以下(约500牛/平方毫米)和伸长率为25％以下(优选20％)的铁素体-珠光体结构。
为了得到具有不同机械性能的两部分的中央支柱，在奥氏体温度下加热的过程中，保护必须保持易延展的下部使其不受加热破坏。因此，在加热结束时，中央支柱的下部不处于奥氏体态，并因此不能被硬化而得到马氏体结构。
该方法具有如下缺点：当坯料在炉中保持超过(即使仅略微超过)必要时间时，硬化部分和未硬化部分之间的过渡区域将变宽。
文献US 2002/0113041记载了一种使用局部硬化而热成形的方法，其具有数个具体实施方案：
-第一具体实施方案包括进行如文献US 2002/0104591所述的相同方法，其中仅存在少数差异；
-第二具体实施方案包括使用在需要硬化之处具有冷却装置的冲压工具；
-在第三具体实施方案中，冲压工具具有由不同材料制成的不同部分，所述不同材料具有不同的导热率值。
发明人试图通过使用对于冲压工具具有低传导性(具体的例子为具有2W.m-1.K-1附近的传导率)的材料得到由具有所需机械性能的硬化钢制成的件。所得结果并不令人信服。并且，低传导性的材料不能阻止第一件(the first pieces)在制造过程中被硬化，因为所述第一件与冷却工具接触。
文献DE 102006019395A1记载了一种方法，其中冲压工具包括基体、冲头和坯料夹具。冲压工具的这三个元件可被加热至不同温度。然而，其中仅提供了所有三个零件被加热至相同温度的实施例。该方法包括将冲压工具加热至200至650℃的温度。
对于200℃以下的温度，伸长率A80为约5％，和机械阻力为1500MPa以上。对于200℃以上的温度，伸长率A80为5.8％以上和机械阻力为1500MPa以下。对于400℃的温度，机械阻力为820MPa和伸长率A80为10％。
当温度从790℃降低至390℃时，测得约80至115K/s的冷却速度(似乎这对于200℃以上的工具温度有效)。然后钢的结构为细晶粒马氏体。对于200℃以下的工具温度，测得约80至480K/s的冷却速度。在这种情况下，钢的结构为粗晶粒马氏体。
然而，进行这些测试的条件不会使得有可能得到所需的机械性能，亦即，约15％以上的伸长率A80和500MPa以上的机械阻力Rm。
发明人仅以选择冷却条件为代价成功得到具有令人满意的机械性能的硬化钢物件。
发明人于2007年8月1日以序号07/56863提交了专利申请。该申请记载了从管道使用局部硬化的热成形方法，其中管道被加热至奥氏体温度，然后在具有加热装置的冲压工具中通过管道的空腔(cavity)注入冷却剂成形和冷却。该加热装置使得有可能阻止材料在某些位置变为奥氏体。
尽管该方法适用于管道，但是由于几何尺寸差异的原因其并不适用于成形坯料。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种有可能由钢坯料经冲压获得件(piece)的方法，并且所述件的机械特性可以涵盖未处理钢和硬化钢的机械特性之间整个范围的可能的机械特性。
本发明的另一个目的是提出一种不需要冲压和硬化件的传统回火步骤的方法。
本发明的另一个辅助目的是如本领域技术人员所需要的，向相同件的不同零件赋予材料的不同机械阻力和伸长率性能。
为此，本发明提出一种从坯料成形和冷却钢件的冲压工具，该工具包括：
-至少一个冲头；和
-至少一个基体；
所述冲头和基体各自包括：
-对应于冲压工具的热区的至少第一部分；和
-对应于冲压工具的冷区的至少第二部分；
在冷区中，当冲压工具闭合时，使得冲头的第二部分和基体的第二部分与坯料接触；以及
其特征在于，在冲压工具的热区中，提供加热装置以将所述热区加热至约400℃以上的温度，以及，在所述热区中，当冲压工具闭合时，在冲头和基体之间提供除坯料厚度之外的距离，该距离与热区的温度(T)相关并表现为公式：
T＝100.(6-L)，
其中L＞0.2和400≤T＜600，L以毫米计和T以℃计。
所述冲压工具的其他优选但非限制性的特征为：
-在工具的第一部分的一个成形面上提供至少一个凸缘(protrusion)；
-在基体的第一部分的一个成形面上提供至少一个凸缘；
-在冲头的第一部分中至少部分地提供加热装置；
-在基体的第一部分中至少部分地提供加热装置；
-冲压工具在冷区和热区之间具有空气隙(air play)。
本发明还提出一种使用如前述权利要求任一项所述的冲压工具的成形和冷却方法，该方法包括由如下组成的步骤：
-加热坯料至奥氏体温度；
-将坯料置于冲压工具中；
-在坯料上闭合冲压工具；以及
-从冲压工具移去成形件；
其特征在于，使用加热装置将冲压工具的热区加热至400℃以上的温度。
所述方法的其他优选但非限制性的特征为：
-冲压工具的热区的加热温度为约600℃以下；
-在热区中，以约5℃/秒至约15℃/秒的速度进行冷却；
-在冷区中，以约27℃/秒至约100℃/秒的速度进行冷却。
附图说明
基于示例性的附图，在阅读以下描述之后，本发明的其它特征、目的和优点就会展现出来，其中：
-图1为根据本发明的冲压工具的示意透视图；
-图2为包括加热装置的冲压工具的第一部分的示意横截面图；
-图3为冲压工具的第二部分的示意横截面图；
-图4为根据本发明制造的中央支柱的示意图。
具体实施方式
在余下的说明书中，断裂伸长率值应理解为在A80测试样上得到的测试值。
根据本发明的冲压工具1参考图1描述。
冲压工具1包括一组冲头2和一组基体3。该组冲头2和该组基体在下文中分别被称作冲头2和基体3。
基体3具有通常与冲头2的凸起(relief)互补的凹槽。所述凹槽和凸起的互补性使得加热坯料6具有确定的形状。
冲头2和基体3具有至少两个部分21，22；31，32，它们对应于至少两个区域：热区11和冷区12。
在余下的说明书中，空气隙是指基体3和冲头2之间除坯料6的厚度之外的距离L。换言之，如果坯料6的厚度为e，当冲压工具1闭合时基体和冲头之间的距离d为：
d＝L+e。
因此，我们将在下文考虑，当距离L大于冲头2和基体3冲压所必须的加工公差值(machining tolerance value)时，存在空气隙。所述公差不大于0.2毫米。空气隙因此对应于0.2毫米以上的距离L。
如果L为0.2毫米以下时，也称在冲压工具1和坯料6之间存在接触。
在对应于热区11的冲头2的第一部分21中提供加热元件4。
可选择地，在对应于热区11的基体3的第一部分31中也提供加热元件4。
因此，仅在冲头2中，或仅在基体3中，或同时在两者中提供加热元件4。
这些加热元件4使得有可能将热区11加热至400℃以上和优选600℃以下的温度。
加热元件4选自筒式加热器、感应加热装置或热套筒。
筒式加热器的使用特别适合于没有太多弯曲(curvature)的直冲压工具。
热套筒和感应加热装置可适用于弯曲的形状。
下文图2描述的是对应于热区11的冲头2和基体3的第一部分(分别为21和31)。
在第一具体实施方案中，冲头2和基体3各自具有成形面(分别为21f和31f)。冲头2的成形面21f与基体3的成形面31f不互补，以留出空气隙7，定义距离L在冲头2和坯料6之间以及在基体3和坯料6之间。该空气隙7为约2毫米以下。
然后，冲头2在成形面21f上具有紧靠基体2的成形面31f的至少一个凸缘211(如图2所示)。该凸缘211具有至多约2毫米的最大高度。
在一个可选择子方案中(sub-alternative)，所述凸缘211可不位于冲头2的成形面21f上，而是位于基体3的成形面31f上。
在另一可选择的子方案中，至少一个凸缘211位于冲头2的成形面21f和基体3的成形面31f上。这些凸缘211彼此相对或不相对。
在第二具体实施方案中，冲头2和基体3具有基本相互互补的成形面21f、31f。因此，如果例如冲头2的成形面21f具有一部分基本为Ω-形状的表面，基体3的成形面31f也具有一部分基本为Ω-形状的表面，使得冲头2可以***基体3中。当冲压工具1闭合时，仅保持较小的空间，其厚度在成形过程中被坯料6填充。
在对应于冷区12的冲头2和基体3的各自部分22和32中，冲头2和基体3具有基本互补的形状(如图3所示)。换言之，冲头2和基体3各自的成形面21f、31f与基体3和冲头2各自的成形面31f、21f互补，其中仅有厚度。
在一个可选择的子方案中，在冲头2和基体3的第二部分22、32中提供冷却***，例如水循环回路。
当冲压工具1在待成形的坯料6上闭合时，在坯料(一方面)与冲头2和基体3的第二部分22、32(另一方面)之间不存在隙(play)。
根据本发明的方法如下所述。
待成形的坯料6由钢，例如硼钢(NF标准EN 10083-1、-2和-3)制得。但是坯料6的材料不限于硼钢；其可为适用于制造待成形件的任何种类的钢。
将坯料6加热至某一温度，超过该温度钢的结构变成奥氏体。然后将坯料6置于冲压工具1中用于成形。
在成形过程中，冲压工具1在坯料6上闭合，使得坯料6、冲头2和基体3至少部分接触。
在第一可选择的方案中，根据所使用的冲压工具1的热区11的可选择的子方案，仅在如下两者之间存在接触：
-坯料6与冲头2之间存在凸缘211之处；和/或
-坯料6与基体3之间存在凸缘211之处；和/或
-坯料与基体3的成形面31f之间；和/或
-坯料与冲头2的成形面21f之间；
且在坯料6和冲头2的整个成形面21f之间以及在坯料6和基体3的整个成形面31f之间不能有接触。
在该第一具体实施方案中，将冲压工具1的热区11加热至约400℃以上且约600℃以下的温度。
使用如下公式使必要的空气隙7与热区11的温度T相关联：
T＝100.(6-L)，
其中L＞0.2和400≤T＜600，L以毫米计和T以℃计。
冲压工具1的热区11以及空气隙7的加热一起进行以使得温度以约5℃/秒至约15℃/秒的速度从约900℃的起始温度降低至约400℃至600℃的最终温度。坯料6的钢的结构因此不***(马氏体)，但是易延展的，具有约450MPa至约800MPa的机械阻力和约15％以上的伸长率。
在第二具体实施方案中，在冲压工具1的热区11与坯料6之间存在接触，将其加热至约600℃的温度。当冲压工具1被加热至所述温度时，坯料的钢不***(马氏体)，但是易延展的，具有约450MPa至约800MPa的机械阻力和约15％至约20％的伸长率。
在冷区12中，通过闭合冲压工具1形成坯料6；冲头2和基体3与坯料6在它们各自的成形面21f、31f上接触。进行淬火(quenching)，亦即，冷却使得温度从约900℃的起始温度降低至约250℃的最终温度，冷却速度为约27℃/秒至约100℃/秒。将冷区在……的温度保持至少达到成形时间。在该冷区12中，机械阻力为约1200MPa至约1700MPa，和伸长率为约3％至约7％。
本发明的发明人进行的试验表明，利用差温加热(其中使得冲压工具达到250℃的温度并包括2毫米的空气隙7)对坯料6进行冲压可使得受压件具有约770MPa的机械阻力和约10.5％的伸长率A80。
利用局部硬化(其中使得冲压工具达到400℃的温度并包括2毫米的空气隙7)对坯料6进行冲压可使得受压件具有约610MPa的机械阻力和约19.4％的伸长率A80。
利用局部硬化(其中使得冲压工具达到500℃的温度并包括1毫米的空气隙7)对坯料6进行冲压可使得受压件具有约570MPa的机械阻力和约21％的伸长率A80。
可选择地，在冲压工具1的冷区12和热区11之间提供2毫米以下的空气隙8。在该区域8，成形件具有过渡区，其中材料的硬度从250Hv(热区)过渡至450Hv(冷区)。
在最终件上所述过渡区为约20毫米。
将冲压工具1保持闭合足够长的时间(加压时间)使材料的结构经受所需变形。
加压时间等于对冷却零件进行淬火所需的时间；亦即，约5至约15秒。
在成形和冷却的同时可在冲压工具中进行其他操作：冲模切边(剪切受压工具中的件)、校准(抛光以得到正确的形状)。
应用方式的一个例子在下文中给出(仅仅作为一个例子)。中央支柱由钢坯料6形成。
中央支柱9是设计置于车辆前门和后门之间的基本为I-形状的件(具有衬线)。更精确地，中央支柱9包括整体垂直延伸的中央部分9a和两个各自以T(下端为倾斜的T)封端的末端(上9b和下9c)。中央支柱9具有基本为Ω-形状的横截面。
就车辆使用者的安全而言，中央支柱9不具有均匀的机械特性是有利的。优选地，尝试给第一上部92(称作冷部分)提供高的机械阻力(约1200MPa至约1700MPa)和低的伸长率(约3％至约7％)以得到防入侵(anti-intrusion)性能(保护乘客)；并且给第二下部91(称作热部分)提供较低的机械阻力(约450MPa至约800MPa)和更显著的伸长率(约15％以上)以在冲击情况下获得能量吸收性能。
因此，在车辆之间的碰撞过程中或在车辆和障碍物之间的冲击过程中，中央支柱9的热部分91变形并吸收冲击的能量。
如今，为了得到这样的中央支柱，汽车制造商使用两种不同的制造方法以如上所述具有不同机械性能的两个单独零件制造件。然后这两个零件被相互组装，因此在两个零件之间产生易碎区域。
在本发明中，中央支柱9由单个件制得，这避免了不得不进行组装(例如通过激光)，并因此使得有可能消除所述易碎区域。
将钢坯料6加热至奥氏体温度，然后置于冲压工具(blanking tool)1中。冲头2和基体3具有成形面21f、31f，其能够使钢坯料6具有成品中央支柱9的形状。
冲头2和基体3被制成两个区域(11、21、31；12、22、32)。冷区12对应于中央支柱9的上部92，热区11对应于中央支柱9的下部91。
根据本发明的第一具体实施方案，当冲压工具1在坯料6上完全闭合用于成形时，冲头2和基体3之间的距离d在热区中被定义为：
d＝L+e，
其中L是空气隙7，e是坯料6的厚度。
在冷区12中，在冲头2和坯料6之间以及在基体3和坯料6之间存在接触。热区11和冷区12的温度分别为约400℃至约600℃以及约50℃至约150℃。
根据本发明的第二具体实施方案，在冲头2和坯料6之间以及在基体3和坯料6之间在两个区中都存在接触。然后热区11保持在约600℃，冷区12保持在约50℃至约150℃。
在坯料6上闭合冲压工具1使得钢冷却。
在冷区12中，冷却速度为约27℃/秒至约100℃/秒。
在热区11中，冷却速度为约5℃/秒至约15℃/秒。
在冲压工具1的两个区11、12之间提供2毫米以下的空气隙8。对应于该区是成形件(不超过450Hv)的过渡区93。该区为约20毫米长(该区在图4中被放大)。在该过渡区93中，材料的硬度从热部分91附近的约250Hv变至冷部分92附近的约450Hv。
热部分91具有约450MPa至约800MPa的机械阻力，以及7％以上且优选约15％以上的伸长率。
冷部分92具有约1200MPa至约1700MPa的机械阻力，以及约3％至约7％的伸长率。
本发明并不限于中央支柱的制造。因此，本发明有可能获得包括具有不同机械性能(防入侵和能量吸收)的部分的冲压件。根据本发明的方法还使得有可能在冲压之后免除传统的回火步骤。
当然，本发明决不限于上述具体实施方案。本领域技术人员能够对其做出许多变化或改变。
Claims (14)
1.一种从坯料(6)成形和冷却钢件的冲压工具(1)，所述工具包括：
-至少一个冲头(2)；和
-至少一个基体(3)；
所述冲头和基体各自包括：
-对应于冲压工具的热区(11)的至少第一部分(21，31)；和
-对应于冲压工具的冷区(12)的至少第二部分(22，32)；
在冷区中，当冲压工具闭合时，使得冲头的第二部分和基体的第二部分与坯料接触；且
其特征在于，在冲压工具的热区中，提供加热装置(4)以将所述热区加热至约400℃以上的温度；以及，在所述热区中，当冲压工具闭合时，在冲头和基体之间提供除坯料厚度(e)之外的距离(L)，该距离与热区的温度(T)相关，并表现为公式：
T＝100.(6-L)，
其中L＞0.2和400≤T＜600，L以毫米计和T以℃计。
2.根据前述权利要求所述的冲压工具，其特征在于在工具的第一部分的一个成形面(21f)上提供至少一个凸缘(211)。
3.根据前述权利要求任一项所述的冲压工具，其特征在于在基体的第一部分的一个成形面(31f)上提供至少一个凸缘(211)。
4.根据前述权利要求任一项所述的冲压工具，其特征在于在冲头的第一部分中至少部分提供加热装置。
5.根据前述权利要求任一项所述的冲压工具，其特征在于在基体的第一部分中至少部分提供加热装置。
6.根据前述权利要求任一项所述的冲压工具，其特征在于其在冷区和热区之间具有空气隙(8)。
7.一种使用如前述权利要求任一项所述的冲压工具的成形和冷却方法，该方法包括由如下组成的步骤：
-加热坯料至奥氏体温度；
-将坯料置于冲压工具中；
-在坯料上闭合冲压工具；以及
-从冲压工具移去成形件；
其特征在于，使用加热装置将冲压工具的热区加热至400℃以上的温度。
8.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于冲压工具的热区的加热温度为约600℃以下。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于在热区中，以约5℃/秒至约15℃/秒的速度进行冷却。
10.根据权利要求7至9任一项所述的方法，其特征在于在冷区中，以约27℃/秒至约100℃/秒的速度进行冷却。
11.一种用于车辆的中央支柱(9)，其包括整体垂直部分(9a)和两个T-形状端(9b和9c)；
其特征在于所述中央支柱的第一上部(92)具有约1200MPa至约1700MPa的机械阻力，和约3％至约7％的伸长率；
中央支柱的第二下部(91)具有约450MPa至约800MPa的机械阻力，和约15％以上的伸长率；以及
中央支柱在第一上部和第二下部之间具有长度为20毫米的过渡区(93)，所述过渡区中的材料的硬度从第二下部附近的约250Hv变至第一上部附近的约450Hv。
12.如前一权利要求所述且使用如权利要求7至10中任一项所述的方法制造的中央支柱。
13.一种硬化钢件，其包括：
-具有约1200MPa至约1700MPa的机械阻力和约3％至约7％的伸长率的第一部分(92)；
-具有约450MPa至约800MPa的机械阻力和约15％以上的伸长率的第二部分(91)；
其特征在于，其在第一部分和第二部分之间还包括长度为约20毫米的过渡区(93)，所述过渡区中的材料的硬度从第二部分附近的约250Hv变至第一部分附近的约450Hv。
14.如前一权利要求所述且使用如权利要求7至10中任一项所述的方法制造的硬化钢件。
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