CN108884510A - 热处理方法和热处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于钢部件的特定部件区域的针对性热处理的方法和装置。在钢部件的一个或多个第一区域中可形成主要的奥氏体结构，然后通过淬火从其可产生主要的马氏体微结构；且在一个或多个第二区域中，可产生主要的贝氏体微结构，其中钢部件首先在熔炉中加热到高于AC3温度的温度，随后将钢部件转移到处理站，在转移期间使部件冷却，且在处理站中，钢部件的一个或多个第二区域在处理时间内冷却到冷却完成温度θ2。

Description

热处理方法和热处理装置
说明书：
本发明涉及用于钢部件的特定部件区域的针对性热处理的方法和装置。
在技术工业的许多应用中，需要具有低部件重量的高强度金属板部件。例如，汽车工业一直努力减少机动车辆的燃料消耗和降低二氧化碳排放，同时提高乘客安全性。因此，关于优良的强度-重量比的车身部件的需求不断增长。这些部件尤其包括A柱和B柱，车内的侧门防撞杆、踏脚板、框架件、保险杠、用于车底和车顶的横梁，以及前、后纵梁。在现代车辆上，带有安全笼的车身外壳通常由强度约为1,500MPa的硬质钢板组成。通常使用Al/Si涂覆的钢板。已经开发模压淬火工艺用于从硬化钢板生产部件。在该工艺中，首先将钢板加热至奥氏体化温度，然后放入模压工具中，快速成形，并通过水冷工具快速淬火至马氏体开始温度以下。这产生强度约为1,500MPa的坚硬，强大的马氏体结构。但是，这种硬质钢板在断裂时具有低的伸长率。因此，碰撞时的动能不能充分地转换成变形热。
因此，汽车工业试图制造在部件中具有几种不同伸长区间和强度区间的车身部件，使得一方面相对坚固的区域(以下称为第一区域)和另一方面更易延展的区域(以下称为第二区域)存在于一个部件中。一方面，通常需要具有高强度的部件以便部件具有高机械强度和低的重量。另一方面，高强度部件应该能够具有部分柔软的区域。这使得在发生碰撞时具有所需的、部分增强的变形能力。只有这样才能消除冲击的动能，并最小化乘客和车辆的其余部分的加速力。此外，现代连接工艺需要允许相同类型或不同类型材料连接的软化点。通常，例如，有必要使用弯曲、卷曲或铆接的连接，且这些需要部件中的可变形区域。
此外，还应考虑生产车间的一般要求：在模压淬火站不应有循环时间损失，应该在没有任何一般限制的情况下使用整个车间，并且车间应该能够快速地进行产品特定的转换。该过程应该是稳健且经济的，并且生产车间应该仅需要最小的空间。组件的形状和边缘精度应该很高。
在所有已知的方法中，部件的针对性热处理发生在时间密集的处理步骤中，这对整个生产线的循环时间具有显著影响。
因此，本发明的目的是提供一种用于钢部件的特定部件区域的针对性热处理的方法和装置，其可获得具有不同硬度和延展性的区域，并且其对整个热处理装置的周期时间的影响最小。
根据本发明，该目的通过具有独立权利要求1的特征的方法实现。从从属权利要求2到6，该方法的有利改进将变得显而易见。该目的还通过如权利要求8的装置实现。从从属权利要求9至16，该装置的有利实施方式将变得显而易见。
首先将钢部件加热到奥氏体化温度AC3以上，使得该结构可以完全转变成奥氏体。在随后的淬火工艺(例如模压淬火工艺)中，部件被足够快速地淬火，使得主要形成马氏体微结构，并且实现约1500MPa的强度。淬火有利地从完全奥氏体化的结构进行。为此，冷却必须以至少较低的临界冷却速率开始，最迟在温度下降到微结构转变开始温度θ1以下开始，在该温度开始微结构的转变。例如，在通常用于模压淬火的22MnB5的情况下，应将660℃作为大概的临界θ1。如果淬火在较低温度下开始，仍可能出现至少部分马氏体的微观结构；然而，预计该区域中部件的强度会降低。
该温度曲线对于模压淬火工艺是典型的，特别是对于完全硬化的部件。
同样，首先将第二区域或多个第二区域加热到奥氏体化温度AC3以上，使得微结构可以完全转变成奥氏体。接下来，在处理时间tB内尽可能快地冷却部件，直至冷却完成温度θ2。举例来说，对于材料22MnB5，这应该低于650℃。例如，22MnB5的马氏体起始温度约为410℃。在马氏体开始温度以下的温度范围内的轻微振荡也是可能的。随后不再继续快速冷却，从而主要形成贝氏体微结构。这种微结构转变需要一个处理时间，而不是突然发生。该转换是放热的。在一个有利的实施方式中，在处理时间tB期间，在处理站中没有主动加热第二区域或各第二区域。如果在此期间发生第二区域或各第二区域的温度的潜在增加，则它是复辉的结果。通过调节冷却速率和/或目标冷却温度，以及在压出部件之前的停留时间，通常可以调节所需的强度和伸长率值。它们位于第一区域中微结构的最大可实现强度和未处理部件的值之间。研究表明，使用进一步的强制冷却来抑制由于复辉引起的温度升高对于可实现的伸长率值是相当不利的。因此，在冷却温度下的等温保持似乎不是有利的。
在一个实施方式中，在该阶段额外主动加热第二区域或各第二区域。这可以例如使用热辐射来完成。
在一个实施方式中，冷却完成温度θ2选择为高于马氏体开始温度MS。
在一个替代实施方式中，冷却完成温度θ2选择为低于马氏体开始温度MS。
各第一和第二区域的热处理通常是不同的。第二区域或各第二区域的处理的进行主要与处理的持续时间一致。根据本发明，在熔炉的下游处理站中，在几秒的处理时间tB内，第二区域被部分地冷却到冷却停止温度θ2，以达到奥氏体化温度。在该处理站中，在处理期间(如果需要，通过供热)确保第一区域或各第一区域不会下降到某一温度，在该温度以下在随后的模压淬火期间不会实现足够的马氏体形成。根据处理的持续时间，例如利用热绝缘或热辐射反射器足以使第一区域或各第一区域的辐射损失最小化。
可选地，为此目的，可以至少部分地加热处理站。为此目的，例如可以通过对流或热辐射施加热量。另外地或唯一地，在这种情况下，在有利实施方式中，可以执行经由激光辐射的加热。
根据本发明，各部件在处理站中保持短时间(例如几秒钟)以允许各第二区域的结构转变发生。
如果在处理站中进行足够结构转变的停留时间太长，以至于不能实现所需的循环时间，则建议提供两个或更多个相同的处理站，这些处理站依次进料。在有利的执行中，各腔室一个布置在另一个之上。在这种情况下，各处理站是否垂直移动以克服高度偏移或进给***是否执行必要的垂直运动都是无关紧要的。
举例来说，连续炉或间歇炉，例如箱式炉，可用作熔炉。连续炉通常具有高容量并且特别适合于大规模生产，因为它们可以在不费力的情况下进料和操作。
在一个有利的实施方式中，该部件仅从一侧被吹。这实现了输送机技术-例如，在部件下方-和冷却装置-例如，在部件上方-的明显分离，这极大地简化了处理站或各处理站的结构设计。
根据本发明，处理站具有用于快速冷却钢部件的一个或多个第二区域的装置。在一个优选的实施方式中，该装置具有喷嘴，用于向钢部件的一个或多个第二区域吹入气态流体(例如空气或惰性气体(例如氮气))。
在该方法的另一个有利的实施方式中，通过吹入气态流体来进行第二区域或各第二区域的吹处理，其中将水-例如以雾化形式-加入到气态流体中。为此目的，在有利的实施方式中，该装置具有一个或多个雾化喷嘴。用混合有水的气态流体吹气增加了从第二区域或各第二区域的热量移除。钢部件上的水蒸发实现提高的散热和能量传输。
在另一个实施方式中，第二区域或各第二区域通过热传导冷却-例如通过使它们与冲床或多个冲床接触，其具有比钢部件明显更低的温度。为此目的，冲床可以由具有良好导热性能的材料制成，和/或可以被直接或间接冷却。也可以考虑冷却类型的组合。
利用根据本发明的方法和根据本发明的热处理装置，具有一个或多个第一和/或第二区域的钢部件，其在形状上也可以是复杂的，可以经济地经受相应的温度曲线，因为可以非常快速地将具有清晰边界的不同区域带到必要的工艺温度。在两个区域之间可以实现各个区域的清晰轮廓边界。部件温度水平的小浮动对于压机中的进一步加工具有有利的效果。
根据本发明，利用所示的方法和根据本发明的热处理装置可以生产几乎任何数量的第二区域，其在同一钢部件内也可以具有彼此不同的强度和伸长率值。此外，各子区域的所选几何形状是可自由选择的。例如，可以生产点或线形区域以及大面积区域。这些区域的位置也不重要。各第二区域可以完全被各第一区域包围，或者位于钢部件的边缘。甚至可以考虑全表面处理。同时处理的钢部件的数量的限制仅由模压淬火工具或整个热处理装置的输送技术产生。该方法也可以应用于预成型的钢部件。由于预成型的钢部件的三维成形表面，唯一的结果是产生配合表面的结构复杂性更大。
此外，有利的是，现有的热处理***也可以适用于根据本发明的方法。为此目的，在仅具有一个熔炉的传统热处理装置中，仅需要在其后面包括处理站，并且适应进给装置。
本发明的其他优点、特征和有利的改进将从从属权利要求和参考附图的优选实施方式的以下描述中变得显而易见。
在附图中：
图1显示了具有第一和第二区域的钢部件的热处理的典型温度曲线，
图2以平面图示出了根据本发明的热处理装置，作为示意图，
图3以平面图示出了根据本发明的另一热处理装置，作为示意图，
图4以平面图示出了根据本发明的另一热处理装置，作为示意图。
图1是根据所述创造性的方法的具有第一区域210和第二区域220的钢部件200的热处理的典型温度曲线。根据示意性绘制的温度曲线θ200,110，在熔炉内停留时间t110期间，钢部件200在熔炉110中被加热到高于AC3温度的温度。
随后，在转移时间t120将钢部件200转移到处理站150中。在此期间，钢部件会损失热量。在处理站中，钢部件200的第二区域220被快速冷却，其中根据指示的曲线θ220,150，第二区域220快速失去热量。在处理时间tB到期之后冷却结束，其仅为几秒，这取决于钢部件200的厚度、期望的材料特性和第二区域220的尺寸。第二区域220现在已达到高于马氏体开始温度MS的冷却完成温度θ2。在这种情况下，钢部件200的第一区域210的温度可以降至AC3温度以下，但是不一定必须发生这种情况。另一方面，根据图中所示的温度曲线θ220,130，钢部件200的第二区域220的温度可以在停留时间t150期间由于复辉而再次略微上升，不会达到AC3温度，在继续慢慢下降前。
在钢部件200在处理站中的停留时间t150完成之后，在转移时间t131期间将其转移到模压淬火工具160中，在其中，在停留时间t160期间其变形并硬化。
图2示出了根据本发明的以90°布置的热处理装置100。热处理装置100具有装载站101，通过其将钢部件供给到熔炉110。此外，热处理装置100包括处理站150。配备有定位装置(未示出)的卸排站131进一步在熔炉110后面沿主流动方向D布置。该站的主流动方向基本上弯曲90°以允许压机(未示出)中的模压淬火工具160跟随，在其中钢部件200被模压淬火。在熔炉110的轴向方向上布置容器161，废料可以放置在容器161中。
图3示出了以直线布置的根据本发明的热处理装置100。热处理装置100具有装载站101，通过其将钢部件供给到熔炉110。此外，热处理装置100包括处理站150。配备有定位装置(未示出)的卸排站131进一步在熔炉110后面沿主流动方向D布置。在压机(未示出)中的模压淬火工具160中钢部件200被模压淬火，沿着连续的直的主流动方向。可以放置废品的容器161基本上与卸排站131成90°布置。
图4示出了根据本发明的热处理装置100的另一变型。热处理装置100也具有装载站101，通过其将钢部件供给到熔炉110。在该实施方式中，熔炉110优选设计为连续炉。此外，热处理装置100包括处理站150。卸排站131可以具有例如夹持装置(未示出)。卸排站131例如通过夹持装置从熔炉110移除钢部件200。与图2所示的实施方式相反，在这种情况下，处理站150布置在熔炉110上。这种布置节省了安装空间。在该实施方式中，主要流动方向改变，在平面内钢部件200在离开熔炉110后从卸排站提升并被放置在处理站150中。在钢部件200在处理站150中的停留时间t150到期之后，卸排站131将钢部件200从处理站150移除并将其放入安装在压机中的模压淬火工具160中。在所示实施方式中，压机与熔炉110成直线排列，而用于废品的容器161与熔炉轴成一定角度布置。具有工具160和容器161的压机的位置也可以颠倒。
这里示出的实施方式仅是本发明的实施例，因此不应被视为限制本发明。本领域技术人员预期的替代实施方式同样在本发明的保护范围内。
附图标记列表：
100 热处理装置
110 熔炉
131 卸排站
150 处理站
160 模压淬火工具
161 容器
200 钢部件
210 第一区域
220 第二区域
D 主流动方向
MS 马氏体开始温度
tB 处理时间
t110 熔炉内停留时间
t120 钢部件进入处理站的转移时间
t131 钢部件进入模压淬火工具的转移时间
t150 处理站中的停留时间
t160 模压淬火工具中的停留时间
θ1 微结构转变起始温度
θ2 冷却完成温度
θ3 内部温度，熔炉
θ200,110 熔炉内钢部件的温度曲线
θ210,150 钢部件的第一区域在处理站中的温度曲线
θ220,150 钢部件的第二区域在处理站中的温度曲线
θ200,160 钢部件在模压淬火工具中的温度曲线

Claims (16)

1.一种用于钢部件(200)的特定部件区域的针对性热处理的方法，其中在钢部件(200)的一个或多个第一区域(210)中可以产生主要的奥氏体结构，通过淬火，可以从其产生主要马氏体微结构，并且在一个或多个第二区域(220)中，可以产生主要的贝氏体微结构，
其特征在于，
首先将钢部件(200)在熔炉(110)中加热至高于AC3温度的温度，然后将钢部件(200)转移到处理站(150)中，并且在处理时间tB期间，在处理站(150)中，将钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)冷却至冷却完成温度θ2。
2.如权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述的冷却完成温度θ2选择为高于马氏体开始温度MS。
3.如权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述的冷却完成温度θ2选择为低于马氏体开始温度MS。
4.如前述权利要求任一所述的方法，
其特征在于，
在处理站中，将一个或多个第一区域(210)冷却至高于微结构转变开始温度θ1的温度。
5.如前述权利要求任一所述的方法，
其特征在于，
所述的第二区域或各第二区域(220)通过用流体单侧吹气来冷却。
6.如前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
在处理时间tB期间，在处理站(150)中不发生第二区域或各第二区域(220)的主动加热。
7.如权利要求1至5之一所述的方法，
其特征在于，
在处理时间tB期间，第二区域或各第二区域(220)在处理站(150)中被主动加热。
8.一种热处理装置(100)，具有用于将钢部件(200)加热到高于AC3温度的温度的熔炉(110)，
其特征在于，
所述热处理设备(100)还具有处理站(150)，其中处理站(150)具有用于快速冷却钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)的装置。
9.如权利要求8所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
用于快速冷却钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)的装置具有用于向钢部件(200)的第二区域或多个第二区域(220)吹入气态流体的喷嘴。
10.如权利要求8或9任一所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
用于快速冷却钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)的装置具有用于向钢部件(200)的第二区域(220)吹入加有水的气态流体的喷嘴。
11.如权利要求9或10任一所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
用于向钢部件(200)的第二区域或各第二区域(220)吹气的喷嘴专门布置在处理站(150)的一侧，使得钢部件(200)仅可从一侧被吹。
12.如权利要求8至11任一所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
用于快速冷却钢部件(200)的一个或多个第二区域(220)的装置具有冲床，所述冲床用于接触钢部件(200)的第二区域或各第二区域(220)。
13.如权利要求12所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
所述的冲床设计为其温度被控制，以便接触钢部件(200)的第二区域或各第二区域(220)。
14.如权利要求12或13所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
用于接触钢部件(200)的第二区域或各第二区域(220)的冲床专门布置在处理站(150)的一侧，使得钢部件(200)可以仅在一侧被接触。
15.如权利要求8至14任一所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
所述的处理站(150)具有热反射器。
16.如权利要求8至15任一所述的热处理装置(100)，
其特征在于，
所述的处理站(150)具有热绝缘墙。
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