CN109563563A - 坯料的定中心和选择性加热 - Google Patents

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Abstract

提供了用于使从热冲压线中的炉所输出的坯料定中心的定中心***，该定中心***包括：一个定中心台；以及，一个加热***，用于在该坯料被布置在该定中心台上时加热该坯料的一个或多个选定区。还提供了用于制造具有硬区和软区的钢部件的方法，其中所述软区的机械强度小于所述硬区的机械强度。该方法包括：在炉中加热钢坯料；在布置在该炉下游的定中心台上使经加热的坯料定中心；在该坯料位于该定中心台上时将经加热的坯料的一个或多个选定区加热，其中所述选定区是该坯料中被指定为形成所述硬区的区；将该坯料转移到压制工具，以使该坯料热成形；以及将该坯料中被指定为形成所述硬区的选定区淬火。

Description

坯料的定中心和选择性加热
本公开内容涉及用于坯料的定中心***，更具体地涉及包括加热***的定中心***。本公开内容还涉及用于制造钢部件的方法，该方法包括使坯料热成形。
背景技术
在汽车工业中，轻量材料和部件的开发和实施正变得越来越重要，以满足用于制造较轻车辆的标准。对重量减轻的需求尤其受减少CO2排放物的目标驱动。另外，日益增长的对乘员安全的关注也导致采用在碰撞期间改善车辆的整体性和能量吸收的材料。
热冲压是允许制造具有特定性能的热成形结构部件的工艺，所述特定性能可以包括诸如高强度、减小的部件厚度和轻盈的特征。
在热冲压生产线***中，炉***在预定温度(例如，在奥氏体化温度以上，特别是在Ac3以上)加热钢坯料，且使坯料软化以被热成形。在坯料退出炉时，坯料需要被正确地定位，以被正确地转移到压制工具，该压制工具被配置为压制坯料。
可以通过传送机和/或转移***来实现从炉的退出区域到压制工具的转移。这样的传送机***通常包括定中心***(也被称为定中心台)，以在将加热的坯料转移到压制工具之前，正确地放置该加热的坯料。
这样的生产线中的传送机***被配置为将坯料传送到炉且传送通过炉。该炉和该传送机***被配置为使得坯料被加热到期望的温度且在退出炉之前被加热期望的时间段(例如，3-5分钟)。将部件运输通过炉例如在辊传送机上进行。
在定中心之后，坯料被转移到压制***，该压制***使坯料变形成最终产品的形状。在压制步骤之后，可以执行后期操作，诸如校准或钻孔。
通常在汽车工业中，高强度钢或超高强度钢(UHSS)坯料被用于制造结构骨架的部件。车辆(例如，汽车)的结构骨架在这个意义上可以例如包括保险杠、柱(A柱、B柱、C柱)、侧面防撞梁、侧边梁(rocker panel)和减震器。
UHSS可以表现出每单位重量的优化最大强度和有利的可成形性性能。UHSS可以具有至少1000MPa、优选地大约1500MPa或高达2000MPa或更大的极限拉伸强度。
通过在压制中或在压制后冷却坯料，钢坯料可以获得具有高拉伸强度的合适的微结构。根据基础钢材料的组分，可能需要将坯料淬火(即，将坯料从高温度快速冷却到低温度)，以实现高拉伸强度。
在汽车工业中所使用的钢的一个实施例是22MnB5钢。下文按重量百分比计概述了22MnB5的组分(其余为铁(Fe)和杂质)：
具有类似化学组分的若干22MnB5钢是市售的。然而，22MnB5钢的每种成分的确切量从一个制造商到另一制造商可能略有变化。在其他实施例中，22MnB5可以含有大约0.23％的C、0.22％的Si和0.16％的Cr。该材料还可以以不同比例包括Mn、Al、Ti、B、N、Ni。
从Arcelor Mittal市售的1500P是在拼焊坯料和拼接坯料中使用的市售的钢的一个实施例。拼焊(焊接)坯料和拼接坯料在变形工艺(例如，热冲压)之前提供具有变化厚度或不同材料性能的坯料。在这个意义上，增强件替代地在变形工艺之后被添加到部件。
1500P以铁素体-珠光体相(ferritic-perlitic phase)被供应。它是以同质模式分布的细晶粒结构。机械性能与此结构有关。在加热、热冲压工艺和随后的淬火之后，创建了马氏体微结构。结果，最大强度和屈服强度明显增加。
下文按重量百分比计概述了的组分(其余为铁(Fe)和杂质)：
C Si Mn P S Cr Ti B N
0.24 0.27 1.14 0.015 0.001 0.17 0.036 0.003 0.004
任何这些组分的钢(通常为22MnB5钢，且特别是)可以被供应有涂层，以防止腐蚀和氧化损坏。此涂层可以是例如铝-硅(AlSi)涂层或主要包括锌或锌合金的涂层。
通过这些工艺和材料所获得的部件强度的增加可以允许使用更薄标准尺寸的材料，这导致优于用于汽车应用的常规冷冲压低碳钢部件的重量节省。
为了改进部件(诸如，B-柱)的关键区域中的延展性和能量吸收，已知的是，在相同的部件内引入较软的区域。这些较软的区域或软区局部地改进了延展性，同时维持总体所需的高强度。通过局部地拼焊某些结构部件的微结构和机械性能，使得它们包括具有非常高强度的区域(硬区)和具有增加的延展性的区域(软区)，可以改进它们的总体能量吸收，同时维持在碰撞期间的它们的结构整体性且还降低它们的总体重量。
在本文中，“硬区”应被理解为部件中主要具有马氏体微结构和高极限拉伸强度(例如，1.100MPa或更大，特别是大约1.400MPa或更大)的区。
“软区”应被理解为部件中钢具有比硬区更少的马氏体微结构和较低极限拉伸强度(例如，大约1.050MPa或更小的拉伸强度)的区。取决于等级，软区的微结构可以是例如贝氏体和马氏体的组合，贝氏体、马氏体和铁素体的组合或铁素体和珠光体的组合。
在车辆结构部件中创建不同延展性的区的已知方法包括提供工具(例如，炉或压制工具)，该工具包括多对互补的上部单元和下部单元，所述单元中的每个具有分立的元件(钢块)。每个分立的元件对被设计成在不同的温度下工作，以在坯料的不同区中具有不同的加热速率/冷却速率，从而导致最终产品中的不同材料性能。
然而，这样的模具元件不能够被容易地改变到新的配置，即，如果软区的设计或位置改变，则它们不具有良好的适应性。此外，在模具中采用例如传感器和加热器会是昂贵的。
创建不同延展性区域的其他已知方法是基于在将坯料热成形和淬火之后利用例如激光加热器或感应加热器来加热坯料。然而，这些方法增加了另一工艺步骤，这增加了成本且使制造工艺更耗时。
总之，需要至少部分地解决上述问题中的一些的用于在部件中创建具有不同微结构的区(即，硬区和软区)的方法和工具。
发明内容
在第一方面，提供了一种用于使从热冲压线中的炉所输出的坯料定中心的定中心***。该定中心***包括：一个定中心台；以及，一个加热***，用于在该坯料被布置在该定中心台上时加热该坯料的一个或多个选定区。
该加热***可以包括一个基底和布置在所述基底中的多个加热元件，诸如红外线加热器、感应加热器、激光加热器、优选地二极管激光加热器或电阻加热器。该定中心***还可以包括一个支撑结构，该支撑结构可以被用于将该基底联接到该定中心台。在一些实施例中，该支撑结构被布置成用于将该基底锚固在地板上，或用于使该基底悬挂在顶棚上或悬挂在壁(例如，炉壁)上。
在本发明的另一方面，该加热***的基底可以包括由所述加热元件加热的至少一个接触元件(例如，板)，目的是经由直接接触(即，经由热传导)将热量从所述至少一个接触元件转移到该坯料，优选地其中与该坯料直接接触的至少一个接触元件的温度在850℃至1000℃之间的范围内。
在本发明的另一方面，所述加热元件被配置为被选择性地接通。
在本发明的另一方面，所述加热元件相对于该定中心台布置成使得该坯料的大体上仅选定区被加热。
在又一方面，本发明的定中心***还包括一个冷却***，用于冷却该坯料中未被选定为加热的一个或多个区。
在另一方面，提供了用于制造具有硬区和软区的钢部件的方法。在本文中，所述软区的机械强度小于所述硬区的机械强度。该方法包括：在炉中加热钢坯料，在布置在该炉下游的定中心台上使经加热的坯料定中心，以及，当该坯料位于该定中心台上时将经加热的坯料的一个或多个选定区加热。在本文中，所述选定区是该坯料中被指定为形成所述硬区的区。然后，将该坯料转移到压制工具以被热成形。可以将所述选定区淬火，因此获得马氏体微结构。
使用具有加热***的定中心台使得能够将新的加工步骤添加到热成形加工线，而不显著增加加工时间且不需要复杂的压制工具。坯料退出炉时使坯料定中心所需的时间被用来选择性地让坯料的一些区冷却，而不允许其他区冷却到相同程度。较冷的区将产生较软的区，而较热的区将产生最终部件中的较硬的区。这是因为较热的区将被淬火：它们从高温度(例如，700℃或更大)快速冷却到低温度(例如，300℃或更小)，它们从该压制工具移除时处于所述低温度。较热的区的冷却速率可以在临界冷却速率以上，以使得形成马氏体。在一些实施例中，该冷却速率可以是40℃/s或50℃/s或更大。在一些实施例中，该临界冷却速率可以是大约20℃/s-30℃/s。在本发明的方法的另一方面，该坯料在压制成形工具中的温度被降低到250℃或更低，优选地200℃或更低。
对于坯料中已经开始冷却的区形成较少的马氏体，因为该压制工具中的冷却(其可以比压制工具外部的冷却更快速)在较低温度时开始。软区可以具有包括例如贝氏体和马氏体的组合、或贝氏体、马氏体和铁素体的组合或铁素体和珠光体的组合的微结构。已经开始冷却的区的快速冷却速率可以是例如25℃/s或更大。
当坯料是大体上平坦的时，当创建具有不同机械性能的区(即，软区和硬区)时，对于软区的设计可以获得更高的控制和灵活性。
在一个连续的制造工艺中，用于使一个坯料定中心的时间可以与用于将压制工具中的先前的坯料淬火的时间一致。在本文中所描述的方法和***利用此时间跨度以用于选择性加热。因此不需要增加循环时间来纳入较硬的区和较软的区的成形。
在一些实施例中，将坯料维持在炉中的时间可以被缩短，因为最终加热可以在定中心台中进行。
在另一方面，本发明的方法包括在炉中将该坯料加热到该坯料的钢的Ac3温度以上。在该定中心***中，该坯料的选定区优选地被加热到该炉的加热温度以上。
在另一方面，本发明的方法包括当该坯料位于该定中心台上时将所述坯料的一个或多个选定区加热还包括一个冷却***，用于冷却该坯料中未被选定为加热的一个或多个区，优选地，其中当该坯料被转移到该压制工具时，该坯料中未被选定为被加热的所述一个或多个区具有的温度在450℃和700℃之间的范围内。
在另一方面，在本发明的方法中，所述坯料可以保持在该定中心台上且持续15秒或更少的一段时间，优选地10秒或更少的一段时间。
附图说明
下面将参考附图描述本公开内容的非限制性实施例，其中：
图1示意性地例示了根据一个实施例的热成形生产线的侧视图；
图2a和图2b示意性地例示了根据一个实施例的不同坯料区中的温度变化；
图3a示意性地例示了一个B-柱坯料和根据一个实施例的加热设备；
图3b示意性地例示了根据一个实施例的加热设备；以及
图4示意性地例示了用于制造具有不同微结构的区的坯料的方法的一个实施例，所述不同微结构尤其导致不同的延展性、拉伸强度和硬度。
具体实施方式
图1示出了热成形生产线200中的坯料220。坯料220可以通过传送机***230传送通过炉210，该传送机***230例如包括多个传送机辊或传送机带，其中传送机的速度可以通过马达来控制。坯料220可以在炉中被加热到预定温度，例如被加热到奥氏体化温度以上，以便使坯料220对后续工艺做好准备。根据坯料的材料，炉210中的温度以及坯料必需保持在该炉中的时间可以变化。在一些实施例中，坯料被加热到Ac3温度以上且持续5至10分钟。
经加热的坯料220可以通过门(未示出)退出炉210，该门被配置为当坯料220到达时打开，以及当坯料220已经离开炉210时再次关闭。坯料220可以通过传送机***230(例如，传送机带或辊传送机)运输到定中心***240(例如，定中心台)，以被正确地定位用于后续工艺。
定中心台240可以包括多个定中心销(未示出)，所述多个定中心销可以被动地或主动地移动，以将坯料正确地定位和定中心。在定中心之后，坯料可以例如通过机器人拾起，且被转移到布置在定中心***下游的压制工具250。
当坯料220位于定中心台240中时，它可能经受选择性加热，该选择性加热使得能够后续在压制工具中创建不同延展性的区，即，硬区和软区。在退出炉210之后，选定为硬区的区可以被选择性地加热，以维持坯料已经被加热到的温度，即，炉温度(Tf)。在一些替代实施例中，坯料中被指定为硬区的区的温度甚至可以上升到炉温度以上。
与定中心台240布置在一起的可以是加热***100，该加热***100可以包括布置在基底110中的加热元件121、122。可以使用另一支撑结构130，以将加热***100的基底110固定到地板。
在其他实施例中，加热***100可以被锚固到定中心台240，悬挂在顶棚上或悬挂在壁(例如，炉壁)上。
在一些实施例中，加热元件121、122可以是红外线加热器。在其他实施例中，可以使用感应加热器、激光加热器或电阻加热器。
加热一些特定区可以补偿热量耗散，因此可以维持坯料220在炉中已经被加热到的温度，即，炉温度(Tf)。相反，暴露于室温的区(即，未加热的区)逐渐降低它们的温度。此外，在一些实施例中，可以吹冷却空气，以增大未加热的区的冷却速率。由于不同的冷却速率，可以实现具有不同机械性能的区。这被进一步示意性地例示在图2a和图2b中。
图2a示出了根据一个实施例被指定为硬区的区的温度如何变化。水平轴线表示时间(t)，而竖直轴线表示温度(T)。最初，将成为硬区的区处于坯料退出炉时的温度，即，炉温度(Tf)，该炉温度例如可以是大约900℃。维持炉温度(Tf)，直到在t1处坯料被淬火。作为维持炉温度的结果，当坯料被淬火时发生快速温度改变。在实施例中，可以发生从Ms温度以上到Mf温度以下的快速温度改变。
高温度梯度使得能够形成具有高拉伸强度的微结构，例如马氏体。换言之，具有高温度梯度的区将变成硬区。
图2b表示了根据一个实施例被指定为软区(即，拉伸强度低于硬区且延展性大于硬区)的区的温度如何变化。再次，水平轴线表示时间(t)，且竖直轴线表示温度(T)。在t＝0处，将成为软区的区处于炉温度(Tf)。然而，当该区被暴露于室温(即，它未被加热)时，温度缓慢降低，直到在t1处坯料被更快速冷却。
当将被软化的区例如由于压制工具中的水通道而被快速冷却时，温度梯度可以比其他区(即，硬区)中略微低一点。此外，此快速冷却开始时的温度相对于其他(较硬)区更低。这样的减小的温度梯度且特别是较低的快速冷却开始温度使得能够创建具有低拉伸强度的微结构，例如铁素体-珠光体。因此创建软区。
在具体实施例中，当快速冷却开始时软区的温度可以是在Ms以下。
继续图1的描述，在选择性加热之后，通过转移***(未示出)，例如工业转移机器人，可以将坯料220转移到压制工具250，该转移***可以从传送机***230拾起坯料220且可以将它放置在压制工具250上。转移机器人可以包括多个夹持单元，以从传送机装置230抓住且拾起坯料220。
在一些实施例中，可以在单个热成形生产线或在平行的热成形生产线中同时加工多个坯料。在这样的情况下，单个转移机器人可以包括若干组夹持单元，每组被配置用于拾起一个坯料，即，单个转移机器人可以同时拾起不止一个坯料。
在加工多个坯料的其他实施例中，可以设置多个转移机器人。在这样的实施例中，每个转移机器人可以被配置为拾起单个坯料。
工业转移机器人是自动控制机器人、可(重复)编程机器人且可选地多目的机器人，其可以在三个或更多轴线上可编程，且其可以被固定就位或可以移动以用于在(如由国际标准化组织在ISO8373中所定义的)工业自动化应用中使用。
在被定中心和被定位之后，坯料220因此可以被转移到压制工具250以用于成形和淬火。
压制工具250可以被设置有冷却装置，例如，水供应器或任何其他合适的装置，以与热成形工艺同时地将坯料220淬火。本文中所公开的***和方法的一个方面是，不需要局部地适配压制工具中的冷却。可以对整个坯料均匀地进行冷却或淬火。通常，可以在压制工具的模具中设置通道，可以引导冷却水或其他液体穿过所述通道。此冷却了压制工具的接触表面，以使得坯料被淬火或快速冷却。
压制工具的上部模具和下部模具通常可以包括多个模具块。可以在一些或所有的模具块中设置冷却通道，以获得软区和硬区所期望的温度循环。
图3a示出了坯料220，在此实施例中，将被成形以成为B-柱的坯料通过工业转移机器人的夹持单元310运输。在此实施例中，加热***100包括布置在矩形基底110中的96个个体加热元件121、122。然而，加热元件121、122的数目、大小或形状可以根据例如坯料大小或期望的坯料配置来变化。因此，加热***100的基底110可以具有任何合适的大小和形状，所述大小和形状例如可以由坯料的尺寸来确定。
在此实施例中，加热元件121、122可以被选择性地开启和关断，以用于局部地加热坯料的区，从而创建加热图案。
可以通过以预定方式(参见图3b)布置加热元件121、122来形成该图案，或可以通过选择性地关断某些加热元件121同时维持其余的加热元件122接通(如图3a中示出的)来创建该图案。接通的加热元件122确保坯料的区保持在足够高的温度，特别是保持在Ac3以上。在一些实施例中，坯料中经加热的区的温度可以在700℃-1000℃之间，特别是在750℃和930℃之间，可选地在750℃和850℃之间。在一些实施例中，接通的加热元件122可以将坯料220加热到甚至炉温度(Tf)以上。
在此描绘的实施例中，预先限定的图案加热除了B-柱中心梁的两个区域311(即，上部区和下部区)以外的大体上整个坯料，该上部区和下部区将是软区。
在淬火之后，加热的区由于高温度梯度而将转变成硬区。因此，其余的未加热的区311将转变成软区。结果，将创建双软区B-柱，其中上部软区比下部软区窄。
在另一实施例中，冷却通道可以仅被设置在例如坯料中将被硬化的区中。在此情况下，将成为硬区的区将被淬火，同时将成为软区311的区将被冷却。
图3b示出了加热***100，其中加热元件320被布置在基底110中，以创建预定的加热图案。在此实施例中，如在图3a的实施例中那样，该图案可以被配置为获得具有两个软区的中心B-柱。与图3a中示出的布置相反，在图3b中，所有加热元件320被同时接通，以选择性地加热坯料的预定区。
图4示出了根据一个实施例的制造坯料的方法。首先，可以在炉中在预定温度(例如，奥氏体化温度)处加热410坯料，以使坯料软化。然后可以通过传送机带或辊传送机或转移机器人将经加热的坯料转移到定中心台，在该定中心台中，坯料可以被正确地定位和定中心420。
该定中心台可以包括加热***，该加热***可以选择性地加热430坯料的特定区，即，将被硬化的区。可以通过加热元件执行选择性加热430，所述加热元件可以是例如感应加热器或红外线加热器或激光加热器或电阻加热器。
根据一个实施例，为了选择性加热430某些坯料区，即，坯料中将被硬化的区，根据一个图案的仅那些加热元件可以被接通。
然后可以将坯料转移到压制工具，在该压制工具中，坯料被热变形440，以获得(几乎)最终形状。还可以在压制工具中将坯料完全地或局部地淬火450，例如通过供应冷却水。可选地，坯料可以进一步经受后期加工步骤，诸如例如切割、修剪、和/或使用例如焊接结合到其他部件。
尽管本文仅公开了数个实施例，但是这些实施例的其他替代、修改、用途和/或等同物也是可能的。此外，所描述的实施例的所有可能的组合被涵盖。因此，本公开内容的范围不应由具体实施例来限制，而应仅通过清楚地阅读所附权利要求来确定。如果与附图相关的参考标记被放置在权利要求中的括号内，则它们仅用于试图增加权利要求的可懂性，且不应被理解为限制权利要求的范围。

Claims (18)

1.一种用于使从热冲压线中的炉所输出的坯料定中心的定中心***，该定中心***包括：
一个定中心台，以及
一个加热***，用于在该坯料被布置在该定中心台上时加热该坯料的一个或多个选定区。
2.根据权利要求1所述的定中心***，其中该加热***包括一个基底和布置在该基底中的多个加热元件。
3.根据权利要求2所述的定中心***，还包括一个支撑结构，用于将该基底联接到该定中心台。
4.根据权利要求2所述的定中心***，还包括一个支撑结构，用于将该基底锚固在地板上或用于使该基底悬挂在顶棚上或悬挂在壁上。
5.根据权利要求2-4中的任一项所述的定中心***，其中所述加热元件是红外线加热器或感应加热器或电阻加热器或其组合。
6.根据权利要求2-4中的任一项所述的定中心***，其中所述加热元件是激光加热器，优选地是二极管激光加热器。
7.根据权利要求2-5中的任一项所述的方法，其中该加热***还包括由所述加热元件加热的至少一个接触元件，其中所述至少一个接触元件与该坯料直接接触。
8.根据权利要求7所述的定中心***，其中与该坯料直接接触的至少一个接触元件的温度在850℃至1000℃之间的范围内。
9.根据权利要求2-8中的任一项所述的定中心***，其中所述加热元件被配置为被选择性地接通。
10.根据权利要求2-8中的任一项所述的定中心***，其中所述加热元件相对于该定中心台布置成使得该坯料的大体上仅选定区被加热。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的定中心***，还包括一个冷却***，用于冷却该坯料中未被选定为加热的一个或多个区。
12.一种用于制造具有硬区和软区的钢部件的方法，其中所述软区的机械强度小于所述硬区的机械强度，该方法包括：
在炉中加热钢坯料；
在布置在该炉下游的定中心台上使经加热的坯料定中心；
当该坯料位于该定中心台上时对经加热的坯料的一个或多个选定区加热，其中所述选定区是该坯料中被指定为形成所述硬区的区；
将该坯料转移到压制工具；
在该压制工具中使该坯料热成形；以及
将该坯料中被指定为形成所述硬区的选定区淬火。
13.根据权利要求12所述的方法，其中在炉中加热该坯料包括将该坯料加热到该坯料的钢的Ac3温度以上。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中将坯料的选定区加热包括将所述选定区加热到该炉的加热温度以上。
15.根据权利要求12-14中的任一项所述的方法，其中当该坯料位于定中心台上时将所述坯料的一个或多个选定区加热还包括一个冷却***，所述冷却***用于冷却该坯料中未被选定为加热的一个或多个区。
16.根据权利要求12-15中的任一项所述的方法，其中该坯料保持在该定中心台上且持续15秒或更少的一段时间，优选地10秒或更少的一段时间。
17.根据权利要求12-16中的任一项所述的方法，其中当该坯料被转移到该压制工具时，该坯料中未被选定为加热的区具有的温度在450℃和700℃之间的范围内。
18.根据权利要求12-17中的任一项所述的方法，其中该坯料在压制成形工具中的温度被降低到250℃或更低，优选地200℃或更低。
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