用于在低温下生产成型板件的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于将板坯或半成品(1)制成成型板件的方法，该板坯或半成品由含有至少60％重量的铁和至少5％的残留奥氏体含量的钢构成的材料制成，其中该板坯或半成品(1)在成型前至少部分地冷却至低于-20℃的温度，并在低于-20℃的温度下在成型工具(2)中进行成型。目的在于提供一种用于生产满足负载要求的板件的方法，该方法一方面实现了低温成型的大规模投入使用，而且实施方案特别简单，该目的由此实现，即，在控温冷却装置(3)中将板坯或半成品(1)的材料温度降至-20℃以下。
【专利说明】用于在低温下生产成型板件的方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于将板坯或半成品制成成型板件的方法，该板坯或半成品由含有至少60%重量的铁和至少5%的残留奥氏体含量的钢构成的材料制成，其中该板坯或半成品在成型前至少部分地冷却至低于_20°C的温度，并在低于_20°C的温度下在成型工具中进行成型。此外，本发明还涉及一种用于实施该方法的设备，以及所生产的板件的有利的用途。
【背景技术】
[0002]为了满足例如在汽车工业中的日益增长的对于减轻重量的要求，用于生产成型板件的方法得到发展，该生产方法特别是指在“热成型”概念下进行加压淬硬过程，以获得经加压淬硬的部件的最大强度，即屈服强度和抗拉强度。这样板件的壁厚能够减至最小，重量也因此减至最小。在此通常需将板件或半成品加热至ACl转变温度以上，从而使板件中主要存在奥氏体组织，以便随后在极高的温度下成型并迅速冷却。由此实现了奥氏体组织通过迅速的冷却向马氏体的转变，从而能够获得极高的抗拉强度和屈服强度。通过这种方法能够使锰硼钢，例如锰硼钢MBW1500获得超过1100兆帕的抗拉强度。此外这种已知的用于热成型的方法得到进一步发展，从而使板件也能够局部具备极大的屈服强度和抗拉强度，并由此实现了满足负载要求的板件设计。借此可以避免“拼焊板”或单独的构件的使用，而使用这种“拼焊板”需要高成本的额外接合步骤，例如使用激光射线。而热成型的缺点一方面在于，为了将板坯或半成品加热至ACl转变温度以上，一般为850°C以上，需要消耗极大的能量。此外，在例如防腐蚀所需的表面涂层方面会产生巨大问题。通常会使用热渗铝或铝-硅涂层半成品，而这种半成品却不具有阴极防腐蚀功能。含锌表面涂层虽然具有阴极防腐蚀功能，但在加热过程中表面上的锌会有熔化的风险。无涂层的半成品若未在保护气体下作业则容易氧化。
[0003]与此相反，由日本专利申请JP 2000/178640 A已知一种方法，其中，部件在低温下进行成型，并由此能够通过强化材料获得极高的抗拉强度和屈服强度。在该日本专利申请中建议，通过液氧、液氮或干冰，或者以其他方式至少部分地冷却部件，并在-50°C至_200°C的温度下成型该部件。为此建议将部件浸入相应的冷却介质中，从而使该部件极端剧烈地冷却。一方面将板材成型件浸入液氮或液氧又或干冰中的方法不易适应大规模生产。此外对于相应设备的操作人员来说也存在危险，这种危险导致了安全措施的增加。
【发明内容】
[0004]因此，本发明的目的在于，提供一种用于生产满足负载要求的板件的方法，该方法一方面实现了低温成型的大规模投入使用，而且实施方案特别简单。
[0005]根据本发明的第一教导，上述目的由此实现，即，在控温冷却装置中将板坯或半成品的材料温度降至-20°C以下。
[0006]与已知的现有技术相反，在控温冷却装置中将板坯或半成品控制在低于_20°C的成型温度下，优选控制在_40°C至_180°C区间的温度下。在板坯或半成品所使用的残留奥氏体钢中，低温配合成型过程导致了奥氏体部分转变为马氏体，从而实现了主要是屈服强度的显著提高。此外，该控温冷却装置以简单的方式，使得由于使用液态的、低温的冷却介质，例如液氧、液氮，又或由于使用液态的或固态的二氧化碳(干冰)而产生的危险大幅降低，从而使低温成型的大规模投入使用成为可能。控温冷却装置在本专利申请的意义上可理解为这样一种装置，即，板坯或半成品放置在该装置中，并通过使用相应的低温冷却介质使该板坯或半成品达到低温。并不绝对要求板坯或半成品为此直接接触冷却介质，例如接触液态的氧、氮或二氧化碳。
[0007]根据本发明的第一实施方案，优选在成型过程的前一刻将板坯或半成品从冷却装置中取出并立即送入成型工具。通过在成型过程的前一刻取出板坯或半成品，能够使板坯或半成品尽可能直至成型时仍保持成型温度，并因此也至少在成型过程开始时具有所要求的温度。
[0008]除了使用控温冷却装置外，也可以使用控温成型工具，以便使从冷却装置中取出的板坯或半成品能够在成型工具中尽可能长时间地保持低温。
[0009]此外，根据本发明的另一实施方案，成型工具自身能够作为冷却装置使用，板坯和半成品在该成型工具中冷却并成型。为此该成型工具具有这样的装置，该装置用于冷却板坯或对与板坯或半成品接触的区域进行温度控制，从而实现最佳的冷却过程。根据本发明所述的方法的这一实施方案的特别有利之处在于，板坯或半成品仅需要放入成型工具中，并且不需进行其他的取出或运输作业便能够在该成型工具中进行成型。由此实现了过程控制的最大化，因为成型温度能够以简单的方式通过成型工具进行控制。
[0010]根据本发明所述的方法的下一实施方案，成型工具仅在要求高屈服强度和抗拉强度的区域调节待成型板坯或待成型半成品的温度。由此能够单独通过成型工具的构造确定成型板件的区域，该区域基于低温成型应具备高强度，即高的抗拉强度和/或屈服强度。
[0011]由于成型工具的温度很低，成型工具的表面在接触到潮湿的外部空气时容易结冰。在这点上，根据本发明所述的方法的另一实施方案，能够由此使过程安全性进一步提高，即，通过使用除冰装置在成型前或在成型过程中防止成型工具、板坯和/或半成品结冰。
[0012]使用机械除冰装置能够以简单的方式除去成型工具上已经产生的结冰。此外还可以附加地或替代地通过使用保护气体在成型工具、板坯或半成品的冷却区域产生保护气体层以防止结冰。通过在板坯或成型工具的冷却区域形成保护气体层，使得湿气不会在该位置冷凝或冻结，也不会在板坯、半成品或成型工具的区域沉积。这一措施可以例如与机械除冰装置配合使用。
[0013]优选通过保护气体进行成型工具、板坯和/或半成品的冷却，其中保护气体优选通过设置在成型工具中的流动通道，流入成型工具、板坯和/或半成品的相应的待冷却区域。
[0014]此外，在根据本发明所述的方法中能够使用壁厚特别小的板坯或半成品。该壁厚优选为0.5毫米至1.80毫米，特别优选为0.7毫米至1.20毫米。尤其是通过使用控温成型工具相应地成型如此低厚度的板坯或半成品就特别有利，因为这样的厚度在成型工具中能够特别迅速地达到低温，并因此能够以相对短的周期生产满足负载需要的成型板件，该板件在闻负载区域的强度明显提闻。
[0015]特别优选对具有表面涂层的板坯或半成品进行成型，其中作为表面涂层可选地使用含锌的表面涂层。该表面涂层在低温成型过程中不会受损，从而能够顺利地通过使用含锌表面涂层实现阴极防腐蚀，而该涂层也不会对成型过程产生消极影响。这样生产出来的板材成型件一方面具有满足负载要求的强度值，另外基于表面涂层而具有特别好的防腐蚀性。当然除含锌表面涂层之外也能够毫无问题地使用能够在相应低温下成型的有机涂层。
[0016]根据本发明的第二教导，上述目的通过本方法的实施设备这样实现，S卩，设置一种成型工具，该成型工具具有用于放入板坯或半成品的接纳部，并设置有用于至少局部地将板坯或半成品在接纳部中冷却至_20°C以下的装置。根据本发明所述的设备使板坯或半成品能够在成型工具中冷却至成型温度，并能够不需其他运输步骤而进行成型。由此实现了经济性的最大化，因为在温度调节步骤和成型步骤之间不需将板坯或半成品从成型工具中取出。
[0017]成型工具优选具有除冰装置，用于对成型工具、板坯和/或半成品的冷却区域进行除冰，以保证耐久的、过程安全的操作。为此该装置可以包括例如机械装置如刷子或刮刀，该机械装置也能够清除已经产生的结冰。
[0018]根据本发明所述的设备的另一实施方案，成型工具至少在与板坯或半成品接触的区域具有流动通道，用于局部冷却板坯或半成品的冷却介质流过该流动通道。冷却介质优选使用无水冷却介质，例如干冰或液氮。该流动通道例如可以通至板坯或半成品，这样该流动通道能够将放入成型工具中的板坯或半成品的相应区域冷却至低温，并同时形成防止该区域结冰的保护气体层。另外流动通道也可以只在成型工具中延伸，从而使冷却介质，例如氧、氮或二氧化碳不会逸出成型工具的范围。
[0019]根据本发明的另一教导，上述目的由此实现，S卩，将按照本发明所述的方法生产的板件用作汽车的结构部件，其中该结构部件的各区域具有不同的强度。如前所述，通过低温成型同样能够在成型板件中形成很大的强度差异。在此基于材料中的残留奥氏体含量，通过残留奥氏体含量向马氏体组织的转变能够提高屈服强度和抗拉强度。通过低温的选择能够实现强度提高的增加，其中必须注意的是，材料的脆性会随着温度的降低而提高，并会因此限制变形程度。
[0020]此外，如前所述，在根据本发明所述的方法中，防腐蚀表面涂层，特别是含锌的表面涂层不会受损，因此特别有利的是，将板件用作汽车的柱、梁、大面积部件、底板、通道、车厢前壁或车轮罩。所有提到的板件在汽车中通常或多或少地受到腐蚀，并因此需要防腐蚀的表面涂层。此外满足负载要求的，即各区域具有不同强度的板件提供了降低成本的可能性，因为不需要使用昂贵的、由多个板材组成的拼焊板。一体成型的板件也没有降低强度的焊缝。另外也能够减少部件，并因此降低成本，因为不需分别进行强化。
[0021]根据本发明所述的用途的另一实施方案，板件用作汽车的A、B、C柱，其中，至少A、B、C柱的顶盖连接区域的强度高于A、B、C柱的柱脚区域。
[0022]最后，另一有利的用途是，板件用作汽车前部的纵梁，并且该纵梁具有一个前部区域，该前部区域的强度比后部区域低。车身前部的纵梁的低强度的前部区域应在碰撞的情况下变形从而吸收碰撞力。纵梁的后部区域则与之相反，应尽可能地不变形并因此保护乘客车厢。
[0023]相应的解决方法迄今为止只能通过使用补块、拼焊板或额外的加固部件来实现。根据本发明所述的板件的应用还能够以简单的方式提供一种一体成型的板材成型件，该板材成型件除实现了很好的阴极防腐蚀效果之外，同时也实现了各区域具有不同强度的纵梁的简化且经济的生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]下面，结合图示，凭借实施例对本发明作出详细说明。图示中:
[0025]图1示出了用于生产成型板件的方法的实施例的示意图；
[0026]图2示出了图1所示方法的替代实施方案；
[0027]图3a)、b)示出了用于实施该方法的成型工具的实施例；
[0028]图4示出了用于实施生产成型板件的方法的成型工具的另一实施例；
[0029]图5、6和7示出了相应制成的板件的有益用途的实施例。
【具体实施方式】
[0030]在图1中首先示出了用于生产成型板件的方法的示意图，其中板坯I应在成型工具2中成型。该成型工具2示出为简单的深冲工具。成型工具2代表任何成型工具，如那些用于将平板坯或已经预成型或切割好的半成品制成成型板件的成型工具。板坯I由钢构成,这种钢含有至少60%重量的铁和至少5%的残余奥氏体含量。这种钢的典型代表是例如高锰含量钢和TRIP钢。在这些钢，特别是残余奥氏体钢(TRIP钢)中可以观察到，在成型过程中奥氏体部分在非常低的温度下会部分转变为马氏体组织，并因此除变形强度之外还实现了进一步的屈服强度和强度的提高。已发现，这一效果在进一步降低的温度下明显提升，从而使强化过程除经典的加工硬化效应之外还显示出了所谓的TRIP效应，并导致非常高的屈服强度和抗拉强度。例如使用RA-K 40/70钢(TRIP钢)能够使屈服强度从410兆帕提高到800兆帕以上。在图1所示的本方法的实施例中，首先在冷却装置3中将板坯I冷却至低于_20°C的温度，优选冷却至-40°C到-190°C。为此，冷却装置中的冷却介质可以使用如液氮、干冰或液氧，而不会对设备的操作人员造成安全隐患。该控温冷却装置可具有例如相应冷却介质的封闭回路，该介质例如通过直接金属接触板坯或半成品来转移热量。当壁厚优选为0.5毫米至1.8毫米，特别优选为0.70毫米至1.20毫米的板坯达到成型温度时，将该板坯在成型过程的前一刻从冷却装置3中取出并送入成型工具2中。紧接着便进行成型过程，以便限制由于从冷却装置中取出而造成的温度提高。成型工具2优选自身也能够调节温度，从而避免了板坯在成型工具中明显的温度提高。
[0031]从图1中可以看出，冷却装置3提供了一种对板坯I的非连续性的冷却操作。与此相反，图2所示的冷却装置3’则使板坯I或半成品I能够连续地通过冷却装置3’，从而使板坯I或半成品I在冷却装置3’的出口处便达到成型温度。板坯I或半成品I在离开冷却装置3’之后便立即放入成型工具2中成型。如前面所指出的，成型工具2在此仅代表性地示出为深冲工具。原则上也可以考虑AHU/IHU成型工具及任何其他实施成型并由此促成板件强化的成型工具。
[0032]图3a)、b)示出了成型工具的一种可选实施方案的立体示意图。图3a)中所示的成型工具4具有成型工具上半部4a，在该成型工具上半部中设置有流动通道5，这些流动通道使板坯产生一个冷却区域6，之后在低温下对该板坯进行成型。为此，冷却介质如液氮或液氧或低温冷却的二氧化碳流过流动通道，并在该流动通道区域强烈冷却板坯。
[0033]在成型过程中，通过TRIP效果，在强烈冷却的区域产生了比未冷却区域强得多的强度，从而使制成的板件7具有区域7a，该区域由于强烈的TRIP效果而具有明显更高的屈服强度和抗拉强度。
[0034]为了防止图3a)中的成型工具结冰，这样做是有利的，即，在打开工具时，具有流动通道并因此特别低温的工具的上半部4a即使在工具的打开状态下也引导冷却介质流过流动通道。由此，通过在成型工具的强烈冷却的表面区域形成保护气体层8，能够防止工具表面结冰。
[0035]图4示出了成型工具的一个实施例,该成型工具具有冷却介质的封闭回路。为此示意性示出的成型工具9在压模及底模区域具有冷却介质通道10，相应低温的冷却介质流过该通道。板坯I设置在成型工具9的两个半部之间，并与这两个半部面接触，该板坯在与冷却的压模的接触面区域得到非常强烈的冷却，并达到低于_20°C的成型温度。若存在未达到相应温度的区域，则在压模11中设置能够另外局部加热板坯I的装置。该装置可以设计为例如电热器或类似的释放热量的装置。另外设置有对成型工具9进行机械除冰的装置并示意性示出。该机械除冰装置12由用于接纳刮刀12a的支架构成，该刮刀例如在成型工具9打开时清洁压模9’的表面。也可以考虑用刷子代替刮刀12a。示出的成型工具9能够在任何情况下将放入的板坯I在相对短的时间内，借由大面积的接触冷却至低于-20°C的成型温度，并由此提供一种简单经济的生产过程。
[0036]图5、6和7示出了成型板件I的有益用途的典型实施例。例如图5示意性地示出了板件作为汽车14的B柱13的用途。该B柱13应优选由具有高屈服强度和高抗拉强度的顶盖连接区域13b和具有低强度而反之具有高断裂伸长的柱脚13a构成。通过根据本发明所述的方法能够以经济的方式生产B柱，S卩，该B柱13的上部在成型工具中强烈冷却并接着进行成型。由此该上部具备了比柱脚13a明显更高的屈服强度和抗拉强度。相同的方式原则上也适用于其他柱，在此示出为A柱15和C柱16。
[0037]图6示出了汽车车身前部的两个纵梁，这两个纵梁在一个部件中具有两种不同的功能。纵梁17 —方面用于在发生碰撞的情况下首先吸收碰撞力并使自身至少部分变形，另一方面防止后方的乘客车厢进一步变形。为此该纵梁17通常设计为，其前方区域较易变形而后方区域则尽可能坚固。通过根据本发明所述的方法可以这样生产纵梁17，即，该纵梁的前方区域17a的强度比后方区域17b小，其中在成型工具中，纵梁的后方区域17b得到强烈冷却。由此使两个区域的屈服强度和抗拉强度得以明显区分。这样，同之前所述的其他用途一样，使例如纵轴17的应具有高屈服强度的部分具备了高于800兆帕的屈服强度，从而使该区域特别坚固。反之区域17a则在同一工序中得以变得柔软，因为没有调节成型工具的这个区域的温度。因此能够不需要使用拼焊板，该拼焊板需要额外的工作步骤以达到相似的强度特征。
[0038]最后，图7示出了车厢前壁18的示例，该示例也优选通过根据本发明所述的方法进行生产。该车厢前壁18通常是大面积的并具有相对小的厚度。尽可能使单个连接区域19例如具有较高的屈服强度和抗拉强度，从而不需以补块、拼焊板或分离组件的形式进行强化。另外通过成型工具的有目的性的温度控制不仅能够使车厢前壁18的特定区域在发生碰撞的情况下显示出明显不同的变形表现，而且能够使用于接纳机组，例如制动力放大器、空调器等的局部区域具有相应的屈服强度和抗拉强度，从而使车厢前壁18无需额外的措施便能够满足负载要求。
[0039]在图5至7所示的根据本发明所述的成型板件的典型用途中，特别能够顺利地提供基于含锌表面涂层和/或有机表面涂层的阴极腐蚀防护，因为能够不需使用热成型。
【权利要求】
1.一种用于将板坯或半成品制成成型板件的方法，所述板坯或所述半成品由含有至少60%重量的铁和至少5%的残留奥氏体含量的钢构成的材料制成，其中所述板坯或所述半成品在成型前至少部分地冷却至低于-201的温度，并在低于-201的温度下在成型工具中进行成型， 其特征在于，在控温冷却装置中将所述板坯或所述半成品的材料温度降至-201以下。
2.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在成型过程的前一刻将所述板坯或所述半成品从所述冷却装置中取出并立即送入所述成型工具。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成型工具用作冷却装置，所述板坯或所述半成品在所述成型工具中冷却，并随后进行成型。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述成型工具仅在要求高屈服强度和抗拉强度的区域调节待成型所述板坯或待成型所述半成品的温度。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，通过使用除冰装置在成型前或在成型过程中防止所述成型工具、所述板坯和/或所述半成品结冰。
6.根据权利要求3至5的任意一项所述的方法，其特征在于，通过使用机械除冰装置和/或通过使用用于在冷却区域形成保护气体层的保护气体来防止结冰。
7.根据权利要求3至6的任意一项所述的方法，其特征在于，通过所述保护气体进行所述成型工具、所述板坯和/或所述半成品的冷却，其中所述保护气体优选在设置在所述成型工具中的流动通道中流动。
8.根据权利要求3至7的任意一项所述的方法，其特征在于，所述板坯或所述半成品的壁厚为 0.5111111 至 1.80111111,优选为 0.7麵至 1.20111111。
9.根据权利要求1至8所述的方法，其特征在于，对具有表面涂层的板坯或半成品进行成型，并且作为表面涂层可选地使用含锌的表面涂层。
10.实施根据权利要求3至9的任意一项所述的方法的设备，其特征在于，设置一种成型工具(43),所述成型工具具有用于放入板坯(7)或半成品(7)的接纳部，并设置有用于至少局部地将所述板坯(7)或所述半成品(7)冷却至低于-201的温度的装置(54.10)。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述成型工具具有用于对所述成型工具(9)、所述板坯(7)或所述半成品(7)的冷却区域进行除冰的装置〈12、12幻。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述成型工具(43)至少在与所述板坯(7)或所述半成品(7)接触的区域具有流动通道(6,10),用于局部冷却所述板坯或所述半成品的冷却介质流过所述流动通道。
13.按照根据权利要求1至9的任意一项所述的方法生产的板件的用途，为汽车的结构部件，其中所述结构部件的各区域具有不同的强度。
14.根据权利要求13所述的用途，其特征在于，所述板件用作汽车的柱(133115).梁(17)、大面积部件(18)、底板、通道、车厢前壁或车轮罩。
15.根据权利要求13或14所述的用途，其特征在于，所述板件用作汽车的8柱(13),其中，至少所述8柱的顶盖连接区域(136)的强度高于所述8柱的柱脚区域(134.
16.根据权利要求13至15的任意一项所述的用途，其特征在于，所述板件用作汽车前部的纵梁(17),且所述纵梁(17)具有一个前部区域(174,所述前部区域的强度比后部区域(17?)低。
【文档编号】B21D37/16GK104379272SQ201380028507
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年5月28日 优先权日:2012年5月31日
【发明者】阿克塞尔·格吕内克勒, 马库斯·策纳克, 托马斯·黑勒, 叶卡捷林娜·博查罗瓦, 赛义德·阿明·穆萨维·里齐 申请人:蒂森克虏伯钢铁欧洲股份公司, 奥托库姆普尼罗斯塔有限公司