用于中间冷却钢板的方法与流程

本发明涉及了一种用于中间冷却钢板和钢板构件的方法。

背景技术：

由钢板制造硬化钢部件是公知的；出于硬化目的，首先将这些钢板加热至高于奥氏体化温度的温度，以便在钢结构内进行奥氏体相变。然后通过淬火硬化将该奥氏体组织转变为马氏体组织，这确保了钢构件的高硬度。

该方法特别适用于汽车零部件；将钢板构件预成型，然后将该预成型的钢板构件奥氏体化并在成型硬化模具中通过应用冷成型工具进行淬火硬化，或者将平板坯料奥氏体化，在奥氏体化之后，将平板坯料在模压淬火模具(press-hardening die)中成型并同时进行淬火硬化。

成型硬化和模压淬火都产生硬化的钢板构件。

近年来，即使对已经设置有防腐蚀涂层的钢板，即对具有锌基涂层或铝基涂层的钢板，也可以进行这样的成型和硬化步骤。

在这一点上，已经证明，在模压淬火方法中，即当同时进行成型和淬火硬化时，经常在构件的表面上观察到可能达到几百微米深的裂纹。这些裂纹归因于所谓的液态金属脆化，这意味着液态金属的涂层(即锌或铝)与奥氏体相接触，同时奥氏体组织受到机械应力。这被认为是裂纹的原因。

为了避免这种液态金属脆化，申请人知道以延迟转变的方式调整钢材，通过这种方式，从奥氏体向马氏体的转变仅在比当时出现的金属涂层的熔融温度低的温度下发生。由于即使在延迟转变的钢中，也必须首先进行完全奥氏体化，这绝对需要加热到高于所谓AC₃点的温度。然而，在对这种钢材进行成型之前，可以等到这些钢材已经冷却到比涂覆金属或涂层金属合金的熔化温度低的温度，以便接着进行淬火硬化和成型。这有利地实现了在奥氏体相通过成型受到机械应力时，液态金属不再存在于表面上。

申请人还知道，由延迟转变的钢材组成并已经涂覆有金属基防腐蚀涂层的坯料可以通过冷却板被冷却至期望温度，该期望温度低于涂覆金属的流体温度，然后从冷却装置中取出，再进行模压淬火。

这种类型的方法原则上证明了其价值。

还已知，由于锌基防腐蚀涂层含有氧亲和元素(比锌更快地氧化的元素)，因此锌基防腐蚀涂层在奥氏体化期间形成由氧亲和元素的氧化物组成的表面层。这种氧化层是玻璃状的，并保护锌免受氧化和蒸发。在成型硬化或模压淬火中，这种由氧亲和元素的氧化物构成的表面玻璃状层在构件冷却至室温后通过各种方法进行清洗。

技术实现要素：

本发明的目的是创造一种用于中间冷却钢板的方法，所述钢板特别是奥氏体化钢板构件，该方法产生硬化部件改善的表面质量和有利可控制的中间冷却。

该目的是通过具有权利要求1的特征的方法来实现的。

根据本发明，已经认识到通过冷却板之间的全表面接触和在预冷却期间伴随的压缩力，经受中间冷却的钢材被非常快速地冷却。由于这种快速冷却，整个冷却过程的可用工艺窗口-也是消除过程和切换过程-非常狭窄。

为了延长工艺窗口，本发明人使用了具有低导热性的板，并且使用它们进行中间冷却处理。尽管如此，它们不得不推断出即使是具有低导热性的板也会使坯料的温度消散地太快。特别是对于薄坯料，热量消散非常快，从而使可靠的过程控制的任务关于压力机的时钟周期复杂化。

根据本发明，已经被加热到奥氏体化温度的坯料在已经退出加热炉之后被转移到预冷却装置中，在该预冷却装置中它们是以平放或悬挂的位置进行干冰喷射。干冰喷射可用于非常精细地调节中间冷却，而不会太快、太强烈或不够强烈地发生冷却过程。关于整个坯料的均质化，本申请是特别有利的。优选地，在本例中，喷射从两个宽边击打坯料，其中坯料的整个区域或局部区域通过可移动的喷射装置用干冰喷射。根据本申请的定义，“干冰”可以是二氧化碳、干雪(冷冻水)或类似的介质。

在一个实施方式中，喷射可以以这样的方式进行，横跨坯料、不同的区域以不同的强度进行中间冷却，从而使得在随后的成型过程中也可以产生所谓的定制属性部分(tailored property part，TPP)构件。

在这一点上，取决于期望的冷却速度或冷却强度和/或取决于坯料不同区域的期望温差，干冰颗粒和/或干雪颗粒的数量、和/或干冰颗粒密度、和/或载体气流量可以按区域变化。

根据本发明，这不仅实现了非常有效的、有利地可控制的预冷却，而且与在成型过程结束时进行干冰清洁的表面相比，形成了明显更好的表面。这可能是由于使表面经受如此强大的热负荷，使得最上层的玻璃状氧化层特别容易去除，其中甚至在开始时更具延性的锌层也能够改善清洁。

如果要对坯料的整个区域进行喷射，根据本发明，可以抓住坯料，可以在一端将其引入预冷却装置中，在该装置中，在两侧的整个区域上使用干冰或类似的介质对其喷射，以确保这种热冲击效果，并且在喷射完成和期望的中间冷却之后将其转移到成型装置。

在这种情况下，坯料可以被引入到预冷却装置中，然后可以在其整个区域上进行喷射。然而，也可以在预冷却装置中的悬挂钢板坯料的整个高度上提供干冰喷射源，并将钢板坯料输送穿过该“干冰帘幕”。

可选地，固定悬挂的坯料可以通过移动式干冰喷射源从上到下或从一侧到另一侧进行喷射。

在另一个实施方式中，也可以将位于前进辊上的或在倾斜导轨上以滑动方式行进的坯料输送穿过预冷却装置，其中在坯料上方和/或下方布置有喷射装置，并将坯料输送穿过“干冰帘幕”。

也可以将坯料放置在中间冷却台上，并用干冰从上方和下方对其进行喷射处理，这种方式所实施的从下方进行的干冰喷射的压力足以使坯料悬浮，并确保所述喷射在气垫中进行。

在这种情况下，干冰颗粒和干冰颗粒密度以及因此地载体气流量可以根据期望的冷却速度而变化。

通过根据本发明的这种布置，与冷却板相比，冷却作为整体被延迟。然而通过对流确保了足够高的冷却速度。

可以通过这种方式实现的预冷却，可以有利地以非常一致的方式进行，并且可以被非常好地控制和调节。

附图说明

本发明将通过基于附图的示例来说明。在图中：

图1示出了利用干冰喷射的中间冷却装置的第一实施方式的示意图；

图2示出了根据图1的装置的另一个实施方式；

图3示出了用于干冰喷射的装置的另一个实施方式；

图4示出了用于中间冷却和干冰喷射的装置的另一实施方式；

图5是表示四种不同镀锌退火钢板和四种不同镀锌钢板处于未清洁状态、处于研磨状态和处于热干冰喷射状态下的焊接电阻的表格；

图6是表示四种不同镀锌退火钢板和四种不同镀锌钢板处于未清洁状态和处于热干冰喷射状态下的焊接电阻的图；

图7是表示具有用干冰喷射的区域的热处理钢板的表面的照片。

具体实施方式

根据本发明，首先将钢板坯料加热至高于奥氏体化温度的温度，以至少部分地将钢材变为奥氏体组织。奥氏体组织可以通过淬火转变成主要是马氏体的硬化组织。因此，钢结构的至少一部分必须是奥氏体的形式以达到这个效果。

特别是当使用所谓的延迟转变的钢(即在相对较低的温度下从奥氏体转变为马氏体的钢材)时，在奥氏体化之后，该钢材可以被中间冷却到高于马氏体转变温度的温度，并且只有这样才能进行淬火。

随着钢材的奥氏体化，钢板上已有的基本由具有氧亲和元素的金属锌组成的防腐蚀层，形成由更高氧亲和元素的一种或多种氧化物构成的表面层。这些更高氧亲和元素例如是铝、镁、硼等元素，当它们存在于锌层中时，在温度和氧气的影响下，会扩散到锌层的表面并且优选地在那里被氧化。

这种氧化表面在奥氏体化期间形成，然后以玻璃状上层的形式在室温下存在。

根据本发明，进行预冷却是因为钢板坯料的表面(特别是具有防腐蚀层的钢板坯料的表面)被干冰或干冰颗粒或含有干冰颗粒的气流所喷射。

用干冰喷射产生对钢板坯料的冷却，可以非常精确地并且以局部不同但特别一致的方式有效地控制冷却。

此外，干冰喷射有利地清洁了只有奥氏体化所需的更高氧亲和元素的氧化物表面。事实上这已经在室温下已经进行了并且是已知的，但是在利用干冰的中间冷却与相伴随的表面清洁之间似乎存在协同效应，因为氧化物在更高温度下的清洁已经被证明更为有效。

这也意味着在热成型之后，产品被硬化并且不需要任何进一步的表面修整。特别地，这节省了一个工作步骤，从而降低成本。

例如，用于执行根据本发明的方法(图1至图4)的装置1具有可以引入或输送钢板坯料3的腔室2(图1和图2)。特别地，坯料3以悬挂的方式运输，坯料3通过设置在装置5上的夹持器或固定架4以悬挂方式布置，以将其送入和送离腔室2。在腔室中，设置有干冰颗粒喷射装置6，该装置能够从悬挂固定架4的区域以箭头方向7沿着坯料3移动，并且可以连续并且逐渐地对坯料3的表面从部喷射到底部。

在这种情况下，喷射装置6可以布置在轨道(未示出)或其他移动装置(未示出)上，使得它们可以沿坯料3移动和/或可以朝向或远离坯料移动。特别地，可以想到的是将喷射装置设置在机械臂上。

在另一个有利的实施方式(图2中，相同的零件具有相同的附图标记)，在腔室2中，全区域喷射装置8布置在坯料的两侧，该装置使用干冰或干冰颗粒以喷射方式作用在坯料的整个区域上。为此，喷射装置8具有相应的开口，从该开口中可以喷出干冰、干冰颗粒或含有干冰颗粒的气流。

然而，在这种情况下，喷射装置8也可以实施为沿悬挂坯料的高度延伸的条带8并且产生干冰颗粒帘幕，坯料3在移动装置5的帮助下被输送穿过该干冰颗粒帘幕。为了防止坯料3摆动，可以在腔室的底部，在与悬挂装置4相对的纵向边缘处设置导轨9。

在本发明的另一个实施方式(图3)中，装置1实施为台面10或平槽10，该槽10具有坯料侧表面11，并且在坯料侧表面11中，设置用于干冰、干冰颗粒或含有干冰颗粒的气流的喷嘴或排出口12。坯料3可以放置在该台面10上或者放入该槽10中，其中坯料3由颗粒或气流通过在上表面11和坯料下侧面13之间的气垫保持在悬停状态。特别地，坯料通过诸如机器人的常规操纵器放置在台面10上或放入平槽10中。为了实现坯料3的均匀冷却和喷射，可以用全区域喷射装置15作用在坯料的上表面14上，全区域喷射装置15关于台面或槽10对应地实施并且在面向坯料3的一侧配备有用于释放干冰、干冰颗粒或含有干冰颗粒的气流的喷嘴或开口。该装置15可以被实施为升高和降低，以便能够插入和移除坯料。

除了被实施为全区域喷射装置15之外，装置15还可以被实施为当坯料通过下面的气垫保持在悬停状态时沿坯料被输送的梁的形式。

在另一个有利的实施方式(图4)中，装置1再一次被实施为腔室2，腔室2被实施为具有腔室入口16和腔室出口17的贯穿式腔室。

在腔室2内，例如，坯料3在陶瓷辊18上沿前进方向(箭头19)移动，其中坯料在上侧14和下侧13均通过相应的喷射装置20进行作用，所述喷射装置20将干冰喷射流、干冰颗粒喷射流或含有干冰颗粒的气流引导到坯料表面上。

在这种情况下，当坯料穿过装置1时，喷射装置20可以作用在辊18(如图4所示)之间的坯料的整个区域上或作用在坯料表面的一些区域中。坯料3以中间冷却和洁净的形式穿过腔室2并通过出口17离开腔室2，并随后被转移到成型和淬火工具。

根据图5的表格和根据图6的图表分别显示了四种不同镀锌退火钢板和四种不同镀锌钢板在三次试验中的焊接电阻，比较了在热状态下干冰喷射的钢板、研磨状态的钢板和未清洁状态钢板的焊接电阻。

一贯清楚的是，由于在热状态下的干冰喷射，焊接电阻显著低于未清洁的板。

镀锌退火板中的焊接电阻基本上低于镀锌板，因为锌层中的铁含量从根本上提高了可焊性。

在热状态下通过干冰喷射实现的特别有效的清洁效果在图7中也是显而易见的。在图7中示出了一个坯料，该坯料仅在一些区域用干冰喷射。与坯料的由于表面氧化物的存在引起的绿色外观相比，具有灰色外观的区域(即喷射区域)是可见的，这是由于将氧化物从锌层中清除使得金属锌可见。

通过本发明，有利的是钢板坯料的中间冷却，特别是具有防腐蚀涂层的钢板坯料的中间冷却，通过对同时出现的表面氧化物的清洁，以更简单、更有效和特别有利可控制的方式进行。然而根据本发明的方法也可以成功地用于未涂覆的坯料；在这种情况下，任何存在的鳞屑甚至会在成型工具之前被去除，这与已涂覆的坯料一样，在成型工具中产生正面效果，即防止或至少减小了由于硬质氧化物而导致的工具磨损。

在未涂覆的钢板中，这里的优点在于，干冰喷射不仅能够实现非常好的中间冷却，而且还能够在从离开奥氏体化炉到发生成型的温度范围内自动产生保护气体氛围。

如果在保护气体中已经发生加热，则因此可以保持保护气体氛围直到成型发生。

附图标记说明：

1 装置

2 腔室

3 坯料

4 悬挂固定架

5 移动装置

6 干冰粒子喷射装置

7 箭头方向

8 条带/喷射装置

9 导轨

10 台面/槽

11 坯料侧表面

12 排出口

13 坯料下侧

14 坯料上侧

15 喷射装置

16 腔室入口

17 腔室出口

18 辊

19 箭头

20 喷射装置