用于构件或半成品硬化的方法和硬化工具的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于构件或半成品硬化的方法，该构件或半成品由包括钢材的工件制成，其中，该工件在成型工具中成型成为构件或半成品，其中，构件或半成品随后放入围绕该构件或半成品的硬化工具的容纳区域中并通过至少一个集成在硬化工具中的感应线圈电感加热，并且其中，该构件或半成品随后通过冷却而硬化。此外，本发明还涉及一种硬化工具，特别是用于实施该方法的硬化工具，该硬化工具具有:用于容纳和围绕该构件或半成品的容纳区域和至少一个集成在该硬化工具中的感应线圈，该感应线圈用于电感加热位于容纳区域中的构件或半成品。
【背景技术】
[0002]特别是在汽车工业的领域中，为了实现尽可能高的重量减轻，对所使用的构件性能提出了越来越高的要求，尤其是在更薄的材料厚度的同时对稳定性和强度提出了更高的要求。这特别是适用于车身的结构构件。
[0003]为了改善钢构件的强度，现有技术中已充分地公开对这类钢构件进行硬化处理。在此使能够硬化的钢材达到钢材的Acl或Ac3温度以上的温度并随后冷却、特别是淬火。因此，组织结构总是首先部分地转换为奥氏体结构并随后通过冷却转换为马氏体结构，从而可以实现强度的提高。例如在锰硼钢中在硬化后的状态下可以达到最大2000MPa的抗拉强度。
[0004]为了满足上述要求的另一种方案在于，将构件设计为空心型材。这些空心型材例如可以由挤压硬化的构件、比如钢背(Halbschale)制成。但是在此存在的问题在于，在薄壁厚的情况下，这类空心型材可能导致刚性问题。为了克服这一点，该空心型材可以作为闭合的空心型材形成。但是如果闭合的空心型材由钢背组成，重量因此增加而且也必需有额外的工艺步骤。
[0005]在汽车工业的领域中首先将相对较简单的构件、例如侧面防撞杆形成为闭合的空心型材。由于相对较简单的形状，可以简单地并具有足够品质地实施硬化。随着时间总是尝试使更复杂的构件硬化。特别是在车身结构内部，一部分构件需要具有复杂程度高的形状。
[0006]为了使具有复杂形状的构件硬化的解决方案在于，构件首先在炉中加热并随后在硬化工具中通过冷却而硬化。但是已显示，在复杂的形状下，通过随后在硬化工具中的硬化不能达到令人满意的硬化。另外，由于成型、加热、硬化以及在此期间的构件的运输是相互分离的过程步骤，这类方法使制造的总成本增加。
[0007]即使如DE 100 12 974 Cl或DE 10 2009 042 387 Al中已知的通过在工具内部加热和硬化，也不能在复杂的构件中达到令人满意的构件的硬化。
【发明内容】
[0008]因此，本发明的目的在于，提出一种方法和一种设备，从而即使在复杂的形状下也可以以经济的方式实现构件或半成品的工艺可靠的硬化。
[0009]根据本发明的第一教导，该目的通过按照本发明的方法由此得以实现，S卩，构件或半成品形状配合地放入硬化工具的容纳区域中并在闭合的硬化工具中的加热期间构件或半成品与至少一个感应线圈之间保持基本上恒定的间距。
[0010]已发现，由于在构件或半成品的加热和冷却期间依赖于温度的膨胀与收缩过程，在硬化工具中不能设置构件或半成品的可靠的位置。在电感加热过程中这会导致，通过构件或半成品与感应线圈之间耦合距离的变化而在工件中耦合不同大小的能量。由此引起的温度波动会导致不同程度的膨胀并导致波浪形的工件表面，这进一步导致待加热构件或半成品的不同的间距。
[0011]现已证实，如果构件或半成品充分形状配合地放入硬化工具的容纳区域中，在闭合的硬化工具中的加热期间在构件或半成品与至少一个感应线圈之间可以保持基本上恒定的间距。通过在构件或半成品与硬化工具之间预设的接触区域中硬化工具的形状恰好具有构件或半成品的形状，实现了形状配合的放入，该形状为构件或半成品在放入该硬化工具中时所具有形状。以此在加热构件或半成品之前确保在硬化工具与构件或半成品之间存在面接触。在放入硬化工具时，构件或半成品通常具有在该钢材的奥氏体化温度以下的温度，例如大约为室温。该接触区域可以根据构件的形状而设置为不同的。例如，将接触区域设置在平面的构件或半成品的两个侧面上或者将接触区域设置在构件或半成品的外侧面上，特别是在型材中，从而在进一步加热过程中可以简单地保持该面接触。由此，即使是在复杂和高复杂程度的形状的情况下，构件或半成品与至少一个感应线圈之间保持基本上恒定的间距也是可能的。复杂或不复杂的构件的特征在于，变化的横截面和/或大幅弯曲的形状变化和/或大幅变化的构件高度。特别是复杂成型的构件，例如以内高压成型法(IHU-Verfahren)和以U-O方法制成的构件，可以按照本发明程序可靠地硬化。因此可以在加热期间基本上在构件或半成品与硬化工具之间维持全面的接触。通过形状配合的放入，构件或半成品与硬化工具实际上不会进行或仅进行可忽略的相对运动。另外，已显示，通过将成型过程与硬化过程分配在分开的工具中可以这样设计硬化工具，即，构件或半成品特别是形状配合地放入硬化工具的容纳区域中，在该区域中不再进行成型。
[0012]特别有利的是，至少一个感应线圈另外以相对于容纳区域的硬化工具表面恒定的间距设置。至少一个感应线圈与硬化工具表面距离恒定的间距可以由此得以实现，即，硬化工具的作用面以壳体结构或皇冠状结构形成并且在背侧上铣削出通道，或者使用与通道一件式铸成的壳体，其中可以嵌入至少一个感应线圈。
[0013]因此提供了一种方法，通过该方法即使在复杂的形状下也可以以经济的方式实现构件或半成品的工艺可靠的硬化。
[0014]根据按照本发明的方法的一个设计，空气硬化材料作为钢材使用而且构件或半成品在硬化工具的容纳区域外部通过空气冷却而硬化，由于省略了在硬化工具中集成淬火或者省略了外部硬化过程，该过程可以特别经济地实施。由于在硬化工具中构件或半成品非常均匀与能够预见的加热，通过接下来空气中的冷却可以实现特别均匀与精确的硬化。同样能够使用强制空气冷却。
[0015]空气硬化材料特别是具有高络含量的钢，例如络含量在12至18重量％之间。元素钼、锰和/或镍也可以促进钢材的空气硬化性。
[0016]根据按照本发明的方法的另一个设计，当在加热之后通过冷却、特别是借助冷却介质使构件或半成品在闭合的硬化工具的容纳区域内部硬化，即使在复杂的形状下也可以实现构件或半成品的特别工艺可靠的硬化。因此也可以程序可靠地使钢材硬化，该钢材为了硬化必须非常快速冷却，例如必须淬火。
[0017]特别是在硬化工具中加热和冷却的结合实现了对经济有利的方法，因为不必在这些过程步骤中进行运输。
[0018]例如，构件或半成品可以通过硬化工具表面本身而冷却，该硬化工具表面通过与构件或半成品的接触可以提供充分的热量排散。同样可以使用冷却介质，比如气体、液体或固体，可以通过冷却系统将这些冷却介质引入硬化工具的容纳区域中或者也可以通过冷却系统将硬化工具的工具表面的热量排出。
[0019]特别是锰硼钢、例如Mn-S1-T1-B基锰硼钢可以视为通过淬火硬化并达到非常高强度的钢材。例如可以使用MBW1500+AS，MBW1500+Z或MBW-K 1500型钢。这些钢材在硬化之后具有至少1500MPa的抗拉强度、至少100MPa的屈服极限和至少5%的断裂延伸率As。。
[0020]根据按照本发明的方法的一个特别优选的设计，在加热期间以及在冷却期间构件或半成品都形状配合地位于硬化工具的容纳区域中。特别是已显示，通过在加热之前形状配合地放置构件或半成品就可以实现，虽然在构件或半成品的加热和随后的冷却中有膨胀与收缩的过程，但是不仅