钢板部件的热处理方法及其热处理装置与流程

说明书

本发明涉及一种用于金属板部件的各个部件区域的针对性热处理方法以及一种执行该方法的热处理装置。

在技术领域的不同分支中，需要具有有限部件重量的高强度金属板部件。例如，在汽车行业中，有减少机动车燃油消耗，减少二氧化碳排放量，同时增加乘客安全性的雄心。正因为如此，对于在稳定性和重量之间具有正比率的底盘部件方面存在着急剧增长的要求。特别地，这些部件包括a柱和b柱，侧门碰撞保护梁，侧板，框架部件，保险杠支架，用于地板和屋顶的横梁，前后纵梁。在现代汽车中，原始底盘由一个通常由金属板制成，稳定性约为1,500mpa的安全笼组成。该方法需要使用多个涂覆有alsi的金属板，换句话说，涂覆有铝-硅的金属板。为了制造由硬化钢板制成的部件，开发了冲压淬火方法。该方法需要首先将钢片加热到850℃和950℃之间的奥氏体温度，然后放置在冲压工具中，迅速形成并最终通过水冷工具快速淬火至大约250℃的马氏体温度。这就形成了一种稳定性约为1500mpa的坚硬且稳定的马氏体结构。这种类型的硬化钢板金属只显示有限的断裂伸长率，这在发生碰撞的特定区域是不利的。这种情况下的动能不能转化为变形热。在这种情况下，实际上是使部件变脆和破裂，这意味着额外的乘客受伤风险。

因此，就汽车工业而言，其需要接收由部件内多个膨胀区和稳定区组成的底盘部件，以便部件一方面包含非常稳定的区域，另一方面包含非常灵活的区域。在这种情况下，生产系统的一般要求也应该继续得到遵守：这意味着，在硬化系统(hardeningsystem)的工作周期中不应该出现下降。通常地，应该可以正常运行整个系统，快速重新配置以满足个别客户的特定要求。该方法应该是可靠的和经济的，且生产系统只需要最小的空间。部件的形状和边缘精度应该很高，以免需要进行硬切边(hardtrimming)，以节省大量的材料和工作时间。

为了生产具有不同硬度和延展性区域的部件，可以将不同类型的钢焊接在一起，以使不能固化的钢处于软化状态以及能固化的钢处于硬化区域中。然后可以在随后的固化方法中实现整个部件期望的硬度分布。该方法的缺点是在alsi涂层和通常用于底盘部件的约0.8-1.5mm厚的金属板的情况中偶尔有不安全的焊缝，那里存在的粗糙的硬度转变，以及由于作为附加生产步骤的焊接而导致的金属板的成本增加。在测试中，偶尔会由于焊缝附近断裂而停机，这意味着该方法不能被描述为可靠的。除此之外，该方法由于涉及复杂的几何形状而具有局限性。

德国专利文献102007057855b3中描述了一种方法，在该专利中，高强度硼钢分离板形式的由具有alsi涂层的条带材料提供的成形部件首先被完全均匀地加热到这样的温度，并在该温度水平下保持一定时间，从而形成扩散层作为腐蚀或防垢保护层(scaleprotectionlayer)，其中来自涂层的材料和基底材料相互扩散。加热温度约为830℃至950℃。该均匀加热在具有连续炉的多个温度区的第一区域中进行。在此步骤之后，将炉的第二区域中的第一类型板的区域冷却到奥氏体分解的温度。这是发生在约550℃至700℃。这个降低的温度水平保持一定的时间，以使得奥氏体的分解没有任何问题地完全发生。与第一类型板区域的局部冷却同时，在炉的第二类型板的至少一个区域的炉的第三区中，保持高温度以使在随后的热锻造中，在相应的压力下，可以形成足够的马氏体。这个温度是830℃到950℃。当第一类型的区域冷却时，板的这个区域可以短暂地与冷却钳接触。

然而，用这种方法只能在相对简单和大规模的几何形状上的两个通常不同的区域上进行不同的热处理。复杂的几何形状，例如任意形成b-柱的韧性点焊边缘不会提供更大的硬度，可以使用这种方法进行相应的热处理。除此之外，炉内各个区域的温度需要非常精确地调节，其中出于经济效率的原因，连续炉一方面通常用煤气炉加热，然而，这意味着单个区域的温度不能简单和舒畅地以所要求的准确度调节。

从公开的欧洲专利申请ep2497840a1中可知，存在用于金属板部件的各个部件区域的针对性热处理的炉系统和方法。该炉系统包括惯用的、通用的用于将钢片部件加热到接近但仍然低于ac3温度的生产炉，这个温度是指铁素体转变成奥氏体结束的温度，其中炉系统还包括具有至少一个水平面的型材炉(profilefurnace)，所述的至少一个水平面由顶部和底部部分以及已经被添加在相应保持器中的产品特定的中间凸缘组成。其中产品特定的中间凸缘被设计成使得该部件按照预定的温度分布施加，该温度分布具有用于硬化区域的高于ac3温度的温度以及用于软化区域的低于ac3温度的温度。温度分布的影响通过热辐射发生。由于该方法规定生产炉中的部件仅被加热到低于ac3温度的温度并且在后面的方法步骤中引入热量以将限定区域加热至高于ac3温度的温度，在生产炉中不需要非常精确的温度调节。这意味着与电加热相比，煤气炉调节较差的缺点被认为有利于更便宜的能源(即天然气)所提供的经济可行性。这种方法的缺点是不同温度区域不能精确分离。除此之外，通过辐射进行的热交换发生得相对较慢，这意味着为了能够充分利用连续炉的能力，需要同时操作多个型材炉。

从已公开的德国专利申请ep102012102194a1中可知一种炉系统和用于炉系统的操作方法，其中在所述炉系统内，布置辐射热源以及炉系统内的金属部件可以用两个单独的温度范围进行热处理。此外，在炉系统的第二区域中，由于强制对流，气流循环中第二温度范围可以用于热处理。这需要使用辐射热将金属部件的第一区域加热到至少ac3，和/或保持至少ac3，以及通过对流将第二个区域从至少ac3温度下降到低于ac3的温度，或者通过对流将第二个区域加热到低于ac3的温度，其中由此产生的不同的温度区域通过分离器保持彼此热分离。保持不同温度区域彼此热分离是困难的。分离器必须适合于匹配金属部件的轮廓，以有效地保持不同温度区域的热分离。这意味着，在进行相应的修改之后，炉子才准备用于其它部件的几何形状，其中对炉子的改型，特别是辊底炉的尺寸，取决于炉子的尺寸，并且是广泛的。

除此之外，当部件经受热处理时，在部件上形成alsi涂层以防腐蚀并且与部件牢固连接，是理想的。这可能需要将alsi扩散到部件的表面。这通常发生在930℃以上的温度。

所有已知类型的这种设备都需要相当大的空间。对于已知类型的这种设备和方法也是这样的情况，即难以以精确的针对性方式将热能施加到部件的不同区域中。所有已知类型的热施加都具有这样的缺点，即不能将能量急剧施加到部件的特定区域，而是邻近区域也被施加了热能，这意味着，在温度低于ac3温度的区域直接相邻地急剧产生分离的高于ac3温度的温度，只能是有限的程度。具体而言，为了能够在冲压淬火之后保持彼此直接相邻的坚硬和可延展的部件段，预见了以分区形式的措施。

本发明的目的是提供一种用于钢板部件的针对性热处理的方法，其中在温度高于ac3温度的部件区域和温度低于ac3温度的部件区域之间可以创建具有最小化的过渡区域的分界线。本发明的另一个目的是提供一种热处理装置，用于金属片部件的各个区域的针对性热处理，这只需要相对小的空间，并且能够实现温度高于ac3温度的部件区域和温度低于ac3温度的部件区域之间的分离，而不需要隔离措施，其中区域之间的过渡区被最小化。

根据本发明的目的，该任务通过具有独立权利要求1所述特征的方法完成。该方法进一步优选的实施例由从属权利要求2至9得出。本发明的目的还通过如权利要求10所述的热处理装置来实现。热处理装置进一步优选的实施例由从属权利要求11至15得出。

利用本发明的在钢板部件上施加温度分布的方法，在一个或多个第一区域中，低于ac3温度的温度可以被施加在钢板部件上，并在一个或多个第二区域中，高于ac3温度的温度可以被施加在钢板部件上。ac3温度，像重结晶温度一样取决于合金。在通常用于作机动车底盘部件材料的情况下，ac3温度约为870℃，而铁素体-珍珠岩结构所设置的重结晶温度约为800℃。该方法的特征在于钢板部件首先在生产炉内预热，然后钢板部件被转移到热再处理站，其中辐射热源在热再处理站中的部件上移动，该移动通过钢板部件的一个或多个第一区域可选择性地保持在低于ac3温度的温度或进一步冷却，以及钢板部件的一个或多个第二区域任选地被加热到高于ac3温度或保持在高于ac3温度。在预热期间，部件可以被加热到高于ac3温度或低于ac3温度的温度。当部件进入再处理站时，取决于部件中存在的温度，在再处理站中，钢板部件的一个或多个第一区域保持在低于ac3温度的温度或进一步冷却，并且钢板部件的一个或多个第二区域被加热到高于ac3温度的温度(只要在进入再处理站时它们的温度较低)，或者保持在ac3温度以上的温度(只要在进入再处理站时它们具有这个温度)。例如，自然对流可以用于冷却。通过吹到部件相应部分上的强制对流也是可能的。可以从上面(意思是面向辐射热源的部件的侧面)或从下面(意思是背离辐射热源的部件的侧面)吹到部件上。也可以设想，还可以采用从部件下方(这意味着部件的背离辐射热源的一侧)进行接触冷却。

在作为本发明的目的的方法的情况下，生产炉不需要调整待处理的钢片部件的几何形状，特别是不必根据部件的几何形状来规划分离器。相反地，可以在生产转换时使用不能改装的标准的炉子。特别可以使用标准的辊底式炉，或者分批式炉。连续式炉通常具有大容量，特别适合大批量生产，因为它们可以装载和运行而不需要太多的努力。生产炉可以用煤气或电加热。用煤气加热通常是加热生产炉最经济有效的方式。炉温的调节并不代表提高的质量要求，因为整个钢板部件被加热到基本上均匀的温度。

辐射热源可以在部件上移动。在一个实施例中，辐射热源是旋转安装的，例如，其可以在再处理站中主要水平地旋转，以及其可以在部件上旋转然后再次旋转离开。这允许借助于起吊装置容易地抓取部件，例如，工业机器人，在完成热处理之后，进一步被运输，而不会有干扰辐射热源的移动。

当再处理站与生产炉直接连接时，表明它是有利的。生产炉例如可以是辊底式炉。在辊底炉中，部件通过辊子与炉子一起运输。再处理站可以通过相应地增加辊式输送机的长度而直接连接到炉子上。这种布置的一个可能的效果是，例如，部件只在那里的周围空气中尽可能少地冷却。也可以将几个再处理站连接到炉子上，以最小化循环时间。

生产炉可以通过例如煤气炉方式加热。所有其他形式的加热都是可以想到的并且包含在本发明内。

在优选的实施例中，辐射热源是具有表面发射器的场，即所谓的vcsel(垂直腔表面发射激光器)，其发出红外光谱的辐射。这样的场由多种，通常是数千个直径在μm范围内的非常小的激光器(微型激光器)组成，这些激光器在场中被布置成各个激光器之间通常具有约40μm的间隙。与红外led相比，这种vcsel提供的辐射具有更窄的线宽度和极其正向的光束特性。这使得可以非常精确地将不同的温度施加到基体上。此外，采用这种微型激光技术，照射表面上的功率密度达到100w/cm²。

在优选的实施例中，表面发射器在780nm和3μm之间的近红外光谱中发射辐射，例如在808nm或980nm的波长辐射。

当表面发射器可以分组控制时，它进一步证明了它自己的好处。或者，表面发射器也可以单独控制。混合形式也是可能的，其中单个表面发射器和其他表面发射器可以一起成组地控制。

通过操作单独的发射器或表面发射器组，有可能产生不同的辐射强度，并且因此将温度分布施加到基体上。例如，位于部件的第一区域之上的表面发射器可以被操纵以使得它们以比位于部件的第二个区域上的表面发射器小的功率辐射。也可以通过例如由于部件的三维几何形状而导致的靠近表面发射器的部件区域以比远离表面发射器的部件区域以更小的功率被辐射，使得辐射功率适应于三维部件轮廓。如果表面发射器是脉冲激光器，则操纵例如可以为脉冲长度和/或频率。操纵的内容取决于每个区域应达到的温度。这里相应的温度，例如ac3温度，取决于合金。操作的另一个参数可以是基体的热导率，其也取决于合金。

在特别优选的实施例中，生产炉包括具有不同温度的几个区域。其中将第一区域或第一区域之一中的钢板部件加热至高于约900℃的温度，且在其通流方向上在随后的区域中冷却得以使得它当它被转移到再处理站时包括小于约900℃的温度，例如大约600℃。例如，这可能需要在第一区域中将alsi涂层扩散到部件中，随后使部件冷却得以使得产生珍珠岩-铁素体结构。在再处理站期间，部件的第二区域可以通过表面发射场再次非常快速地加热回到ac3温度以上的温度，以便可以在这些区域中产生奥氏体结构。

与本发明的目的相对应的热处理装置由用于预热钢板部件的生产炉和用于将温度分布施加到钢板部件上的热再处理站组成。其特征在于再处理站由辐射热源组成，其中辐射热源由具有表面发射器的场组成，红外光谱中的辐射从所述表面发射器发射。

利用本发明的方法和本发明的具有多个第一和/或第二区域的热处理装置钢板部件，其也可以是形状复杂的，可以以经济有效的方式施加有相应的温度分布，因为安装在再处理站中的表面发射器允许在生产炉中尽可能地对钢板部件的第一和第二区域进行更精确的单独处理。

从属权利要求和下面通过附图对优选实施例的说明得出本发明的其它益处，特性和有意义的进一步发展。

附图说明：

图1示出了与本发明目的对应的热处理装置的俯视图

图2示出了具有第一和第二区域的钢板部件的俯视图

图3示出了在执行作为本发明目的的方法之后，另一个钢板部件的示例的俯视图

图1示出了与本发明的目的对应的热处理装置100的俯视图。从初始处理装置130中取出钢板部件200，放置在热处理装置100的流入台120上。钢板部件200从流入台120被输送到作为连续炉的生产炉110中，并沿箭头方向移动，例如，其温度升高到ac3温度以上的温度。从通流方向看时，在生产炉110的后面是流出台121，被设计为再处理站150，在经过生产炉110之后，被加热的钢板部件200被输送到再处理站150上。再处理站150由具有表面发射器场的表面辐射器形式的辐射热源151组成。辐射热源151可旋转地安装。在图中示出了该情况，其中钢板部件200已经被温度分布图所影响。辐射热源151也在钢板部件200上移动，使得红外辐射可以撞击钢板部件。在施加温度分布之后，辐射热源现在从钢板部件200移开，以使得第二处理装置131能够抓住钢板部件200并进一步运输，而不会有干扰辐射热源151的移动。

也可以设计更多的热再处理站150。有利的热再处理站150的数量应被设计为取决于生产炉110和热再处理站150的循环时间的比率。其中循环时间取决于所达到的温度，并且因此除了其它因素之外，还取决于被处理的材料以及钢板部件200的几何形状和厚度。

图2示出了具有第一区域210和第二区域220的钢板部件200的俯视图。第一区域210应当在后来的预制部件中展现高延展性。如果该钢板部件200是车辆底盘部件，则这些第一区域210可以指那些区域，例如后面的预制部件连接到车辆底盘的其余部分的那些区域。相对于钢板部件200的第二区域220，预制部件应该稍后具有高硬度。

图3示出了另一个钢板部件200的示例的俯视图，在执行作为本发明的目的的方法之后，这是车辆的b-柱200。

b-柱是对乘客车厢中部的车辆地板和车顶之间连接的描述。车辆中的立柱(其中也包括b柱)在发生事故和车辆翻转时具有稳定乘客车厢和防止垂直变形的挽救生命的任务。更为重要的是吸收侧面冲击的力量，以使车辆中的乘客不受伤害。为了能够确保满足这个任务，b-柱200由具有高延展性的第一区域210和具有高硬度的第二区域220。b-柱200在作为本发明目的的热处理装置中通过作为本发明的目的的方法被施加第一区域210和第二区域220，其中第二区域220也被额外地回火(tempered)。

这里所示的实施例仅描述了本发明所讨论的示例，并且因此可能不被理解为是限制性的。专家考虑的另一个实施例同样由本发明的保护区域构成。

参考术语列表：

100热处理装置

110生产炉

120流入台

121流出台

130初始处理装置

131第二处理装置

150热再处理站

151辐射热源

200钢板部件

210第一区域

220第二区域

300处理装置