用于热处理金属构件的方法和装置与流程

为了生产由钢板制成的安全相关的车身部件，通常需要在钢板形成车身部件的同时或之后使钢板硬化。为此目的，已经建立了一种称为“模压淬火”的热处理方法。在该方法中，通常以坯料形式提供的钢板首先在熔炉中加热，然后在压力机中的成型操作过程中冷却，从而使其硬化。

由于加热和模压淬火，与非加热状态相比，该构件通常经受(虽然很小)几何变化。通常，这需要在模压淬火之后将钢板修整到所需的最终外形。通常后续的修整只能在如果要生产的构件的公差规格如此之宽以至于在公差范围内该变化仍被允许的情况下被省去。然而，在典型的模压淬火应用领域中，允许的公差规格通常较窄。

此外，必须考虑到模压淬火后钢板的抗拉强度通常大于1000mpa[兆帕]。因此，硬化构件只能使用特殊的方法切割。通常可以用于此目的的一种方法是硬化钢的切割或硬切割。然而，该方法需要能够切断拉伸强度大于1000mpa的钢的工具。切割硬化钢不仅增加了制造链，而且为此目的所需的工具还涉及高投资成本、经历高磨损和需要密集维护。因此，工业批量生产中切割硬化钢未证明有价值。

工业批量生产中常见的一种方法是激光切割。通过至少一个激光束将硬化的构件修整成所需的最终形状。然而，激光切割的缺点在于它通常需要长循环时间、高能量成本和高投资成本。

由此出发，本发明的目的是至少部分地解决关于现有技术描述的问题。特别地，提供了一种用于热处理金属构件的方法和装置，这允许在工业批量生产中制造具有尽可能精密形状的模压淬火构件。此外，应该能够以尽可能低的能量成本执行或操作该方法和装置和/或实施和/或生产应该具有最低投资成本。而且，特别地，该方法和装置允许尽可能短的循环时间。

这些目是通过独立权利要求的特征来实现。在从属权利要求中描述了本文公开的解决方案的其他有利实施例。应当注意，从属权利要求中单独列出的特征可以以任意的、技术上有意义的方式彼此组合，并且限定本发明的其他实施例。此外，在说明书中更详细地说明和解释了权利要求中描述的特征，其给出了本发明的进一步优选实施例。

根据本发明，用于热处理金属构件的方法包括至少以下步骤：

a)加热构件；

b)设定构件的至少一个第一子区域和至少一个第二子区域之间的温差；

c)在模压淬火工具中至少部分地成形和/或冷却构件；和

d)对构件的至少一个第一子区域进行机械后处理。

方法步骤a)，b)，c)和d)的所示顺序是在该方法的常规工艺中得到的。单个或多个方法步骤可以同时地、连续地和/或至少部分地同时进行。该方法优选使用本文公开的装置进行。所公开的方法尤其用于生产具有尽可能大的精确形状的模压淬火构件。

所公开的方法以特别有利的方式允许在工业批量生产中制造具有尽可能精密形状的模压淬火构件。特别地，这可以使构件在后处理操作之前经受部分不同的热处理，使得可能需要后处理的构件的区域具有比构件的至少一个其他区域具有更低的强度。这具有以下优点：可以机械实施后处理操作，特别无高的工具磨损，从而可以省去能量成本和投资成本密集的激光切割。机械后处理可以相对快速地进行，使得此外该方法尤其允许尽可能短的循环时间。

金属构件优选是金属坯料、钢板或至少部分预成型的半成品。金属构件优选用或由(可硬化的)钢制成，例如硼(锰)钢，例如名称为22mnb5的钢。进一步优选的是，提供金属构件或金属构件至少在很大程度上预涂有(金属)涂层。例如，金属涂层可以为(主要是)包含锌的涂层，或(主要是)包含铝和/或硅的涂层，特别是所谓的铝/硅(al/si)涂层。

在步骤a)中，(整个)构件被加热，特别是在第一熔炉中。优选地，在第一熔炉中均匀、均一和/或匀化地加热该构件。此外优选的是，构件在第一熔炉中(仅仅)通过辐射热加热，例如通过至少一个电动加热元件(未与构件物理和/或电接触)，例如加热回路和/或加热丝，和/或通过至少一个(气体加热的)辐射管。

根据一个有利的实施方式，提出在步骤a)中通过辐射热和/或对流将构件加热至少500k[开尔文]，优选至少700k或甚至至少800k。优选地，在步骤a)中以非接触方式加热，特别是不与电动加热元件导热和/或电接触。

优选地，在步骤a)中将构件加热至低于ac3温度或甚至低于ac1温度的温度。ac1温度是当加热金属构件特别是钢构件时，从铁素体到奥氏体的转变开始的温度。ac3温度是当加热金属构件特别是钢构件时，从铁素体到奥氏体的转变结束或已(完全)完成的温度。或者，可以在步骤a)中将构件加热至高于ac3温度的温度。

优选地，在步骤a)之后和步骤b)之前将构件转移到温度控制站中。为此目的，可以提供传送单元，例如至少包括辊道和/或(工业)机器人。特别优选地，将构件从第一熔炉转移到温度控制站中。特别地，该构件从第一熔炉到温度控制站中行进至少0.5m[米]的距离。可以在与周围区域接触或在保护气氛内引导该构件。

根据有利实施例，提出通过冷却至少一个第一子区域和/或加热至少一个第二子区域对步骤b)中的温差进行设定。优选地，构件的至少一个第一子区域的部分、主动、传导和/或对流冷却在步骤b)中进行，特别是在温度控制站中进行。在冷却之后，该构件具有部分不同的(构件)温度，其中温度差被设定在该构件的至少一个第一子区域的第一温度和至少一个第二子区域的第二温度之间。而且，在步骤b)中，可以在构件的各子区域之间设置几个(不同的)温度差。例如，可以在构件中设置三个或更多个子区域，每个子区域具有与其他子区域不同的温度。

优选地，步骤b)中的温差的设定以这样的方式进行：构件的至少一个第一子区域的(第一)温度低于同一构件的至少一个第二子区域的(第二)温度。进一步优选的是，在步骤b)中，在构件的至少一个第一子区域和至少一个第二子区域之间设置至少50k，优选至少100k或甚至至少150k的温差。第一子区域通常为在成品构件中更具有延展性的子区域或者具有较低强度的子区域(与第二子区域相比)。第二子区域通常为在成品构件中相对较硬的子区域或者具有较高强度的子区域(与第一子区域相比)。

如果在步骤b)中进行至少一个第一子区域的(主动)冷却，优选地，通过对流方式进行，并且特别优选地通过至少一个排出流体的喷嘴进行。为此目的，喷嘴可以设置在温度控制站中并朝向第一子区域。例如，流体可以为空气、氮气、水或其混合物。冷却优选地通过包含多个喷嘴的喷嘴阵列进行，每个喷嘴排出流体，其中特别优选地，喷嘴阵列的形状和/或多个喷嘴的排列与构件的至少一个第一子区域的(所需)形状相适应。

在步骤b)中，所述至少一个第一子区域优选冷却至低于ac1温度的温度。在步骤b)中，特别优选地将至少一个第一子区域冷却至低于ac1温度的温度。优选地，在步骤b)中将至少一个第一子区域冷却至低于550℃[摄氏度](823.15k)的温度，特别优选地低于500℃(773.15k)或甚至低于450℃(723.15k)。

特别地，作为至少一个第一子区域的(主动)冷却的替代或补充，该构件的至少一个第一子区域和至少一个第二子区域之间的温差(还)可以通过对至少一个第一子区域进行至少部分地热隔离、分隔、限制和/或分开来设定。优选地，所述至少一个第一子区域至少部分地从所述至少一个第二子区域和/或从热源例如(电)热元件中热隔离、分隔、限制和/或分开，特别通过至少一个盖子、板和/或隔板。特别是当构件的至少一个第一子区域未被主动冷却时，因此特别优选地是，在步骤b)中，构件的至少第三子区域被主动冷却，例如通过对流和/或传导，和/或热能被(主动地)输入到构件的至少一个第二子区域中。以这种方式，(甚至)在第三个子区域中也可以设置比第一子区域更低的强度。优选地，在步骤b)中将构件的至少一个第三子区域冷却至少50k，优选至少100k或甚至至少150k。

优选地，在步骤b)中，将热能输入到构件的至少一个第二子区域中，特别是在温度控制站中和/或与(主动)冷却步骤或被动冷却步骤或允许构件的至少一个第一子区域冷却的步骤同时或至少部分同时地进行。优选地，构件的至少一个第二子区域在步骤b)过程和/或在温度控制站中(仅仅)经受热辐射，该热辐射例如通过至少一个电动或加热的加热元件产生和/或辐射，其特别设置在温度控制站中(且不与构件接触)，例如加热回路和/或加热丝，和/或通过至少一个(气体加热的)辐射管，其特别地设置在温度控制站中。

将热能输入到构件的至少一个第二子区域中可以以这样的方式进行：在步骤b)过程中和/或当构件保留在温度控制站中时，使得至少一个第二子区域的温度降低和/或至少一个第二子区域的冷却速率降低。当将构件在步骤a)中加热至高于ac3温度的温度时，该过程控制特别有利。作为替代方案，可以以这样的方式将热能输入到温度控制站中的构件的至少一个第二子区域中，使得该构件的至少一个第二子区域被(显着地)加热，特别是加热至少约50k。当构件在步骤a)中加热至低于ac3温度或甚至低于ac1温度的温度时，该过程控制特别有利。

优选地，在步骤b)之后和步骤c)之前将构件转移到第二熔炉中。特别优选地，(在该工艺中)将构件从温度控制站转移到第二熔炉中。为此目的，可以提供传送单元，例如至少包括辊道和/或(工业)机器人。该构件优选地从温度控制站到第二熔炉行进至少0.5m的距离。可以在与周围区域接触或在保护气氛内引导构件。优选地，该构件在从温度控制站移出后立即直接转移到第二熔炉中。

在步骤b)之后和步骤c)之前，优选至少加热构件的至少一个第一子区域，特别是在第二熔炉中，优选至少50k，特别优选至少100k或甚至至少150k。作为替代或补充，在步骤b)之后和步骤c)之前，所述构件的至少第三子区域被加热，特别是在第二熔炉中，优选至少100k，特别优选地至少150k或甚至至少200k。除了至少一个第一子区域被加热之外，如果至少一个第三子区域被加热，则这些加热过程可以同时或至少部分同时进行。

特别优选地，至少构件的至少一个第一子区域或至少一个第三子区域在第二熔炉中(仅仅)通过辐射热加热，例如通过至少一个电动加热元件(未与构件接触)，例如加热回路和/或加热丝，和/或通过至少一个(气体加热的)辐射管。进一步优选的是，特别是与至少一个第一子区域和/或至少一个第三子区域的加热同时或至少部分同时进行，该构件的至少一个第二子区域在第二熔炉中加热至少50k，特别优选至少70k或甚至至少100k，特别是(仅仅)通过辐射热。特别优选地，在第二熔炉中将构件的至少一个第二子区域加热到高于ac1温度或甚至高于ac3温度的温度。或者，特别是与至少一个第一子区域和/或至少一个第三子区域的加热同时或至少部分地同时进行，当构件保留在第二熔炉中时，使得至少一个第二子区域的温度降低和/或至少一个第二子区域的冷却速率至少降低。

换句话说，在步骤b)之后和步骤c)之前，可以进行热能的输入，特别是通过辐射热输入到整个构件中。例如，为此目的可以提供第二熔炉，其可以包括(仅仅)可通过辐射热加热的熔炉内部，其中优选地可以设定(基本上)均匀的内部温度。将热能输入到第二熔炉中的构件的至少一个第一子区域中优选地以这种方式进行，即使至少一个第一子区域的温度增加至少50k，优选地至少100k，特别优选至少150k或甚至至少200k。如果存在至少一个第三子区域，则将热能输入到第二熔炉中的构件的至少一个第三子区域中优选以这样的方式进行，即使至少一个第三子区域的温度增加至少100k，优选至少120k，特别优选至少150k或甚至至少200k。

将热能输入到第二熔炉中的构件的至少一个第二子区域中可以优选地以这样的方式进行，当构件保留在第二熔炉时，至少一个第二子区域的温度降低和/或至少一个第二子区域的冷却速率至少降低。当将构件在步骤a)中加热至高于ac3温度的温度时，该过程控制特别有利。作为替代方案，可以以这样的方式将热能输入到第二熔炉中的构件的至少一个第二子区域中，使得构件的至少一个第二子区域至少(显着地)加热，特别是加热至少50k，特别优选至少70k或甚至至少100k，和/或加热至高于ac1温度或甚至高于ac3温度的温度。当将所述构件在步骤a)中加热至低于ac3温度或甚至低于ac1温度的温度时，该过程控制特别有利。

如果提供第二熔炉，则在步骤c)之前，优选地将构件从第二熔炉转移到模压淬火工具中。优选地，从第二熔炉移动到模压淬火工具中通过传送装置进行，例如至少包括辊道和/或处理单元，特别是(工业)机器人。特别优选地，构件从第二熔炉到模压淬火工具行进至少0.5m的距离。可以在与周围区域接触或在保护气氛内引导构件。优选地，该构件在从第二熔炉中取出后立即直接转移到模压淬火工具中。

在步骤d)中，构件的至少一个第一子区域进行(纯粹地或仅仅)机械后处理，特别是通过修整的方式。机械后处理优选地包括至少切断、切割、锯切、铣削和/或刨削。特别优选地，在步骤d)中在构件的至少一个第一子区域中和/或上进行机械切割。进一步优选地，在步骤d)中在至少一个第一子区域的区域中对构件进行机械修整。优选地，机械后处理包括对构件的至少一个第一子区域进行冲压。特别优选地，后处理和特别是修整或冲压以这样的方式进行，即从(剩余的)构件去除或切割构件的第一子区域的大部分，特别是至少70％或甚至至少85％。进一步优选的是，在步骤d)中，对来自(剩余的)构件的构件的第一子区域的特别是至少大部分(特别是至少70％或甚至至少85％)进行无屑和/或绝热切割操作。特别地，绝热切割在这里可以被理解为在切割区域中的高速塑性变形，其特别地导致强的加热，从而导致微结构的溶解或软化。由于切割过程的更适宜高速度，特别是(基本上)没有热量传递到(切割区域的)材料边缘区域。

根据有利实施例，提出使用至少一个机械切割工具实施步骤d)中的机械后处理。机械切割工具优选地包括至少两个切割工具和/或可移动的(相对的)朝向和/或远离彼此的切割工具，例如刀片或切削刃。此外优选的是，切削工具是手动引导的和/或自动钢剪。特别优选地，切削工具可以是电动、气动和/或液压驱动的。

根据一个有利的实施例，提出在机械后处理操作过程中将构件保留在模压淬火工具中。机械后处理优选与将构件在模压淬火工具中保持、夹紧、卡住和/或压制同时进行。优选地，机械后处理在成形和/或冷却(通过模压淬火工具进行)之后立即进行。特别地，机械后处理在模压淬火工具中进行。

根据另一有利实施例，提出构件的至少一个第一子区域形成凸缘区域和/或凹部区域。优选地，至少一个第一子区域形成构件的连接凸缘。此外优选的是，所述至少一个第一子区域形成所述构件的边缘区域。特别优选地，边缘区域围绕整个构件延伸。

此外优选的是，所述至少一个第一子区域形成至少一个条带，所述条带至少部分地沿着所述构件的(外部)形状或沿着(外部)构件边缘延伸。

条带(从(外部)构件边缘行进或从(外部)形状行进)朝向构件中心可以延伸至少0.005m[米]，优选至少0.01m或甚至至少0.1m和/或最多0.3m，优选最多0.2m或甚至最多0.1m。横向于延伸方向，条带沿(外)形状或沿(外)构件边缘具有优选0.05m至0.15m，特别优选约0.1m的(均匀或不均匀)条带宽度。条带优选地沿着构件的整个(外部)形状或沿着整个(外部)构件边缘形成。通过这种方式，构件可以实现更具有延展性的构件边缘，这使得构件的(外部)形状更容易修整。

根据另一方面，公开了一种用于热处理金属构件的装置，包括至少以下：

可加热的第一熔炉；

至少一个温度控制站，其被提供并配置用于设定构件的至少一个第一子区域和至少一个第二子区域之间的温度差；

至少一个模压淬火工具；和

至少一个机械后处理元件，其被配置给模压淬火工具。

第一熔炉优选地可以通过辐射热和/或对流加热。该装置还优选地包括可加热的第二熔炉，其可以被加热，特别是通过辐射热和/或对流。当第二熔炉位于温度控制站的下游时是特别优选的。此外，优选地，第二熔炉被提供和配置用于将至少构件的至少一个第一子区域或至少一个第三子区域加热至少50k，优选至少100k，特别是优选至少150k或甚至至少200k。

根据另一个有利的实施方式，提出至少第一熔炉或第二熔炉是连续式熔炉或间歇式熔炉。优选地，第一熔炉是连续式熔炉，特别是辊底式熔炉。第二熔炉特别优选为连续式熔炉，特别是辊底式熔炉，或间歇式熔炉，特别是包括至少两个彼此叠置腔室的多级间歇式熔炉。

第二熔炉优选包括熔炉内部，其特别是(仅仅)可通过辐射热加热的，优选地，熔炉内部可以设定(基本)均匀的内部温度。特别是当第二熔炉设计为多级间歇式熔炉时，可以存在多个这样的熔炉内部，其对应于腔室的数量。

优选地，(仅仅)辐射热源设置在第一熔炉和/或第二熔炉中。特别优选的是，至少一个电动加热元件(不与构件接触)，例如至少一个电动加热回路和/或至少一个电动加热丝，设置在第一熔炉的熔炉内部和/或第二熔炉的熔炉内部。作为替代或补充，至少一个，特别是气体加热的辐射管可以设置在第一熔炉的熔炉内部和/或第二熔炉的熔炉内部中。优选地，在第一熔炉的熔炉内部和/或第二熔炉的熔炉内部中设置至少有一个气体燃烧器燃烧的多个辐射管气体燃烧器或辐射管。特别有利的是，当气体燃烧器所燃烧的辐射管的内部区域与熔炉内部是大气分离的时，这样燃烧气体或废气就不会到达熔炉内部并从而影响熔炉气氛。这种系统也称为“间接气体加热”。

温度控制站优选地位于第一熔炉的下游。提供和配置用于排出流体的至少一个喷嘴可以设置或保留在温度控制站中。优选地，提供和配置至少一个喷嘴用于排出流体，用于冷却所述构件的至少一个第一子区域和/或至少一个第三子区域。以这种方式，可以特别有利地在构件的至少一个第一子区域或至少一个第三子区域与至少一个第二子区域之间设置温度差。特别优选地，所述至少一个喷嘴被定向从而能够朝向所述构件的第一子区域和/或第三子区域排出流体。进一步优选地，包括多个喷嘴的喷嘴阵列设置在温度控制站中，其中每个喷嘴被提供和配置用于排出流体。特别优选地，喷嘴阵列的形状和/或多个喷嘴的排列与构件的至少一个第一子区域和/或至少一个第三子区域的(所需)形状相适应。

优选地，至少一个加热元件设置在温度控制站中。加热元件优选地被提供和配置用于将热能输入到构件的至少一个第二子区域中。特别优选地，加热元件在温度控制站中被配置和/或定向，使得热能输入到构件的至少一个第二子区域中可以与通过至少一个喷嘴对所述构件的至少一个第一子区域和/或至少一个第三子区域的冷却同时实施或至少部分地同时实施。优选地，加热元件(仅仅)包括至少一个辐射热源。特别优选地，所述至少一个辐射热源设计有至少一个电动加热元件(不与所述构件(机械和/或电)接触)，例如至少一个电动加热回路和/或至少一个电动加热丝。作为替代或补充，可以提供至少一个气体加热的辐射管作为辐射热源。

模压淬火工具优选位于第二熔炉的下游。特别地，模压淬火工具被提供和配置用于同时或至少部分地同时成形和(至少部分地)冷却和(特别是)淬火构件。

至少一个机械后处理元件被配置给模压淬火工具。优选地，后处理元件可以设置或配置在模压淬火工具的区域中。特别优选地，后处理元件可以被定向或朝向模压淬火工具。此外优选的是，当后处理元件(特别是电子、机械、气动、液压和/或信号)连接到模压淬火工具时，使得后处理元件与模压淬火工具进行配合。后处理元件可以表示为(从模压淬火工具)分开或可以至少部分地集成到模压淬火工具中和/或固定地连接到模压淬火工具的单元。例如，为此目的，后处理元件可以包括后处理工具，特别是切断工具、冲压工具和/或切割工具，其优选在模压淬火工具上或内(特别是在模压淬火工具的上壳和/或下壳上)成形或整体成形，或其固定地连接到模压淬火工具上。后处理工具的第一部分，特别是第一刀片，可以(直接地和/或固定地)连接到模压淬火工具的上壳和/或后处理工具的第二部分，特别地第二刀片可以(直接地和/或固定地)连接到模压淬火工具的下壳。

根据有利实施例，提出至少一个机械后处理元件包括至少一个机械切割工具。

该装置优选用于实施本文所公开的方法。根据有利实施例，提出了所述的装置被提供和配置用于实施本文公开的方法。

结合该方法描述的细节、特征和有利实施例也可以相应地在本文公开的装置呈现，反之亦然。在这方面，在那里提供的用于进一步表征这些特征的所有描述都通过引用并入本文。

根据另一方面，公开了一种机械后处理元件用于(机械地)修整保留在模压淬火工具中的金属构件的用途，其中该构件包括具有较低强度特性的至少一个第一子区域和具有(相对)较高强度特性的至少一个第二子区域，并且其中修整(仅)在至少一个第一子区域中和/或上实施。

结合方法和/或装置描述的细节、特征和有利实施例也可以相应地在本文公开的用途呈现，反之亦然。在这方面，在那里提供的用于进一步表征这些特征的所有描述都通过引用并入本文。

下面将基于附图更详细地描述本发明和技术环境。应该注意，本发明不应受所示示例性实施例的限制。特别地，除非另有明确说明，还可以提取附图中描述的主题的部分方面，并将这些与来自其他附图和/或本说明书的其他构件和/或发现相结合。在示意图中：

图1显示用于热处理金属构件的装置的示意图；和

图2显示金属构件的俯视图。

图1示意性地显示用于热处理金属构件1的装置8的示意图。装置8包括第一熔炉9、温度控制站10和模压淬火工具4。举例来说，第二熔炉12设置在温度控制站10和模压淬火工具4之间。所述的装置8在此表示用于模压淬火的热成形线。温度控制站10(直接)位于第一熔炉9的下游，使得通过装置8待处理的构件1在离开第一熔炉6时可以直接传送到温度控制站10中。此外，第二熔炉12(直接)位于温度控制站10的下游，且模压淬火工具4(直接)位于第二熔炉12的下游。

图1所示的装置还包括机械后处理元件11，其配置给模压淬火工具4。机械后处理元件11包括切割工具5，通过其可以至少部分地修整金属构件1。

图2示意性地显示金属构件1的俯视图，包括两个第一子区域2和两个第二子区域3。此外，该构件包括第三子区域13作为示例。构件1在此处显示的是模压淬火操作之后的状态。构件1在第二子区域3中(完全马氏体化)硬化的。因此，构件1在第二子区域3中具有高强度。相反，构件1在各第一子区域中具有较低的强度。然而，构件1在第三子区域13中具有最低强度。例如，第三子区域13可用于吸收作用在构件1上的冲击能量。

根据图2所示，构件1的第一子区域2的一个形成凸缘区域6，且另一个第一子区域2形成用于凹部7的区域。由于与(完全马氏体化)硬化的第二子区域3相比第一子区域2的强度被减小，因此可以容易地机械修整凸缘区域6和凹部7的区域。在图2中，凸缘区域6尚未进行机械后处理。然而，凹部7的区域已经被机械后处理，因此凹部7在图2中是明显的。

提供了一种用于热处理金属构件的方法和装置，其至少部分地解决了关于现有技术描述的问题。特别地，该方法和装置允许在工业批量生产中生产具有尽可能精确形状的模压淬火构件。此外，该方法和装置可以以可能的最低能量成本实施或操作和/或以可能的最低投资成本实施或生产。而且，该方法和装置尤其尽可能允许短的循环时间。

参考数字列表：

1构件

2第一子区域

3第二子区域

4模压淬火工具

5切割工具

6凸缘区域

7凹部

8装置

9第一熔炉

10温度控制站

11后处理元件

12第二熔炉

13第三子区域