由金属板成型零件的方法与流程
本发明涉及由金属成型零件。在实施例中，本发明涉及由金属板成型零件的方法。
背景技术：
使用“温冲压”的工艺(有时称为温成型技术)对于由金属板成型零件的方面是众所周知的。本质上，温冲压涉及将金属胚料(有时称为工件)加热到高温，并通过诸如模具组之类的工具从中形成零件；在加工工艺中高温提高了工件材料的延展性，并降低了工件材料中的流变应力，从而能够使复杂形状的零件成型。已知诸如此类的常规温冲压技术会在加工过程中损坏所需的工件微观结构，从而导致成型零件具有不可预测的性能，并且通常降低成型后强度。由于上述原因，通常不使用温冲压技术来形成高强度零件。硼钢板的典型温冲压工艺如图2中图表上的虚线所示，并在下面的加工路径中示出。
使用“热冲压”的工艺正在成为由金属板形成高强度零件的优选解决方案，这些零件可用于汽车“白车身”(biw)、底盘和悬架(c&s)零件。诸如硼钢的超高强度钢的开发使这种“热冲压”工艺可用于生产汽车安全关键面板零件，例如用于白车身和管状零件的a柱、b柱、保险杠、车顶纵梁、摇臂横梁和地板隧道，以及c&s的扭力梁。近年来，全球对这种超高强度钢零件的需求一直在急剧增长。
图1示出了硼钢板的典型热冲压工艺。本质上，它包括以下步骤：
a)将钢坯料加热到其奥氏体化温度，例如925℃以上，并在该温度下均热，以使所有金属都能转变成奥氏体。在这种状态下，金属是柔软的并且具有高延展性(易于成型)；
b)快速将奥氏体材料坯料转移到压力机；
c)使用通常是水冷却的冷模具组将坯料成型为部件的形状；
d)将成型的零件在冷模具组中保持一定的时间(通常至少为6-10秒，取决于几何形状、板厚度、压力等)以进行淬火，从而使材料达到硬质相，例如形成的马氏体(用于高强度部件)；以及
e)当零件温度降至足够低的水平，例如250℃时，释放模具，然后取出部件。
有时将这种工艺称为“热冲压、冷模成型和淬火”工艺或“热冲压和压制硬化”工艺。
在用于由钢板成型复杂零件的这种现有的热冲压工艺中，在室温下将板材工件尽可能快地从熔炉转移到工具(模具组)上，同时使其变形和淬火。淬火速率足够快以在钢中产生马氏体微观结构，这是高强度产品的基础。将成型零件在冷模具组中放置一段时间，可以使成型零件冷却并形成“硬质相”(例如，在硼钢板的情况下为马氏体)，从而提高了成型后强度并减少回弹。本文中使用术语“回弹”来描述成型零件朝着其原始板材形状弹性变形的程度。
本发明的目的是提供对现有冲压工艺的改进，尤其是提供对用于高强度产品的现有冲压工艺的改进。
技术实现要素：
一般而言，提出了一种快速温加热方法以提高高强度金属板零件的制造生产率。在提出的快速温加热方法中，快速加热金属板到其可以成型的温度。该温度低于临界微观结构变化温度，即低于将导致正被加热的金属的微观结构发生实质性变化的温度。令人惊讶地发现，在本方法提供的条件下，在成型之前对金属板进行快速加热，避免了金属板微观结构的任何实质性变化，并且与使用相同金属板但使用常规方法成型的零件的延展性和成型后强度相比，令人惊讶地提高了成型零件的延展性和成型后强度。甚至更令人惊讶地发现，根据本发明方法形成的零件的延展性和成型后强度为成型零件提供了与金属板在加热和成型之前相似的延展性和强度性能。
避免板的微观结构发生任何实质性变化意味着：
第一，不需要初始大幅加热，然后从相当大的温度快速冷却(称为淬火)以形成所需的“硬质相”。以这种方式，减少了并且通常大幅减少了充分加热，然后将模具夹持在一起(允许零件成型)所需的时间；
第二，在零件成型之后，金属板的物理性能基本上保持不变。以这种方式，可以根据所用材料的初始阶段的性能，而不是根据现有的热冲压工艺所需的所需最终阶段的性能(在整个成型零件中可能会或可能不会以统一的方式获得)，来选择要制造成型零件的材料；以及
第三，该方法可以应用于多种类型的金属和金属合金，而无需考虑如果使用现有的热冲压方法进行处理将产生的任何所得金属相的性能。
在较低温度下成型金属板减少了整个工艺中的能量消耗，因此降低了成本。其他有益效果来自可选特征。
根据本发明的第一方面，提供了一种由金属板成型零件的方法，该方法包括以下步骤：
a)将金属板加热至温度t；以及
b)在施加冷却手段(means)至板的同时，在模具之间将板成型为零件；
其中，在步骤(a)中以至少50℃.s-1的速率加热金属板，并且温度t高于该金属的临界成型温度，并且不超过所述金属板的临界微观结构变化温度。
温度t是指在高于该温度可以成型金属板(称为“临界成型温度”)，低于该温度将导致板的微观结构发生实质性变化的温度(称为“临界微观结构变化温度”)。换句话说，温度t必须足够高以能够成型，但又不能高到足以使金属板的微观结构发生实质性变化。对于给定材料和给定加热速率，发生微观结构变化(例如相变、沉淀或重结晶)的温度可以在文献中找到，也可以使用已知技术通过实验确定。
本文所述的临界微观结构变化温度是这样的温度，低于该温度，金属板的微观结构没有实质性改变。本文所讨论的微观结构的变化可能涉及诸如相变(例如，在钢的情况下为奥氏体化)、沉淀和/或重结晶之类的变化。在步骤(a)中将金属板加热至低于临界微观结构变化温度的温度意味着基本上避免了板的微观结构的变化，并且优选完全避免该变化。
已经发现以要求的加热速率抑制本发明方法中的微观结构的所有变化，以提供一种具有上述所有优点的冲压方法。已经发现，当在所提出的方法期间对金属板的微观结构进行小的改变时(即，基本上避免改变的情况下)，仍可在制造生产率上获得改善。以这种方式基本上避免变化可以涉及金属板的微观结构的1％至10％的变化，优选地1％至5％的变化，并且最优选地1％至3％的变化。例如，金属板的微观结构的变化可以是1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％的程度的变化。
给定材料的微观结构变化可以通过在成型之前或之后使用x射线衍射(xrd)分析、电子背散射衍射(ebsd)、扫描电子显微镜(sem)、隧道电子显微镜(tem)或任何其他已知的确定材料微观结构的方法来检查金属板的微观结构而确定。可以使用上述分析技术来评估温度处理对不同金属板中微观结构的影响，以确定临界微观结构随温度的变化。变化可能包括新相和/或沉淀的产生；相和/或沉淀物和/或重结晶晶粒等的溶解，所有这些都可以通过体积分数的变化，即单位体积中变化的微观结构特征的总体积来限定。
优选地，温度t不超过以相变、重结晶和/或沉淀的形式引起金属板任何微观结构变化的温度。
给定材料的临界成型温度可以通过比较金属板在成型部件时在不同变形温度下所承受的已知伸长率与给定材料的拉伸试验数据(例如从单轴拉伸试验获得的数据)来确定；临界成型温度是金属板必须达到的最低温度，该温度使所需的伸长率(成型期间)在没有失败的情况下施加到金属板上。可以使用拉伸测试仪，例如
在步骤(a)之后，可以将加热的金属板转移到模具之间的用于成型的位置。可替代地，可以在模具之间加热金属板，从而不需要在加热之后并且在成型之前进行转移。当转移金属板时，加热的金属板应以一定的方式和一定速度进行转移，以使加热的板的温度不降至临界成型温度以下。以这种方式，温度t可以认为是“目标温度”，其考虑了在加热结束和成型开始之间的时间内可能导致的任何温度下降，并确保金属板在成型时处于临界成型温度或高于临界成型温度。在成型之前允许加热的板的温度降至临界成型温度以下可能对成型零件的成型后强度产生不利影响。
如上所述，在加热步骤(a)期间微观结构发生少量变化的情况下，已经发现在成型工艺期间施加冷却有利地减少了成型零件的回弹，由于将成型零件冷却到可以更快地处理并从模具组中取出的温度，因此提高了工艺的生产率，并保持了成型产品的成型后强度。
在步骤(a)期间金属板的微观结构没有变化的优选情况下，有利地发现，在成型板时不需要冷却步骤。以这样方式，当板在闭合的模具之间时(在进行了初始加热之后)，在成型期间不需要施加任何加热或冷却。因此，本发明的第二方面涉及由金属板成型零件的方法，该方法包括以下步骤：
a)将金属板加热至温度t；以及
b)在模具之间将板成型为零件；
其中，在步骤a)中以至少50℃.s-1的速率加热金属板，并且温度t高于临界成型温度并且不超过将导致所述金属板的微观结构变化的温度。
金属板可以是铝、镁、钛或其合金。可替代地，金属板可以是钢或其合金，例如超高强度钢(uhss)(例如，钢-硼合金、马氏体钢或弹簧钢)。
例如，根据第一方面，所提出的方法可以涉及由钢板成型零件，该方法包括以下步骤：
a)将钢板加热至温度t；以及
b)在施加冷却手段至板的同时，在模具之间将板成型为零件；
其中在步骤a)中以至少50℃.s-1的速率加热钢板，并且温度t高于临界成型温度并且不超过所述钢板的临界微观结构变化的温度。
优选地，温度t不超过以相变、重结晶和/或沉淀的形式引起钢板的微观结构变化的温度。优选地，温度t不超过会引起奥氏体化的温度。
以下可选特征可应用于上述任何方面：
在步骤a)中，金属板可以以50℃.s-1至300℃.s-1的速率加热。温度t可以是50℃至600℃、200℃至600℃、300℃至600℃、300℃至550℃或350℃至450℃。
在步骤(a)中，可以使用接触加热器、红外加热器、感应加热器或电阻加热器将金属板加热至温度t。优选地，使用接触加热器将金属板加热至温度t。
接触加热器本质上是在金属板的两侧使用两个热压板施加热量；金属板的温度取决于热压板的温度和接触时间，以及由此施加的接触压力。电阻加热器利用电流密度来增加金属板的温度。已经发现，由电阻加热器加热的不规则形状的金属板会由于金属板内电流密度的不均匀分布而遇到不均匀的热量分布。由于材料微观结构的不均匀变化，在温冲压或热冲压工艺中热量分布不均匀会导致成型后强度降低。接触加热器不会遇到与电阻加热器相同的问题，并且可以有利地用于将热量均匀分布到任何形状的金属板上。由于上述原因，优选使用接触加热器。
冷却手段可以配置为将金属板冷却(可替代地称为“淬火”或“淬火”)至100℃至300℃之间，优选地125℃至250℃之间，并且更优选地150℃至200℃之间。冷却手段可以配置为以至少10℃.s-1，优选地10℃.s-1至300℃.s-1，并且更优选地50℃.s-1至200℃.s-1的速率冷却金属板。
在该方法的步骤(b)中，在板在模具之间时，可以在成型后另外施加冷却手段。
如果在板仍在模具之间时，在成型之后施加冷却手段，则在成型期间发生的冷却可称为第一阶段冷却，而在成型之后的冷却可称为第二阶段冷却。在模具组最初成型零件的同时发生第一阶段冷却，第一阶段冷却可占施加到板上的冷却的10％至20％之间。第二阶段冷却发生在成型后，但零件仍处于封闭的模具组之间，并且可能占施加到板的冷却的80％至90％之间。例如，如果要将板从400℃的温度t冷却到200℃的最终温度，则第一阶段冷却可以将板的温度降低到380℃至360℃之间(即10％和20％之间)，然后第二阶段最终将温度降低至200℃(即80％至90％之间)。
在模具中或一旦零件从模具中移出后，提出的方法中的冷却手段或附加冷却手段可以可选地使用进一步的冷却，例如在下游加工中需要使成型零件处于一定温度和/或确保在高温下从模具中取出时，不会由于机械应力和应变作用于成型零件而对微观结构进行意外变化。但是，这种进一步的冷却不是必需的。
可以在所需的临界接触压力范围内的力来闭合模具。换句话说，可以利用使模具组能够向要成型的零件施加接触压力的力来闭合模具，所述接触压力在所需的临界接触压力范围内。
如本文所用，术语“接触压力”描述了在成型工艺中(当在封闭的模具之间挤压板时)由模具组施加到金属板的压力。已知不足的接触压力由于在模具组和要成型的板之间的传热效率降低而导致对成型后强度产生负面影响，这是由于在板和模具组之间的降低了的表面接触。由于在成型工艺期间所受的不均匀的热处理，因此板与模具组之间的不一致的接触会导致成型零件的不均匀的性能。
在某些情况下，在成型期间对模具组施加过大的压力可能意味着要成型的板不会拉入(或成型)到位于其之间的模具的整个范围内(即，模具组在要成型的板的任一侧都没有完全闭合)，这会导致诸如垂直壁或尖角的细节不足以形成模具的形状。应避免过大的接触压力，特别是在由模具组中的坯缘压牢器施加接触压力的情况下；坯缘压牢器在成型工艺期间保持金属板靠在模具上，并在成型期间控制进入模具中的材料流动。如果施加的接触压力太高，则进入模具的材料流动受到限制，并因此可拉伸性降低。
为避免上述成型工艺中的问题，将临界接触压力施加到模具组上，以确保要成型的板和模具组之间的传热率良好，以及板在模具组中的良好可拉伸性(即确保板完全符合模具组的形状)。临界接触压力取决于使用的材料、表面粗糙度以及工艺中使用的任何润滑剂。
优选地，闭合力在15mpa至300mpa之间，更优选在15mpa至200mpa的范围之间，并且甚至更优选在15mpa至150mpa的范围之间。如果在步骤(b)中成型后施加了另外的冷却手段，则在成型零件时可以以20mpa至50mpa之间的力来闭合模具，而在成型后，当板在模具之间时以50mpa至200mpa的力来闭合模具。优选地，如果在步骤(b)中在成型之后施加另外的冷却手段，则在成型零件时可以以20mpa至30mpa之间的力来闭合模具，而在成型后，当板在模具之间时，以30mpa至150mpa之间的力来闭合模具。
步骤(a)和步骤(b)可以有利地在2秒至60秒之间，优选地2秒至30秒之间，更优选地2秒至15秒之间，最优选地小于10秒的时间内进行。
如果在步骤(b)中在成型之后施加另外的冷却手段，则成型步骤可以在1秒至3秒之间的时间内进行，并且成型之后，当板位于模具之间时，冷却步骤可以在1秒至4秒之间的时间内中进行；优选地，成型步骤可以在1秒至2秒之间的时间内进行，并且成型之后，当板在模具之间时，冷却步骤在1秒至3秒之间的时间内进行。
本发明的另一方面涉及使用本发明的方法成型的成型零件。
本发明可以以各种方式实现，并且现在将参照附图通过示例的方式描述根据本发明的优选方法，其中：
附图说明
图1示出了现有的热冲压方法的示意图；
图2示出了现有的温冲压方法的示意图，并与现有的热冲压方法进行了比较；
图3示出了根据本发明的快速温冲压方法的示意图，并与现有的热冲压和温冲压方法进行了比较；
图4示出了根据本发明的方法的温度曲线；
图5示出了根据本发明的方法制造的成型马氏体钢零件的、作为温度t的函数的残余硬度曲线；
图6示出了根据本发明的方法制造的成型马氏体钢零件的、作为加热速率的函数的残余硬度曲线；
图7示出了根据本发明的方法制造的成型马氏体钢零件的、作为加热速率的函数的残余硬度和伸长率曲线；
图8示出了根据本发明的方法成型的u形零件的、作为温度t的函数的回弹曲线；
图9示出了根据本发明的方法成型的u形成型马氏体钢零件的、作为温度t的函数的残余硬度曲线；以及
图10示出了温度t对根据本发明的方法成型的马氏体钢零件的应力-应变关系的影响。
具体实施方式
如上所述，分别在图1和图2中示意性地示出了现有的热冲压和温冲压方法。用于形成高强度钢的现有的方法的一个非常重要的方面是，在成型零件之前，将要成型的钢板在足够高的温度，例如超过900℃进行热处理很长(prolonged)的时间(称为均热时间)以使奥氏体化发生，从而促使相变至材料的较软相(奥氏体)。现有方法的这一方面是能量密集的，并且已知花费整个加工时间的大约75％来形成制成的成型零件。
现有方法的另一个非常重要的方面是，由于将热冲压的零件保持在冷模中，因此冷却速率应足够高，例如平均超过25℃.s-1，以形成材料的最硬相(例如，在使用钢板的情况下为马氏体)。以这种方式，可以制造高强度的部件。尽管是现有方法的关键方面，但冷却热冲压的零件直到形成最硬相是费时的。
根据本发明的方法通过将要成型的金属板快速加热到一温度来提供更快的冲压方法，低于该温度将引起所述金属板的微观结构变化。已经发现，这种快速加热对制成的成型零件的延展性和成型后(post-form)强度产生令人惊讶的积极作用(如下文更详细论述的)，同时发现由于避免了对任何能源密集且费时的加热和冷却步骤的需求，而避免了材料微观结构的变化，从而降低了能耗和整个工艺时间。
根据本发明的方法可以应用于如上所限定的不同金属的板。现在将给出根据本发明的方法的示例，其中金属板是高强度钢。
该新方法涉及以下步骤：
第一，选择并准备高强度钢板(也可以称为“坯料”)。坯料的制备可包括在冷态时将坯料按尺寸切割，并且随后可确保高强度钢的初始相对应于成型后所需的相。如果高强度钢的初始相(成型前)与成型零件中所需的相不对应，则可以在使用快速温冲压方法之前施加预成型处理(例如热处理)。
第二，将坯料加热到温度t，例如350℃-450℃之间，该温度t高于临界成型温度且低于高强度钢的奥氏体化温度。使用接触加热器施加热量，该接触加热器包括两个热压板，它们从相对的侧面压在坯料上，它们以50℃.s-1至150℃.s-1之间的速率施加热量。确切的加热速率和临界成型温度将根据成型零件的几何构造和待成型板的材料而变化。
可以通过使用热机械模拟器，例如
第三，在预定的时间段内，将温坯料从接触加热器转移到包括冷成型工具的冷模具组中，以确保坯料的温度不低于高强度钢的临界成型温度。第三步骤是可选的，例如如果在模具组中加热坯料，则可能不需要第三步骤。
第四，一旦将坯料转移到包括冷成型工具(也可以称为“压力机”)的模具组中，就成型并冷却了坯料。通过将坯料保持在模具之间，同时施加冷却以提供初始第一阶段冷却至坯料，成型工艺将坯料塑形为所需形状。成型工艺使用模具以施加高达约30mpa的快速成型压力，并持续约1秒或2秒。最初第一阶段冷却将坯料冷却至大约10％至20％，朝着最终目标温度大约100℃至300℃。成型后，施加到模具的压力(以及因此施加到成型零件的压力)可以更改为大于30mpa但低于140mpa，并保持冷却以将坯料冷却至最终目标温度100℃至300℃之间(如上所述，如果在加热期间金属板的微观结构未发生变化，则可能无需冷却)。在该第四步骤中，整个成型和冷却(淬火)时间约为1秒至4秒。如上所述，一旦将成型零件从模具组中取出，则提供进一步的冷却是可选的。
在完成冲压和淬火工艺后，可以将成型零件从压力机中取出，以立即使用或进一步加工。如果成型零件是由铝或其合金制成的，则可以在将零件冷却至室温之前将其从压力机中取出，并将其移至温育室进行进一步处理，其中，留在成型零件中的残余热量用于缩短人工时效工艺。
图4示出了经受上述快速温冲压工艺的坯料的温度曲线。参照图4，b代表快速加热步骤，℃代表转移时间，d代表冲压和淬火时间，e代表温育时间。图4所示的ac3代表高强度钢的奥氏体化温度。图4中所示的温度曲线的转移时间d并未显示出温度的任何降低，但是，在某些情况下，从坯料从加热器中取出到开始成型时可能会出现温度下降。
已经发现，现有的热冲压和温冲压工艺的循环时间超过10分钟，如图2和图3所示，总循环时间为840秒，与其相比，通过使用根据本发明的快速温冲压方法，从加热坯料到从压力机中取出成型零件所花费的总时间(称为“循环时间”)小于10秒(如图3所示)。
图5至图8示出了通过根据本发明的方法使用高强度钢板生产的成型零件获得的数据。
图5示出了单轴拉伸测试结果，其中残余硬度(以成型前高强度钢的硬度百分比表示)是作为温度t的函数示出的，其中加热速率为50℃.s-1，并且没有均热时间。在成型期间施加强制空气冷却以将成型零件冷却至200℃以下。
图6示出了残余硬度(以成型前高强度钢的硬度百分比表示)随加热速率的变化而变化，其中温度t为450℃，并且没有均热时间或成型零件的冷却。
图7示出了残余硬度(以成型前高强度钢的硬度百分比表示)和伸长率百分比(延展性)，它们都随加热速率的变化而变化，其中温度t为450℃，并且没有均热时间。施加强制空气冷却以将高强度钢冷却至200℃以下。图7示出了随着加热速率的提高，成型后的延展性和强度得到改善。
图8示出了以u形成型的梁所呈现的回弹性作为温度t的函数。
图9示出了在不同温度t下进行的、通过使用根据本发明的快速温冲压成型的u形部件中的成型后强度。
图10示出了根据本发明的在快速温冲压条件下进行的uhss的单轴拉伸测试结果。
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