專利名稱：用于制造熱成型和加壓淬火的金屬構(gòu)件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造機(jī)動(dòng)車的熱成型和加壓淬火的金屬構(gòu)件的方法。
背景技術(shù)：
目前，對(duì)機(jī)動(dòng)車結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷面存在如下要求構(gòu)件應(yīng)具有特別小的自重并，同時(shí)具有能有目的地形成的強(qiáng)度區(qū)域。構(gòu)件重量小有利于減小機(jī)動(dòng)車的總重量，這又有利地影響燃料消耗和(X)2排放。在此，機(jī)動(dòng)車結(jié)構(gòu)構(gòu)件的能有目的地形成的強(qiáng)度值一方面在保持剛性不變的同時(shí)有利于減少單位重量，另一方面有利于在特定區(qū)域中能有目的地形成延展性，從而使整個(gè)機(jī)動(dòng)車車身的碰撞安全性在乘員保護(hù)方面得以提高?，F(xiàn)有技術(shù)中公開了用于制造具有高強(qiáng)度特性同時(shí)自重小的金屬構(gòu)件的各種熱成型和加壓淬火方法。現(xiàn)有技術(shù)中尤其是公開了熱成型和加壓淬火的金屬構(gòu)件的后處理方法，以便有目的地形成局部的強(qiáng)度區(qū)域。例如通過感應(yīng)式再加熱、回火或類似方法調(diào)制多個(gè)區(qū)域，從而產(chǎn)生延展性的材料特性。對(duì)于這種后續(xù)方法步驟不利的是，后處理操作導(dǎo)致制造成本相對(duì)高。至少需要兩個(gè)大多在不同工具中進(jìn)行的方法步驟來進(jìn)行這些后續(xù)操作。由此， 這種熱后處理的機(jī)動(dòng)車構(gòu)件的制造時(shí)間也較長。此外現(xiàn)有技術(shù)中例如已知DE10208216C1。在此，機(jī)動(dòng)車金屬構(gòu)件設(shè)有第一類區(qū)域， 其在后來的最終構(gòu)件中比第二類區(qū)域更具延展性。為此，將第一類區(qū)域從位于Y _α轉(zhuǎn)變溫度以上的冷卻起始溫度起淬火，當(dāng)達(dá)到位于馬氏體起始溫度以上的預(yù)定的冷卻終止溫度時(shí)，而且是在轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和/或珠光體之前或在少量轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和/或珠光體之后淬火才終止。緊接著，第一類區(qū)域保持等溫，用以從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楹甙俜直鹊蔫F素體和/或珠光體的組織。在此期間，具有相對(duì)小的延展特性的第二類區(qū)域達(dá)到淬火溫度，該淬火溫度至少正好能夠使第二類區(qū)域在淬火期間充分形成馬氏體。該成型過程在中間加工站中以冷卻的形式進(jìn)行。緊接著將構(gòu)件輸送至淬火過程。借助上述方法制造的構(gòu)件在第一類區(qū)域中的強(qiáng)度約達(dá)到500MPa至600MPa。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的任務(wù)是，從現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)提出一種方法，借助該方法能夠使機(jī)動(dòng)車結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有不同強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域，該方法改進(jìn)由現(xiàn)有技術(shù)已知的方法。該任務(wù)通過具有權(quán)利要求1的特征的方法得以解決。本發(fā)明方法的有利的實(shí)施形式是從屬權(quán)利要求的組成部分。本發(fā)明的方法在此規(guī)定為了制造機(jī)動(dòng)車用的熱成型的加壓淬火的金屬構(gòu)件，該金屬構(gòu)件包括至少兩個(gè)具有不同硬度的區(qū)域，執(zhí)行下列方法特征提供可淬火的鋼板坯，將其至少加熱到奧氏體化溫度；中間冷卻鋼板坯的第一區(qū)域，冷卻速度選擇得大于鋼板坯的材料的下臨界冷卻速度；在加壓淬火工具中將鋼板坯熱成型和加壓淬火成金屬構(gòu)件，第一區(qū)域在加壓淬火工具中從貝氏體組織轉(zhuǎn)變階段被淬火，由此在第一區(qū)域中產(chǎn)生由馬氏體和貝氏體組成的混合組織。通過本發(fā)明的方法，以時(shí)間控制和/或溫度控制的方式產(chǎn)生中間階段組織。該中間階段組織尤其是在鋼板坯的第一區(qū)域中通過中間冷卻產(chǎn)生。在本發(fā)明的范疇中，中間冷卻的冷卻速度選擇成在鋼板的坯材料的下臨界冷卻速度以上，即中間冷卻的冷卻速度大于下臨界冷卻速度。尤其是冷卻在淬火后應(yīng)當(dāng)較軟的區(qū)域，也就是說所述區(qū)域具有較高的延展性。中間冷卻的冷卻過程在將可淬火的鋼板坯加熱到奧氏體化溫度之后進(jìn)行。但在本發(fā)明的范疇中，該冷卻過程也可在熱成型和加壓淬火過程之前或期間進(jìn)行。尤其是當(dāng)中間冷卻的冷卻過程在加壓淬火期間進(jìn)行時(shí)，可在加壓工具中設(shè)置相應(yīng)的元件，它們可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的冷卻以及相應(yīng)的冷卻速度。如果中間冷卻在熱成型和加壓淬火之前進(jìn)行，則在此可以理解生產(chǎn)線帶有加熱到高于奧氏體化溫度的鋼板坯的相應(yīng)的中間轉(zhuǎn)送。冷卻本身例如可通過自由對(duì)流、冷卻輥、具有絕緣支墊的單面退火板或其它相應(yīng)的冷卻裝置來進(jìn)行。優(yōu)選冷卻速度在中間冷卻時(shí)位于200K/S (開爾文/秒)和漲/s之間。 特別優(yōu)選設(shè)置50K/s的冷卻速度。冷卻在此優(yōu)選直接開始于從爐中取出之后。由此在第一區(qū)域中產(chǎn)生550MPa至900MPa之間的強(qiáng)度值。優(yōu)選產(chǎn)生大約700MPa的強(qiáng)度值。此外，冷卻到冷卻溫度的中間組織區(qū)域在加壓淬火工具中從貝氏體組織轉(zhuǎn)變階段被繼續(xù)淬火，使得在第一區(qū)域中產(chǎn)生由馬氏體和貝氏體構(gòu)成的混合組織。通過將第一區(qū)域淬火——在該區(qū)域中組織具有中間階段——剩余奧氏體成分在加壓淬火時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體成分。由此在第一區(qū)域中產(chǎn)生馬氏體-貝氏體-混合組織。貝氏體和馬氏體成分的比例在此取決于第一區(qū)域在加壓淬火過程開始之前保持在中間階段中的持續(xù)時(shí)間。第二區(qū)域——鋼板坯的不屬于第一區(qū)域的每個(gè)區(qū)域——尤其是保持于奧氏體化溫度以上。這意味著，在將鋼板坯至少加熱到奧氏體化溫度之后保持在相應(yīng)的高于奧氏體化溫度的溫度上。這例如可主動(dòng)地通過外部熱源實(shí)現(xiàn)，或被動(dòng)地通過相應(yīng)的絕緣來實(shí)現(xiàn)。在外部熱源的情況下，第二區(qū)域中的溫度尤其可通過紅外線燈、加熱螺旋管、多孔燃燒器、絕緣板或類似的外部熱源來保持。在本發(fā)明的范疇中，也可選擇明顯高于奧氏體化溫度的溫度，由此在加熱到高于奧氏體化溫度的過程結(jié)束之后直至加壓淬火過程開始之前的時(shí)間以及在此進(jìn)行的冷卻這樣彼此適配，使得在加壓淬火過程開始時(shí)第二區(qū)域始終具有至少高于奧氏體化溫度的溫度。在本發(fā)明的另一種有利的實(shí)施形式中，在中間冷卻第一區(qū)域時(shí)如此選擇冷卻速度，即獲得貝氏體組織，優(yōu)選冷卻到600°C至400°C之間、尤其是500°C。在大于相應(yīng)使用的材料的下臨界冷卻速度、但高于馬氏體起始溫度結(jié)束的冷卻速度時(shí)，在保持等溫冷卻溫度的情況下形成所謂的貝氏體，也作為中間組織或中間階段已知。與現(xiàn)有技術(shù)中已知的形成珠光體或鐵素體(珠光體主要通過直接從奧氏體中擴(kuò)散而形成)的方法相反，在貝氏體中間階段中由于冷卻較快而顯著增大碳在奧氏體中擴(kuò)散的難度。在大多從晶界開始的貝氏體形成時(shí)，細(xì)小的奧氏體區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榛兊摩辆Ц?。因?yàn)棣辆Ц裰械臄U(kuò)散速度要比Y晶格中明顯大，所以在該含過飽和碳的α固溶體中出現(xiàn)小的滲碳體顆粒，冷卻速度越快，滲碳體顆粒越細(xì)小。在此產(chǎn)生大致針狀結(jié)構(gòu)的貝氏體組織。 在此由于硬度隨顆粒細(xì)度的增加而增大形成顆粒狀結(jié)構(gòu)的碳化物。此外，貝氏體組織又區(qū)分為上中間階段(其中碳化物結(jié)合成較大的缺陷)和下中間階段(其中碳化物極其細(xì)微地分布)。在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選的實(shí)施形式中，第一區(qū)域在一段預(yù)定的時(shí)間上保持在中間冷卻的冷卻溫度上、優(yōu)選基本上等溫保持。通過該實(shí)施形式可精確產(chǎn)生具有所要求或者說希望的強(qiáng)度值的貝氏體中間組織。在該實(shí)施形式中，中間冷卻主要在第一區(qū)域的材料組織已轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體或直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g組織的溫度上進(jìn)行。從該冷卻溫度起，材料組織通過保持等溫一段特定的時(shí)間進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)變。在奧氏體組織的情況下，材料轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織。當(dāng)材料通過選擇冷卻速度而直接被冷卻到中間階段時(shí)，則在此已經(jīng)產(chǎn)生奧氏體與貝氏體之間的混合組織。通過保持該冷卻溫度，在一段特定的時(shí)間上保持純貝氏體轉(zhuǎn)變組織范圍。第一區(qū)域保持在該溫度上的時(shí)間越長，該組織的貝氏體成分越高。在一種特別優(yōu)選的實(shí)施形式中，第一區(qū)域這樣在特定的時(shí)間范圍上保持等溫，以便使第一區(qū)域完全轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。由此產(chǎn)生與鐵素體-珠光體組織相比強(qiáng)度更高的材料組織。尤其是由此可有目的地避免降低延展性的珠光體組織。在本發(fā)明的一種特別優(yōu)選的實(shí)施形式中，中間冷卻時(shí)的冷卻速度選擇得大于所使用材料的上臨界冷卻速度。由此可有目的地產(chǎn)生奧氏體區(qū)域，該區(qū)域接下來在預(yù)定的時(shí)間上優(yōu)選等溫地保持在一個(gè)溫度水平上，使得組織在保持時(shí)間上有目的地轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。根據(jù)所用的保持時(shí)間，可以產(chǎn)生部分貝氏體的奧氏體的組織或只有貝氏體的組織。在貝氏體-奧氏體組織的情況下，該組織通過接下來的加壓淬火過程轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w-馬氏體組織。在本發(fā)明的范疇中，保持在基本上相同溫度上理解成，在鐵素體和珠光體溫度之下、即主要在600°C、尤其是在550°C以下，但在馬氏體起始溫度以上。在較長時(shí)間范圍上保持等溫可導(dǎo)致溫度例如從500°C下降到400°C，但這在本發(fā)明的范疇中看成基本上等溫。特別優(yōu)選第一區(qū)域在Is至80s的時(shí)間范圍中保持等溫。特別優(yōu)選將1 設(shè)置為保持時(shí)間。但這根據(jù)具體所使用的材料合金來選擇。在本發(fā)明方法的另一種優(yōu)選的實(shí)施形式中，第一區(qū)域的中間冷卻在加壓淬火工具中進(jìn)行，優(yōu)選通過設(shè)置在加壓淬火工具中的冷卻板進(jìn)行。由此減少了周期和制造成本。尤其是可僅在兩個(gè)工具步驟中制造具有不同強(qiáng)度區(qū)域的機(jī)動(dòng)車構(gòu)件。首先在爐具中加熱并且緊接著僅在一個(gè)工具中合并進(jìn)行中間冷卻、熱成型和加壓淬火。對(duì)于在真正的加壓淬火過程中的冷卻速度，選擇至少25K/S的冷卻速度。特別優(yōu)選27K/s。但是尤其是對(duì)于真正的加壓淬火過程選擇更高的冷卻速度。加壓淬火過程尤其在第一區(qū)域和第二區(qū)域中主要以相同的冷卻速度進(jìn)行。但由于加壓淬火過程開始時(shí)兩個(gè)區(qū)域中存在不同的溫度，所以第一和第二區(qū)域的冷卻速度可能略微不同。在本發(fā)明的方法中特別優(yōu)選使用可淬火的鋼，它屬于微量合金調(diào)質(zhì)鋼。它尤其是具有下列合金元素作為成分(重量百分比)碳(C)0. 19 至 0. 25硅(Si)0. 15 至 0. 30錳(Mn)1. 10 至 1. 40磷(P)0 至 0. 025硫(S)0 至 0.015鉻(Cr)0 至 0.35鉬(Mo)0 至 0. 35
鈦(Ti)0. 020 至 0. 050硼(B)0. 020 至 0. 005鋁(Al)0. 02 至 0. 06在本發(fā)明范疇中，特別優(yōu)選第一區(qū)域的中間冷卻借助集成有冷卻板的工具進(jìn)行。 這些冷卻板在此具有600°C以下的固有溫度，但該溫度相對(duì)于大于900°C的AC3溫度是較冷的。第一區(qū)域可借助這些冷卻板來冷卻并且然后作為選項(xiàng)在一段時(shí)間上保持等溫。這種冷卻板例如通過電熱器或通過背面的燒嘴加熱裝置或熱油加熱到所要求的溫度。在另一實(shí)施形式中，中間冷卻也可通過基本上冷的冷卻板進(jìn)行。它們的溫度優(yōu)選在-100°C至+100°C之間、更優(yōu)選在-10°c至+25°C之間。但借助冷的冷卻板僅能有條件地執(zhí)行等溫的保持時(shí)間。特別優(yōu)選將兩類冷卻板例如也集成到一個(gè)熱成型工具和加壓工具中， 使得整個(gè)過程在真正的爐具加熱之后僅在一個(gè)工具中進(jìn)行。但在本發(fā)明范疇中，用于實(shí)施中間冷卻的冷卻板也可安裝在一個(gè)外界的工具中，由此過程的進(jìn)行是從加熱爐經(jīng)中間冷卻到真正的熱成型和加壓淬火工具。


本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、特征和觀點(diǎn)由針對(duì)附圖的后續(xù)示意性說明得出。附圖用于簡單地理解本發(fā)明。
具體實(shí)施例方式在附圖中示出示例性的鋼的ZTU圖表，其不限制本發(fā)明的范圍。圖中示出在冷卻速度下隨溫度在材料中出現(xiàn)的不同的組織結(jié)構(gòu)。在附圖的下部區(qū)域中示出馬氏體的形成。 在其上方，在附圖中部區(qū)域中示出貝氏體的形成，且又在中部區(qū)域上方示出珠光體或者鐵素體的形成。在圖中所示的實(shí)施例中示出三條針對(duì)不同冷卻過程的不同曲線。曲線1示出第一區(qū)域的溫度變化過程，該第一區(qū)域首先被加熱到超過AC3溫度的溫度，從該溫度起以在此情況下大于圖中所示材料的上臨界冷卻速度oK的冷卻速度冷卻到約520°C的中間溫度， 在達(dá)到中間冷卻的約520°C的冷卻溫度時(shí)，第一區(qū)域在時(shí)間段tl上基本上等溫保持在一定的溫度上，該溫度在此由于以例如熱輻射、對(duì)流或傳熱的形式的散熱從約520°C下降到約 480°C。因此在中間冷卻的時(shí)間點(diǎn)Zl上產(chǎn)生奧氏體組織并且在時(shí)間點(diǎn)Pl上——第一實(shí)施型式中加壓淬火的起點(diǎn)——產(chǎn)生貝氏體-奧氏體混合組織。在第一實(shí)施型式中，接下來從時(shí)間點(diǎn)Pl開始通過加壓淬火過程進(jìn)行淬火，使得第一區(qū)域中的貝氏體-奧氏體混合組織轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w-馬氏體混合組織。與此同時(shí)，第二區(qū)域從大于AC3的溫度起通過加壓淬火而被淬火，由此直接由奧氏體組織產(chǎn)生馬氏體組織，為整體性起見，在此并未詳細(xì)示出這一點(diǎn)。本發(fā)明方法的第二實(shí)施型式通過第一區(qū)域的按曲線2的冷卻過程來示出。曲線2 的冷卻過程類似于冷卻過程1，其中，從時(shí)間點(diǎn)Z2(與Zl相同)起冷卻溫度保持更長的時(shí)間，使得加壓淬火過程開始于時(shí)間點(diǎn)P2，因而時(shí)間間隔t2大于tl。第一區(qū)域中的組織在時(shí)間點(diǎn)P2上完全轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w并且因此在時(shí)間點(diǎn)P2后不再通過冷卻速度進(jìn)行進(jìn)一步的組織轉(zhuǎn)變。
在本發(fā)明的第三實(shí)施型式中，按曲線3從大于AC3溫度的溫度選擇冷卻速度，使得在中間冷卻的冷卻過程中直接轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w中間組織。在此在第一區(qū)域中產(chǎn)生奧氏體-貝氏體中間組織，由此在時(shí)間點(diǎn)P3上采用加壓淬火過程時(shí)在第一區(qū)域中貝氏體-奧氏體混合組織轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w-馬氏體混合組織。在按曲線2和3的型式中，第二區(qū)域(其在中間冷卻期間保持在AC3溫度以上)通過加壓淬火過程期間的冷卻從奧氏體區(qū)域直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。在根據(jù)曲線3的型式中，根據(jù)本發(fā)明總是選擇大于相應(yīng)所使用材料的下臨界冷卻速度 uK的溫度。附圖標(biāo)記列表1 第一實(shí)施型式的冷卻曲線2 第二實(shí)施型式的冷卻曲線3 第三實(shí)施型式的冷卻曲線Pl 加壓淬火起始時(shí)間點(diǎn)P2 加壓淬火起始時(shí)間點(diǎn)P3 加壓淬火起始時(shí)間點(diǎn)oK 上臨界冷卻速度uK 下臨界冷卻速度tl 中間冷卻溫度的保持時(shí)間t2 中間冷卻溫度的保持時(shí)間Zl 中間冷卻的時(shí)間點(diǎn)Z2 中間冷卻的時(shí)間點(diǎn)Z3 中間冷卻的時(shí)間點(diǎn)
權(quán)利要求
1.用于制造機(jī)動(dòng)車用的熱成型和加壓淬火的金屬構(gòu)件的方法，該金屬構(gòu)件包括至少兩個(gè)具有不同硬度的區(qū)域，其特征在于下述方法特征提供可淬火的鋼板坯，將該鋼板坯至少加熱到奧氏體化溫度；中間冷卻鋼板坯的第一區(qū)域，冷卻速度選擇得大于鋼板坯的材料的下臨界冷卻速度；在加壓淬火工具中將鋼板坯熱成型和加壓淬火成金屬構(gòu)件，其中，第一區(qū)域在加壓淬火工具中從貝氏體組織轉(zhuǎn)變階段被淬火，由此在第一區(qū)域中產(chǎn)生由馬氏體和貝氏體構(gòu)成的混合組織。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，第二區(qū)域直至輸送到所述加壓工具中都保持在奧氏體化溫度以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，在中間冷卻第一區(qū)域時(shí)如此選擇冷卻速度，即獲得貝氏體組織，優(yōu)選冷卻到600°C至400°C之間、尤其是500°C的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的方法，其特征在于，所述第一區(qū)域在一段預(yù)定的時(shí)間上保持在中間冷卻的冷卻溫度上，優(yōu)選等溫地保持。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的方法，其特征在于，所述第一區(qū)域保持等溫，直到第一區(qū)域完全轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的方法，其特征在于，中間冷卻的冷卻速度選擇得大于上臨界冷卻速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的方法，其特征在于，第一區(qū)域的中間冷卻在加壓淬火工具中進(jìn)行，優(yōu)選通過設(shè)置在加壓淬火工具中的冷卻板進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造機(jī)動(dòng)車用的熱成型和加壓淬火的金屬構(gòu)件的方法，該金屬構(gòu)件包括至少兩個(gè)不同硬度的區(qū)域，包括下述方法特征提供可淬火的鋼板坯，將該鋼板坯至少加熱到奧氏體化溫度；中間冷卻鋼板坯的第一區(qū)域，冷卻速度選擇得大于鋼板坯的材料的下臨界冷卻速度；在加壓淬火工具中將鋼板坯熱成型和加壓淬火成金屬構(gòu)件，其中，第一區(qū)域在加壓淬火工具中從貝氏體組織轉(zhuǎn)變階段被淬火，由此在第一區(qū)域中產(chǎn)生由馬氏體和貝氏體構(gòu)成的混合組織。
文檔編號(hào)C21D1/19GK102453791SQ201110284669
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者J·伯克, M·佩爾曼 申請(qǐng)人:本特勒爾汽車技術(shù)有限公司