由钢片成形部件的方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103842528 A (43)申请公布日 2014.06.04 CN 103842528 A (21)申请号 201280047038.3 (22)申请日 2012.09.27 1116668.3 2011.09.27 GB C21D 1/62(2006.01) C21D 1/667(2006.01) C21D 1/673(2006.01) C21D 9/00(2006.01) C21D 9/46(2006.01) C21D 9/48(2006.01) C21D 11/00(2006.01) (71)申请人 英皇创新有限公司 地址 英国伦敦 (72)发明人 丹尼尔巴

2、林特 特雷弗安东尼迪安 林建国 (74)专利代理机构 北京品源专利代理有限公司 11332 代理人 巩克栋 杨生平 (54) 发明名称 由钢片成形部件的方法 (57) 摘要 提供一种由钢片成形部件的方法。所述方法 包括 ： 步骤 （a） 将所述钢片加热到奥氏体化发生 的温度 ； 和 （b） 将所述钢片在模具之间成形部件， 再冷却所述成形的钢片。在 （a） 和 （b） 之间存在 对所述钢片应用冷却手段的额外步骤。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.03.26 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/GB2012/052399 2012.09.27 (87)PC

3、T国际申请的公布数据 WO2013/045933 EN 2013.04.04 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103842528 A CN 103842528 A 1/1 页 2 1. 一种由钢片成形部件的方法， 所述方法包括以下步骤 ： （a） 将所述钢片加热到奥氏体化发生的温度 ； 和 （b） 将所述钢片在模具之间成形部件， 再冷却所述成形的钢片 ； 其中在 （a） 和 （b） 之间存在对所述钢片应用冷却手段的额外步骤。 2.

4、 根据权利要求 1 所述的方法， 其中所述额外步骤发生在将所述加热的钢片置于所述 模具之间前。 3. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中所述额外步骤发生在将所述加热的钢片置于所述 模具之间时。 4. 根据任一前述权利要求所述的方法， 其中所述冷却手段包括冷却流体如气体， 例如 空气 ； 和 / 或其中所述冷却流体包括液体， 例如水， 所述方法包括将所述冷却流体导控至所 述加热的钢片。 5. 根据任一前述权利要求所述的方法， 其中所述冷却流体以加压液流的形式被导控。 6. 根据任一前述权利要求所述的方法， 其中所述冷却流体以喷射流的形式被导控和 / 或以喷雾的形式被导控。 7. 根据任一前述权

5、利要求所述的方法， 其中所述冷却流体通过控制所述冷却流体的持 续时间、 温度和 / 或流量来导控。 8. 根据任一前述权利要求所述的方法， 其中所述冷却手段包括冷却板， 例如冷铜板。 9. 根据任一前述权利要求所述的方法， 其中所述冷却通过增加转移时间用自然空气冷 却实现。 10. 根据任一前述权利要求所述的方法， 其中所述额外步骤包括将所述冷却流体导控 至所述加热的钢片， 以使所述钢片足够快地冷却以避免所述钢片进入贝氏体相。 11. 根据任一前述权利要求所述的方法， 其中所述额外步骤包括将所述冷却流体导控 至所述加热的钢片， 以使所述钢片以平均大于 25 / 秒的速度冷却。 12. 根据任一

6、前述权利要求所述的方法， 其中所述额外步骤包括将所述冷却流体导控 至所述加热的钢片， 以使所述钢片的温度保持高于所述钢的奥氏体化温度。 13. 根据任一前述权利要求所述的方法， 其中所述额外步骤包括将所述冷却流体导控 至所述加热的钢片， 以使所述钢片冷却到 500 -600。 14. 根据任一前述权利要求所述的方法， 还包括以下步骤 ： 以在任一前述权利要求中 定义的方式将冷却流体导控以冷却所述模具。 15. 根据任一前述权利要求所述的方法， 还包括以下步骤 ： 以在任一前述权利要求中 定义的方式将冷却流体导控以清洁所述模具。 16.根据依赖于权利要求14的权利要求15所述的方法， 其中所述冷

7、却和清洁在同一步 骤中进行。 权 利 要 求 书 CN 103842528 A 2 1/5 页 3 由钢片成形部件的方法 技术领域 0001 本发明涉及由金属成形部件。在实施方案中， 其涉及由金属片如钢和钢合金成形 部件。 背景技术 0002 使用 “热冲压” 的工艺正在兴起作为由钢片成形高强度部件用于 （例如） 汽车 “白车 身” （BiW） 以及底盘和悬挂 （C S） 部件的优选方案。硼钢的发展使得此类工艺可用于生 产汽车安全关键面板部件， 例如 A- 柱、 B- 柱、 保险杠、 顶部行李架、 摇臂行李架和用于白车 身的地面隧道以及管状部件和用于 C S 的扭曲梁。近年来， 全球对此类超高

8、强度钢部件 的需求已经激增。 0003 在图 1 中示出了一种典型的硼钢热冲压工艺。其基本上包括以下步骤 ： 0004 （1） 将钢坯料加热到高于它的奥氏体化温度， 比如说 925， 并在该温度下均热处 理以使所有金属被转化为奥氏体。在这种状态下， 所述金属是软的并具有高延展性 （易成 形） ； 0005 （2） 将所述奥氏体化的坯料迅速转去冲压 ； 0006 （3） 使用通常被水冷却的冷模具组将所述坯料成形为元件的形状 ； 0007 （4） 将所述成形的部件在所述冷模具组内保持一段时间 （例如 6-10 秒， 取决于几 何形状、 板厚和压力等） 进行淬火， 使得所述材料的硬质相例如马氏体 （

9、用于高强度元件） 形 成 ； 和 0008 （5） 当所述部件的温度降至足够低水平， 比如说 250， 打开所述模具， 将元件取 出。 0009 此种工艺有时被称为 “热冲压、 冷模具成形和淬火” 工艺。 0010 在所述热冲压工艺中工件中的大部分热量进入所述模具。 冷却速率很大程度上与 所述工具表面温度有关。 在批量生产条件下， 即使水冷所述模具， 也难以保持所述工具表面 温度足够低。高工具表面温度导致以下问题 ： 0011 在这种用于由钢片成形复杂部件的常规热冲压工艺中， 将片状工件尽可能快地从 火炉转移到处于室温的工具， 所述片状工件在所述工具中同时进行变形和淬火。所述淬火 足够迅速以在

10、所述钢中产生马氏体微结构， 这形成高强度产品的基础。 0012 (i) 在模具淬火中的冷却速率可能变得过低， 这在钢的情况下将导致不期望的软 相形成 （产生低强度部分） ； 在轻合金如铝合金的情况下， 过低的模具淬火速度将导致不期 望的颗粒界限析出， 其导致压力腐蚀裂化和低强度部分 ； 0013 (ii) 需要的冷模具保持时间可能过长 （因为从所述钢片片的热传到会因较热的模 具而变慢， 因此需要较长时间来达到最终温度） ， 这降低了生产率 （增加成形周期时间） ； 0014 (iii) 充分的模具冷却的要求是重要的， 但是人工提供冷却 （通过特殊方法， 即采 用强制冷却液的冷却管道， 等） 增

11、加了工具作业成本， 使得有效方法难以设计和安装， 并且 显著提高了工具作业和维修成本。 说 明 书 CN 103842528 A 3 2/5 页 4 0015 (iv) 当工具表面高温时， 工具磨损和 / 或模具表面变形加速， 降低了工具寿命， 其 成本将由 (iii) 中描述的特殊冷却系统加重。 0016 因此， 总而言之， 当使用此工艺快速连续生产部件时， 与来自火炉的工件的持续不 断接触导致所述工具的温度上升。 结果， 淬火速度降低， 其可能导致含有不达标微结构的成 品产生。 为了避免此结果， 可通过降低生产率或通过使用冷却系统 （如内部载有冷却剂的管 线或向所述工具上喷冷却剂） 来维持

12、低的工具温度。常常， 组合使用这两种方法， 以在对于 给出的冷却策略可能的最高生产率下获得期望的微结构。 所有这些措施的缺陷是增加了成 本。 发明内容 0017 概括地， 提出了一种两阶段冷却方法以提高高强度片状部件的生产率。在所述提 出的两阶段冷却方法中， 在加热和成形之间快速冷却加热的钢片。 可以设想， 所述快速冷却 是通过一些人为的手段， 而不是仅仅通过周围环境、 静置、 空气。 例如， 使用高热导率传递装 置、 空气喷射流或空气 / 液体喷雾。在这种方式中， 当坯料开始在模具中成形时， 就可降低 坯料的温度。因此， 在成形过程 （随后再进行淬火） 中， 所述工具吸收较少的热量， 使它们

13、温 度的升高被降低。因此， 维持低基线温度变得更容易， 降低成本并提高生产率。可选择的特 征产生其它有益效果。 0018 根据本发明的第一方面， 提供一种由钢片成形部件的方法， 所述方法包括步骤 ： 0019 （a） 将所述钢片加热到奥氏体化发生的温度 ； 和 0020 （b） 将所述钢片在模具之间成形部件 ； 0021 其中在步骤 （a） 和 （b） 之间存在对所述钢片应用冷却手段以从中抽取热量的额外 步骤。 0022 所述额外步骤可以包括应用所述冷却手段以快速冷却所述钢片。 0023 相比常规工艺， 通过先快速冷却所述加热的钢片再在钢片模具间成形所述钢片钢 片， 所述钢片可以低于常规的起始

14、温度在冷模具中成形。 这产生以下效果 ： 所述钢片可在模 具中足够快地冷却以使最硬相马氏体形成 ； 相比常规工艺， 所述钢片可更快地到 达适合从所述模具中释放出来的温度， 加快了生产 ； 降低了由提高表面温度造成的工具损 坏， 延长了工具寿命 ； 降低了对工具冷却结构如冷却管的需求， 因此降低了模具成本。 0024 所述额外步骤可包括使用冷却手段如高热导率传递装置或通过在所述加热的钢 片上施加冷却手段例如冷媒来抽取热量。 0025 所述冷媒可为流体。它可为气体， 例如空气。所述冷却流体可为液体， 例如水。所 述冷却流体可包括气体和液体， 如空气和水。所述冷却流体可以加压液流的形式被导控。 所述

15、冷却流体可以喷射流的形式被导控。所述冷却流体可以喷雾的形式被导控。所述冷却 流体可用于冷却所述模具。它可用于清洁所述模具。它可用于冷却和清洁所述模具。所述 冷却流体可被导控至所述模具。它可被导控至所述模具随后被导控至所述加热的钢片， 和 / 或它可同时被导控至所述模具和所述加热的钢片。 0026 所述冷却手段可为高热导率固体， 如铜传递柄或板。 0027 可在所述坯料在所述模具之间时应用所述冷却手段。 0028 也可通过增加两个步骤之间 （例如从火炉到模具） 的传递时间来实现 （a） 和 （b） 之 说 明 书 CN 103842528 A 4 3/5 页 5 间的冷却。 0029 所述额外步

16、骤可包括将所述冷却流体导控至所述加热的钢片， 以使所述钢片足够 快地冷却以避免所述钢片进入贝氏体相。 所述额外步骤可包括将所述冷却流体导控至所述 加热的钢片， 以使所述钢片以平均大于 25 / 秒的速度冷却。所述额外步骤可包括将所述 冷却流体导控至所述加热的钢片。可就持续时间、 温度和 / 或流量来导控所述冷却流体， 以 使所述钢片足够快地冷却以避免所述钢片进入贝氏体相。可就持续时间、 温度和 / 或流量 来导控所述冷却流体， 以使所述钢片以平均大于 25 / 秒的速度冷却。 0030 所述额外步骤可包括将所述冷却流体导控至加热的钢片， 以使以这种方式冷却 时， 所述钢片的温度维持在所述钢的奥

17、氏体化温度以上。所述额外步骤可包括将所述冷 却流体导控至加热的钢片， 以使所述钢片冷却到 500 -600。可就持续时间、 温度和 / 或流量来导控所述冷却流体， 以使以这种方式冷却时， 所述钢片的温度维持在所述钢的奥 氏体化状态。可就持续时间、 温度和 / 或流量来导控所述冷却流体， 以使所述钢片冷却到 500 -600。出人意料地， 由于在延展性保持基本相同的同时所述钢片应变硬化增加， 这 具有提高合金成形能力的效果。 所述方法可包括当所述钢片处于其奥氏体相温度时开始步 骤 （b） 。所述方法也可包括直到所述钢片达到其马氏体相温度时才进行步骤 （b） 。 0031 步骤 （a） 可包含本文

18、描述的常规工艺中步骤的一些或全部特征。 0032 所述方法可为成形用于汽车应用的部件的方法。 所述方法可为成形用于汽车应用 的面板部件的方法。所述方法可为成形用于汽车应用的承重部件和适合承重的部件的方 法 ； 例如所述方法可为成形以下一个或多个的方法 ： 包括 A- 柱和 B- 柱的柱、 保险杠、 门梁、 顶部行李架、 摇臂行李架和地面隧道。 所述方法可为成形底盘和悬挂件的方法 ； 例如管状件 和扭曲梁。 0033 所述钢片可为包含硼的合金。 0034 在本发明的另一方面， 提供一种由钢以外的材料成形部件的方法。 例如， 所述材料 可以是铝合金。它可为薄片形式。可以设想， 第一方面所述的方法可

19、用于铝合金， 例如薄片 形式的铝合金。在该其它方面的方法中， 步骤 （a） 可包括将所述薄片加热到基本上等同于 奥氏体化发生的晶体结构变化的温度。 附图说明 0035 图 1 示出了目前的热冲压工艺的原理图 ； 0036 图 2 示出了典型硼钢的 CCT 图表 ； 0037 图 3 示出了在冷模具中淬火的温度图谱 ； 和 0038 图4示出了在1.0s-1的应变率下500、 600、 700和800的温度下测试的硼钢的应 力 - 应变关系。 具体实施方式 0039 如上所述， 图 1 示出了一种现有方法。在这种现有方法中的很重要的方面是， 当热 冲压件保持在冷模具中时， 冷却速率应该足够高，

20、例如平均大于 25 / 秒 （如图 2 所示） ， 以 形成所述材料的最硬相马氏体。以这种方式， 可产生高强度元件。所述冷却速率在冷 模具淬火期间是非恒定的， 如图 3 所示。最初， 所述工件与所述模具之间的温度差异高， 能 说 明 书 CN 103842528 A 5 4/5 页 6 实现高冷却速率。当所述工件的温度降至接近所述工具表面温度 （其由于热量转移而升高） 时， 冷却速率显著降低。在连续的热冲压工艺中， 所述工具表面温度可高达 150。这导致 在 500 -250温度范围内工件的冷却速率低。这是金相转变的敏感范围， 并且低淬火速 率将导致较低强度的贝氏体而不是马氏体的形成 （见图

21、2） 。因此， 会成形低强度的部件。 0040 本实施方案提供一种方法， 所述方法与此类现有方法相比由工件传递至冷模具的 热量降低， 从而与现有方法相比降低了工具温度， 并解决了上述现有方法的问题。 该实施方 案在保持必需的淬火速率和生产率的同时， 降低了被模具吸收的热量。 0041 概括而言， 本实施方案中， 当硼钢片从火炉转到模具时， 其被高热导率的固体媒介 或者流体如空气喷射流或空气 / 液体喷雾快速冷却， 因此当它被放到模具上时其温度降 低。因此， 在成形过程 （随后再进行淬火） 中， 所述工具吸收较少的热量， 使它们温度的升高 得以降低。因此， 维持低基线温度变得更容易， 降低成本并

22、提高生产率。 0042 所述新方法包括以下步骤 ： 0043 首先， 将硼钢的片状金属坯料在火炉中加热到它的奥氏体化温度以上。在本实施 方案中， 将坯料加热到 925。然后将所述坯料在这个温度下均热处理， 以保证所述材料完 全转化成奥氏体相。如同常规工艺， 在这种状态下， 所述金属是软的并具有高延展性 （易成 形） 。 0044 下一步是将奥氏体化的材料坯料转到压力下以成形所述部件的形状。 在所述转移 期间， 或在其它实施方案中在所述热金属坯料转向所述模具之后但在接触所述模具之前， 通过将所述坯料与具有高热导率的物质接触快速冷却所述坯料。这种物质， 即这种冷却手 段， 可采用以下一种、 多种或

23、全部形式 ： 铜柄、 吹空气、 向所述坯料喷射空气 - 水喷雾或其它 的流体 / 液体冷媒。在本实施方案中， 空气 - 水喷雾适用于所述坯料。这可通过多个喷嘴 将加压水的细雾导控至所述坯料来实现。以这种方式， 所述坯料被冷却到大约 600的温 度。按照图 2 的 CCT 图表， 足够快地调整冷却速率以保持奥氏体结构。可以设想， 在工件冷 却阶段， 也使用相同的冷媒来冷却和清洁所述工具。 0045 所述方法的其余部分与本文中描述的常规方法相同。因此， 所述方法可阐述为图 1 示出的常规工艺， 但是在所述火炉和所述模具之间的转移过程中存在额外的冷却。 0046 由图 4 示出的硼钢的典型应力 -

24、应变曲线， 可以看出当温度从 800降到 600 时， 所述合金的延展性没有太大变化。然而， 所述合金的应变硬化导致强度几乎加倍。该应 变硬化特性显著增加合金的成形能力， 通过引起更均匀的变形 （即， 变形更多的区域强度更 高， 引起其他区域发生变形， 然后所述其他区域变得强度更高， 等等） ， 因此减缓了局部缩颈 的趋势。这在热冲压中尤其重要， 因为通常有高摩擦， 而应变硬化特性可减少摩擦影响。因 此， 在本实施方案的情况下， 在模具中可在从约 600开始的温度下成形部件， 而不是常规 做法中的 800； 可成形更复杂形状的元件。应强调， 不这种效应能通过简单地将所述钢片 加热到较低的起始温

25、度来实现， 因为它必须首先充分奥氏体化。 0047 图2中的硼钢CCT图表显示， 如果合金快速冷却到大约500-600它将仍处在奥氏 体状态。 如果冷却太慢， 会形成较低强度的贝氏体相 ； 然而， 本方法避免了这一点。 在本方法 中， 由于所述坯料在此温度范围内转移到冷模具并在整个成形工艺期间维持在 450-500 的温度， 因此所有相转化都发生在所述冷模具保持期间， 并且奥氏体完全转化为马氏体， 产 生高强度部件。 说 明 书 CN 103842528 A 6 5/5 页 7 0048 现有方法中， 所述成形部件的温度一降至大约 250就将其从所述模具中释放出 来。在该温度， 相转化已经完成

26、， 进一步在空气中冷却 （没有工具的约束） 未明显地观察到 热变形。在这些现有方法中， 部件从大约 800冷却到大约 250（差 550） 需要的冷模 具淬火时间 （即所述部件保持在所述模具中的时间） ， 根据所述工件的厚度和形状及部件形 状， 大约是 5-15 秒。因此， 显著量的热量不得不被所述模具直接吸收， 使得难以冷却所述模 具。 0049 在本实施方案中， 所述部件在大约600-500成形。 因此， 在冷模具淬火期间， 仅需 要将部件的温度从此范围的较低端 500降至大约 250（差 250） 。因此仅有大约一半 的热量需要从所述模具抽取， 因此所述工具的冷却需求大为降低。因此所述工具设计可更 简单并且所述工具可较便宜。所述工具表面较低的温度显著降低所述冷模具保持时间， 并 且也显著增加 500到 250的温度范围内的冷却速率。所述保持时间可降至大约 2-8 秒。 因此， 可显著提高生产率。这对于例如有竞争性的汽车公司是至关重要的。此外， 更低的工 具表面温度降低了工具磨损， 因此显著延长工具寿命， 这对降低生产成本是额外好处。 说 明 书 CN 103842528 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103842528 A 8 2/2 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103842528 A 9