通过差温致冷从坯料成形硬化材料的方法 【技术领域】
本发明涉及通过冷却的热成形方法。更特别地， 本发明涉及通过差温致冷从坯料 热成形硬化材料的方法。背景技术
在同一工具中对硬化材料件进行硬化的冲压方法是公知的， 并记载于文献 JP 2005-205416。在该方法中， 使用冲压工具成形坯料。冲压之后， 当所述件 (piece) 仍保持 于工具中时， 通过工具和冲压坯料之间的接触进行硬化。 除了该接触之外， 在提供至冲压工 具末端的管道中循环冷却水， 使得可能加速冷却。
然而， 对于某些钢件， 仅在所述件的部分上能够进行硬化是有用的。例如， 在汽车 领域， 能够制造具有不同机械特性区域的中央支柱是有利的。 因此， 某些区域可被制得或保 持易延展的以改善碰撞过程中的缓冲。 如今， 这种类型的件使用不同的成形和冷却方法被制成两个或数个零件 (parts)。 然后使用本领域技术人员公知的焊接技术使所述两个或数个零件结合在一起。
因此， 如今使用的方法费时且在设备方面成本昂贵。此外， 焊接部分为易碎区域 (fragile zone)， 其在冲击过程中对用户存在危险。
文献 US 5,916,389 也记载了这样的方法， 其中得到钢物件。所述钢物件由不同 零件组成， 其中不同零件的材料处于不同的结构态 ； 某些零件为硬的， 其他零件保持易延展 的。
已提出数种可能性来保持某些位置更易延展的钢结构 ：
- 可在冲压工具的冲头和基体中提供加热元件 ； 或
- 在冲压工具的冲头和基体中提供凹槽 (indentations)， 使得当冲头和基体与钢 坯料接触时在凹槽所在之处没有接触 ； 亦即， 在该处钢必须保持易延展的。
然而， 制造后的机械性能密切取决于冷却速度。仅使用加热装置或仅使用凹槽不 会使得有可能获得机械性能方面的必然结果。
文献 US 2002/0104591 记载了一种方法， 其中形成具有不同机械性能的两部分的 中央支柱。对应于中央支柱上部的第一部分具有机械阻力超过 1400 牛 / 平方毫米的马氏 体结构。对应于中央支柱下部的第二部分具有机械阻力为 850 牛 / 平方毫米以下 ( 约 500 牛 / 平方毫米 ) 和伸长率为 25％以下 ( 优选 20％ ) 的铁素体 - 珠光体结构。
为了得到具有不同机械性能的两部分的中央支柱， 在奥氏体温度下加热的过程 中， 保护必须保持易延展的下部使其不受加热破坏。因此， 在加热结束时， 中央支柱的下部 不处于奥氏体态， 并因此不能被硬化而得到马氏体结构。
该方法具有如下缺点 ： 当坯料在炉中保持超过 ( 即使仅略微超过 ) 必要时间时， 硬 化部分和未硬化部分之间的过渡区域将变宽。
文献 US 2002/0113041 记载了一种使用局部硬化而热成形的方法， 其具有数个具 体实施方案 ：
- 第一具体实施方案包括进行如文献 US 2002/0104591 所述的相同方法， 其中仅 存在少数差异 ；
- 第二具体实施方案包括使用在需要硬化之处具有冷却装置的冲压工具 ；
- 在第三具体实施方案中， 冲压工具具有由不同材料制成的不同部分， 所述不同材 料具有不同的导热率值。
发明人试图通过使用对于冲压工具具有低传导性 ( 具体的例子为具有 2W.m-1.K-1 附近的传导率 ) 的材料得到由具有所需机械性能的硬化钢制成的件。所得结果并不令人信 服。并且， 低传导性的材料不能阻止第一件 (the first pieces) 在制造过程中被硬化， 因 为所述第一件与冷却工具接触。
文献 DE 102006019395A1 记载了一种方法， 其中冲压工具包括基体、 冲头和坯料 夹具。冲压工具的这三个元件可被加热至不同温度。然而， 其中仅提供了所有三个零件被 加热至相同温度的实施例。该方法包括将冲压工具加热至 200 至 650℃的温度。
对于 200℃以下的温度， 伸长率 A80 为约 5％， 和机械阻力为 1500MPa 以上。对于 200℃以上的温度， 伸长率 A80 为 5.8％以上和机械阻力为 1500MPa 以下。对于 400℃的温 度， 机械阻力为 820MPa 和伸长率 A80 为 10％。
当温度从 790 ℃降低至 390 ℃时， 测得约 80 至 115K/s 的冷却速度 ( 似乎这对于 200℃以上的工具温度有效 )。 然后钢的结构为细晶粒马氏体。 对于 200℃以下的工具温度， 测得约 80 至 480K/s 的冷却速度。在这种情况下， 钢的结构为粗晶粒马氏体。
然而， 进行这些测试的条件不会使得有可能得到所需的机械性能， 亦即， 约 15％以 上的伸长率 A80 和 500MPa 以上的机械阻力 Rm。
发明人仅以选择冷却条件为代价成功得到具有令人满意的机械性能的硬化钢物 件。
发明人于 2007 年 8 月 1 日以序号 07/56863 提交了专利申请。该申请记载了从管 道使用局部硬化的热成形方法， 其中管道被加热至奥氏体温度， 然后在具有加热装置的冲 压工具中通过管道的空腔 (cavity) 注入冷却剂成形和冷却。该加热装置使得有可能阻止 材料在某些位置变为奥氏体。
尽管该方法适用于管道， 但是由于几何尺寸差异的原因其并不适用于成形坯料。 发明内容 本发明的一个目的是提出一种有可能由钢坯料经冲压获得件 (piece) 的方法， 并 且所述件的机械特性可以涵盖未处理钢和硬化钢的机械特性之间整个范围的可能的机械 特性。
本发明的另一个目的是提出一种不需要冲压和硬化件的传统回火步骤的方法。
本发明的另一个辅助目的是如本领域技术人员所需要的， 向相同件的不同零件赋 予材料的不同机械阻力和伸长率性能。
为此， 本发明提出一种从坯料成形和冷却钢件的冲压工具， 该工具包括 ：
- 至少一个冲头 ； 和
- 至少一个基体 ；
所述冲头和基体各自包括 ：
- 对应于冲压工具的热区的至少第一部分 ； 和 - 对应于冲压工具的冷区的至少第二部分 ； 在冷区中， 当冲压工具闭合时， 使得冲头的第二部分和基体的第二部分与坯料接触； 以及 其特征在于， 在冲压工具的热区中， 提供加热装置以将所述热区加热至约 400℃以 上的温度， 以及， 在所述热区中， 当冲压工具闭合时， 在冲头和基体之间提供除坯料厚度之 外的距离， 该距离与热区的温度 (T) 相关并表现为公式 ：
T ＝ 100.(6-L)，
其中 L ＞ 0.2 和 400 ≤ T ＜ 600， L 以毫米计和 T 以℃计。
所述冲压工具的其他优选但非限制性的特征为 ：
- 在工具的第一部分的一个成形面上提供至少一个凸缘 (protrusion) ；
- 在基体的第一部分的一个成形面上提供至少一个凸缘 ；
- 在冲头的第一部分中至少部分地提供加热装置 ；
- 在基体的第一部分中至少部分地提供加热装置 ；
- 冲压工具在冷区和热区之间具有空气隙 (air play)。
本发明还提出一种使用如前述权利要求任一项所述的冲压工具的成形和冷却方 法， 该方法包括由如下组成的步骤 ：
- 加热坯料至奥氏体温度 ；
- 将坯料置于冲压工具中 ；
- 在坯料上闭合冲压工具 ； 以及
- 从冲压工具移去成形件 ；
其特征在于， 使用加热装置将冲压工具的热区加热至 400℃以上的温度。
所述方法的其他优选但非限制性的特征为 ：
- 冲压工具的热区的加热温度为约 600℃以下 ；
- 在热区中， 以约 5℃ / 秒至约 15℃ / 秒的速度进行冷却 ；
- 在冷区中， 以约 27℃ / 秒至约 100℃ / 秒的速度进行冷却。
附图说明 基于示例性的附图， 在阅读以下描述之后， 本发明的其它特征、 目的和优点就会展 现出来， 其中 ：
- 图 1 为根据本发明的冲压工具的示意透视图 ；
- 图 2 为包括加热装置的冲压工具的第一部分的示意横截面图 ；
- 图 3 为冲压工具的第二部分的示意横截面图 ；
- 图 4 为根据本发明制造的中央支柱的示意图。
具体实施方式
在余下的说明书中， 断裂伸长率值应理解为在 A80 测试样上得到的测试值。
根据本发明的冲压工具 1 参考图 1 描述。
冲压工具 1 包括一组冲头 2 和一组基体 3。该组冲头 2 和该组基体在下文中分别被称作冲头 2 和基体 3。
基体 3 具有通常与冲头 2 的凸起 (relief) 互补的凹槽。所述凹槽和凸起的互补 性使得加热坯料 6 具有确定的形状。
冲头 2 和基体 3 具有至少两个部分 21， 22 ； 31， 32， 它们对应于至少两个区域 ： 热区 11 和冷区 12。
在余下的说明书中， 空气隙是指基体 3 和冲头 2 之间除坯料 6 的厚度之外的距离 L。换言之， 如果坯料 6 的厚度为 e， 当冲压工具 1 闭合时基体和冲头之间的距离 d 为 ：
d ＝ L+e。
因此， 我们将在下文考虑， 当距离 L 大于冲头 2 和基体 3 冲压所必须的加工公差值 (machining tolerance value) 时， 存在空气隙。所述公差不大于 0.2 毫米。空气隙因此对 应于 0.2 毫米以上的距离 L。
如果 L 为 0.2 毫米以下时， 也称在冲压工具 1 和坯料 6 之间存在接触。
在对应于热区 11 的冲头 2 的第一部分 21 中提供加热元件 4。
可选择地， 在对应于热区 11 的基体 3 的第一部分 31 中也提供加热元件 4。
因此， 仅在冲头 2 中， 或仅在基体 3 中， 或同时在两者中提供加热元件 4。
这些加热元件 4 使得有可能将热区 11 加热至 400℃以上和优选 600℃以下的温 加热元件 4 选自筒式加热器、 感应加热装置或热套筒。 筒式加热器的使用特别适合于没有太多弯曲 (curvature) 的直冲压工具。 热套筒和感应加热装置可适用于弯曲的形状。 下文图 2 描述的是对应于热区 11 的冲头 2 和基体 3 的第一部分 ( 分别为 21 和度。
31)。 在第一具体实施方案中， 冲头 2 和基体 3 各自具有成形面 ( 分别为 21f 和 31f)。 冲头 2 的成形面 21f 与基体 3 的成形面 31f 不互补， 以留出空气隙 7， 定义距离 L 在冲头 2 和坯料 6 之间以及在基体 3 和坯料 6 之间。该空气隙 7 为约 2 毫米以下。
然后， 冲头 2 在成形面 21f 上具有紧靠基体 2 的成形面 31f 的至少一个凸缘 211( 如图 2 所示 )。该凸缘 211 具有至多约 2 毫米的最大高度。
在一个可选择子方案中 (sub-alternative)， 所述凸缘 211 可不位于冲头 2 的成形 面 21f 上， 而是位于基体 3 的成形面 31f 上。
在另一可选择的子方案中， 至少一个凸缘 211 位于冲头 2 的成形面 21f 和基体 3 的成形面 31f 上。这些凸缘 211 彼此相对或不相对。
在第二具体实施方案中， 冲头 2 和基体 3 具有基本相互互补的成形面 21f、 31f。 因 此， 如果例如冲头 2 的成形面 21f 具有一部分基本为 Ω- 形状的表面， 基体 3 的成形面 31f 也具有一部分基本为 Ω- 形状的表面， 使得冲头 2 可以插入基体 3 中。当冲压工具 1 闭合 时， 仅保持较小的空间， 其厚度在成形过程中被坯料 6 填充。
在对应于冷区 12 的冲头 2 和基体 3 的各自部分 22 和 32 中， 冲头 2 和基体 3 具有 基本互补的形状 ( 如图 3 所示 )。换言之， 冲头 2 和基体 3 各自的成形面 21f、 31f 与基体 3 和冲头 2 各自的成形面 31f、 21f 互补， 其中仅有厚度。
在一个可选择的子方案中， 在冲头 2 和基体 3 的第二部分 22、 32 中提供冷却系统，
例如水循环回路。
当冲压工具 1 在待成形的坯料 6 上闭合时， 在坯料 ( 一方面 ) 与冲头 2 和基体 3 的第二部分 22、 32( 另一方面 ) 之间不存在隙 (play)。
根据本发明的方法如下所述。
待成形的坯料 6 由钢， 例如硼钢 (NF 标准 EN 10083-1、 -2 和 -3) 制得。但是坯料 6 的材料不限于硼钢 ； 其可为适用于制造待成形件的任何种类的钢。
将坯料 6 加热至某一温度， 超过该温度钢的结构变成奥氏体。然后将坯料 6 置于 冲压工具 1 中用于成形。
在成形过程中， 冲压工具 1 在坯料 6 上闭合， 使得坯料 6、 冲头 2 和基体 3 至少部分 接触。
在第一可选择的方案中， 根据所使用的冲压工具 1 的热区 11 的可选择的子方案， 仅在如下两者之间存在接触 ：
- 坯料 6 与冲头 2 之间存在凸缘 211 之处 ； 和/或
- 坯料 6 与基体 3 之间存在凸缘 211 之处 ； 和/或
- 坯料与基体 3 的成形面 31f 之间 ； 和/或 - 坯料与冲头 2 的成形面 21f 之间 ；
且在坯料 6 和冲头 2 的整个成形面 21f 之间以及在坯料 6 和基体 3 的整个成形面 31f 之间不能有接触。
在该第一具体实施方案中， 将冲压工具 1 的热区 11 加热至约 400 ℃以上且约 600℃以下的温度。
使用如下公式使必要的空气隙 7 与热区 11 的温度 T 相关联 ：
T ＝ 100.(6-L)，
其中 L ＞ 0.2 和 400 ≤ T ＜ 600， L 以毫米计和 T 以℃计。
冲压工具 1 的热区 11 以及空气隙 7 的加热一起进行以使得温度以约 5℃ / 秒至 约 15℃ / 秒的速度从约 900℃的起始温度降低至约 400℃至 600℃的最终温度。坯料 6 的 钢的结构因此不变硬 ( 马氏体 )， 但是易延展的， 具有约 450MPa 至约 800MPa 的机械阻力和 约 15％以上的伸长率。
在第二具体实施方案中， 在冲压工具 1 的热区 11 与坯料 6 之间存在接触， 将其加 热至约 600℃的温度。当冲压工具 1 被加热至所述温度时， 坯料的钢不变硬 ( 马氏体 )， 但 是易延展的， 具有约 450MPa 至约 800MPa 的机械阻力和约 15％至约 20％的伸长率。
在冷区 12 中， 通过闭合冲压工具 1 形成坯料 6 ； 冲头 2 和基体 3 与坯料 6 在它们各 自的成形面 21f、 31f 上接触。进行淬火 (quenching)， 亦即， 冷却使得温度从约 900℃的起 始温度降低至约 250℃的最终温度， 冷却速度为约 27℃ / 秒至约 100℃ / 秒。将冷区在…… 的温度保持至少达到成形时间。 在该冷区 12 中， 机械阻力为约 1200MPa 至约 1700MPa， 和伸 长率为约 3％至约 7％。
本发明的发明人进行的试验表明， 利用差温加热 ( 其中使得冲压工具达到 250℃ 的温度并包括 2 毫米的空气隙 7) 对坯料 6 进行冲压可使得受压件具有约 770MPa 的机械阻 力和约 10.5％的伸长率 A80。
利用局部硬化 ( 其中使得冲压工具达到 400℃的温度并包括 2 毫米的空气隙 7) 对
坯料 6 进行冲压可使得受压件具有约 610MPa 的机械阻力和约 19.4％的伸长率 A80。
利用局部硬化 ( 其中使得冲压工具达到 500℃的温度并包括 1 毫米的空气隙 7) 对 坯料 6 进行冲压可使得受压件具有约 570MPa 的机械阻力和约 21％的伸长率 A80。
可选择地， 在冲压工具 1 的冷区 12 和热区 11 之间提供 2 毫米以下的空气隙 8。在 该区域 8， 成形件具有过渡区， 其中材料的硬度从 250Hv( 热区 ) 过渡至 450Hv( 冷区 )。
在最终件上所述过渡区为约 20 毫米。
将冲压工具 1 保持闭合足够长的时间 ( 加压时间 ) 使材料的结构经受所需变形。
加压时间等于对冷却零件进行淬火所需的时间 ； 亦即， 约 5 至约 15 秒。
在成形和冷却的同时可在冲压工具中进行其他操作 ： 冲模切边 ( 剪切受压工具中 的件 )、 校准 ( 抛光以得到正确的形状 )。
应用方式的一个例子在下文中给出 ( 仅仅作为一个例子 )。中央支柱由钢坯料 6 形成。
中央支柱 9 是设计置于车辆前门和后门之间的基本为 I- 形状的件 ( 具有衬线 )。 更精确地， 中央支柱 9 包括整体垂直延伸的中央部分 9a 和两个各自以 T( 下端为倾斜的 T) 封端的末端 ( 上 9b 和下 9c)。中央支柱 9 具有基本为 Ω- 形状的横截面。
就车辆使用者的安全而言， 中央支柱 9 不具有均匀的机械特性是有利的。优选地， 尝试给第一上部 92( 称作冷部分 ) 提供高的机械阻力 ( 约 1200MPa 至约 1700MPa) 和低的 伸长率 ( 约 3％至约 7％ ) 以得到防入侵 (anti-intrusion) 性能 ( 保护乘客 ) ； 并且给第 二下部 91( 称作热部分 ) 提供较低的机械阻力 ( 约 450MPa 至约 800MPa) 和更显著的伸长 率 ( 约 15％以上 ) 以在冲击情况下获得能量吸收性能。
因此， 在车辆之间的碰撞过程中或在车辆和障碍物之间的冲击过程中， 中央支柱 9 的热部分 91 变形并吸收冲击的能量。
如今， 为了得到这样的中央支柱， 汽车制造商使用两种不同的制造方法以如上所 述具有不同机械性能的两个单独零件制造件。然后这两个零件被相互组装， 因此在两个零 件之间产生易碎区域。
在本发明中， 中央支柱 9 由单个件制得， 这避免了不得不进行组装 ( 例如通过激 光 )， 并因此使得有可能消除所述易碎区域。
将钢坯料 6 加热至奥氏体温度， 然后置于冲压工具 (blanking tool)1 中。冲头 2 和基体 3 具有成形面 21f、 31f， 其能够使钢坯料 6 具有成品中央支柱 9 的形状。
冲头 2 和基体 3 被制成两个区域 (11、 21、 31 ； 12、 22、 32)。冷区 12 对应于中央支 柱 9 的上部 92， 热区 11 对应于中央支柱 9 的下部 91。
根据本发明的第一具体实施方案， 当冲压工具 1 在坯料 6 上完全闭合用于成形时， 冲头 2 和基体 3 之间的距离 d 在热区中被定义为 ：
d ＝ L+e，
其中 L 是空气隙 7， e 是坯料 6 的厚度。
在冷区 12 中， 在冲头 2 和坯料 6 之间以及在基体 3 和坯料 6 之间存在接触。热区 11 和冷区 12 的温度分别为约 400℃至约 600℃以及约 50℃至约 150℃。
根据本发明的第二具体实施方案， 在冲头 2 和坯料 6 之间以及在基体 3 和坯料 6 之 间在两个区中都存在接触。 然后热区 11 保持在约 600℃， 冷区 12 保持在约 50℃至约 150℃。在坯料 6 上闭合冲压工具 1 使得钢冷却。
在冷区 12 中， 冷却速度为约 27℃ / 秒至约 100℃ / 秒。
在热区 11 中， 冷却速度为约 5℃ / 秒至约 15℃ / 秒。
在冲压工具 1 的两个区 11、 12 之间提供 2 毫米以下的空气隙 8。对应于该区是成 形件 ( 不超过 450Hv) 的过渡区 93。该区为约 20 毫米长 ( 该区在图 4 中被放大 )。在该过 渡区 93 中， 材料的硬度从热部分 91 附近的约 250Hv 变至冷部分 92 附近的约 450Hv。
热部分 91 具有约 450MPa 至约 800MPa 的机械阻力， 以及 7％以上且优选约 15％以 上的伸长率。
冷部分 92 具有约 1200MPa 至约 1700MPa 的机械阻力， 以及约 3％至约 7％的伸长 率。
本发明并不限于中央支柱的制造。因此， 本发明有可能获得包括具有不同机械性 能 ( 防入侵和能量吸收 ) 的部分的冲压件。根据本发明的方法还使得有可能在冲压之后免 除传统的回火步骤。
当然， 本发明决不限于上述具体实施方案。本领域技术人员能够对其做出许多变 化或改变。