Способ изготовления конструктивного элемента из стали горячим формованием

Изобретение относится к области машиностроения. Для повышения прочности и коррозионной стойкости способ изготовления конструктивного элемента из стали, поддающейся преобразованию при горячем формовании, включает нагрев вырезанной из стального листового проката пластины до температуры аустенитизации, формование с обеспечением после формования по меньшей мере частично мартенситной структуры, при этом осуществляют ускоренное охлаждение листа или пластины после нагрева до температуры аустенитизации с получением кондиционированной пластины с по меньшей мере частично мартенситной структурой, затем проводят повторный нагрев до температуры ниже А_с1-температуры преобразования и формование при этой температуре. 16 з.п. ф-лы.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу изготовления конструктивного элемента из стали горячим формованием согласно п. 1 формулы изобретения.

Уровень техники

Такого рода конструктивные элементы применяются преимущественно в автомобильной промышленности, но возможности их использования имеются также в машиностроении или строительстве.

Характеризующийся высокой степенью конкуренции рынок вынуждает производителей автомобилей постоянно искать решения, направленные на снижение среднего расхода топлива их автомобилями при сохранении максимально возможного комфорта и защиты пассажиров. При этом решающую роль, с одной стороны, играет снижение веса всех компонентов транспортного средства, но должна достигаться также высокая степень пассивной защиты пассажиров, которая соответственно требует высоких прочностей в статическом и динамическом отношении. В аварийном случае, кроме того, стремятся гасить энергию столкновения, что требует пластичного поведения при отказе.

Отдавать должное этой необходимости поставщики исходных материалов стремятся таким образом, чтобы за счет предоставления высокопрочных и в высшей степени прочных сталей могла уменьшаться толщина стенок при одновременно улучшенных технологических и эксплуатационных свойствах конструктивных элементов.

Эти стали должны, поэтому, отвечать относительно высоким требованиям к прочности, растяжимости, вязкости, поглощению энергии и устойчивости к коррозии, а также обрабатываемости, например, при холодном формовании и при соединении.

Среди вышеперечисленных аспектов возрастает значение изготовления конструктивных элементов из пригодных для горячего формования сталей, поскольку таковые при уменьшенном расходе материала идеально отвечают повышенным требованиям к свойствам конструктивных элементов.

Изготовление конструктивных элементов посредством быстрого охлаждения заготовок из отверждающихся при прессовании сталей путем горячего формования в формующем устройстве известно из DE 601 19 826 Т2. В данном случае предварительно нагретая выше температуры аустенитизирования до 800-1200°С и, при необходимости, покрытая металлическим покрытием из цинка или на основе цинка листовая пластина в охлаждаемом от случая к случаю устройстве подвергается горячему формованию в конструктивный элемент, причем во время формования вследствие быстрого отвода тепла лист или конструктивный элемент в формующем устройстве претерпевает упрочнение при быстром охлаждении (упрочнение при прессовании) и приобретает вследствие образующейся мартенситной твердой структуры требующиеся прочностные свойства.

Изготовление конструктивных элементов посредством быстрого охлаждения покрытых легирующим алюминием заготовок из отверждающихся при прессовании сталей путем горячего формования в устройстве для формования известно из DE 699 33 751 Т2. В данном случае покрытый легирующим алюминием лист перед формованием нагревается до температуры выше 700°С, причем на поверхности образуется интерметаллически легированное соединение на основе железа, алюминия и кремния, и впоследствии лист формуется и охлаждается со скоростью выше критической скорости отверждения.

Металлическое покрытие наносится обычно в непрерывном процессе погружения в расплав на горяче- или холоднокатаную полосу, например, путем горячего оцинковывания или горячего алюминирования при температурах примерно 460°С (горячее оцинковывание) и примерно 680°С (горячее алюминирование).

Нанесение металлического покрытия на подлежащую формованию заготовку (полоса, пластина) перед горячим формованием является преимуществом, так как благодаря покрытию может эффективно предотвращаться образование окалины на основном материале.

В последующем пластина вырезается соответственно формующему устройству для горячего формования.

Известными поддающимися горячему формованию сталями для этой области использования являются, например, марганцево-борная сталь «22MnB5» и в последнее время также улучшаемые на воздухе стали согласно еще не опубликованной патентной заявке заявителя.

Изготовление конструктивного элемента путем отверждения в пресс-форме с применением известного способа имеет ряд недостатков.

При этом способе пластина нагревается до высоких температур выше А_с3, так что происходит полное аустенитизирование материала, и после прессования охлаждается так быстро, что устанавливается мартенситная структура.

Во-первых, этот способ вследствие нагревания заготовки до температуры аустенитизирования, а также преобразования феррита в аустенит требует очень много энергии, что делает способ дорогим, а также приводит к выделению больших количеств СО₂ и, следовательно, не отвечает требованиям к энергетически более эффективным способам.

При использовании листов с защищающим от образования окалины слоем, к тому же, предъявляются экстремально высокие требования к покрытию в отношении устойчивости к температуре, так как формование при температурах выше А_с3-температуры происходит, как правило, явно выше 800°С. Следствием этого является то, что имеющиеся в наличии процессные окна в ходе отверждения прессованием являются значительно меньшими, чем при использовании материала без защиты от образования окалины. Например, не должны превышаться определенные периоды пребывания в печи. Кроме того, при применении пленок на основе цинка существует опасность охрупчивания жидкого металла в этих диапазонах температуры. Кроме того, при высоких рабочих температурах происходит сильное обогащение металлического слоя железом, вследствие чего защищающее от коррозии действие у готового конструктивного элемента ослабляется.

Наряду с описанными недостатками следует отметить, что известный способ является энергетически интенсивным, что приводит к высоким ценам на компоненты, и интенсивным в отношении СО₂, что сверх меры увеличивает нагрузку на окружающую среду.

Из ЕР 1 783 234 А1 известен способ для изготовления изделий путем формования при повышенных температурах, при котором оцинкованный стальной лист нагревается до температуры формования от 450°С до 700°С, затем формуется и нерегулируемо медленно охлаждается. Таким путем должно предотвращаться возникновение чрезмерных напряжений при горячем формовании. Обычно отмечают, что должно достигаться улучшение механических свойств по сравнению с холодным формованием.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание способа изготовления конструктивного элемента путем горячего формования, который менее затратен и за счет применения которого достигаются сопоставимые или улучшенные свойства формованного конструктивного элемента относительно известного горячего формования путем отверждения прессованием.

Эта задача решается в способе изготовления конструктивного элемента из поддающейся преобразованию стали путем горячего формования, при котором сначала из полосы или листа в качестве исходного материала вырезается пластина, затем нагревается до температуры формования и формуется, имея после формования по меньшей мере частично мартенситную структуру, который отличается тем, что вместо отверждения в пресс-форме по меньшей мере частично мартенситная преобразованная структура создается аустенитизированием и быстрым охлаждением уже перед формованием в исходном материале или в подлежащей формованию пластине и затем кондиционированная таким путем пластина с сохранением по меньшей мере частично мартенситной преобразованной структуры после формования нагревается повторно до температуры формования ниже Ас1-температуры преобразования и при этой температуре формуется.

Соответствующий изобретению способ по сравнению с известным из DE 601 19 826 Т2 отверждением в пресс-форме для изготовления конструктивного элемента имеет преимущество, что за счет отделения процесса формования от преобразования структуры отверждением быстрым охлаждением необходимо значительно меньшее количество энергии для нагревания пластины. Расход энергии на предшествующее преобразование структуры может не противопоставляться ему, когда частично мартенситное преобразование структуры интегрируется в одном из необходимых у изготовителя стали процессов. Другим преимуществом является то, что могут использоваться уже имеющиеся установки для отверждения в пресс-форме, которые, однако, для описанного здесь способа могут использоваться с уменьшенной в значительной степени производительностью.

Свойства конструктивного элемента определяются, следуя ему, в значительной степени кондиционированием перед формованием, те, которые можно регулировать соответствующим легирующим составом и термической обработкой исходного материала.

Кондиционирование исходного материала или вырезанной пластины для достижения по меньшей мере частично мартенситной структуры может происходить, по выбору, прерывисто или непрерывно, причем, в зависимости от потребности, используется горяче- или холоднокатаная стальная полоса.

Другое преимущество по сравнению с известным отверждением в пресс-форме состоит в том, что листы без защиты от образования окалины покрываются окалиной в значительно меньшей степени, так как нагревание проводится при значительно меньших температурах (<A_c1), чем при отверждении в пресс-форме (>А_с3). Тем самым уменьшаются затраты на дополнительную обработку покрытых окалиной поверхностей конструктивных элементов или увеличивается срок службы инструментов, что приводит к экономии затрат при использовании соответствующего изобретению способа.

Кроме того, есть еще одно преимущество по сравнению с известным отверждением в пресс-форме, что в качестве защиты от коррозии и окалины может наноситься обычное цинковое покрытие путем погружения в расплав, которая не выдержала бы известного процесса отверждения в пресс-форме вследствие низкой термостойкости. Кроме того, содержание железа в покрытии на готовом конструктивном элементе меньше, чем у конструктивных элементов с металлическими покрытиями, которые изготовлялись с проведением известного отверждения в пресс-форме. Из этого проистекает явно улучшенная защита от коррозии.

В одном из обеспечивающих преимущество осуществлений изобретения кондиционирование проводится непрерывно уже в стальной полосе во время непрерывного отжига, который при необходимости может с обеспечением преимущества комбинироваться с нанесением покрытия способом погружения в расплав, так что кондиционированная полоса уже имеет металлическое покрытие для других этапов обработки.

По выбору можно также наносить металлическое покрытие на уже вырезанную пластину или готовый конструктивный элемент. Большее преимущество обеспечивает, правда, нанесение металлического покрытия в непрерывном процессе уже на горяче- или холоднокатаную полосу.

В одном из обеспечивающих преимущество развитий изобретения после отверждения быстрым охлаждением исходного материала или пластины следует этап улучшения путем отпусков при температурах от 180°С до 680°С, или с обеспечением преимущества между 250°С и 500°С и при последующем нанесении покрытия способом погружения в расплав идеальным образом при температурах между 250°С и температурой ванны с расплавом, так что готовый исходный материал/готовая пластина имеет улучшенное состояние, которое предоставляет идеальные условия для последующего формования при температурах <А_с1. Процесс отпуска может происходить или в исходном материале или в пластине. Если исходный материал, например стальная полоса, должен подвергаться непрерывному отжигу и затем нанесению покрытия способом погружения в расплав, предлагается проводить относящиеся к способу этапы аустенитизирования, быстрого охлаждения при стартовой температуре мартенсита, повторного нагревания или отпуска до температуры в ванне с расплавом и нанесения покрытия способом погружения в расплав внутри сплошной установки для нанесения покрытий способом погружения в расплав. Наряду с этим, предлагается повторное нагревание по меньшей мере частично мартенситной полосы проводить способом индуктивного нагрева непосредственно перед ванной для оцинковывания.

Изобретение в принципе применимо для конструктивных элементов из высоко- или в высшей степени прочных сталей, например, с пределами текучести от 280 МПа до 1200 МПа или еще выше в зависимости от выбранной концепции легирования. В качестве сталей повышенной прочности для использования пригодны все однофазные, а также многофазные сорта стали. К ним относятся микролегированные сорта стали повышенной прочности, в одинаковой степени бейнитные или мартенситные сорта и двух- или многофазные стали.

Вследствие относительно малых количеств тепла можно обойтись без больших агрегатов для повторного нагрева, как, например, туннельных печей или камерных печей, отдав предпочтение быстро и прямо действующим системам (индуктивным, кондуктивным и, в частности, излучению).

Кроме того, описанный новый способ обходится значительно меньшим количеством тепловой энергии, или энергетический коэффициент полезного действия выше, чем при отверждении прессованием. Как следствие, меньше издержки производства и уменьшается выброс СО₂.

Предпочтительно повторный нагрев происходит перед формованием с подогревом посредством излучения, так как в этом случае коэффициент полезного действия значительно выше, чем при нагреве в печи или при кондуктивном нагреве, и поступление энергии в материал в зависимости от свойств поверхности происходит быстрее и эффективнее.

Путем использования излучателей можно также целенаправленно нагревать отдельные области подлежащей формованию заготовки, чтобы получить оптимизированные в отношении нагрузки конструктивные элементы.

Для перемещения между источником тепла и формующим устройством может быть, кроме того, целесообразным, особенно при очень тонких листах (например, <0,8 мм) предусматривать профилирование вырезанных пластин для повышения локальной жесткости. При обычном отверждении прессованием это невозможно, так как прочность, которая должна быть достигнута, требует резкого охлаждения, которое по причине профилирования через окна в инструменте исключается.

При соответствующем изобретению способе пластина нагревается до температуры ниже Ac1, с обеспечением преимущества ниже 700°С, с обеспечением еще большего преимущества в температурном диапазоне 400-700°С и в последующем формуется в конструктивный элемент. Оптимальная температура формования зависит от требующейся прочности конструктивного элемента и находится предпочтительно примерно между 460°С и 700°С.

Также при этом способе преимущество обеспечивается тем, что путем соответствующего изобретению формования при температурах <A_c1 в конструктивный элемент вводятся дислокации, посредством которых может достигаться дополнительное увеличение прочности, так как температура для полного гашения дислокаций в смысле рекристаллизации или отдыха при используемых в промышленности продолжительностях тактов максимум 15 с или значительно меньше в расчете на один конструктивный элемент не достигается.

В комбинации с ограничением дислокаций интерстициально растворенными элементами (например, С, В, N) во время процесса прессования и последующего охлаждения становится возможным дальнейшее повышение прочности вследствие так называемого «эффекта отверждения термообработкой» или вследствие дополнительного образования осадка, например, VC. В качестве альтернативы повышение прочности может происходить посредством регулируемого охлаждения или проведения спустя некоторое время термической обработки (например, вжигания лака или отжига для снятия напряжений).

В одном из обеспечивающих преимущество осуществлений изобретения при нагревании заготовки до температуры формования предпринимается локальное превышение температурного диапазона формования с подогревом в диапазон аустенизирования, чтобы целенаправленно осуществить локальные изменения свойств (например, локальное отверждение), которые в комбинации с повышением прочности остального материала адаптированы к действующим в последующем на конструктивный элемент нагрузкам.

Важные преимущества изобретения можно обобщить следующим образом:

- Уменьшенная потребность в энергии у переработчика.

- Могут использоваться уже имеющиеся в промышленности нагревательные и формующие агрегаты.

- Свойства конструктивного элемента могут изменяться в широких пределах уже посредством предварительного кондиционирования у изготовителя стали.

- В качестве защиты от коррозии и образования окалины могут использоваться стандартные цинковые покрытия, которые не выдерживали бы обычного процесса отверждения прессованием из-за невысокой термической устойчивости.

- Содержание железа в покрытии на готовом конструктивном элементе меньше, чем у имеющих металлические покрытия конструктивных элементов, которые изготавливались посредством известного отверждения в пресс-форме. Следствием этого является значительно лучшая защита от коррозии.

- При использовании оцинкованных листов вследствие более низких температур формования нет опасности охрупчивания жидкого металла.

- При использовании неоцинкованных листов значительно меньше выражено образование окалины по сравнению с известным процессом отверждения прессованием, вследствие чего уменьшаются затраты на дополнительную обработку покрытых окалиной поверхностей конструкционного элемента и увеличивается срок службы инструментов.

- Прочность можно дополнительно увеличивать посредством «отверждения термообработкой» во время процесса подогрева.

1. Способ изготовления конструктивного элемента из стали, поддающейся преобразованию при горячем формовании, включающий нагрев вырезанной из стального листового проката пластины до температуры аустенитизации, формование с обеспечением после формования по меньшей мере частично мартенситной структуры, отличающийся тем, что осуществляют ускоренное охлаждение пластины после нагрева до температуры аустенитизации с получением кондиционированной пластины с по меньшей мере частично мартенситной структурой, затем проводят повторный нагрев до температуры ниже А_с1-температуры преобразования и формование при этой температуре.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формованию подвергают пластину, имеющую металлическое покрытие.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что для получения кондиционированной пластины с по меньшей мере частично мартенситной структурой осуществляют непрерывный или прерывистый отжиг путем нагрева до температуры аустенитизации и ускоренного охлаждения.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что непрерывный отжиг проводят при непрерывном прокаливании.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что после непрерывного отжига пластины осуществляют нанесение покрытия методом погружения в расплав.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что после ускоренного охлаждения пластины проводят отпуск.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия проводят отпуск пластины.

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что после нанесения покрытия проводят отпуск пластины.

9. Способ по любому из пп. 6-8, отличающийся тем, что отпуск проводят в диапазоне температур от 250 до 680°C.

10. Способ по любому из пп. 6-8, отличающийся тем, что отпуск проводят в диапазоне температур от 430 до 490°C.

11. Способ по п. 5, отличающийся тем, что при нанесении покрытия методом погружения в расплав проводят отпуск при температуре расплава.

12. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что формование проводят при температуре ниже 700°C.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что формование проводят при температуре между 400 - 700°C.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что формование проводят при температуре между 460 - 700°C.

15. Способ по п. 2, отличающийся тем, что формованию подвергают пластину, имеющую металлическое покрытие, наносимое методом погружения в расплав, содержащий Zn, и/или Mg, и/или Al, и/или Si, или легирующие системы из этих элементов.

16. Способ по п. 12, отличающийся тем, что осуществляют повторный нагрев пластины индуктивным или кондуктивным путем или посредством излучения.

17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве листового проката используют холоднокатаный или горячекатаный листовой прокат.