Способ изготовления конструктивного элемента посредством горячей обработки давлением полуфабриката из стали

Способ изготовления конструктивного элемента посредством горячей обработки давлением полуфабриката из стали

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу изготовления конструктивного элемента посредством горячей обработки давлением полуфабриката из стали в соответствии с признаками пункта 1 формулы изобретения. Под полуфабрикатом далее понимаются, к примеру, плоские листовые заготовки, а также бесшовные или сварные трубы.

Уровень техники

Такие конструктивные элементы используются, главным образом, в автомобилестроении, однако могут быть использованы также в машиностроении или строительстве.

Конкурентный рынок вынуждает производителей автомобилей постоянно искать решения для снижения расхода топлива при сохранении максимально возможного комфорта и защищенности пассажиров. При этом решающую роль играют, с одной стороны, экономия за счет уменьшения массы всех компонентов автомобиля, а с другой стороны, однако, максимально благоприятные характеристики отдельных конструктивных элементов при высокой статической и динамической нагрузках в процесса эксплуатации автомобиля, а также в случае столкновения.

Эту необходимость поставщики заготовок пытаются принимать в расчет посредством снижения толщины стенок за счет использования высокопрочных и сверхпрочных сталей при одновременном улучшении характеристик конструктивных элементов в процессе изготовления и в процессе эксплуатации.

Эти стали должны удовлетворять, поэтому, сравнительно высоким требованиям в отношении прочности, растяжимости, ковкости, потребления энергии и устойчивости против коррозии, а также технологическим свойствам, к примеру, при холодной обработке давлением и при сварке.

С учетом вышеизложенных аспектов, изготовление конструктивных элементов из подвергаемых горячей обработке давлением сталей приобретает все большее значение, так как они при незначительных затратах материала идеально удовлетворяют возросшим требованиям в отношении свойств конструктивных элементов.

Способ изготовления конструктивных элементов посредством резкого охлаждения полуфабрикатов из поддающихся закалке сталей посредством горячей обработки давлением в штамповочном инструменте известен из DE 60119826 T2. В данном случае нагретая сначала выше температуры аустенитизации 800-1200°C и, в случае необходимости, снабженная металлическим покрытием из цинка или на базе цинка плоская листовая заготовка в охлаждаемом время от времени инструменте посредством горячей обработки давлением подвергается пластической деформации с образованием конструктивного элемента, причем в процессе пластической деформации за счет быстрого отведения тепла листу или конструктивному элементу в штамповочном инструменте сообщается дополнительная твердость при закалке и, вследствие этого, достигаются требуемые прочностные свойства. Металлический слой в качестве антикоррозионной защиты обычно посредством метода непрерывного горячего покрытия наносится на горячекатаную или холоднокатаную ленту или, соответственно, на изготовленный из нее полуфабрикат, к примеру, в форме горячего цинкования или горячего алюминирования.

Затем плоская листовая заготовка разрезается соответствующим образом под штамповочный инструмент для горячей обработки давлением. Возможно также снабжать соответственно подвергающуюся пластической деформации обрабатываемую деталь или заготовку огнеметаллическим покрытием.

Нанесение металлического покрытия на подвергающийся пластической деформации полуфабрикат перед осуществлением процесса горячей обработки давлением является при данном способе преимуществом, так как посредством такого покрытия эффективным образом можно предотвратить образование окалины на основном материале, а за счет дополнительного смазывающего действия - чрезмерный износ инструмента.

Известными подвергаемыми горячей обработке давлением сталями для данной области применений являются, к примеру, легированная марганцем и бором сталь «22МпВ5», а в последнее время также улучшенные стали в соответствии с еще не опубликованной патентной заявкой заявителя.

Изготовление конструктивного элемента посредством метода горячей обработки давлением с помощью известного способа имеет множество недостатков.

Во-первых, данный способ требует затрат большого количества энергии, вследствие нагревания полуфабриката до температуры аустенитизации, а также преобразования феррита в аустенит, что делает способ очень дорогостоящим и способствует выработке значительного количества CO₂.

Кроме того, для предотвращения чрезмерного образования окалины на поверхности листа, как описано ранее, необходим дополнительный металлический защитный слой или защитный слой на лаковой основе, или же существенная дополнительная обработка поверхности, покрывшейся окалиной вследствие нагревания и пластической деформации.

Так как пластическая деформация при температурах выше температуры Ac₃, как правило, происходит явно выше температуры 800°C, то, к тому же, предъявляются максимально высокие требования в отношении термостабильности этих слоев.

Следующим недостатком является также то, что для достижения соответствующей прочности конструктивного элемента после закалки могут быть использованы лишь трансформирующиеся стали с достаточной инерционностью при трансформации, которые, соответственно, должны иметь дорогостоящие легирующие добавки для получения соответствующей структуры и степени твердости после пластической деформации.

Обобщая вышеизложенное, следует констатировать, что известный способ изготовления конструктивных элементов из стали посредством метода горячей обработки давлением выше температуры аустенитизации, ввиду высокой стоимости энергии и использования дорогостоящих материалов, требует больших затрат, что, соответственно, приводит к высоким ценам на компоненты. Для улучшения способности высокопрочных сталей к пластической деформации из DE 1012004028236 B3 известно, кроме того, о возможности переработки заготовок в конструктивную деталь вместо метода холодной обработки давлением посредством метода горячей обработки давлением при температурах от 400°C до 700°C (полугорячее формование). Недостатком данного способа является также то, что достижение высокой степени прочности конструктивных элементов возможно только при использовании сверхпрочных и, таким образом, дорогостоящих материалов.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание способа изготовления конструктивного элемента посредством горячей обработки давлением, который является экономически целесообразным, и посредством которого можно добиться получения сравнимых или улучшенных свойств подвергшегося пластической деформации конструктивного элемента, по сравнению с известным способом горячей обработки давлением посредством закалки.

В соответствии с изобретением данная задача решается в способе, при котором в ходе его осуществления производится нагревание полуфабриката до температуры ниже температуры Ac₁ аустенитизации и перед нагреванием повышается прочность полуфабриката за счет холодной обработки давлением.

Способ в соответствии с изобретением имеет по сравнению с известным из DE 60119826 T2 способом изготовления конструктивного элемента преимущество в том, что при значительно меньшей потребности в энергии для нагревания прочность конструктивного элемента после пластической деформации достигается, в основном, посредством сообщенного полуфабрикату ранее холодного упрочнения. Вследствие этого, имеет место экономия энергии и расходов на легирующие добавки. Сообщенные полуфабрикату структурные смещения приводят к существенному повышению прочности, которая лишь незначительным образом уменьшается в процессе нагревания, так что степень прочности конструктивного элемента может быть отрегулирована целенаправленным образом. Опыты показали, к тому же, что пластичность готового конструктивного элемента, по сравнению с конструктивным элементом, изготовленным методом закалки, могла бы быть существенным образом повышена.

Для плоского проката, такого, к примеру, как горячекатаная полоса, при способе в соответствии с изобретением используется так называемый метод «холодной прокатки», то есть прокатки при комнатной температуре со сравнительно небольшой степенью пластической деформации, из которой нарезаются листовые заготовки, которые будут подвергнуты пластической деформации. При использовании горячекатаных бесшовных труб или труб, сваренных из горячекатаной полосы, они подвергаются соответствующей пластической деформации, к примеру, посредством холодной вытяжки.

Для достижения действенного эффекта повышения прочности готового конструктивного элемента, достигнутого ранее за счет холодной обработки полуфабриката давлением, величина степени деформации при холодной обработке давлением не должна составлять менее 3%, в предпочтительном варианте менее 5%, в зависимости от использованного материала полуфабриката.

В качестве предпочтительной у горячекатаной полосы выявила себя степень деформации, величина которой лежит в пределах примерно 50-80%. Разумеется, изобретение может быть без проблем использовано и при высоких степенях деформации холодной прокатки. На практике в качестве предпочтительной выявила себя степень деформации при холодной обработке давлением в пределах от 5 до 35%.

Сравнимые степени деформации относятся к использованию труб в качестве полуфабриката.

В процессе опытов выявило себя то обстоятельство, что отрегулированное таким образом существенное повышение плотности смещения за счет существенно более низких, по сравнению с классическим процессом горячей обработки давлением посредством закалки, температур повторного нагревания ниже температуры Ac₁ может сохраняться на очень высоком уровне и, таким образом, в течение длительного времени и после полугорячего формования приводит к упрочнению подвергшегося пластической деформации продукта. Вновь образованные в процессе обработки давлением при низкой температуре деформации смещения, к тому уже, частично сохраняются.

По сравнению с DE 102004028236 B3, повышенная степень прочности конструктивного элемента может быть достигнута теперь посредством простого этапа холодной обработки полуфабриката давлением перед этапом горячей обработки давлением, вместо использования сверхпрочных материалов.

Разумеется, при осуществлении способа в соответствии с изобретением возможно также в дополнение к повышению прочности посредством холодной обработки полуфабриката давлением использовать сверхпрочные материалы, к примеру, если должно быть достигнуто явное повышение прочности конструктивного элемента.

Изобретение может использоваться с полуфабрикатами из сталей, начиная от мягких и заканчивая высокопрочными, к примеру, с пределами текучести от 140 мПа до 1200 мПа, которые могут быть снабжены жаростойким или замедляющим коррозию слоем металлического покрытия. Металлическое покрытие может содержать Zn и/или Mg, и/или Al, и/или Si.

В качестве сверхпрочных сталей используются все однофазные, однако также и многофазные сорта стали. К ним относятся микросплавные сверхпрочные сорта стали, также как и бейнитные или мартенситные сорта, и двухфазные и многофазные стали.

В противоположность общеупотребительным технологическим маршрутам, горячекатаная полоса с уже облагороженной поверхностью для обработки давлением в заключение может быть подвержена нагреванию, так как ее сила адгезии и пластичность выдерживают полугорячее формование с незначительной степенью деформации. Металлическое покрытие устойчиво к кратковременным повторным нагреваниям комбинации субстрат/покрытие (стальная полоса / покрытие) ниже температуры A_C1 субстрата настолько, чтобы выдерживать повторное нагревание перед полугорячим формованием и собственно сам процесс полугорячего формования.

Ввиду сравнительно небольшого количества тепла, можно отказаться от использования крупногабаритных агрегатов повторного нагревания, таких, к примеру, как туннельные печи или камерные печи, в пользу быстродействующих систем или систем прямого действия (индукционных систем, кондукционных систем и, в частности, в пользу излучения).

Кроме того, описанный новый способ требует существенно меньшего количества тепловой энергии и, соответственно, его энергетический КПД выше, чем при закалке. Вследствие этого, производственные расходы уменьшаются, а выброс CO₂ снижается.

В предпочтительном варианте повторное нагревание перед осуществлением процесса полугорячего формования производится посредством излучения, так как в данном случае КПД значительно выше, чем при нагревании в печи или при кондукционном нагревании, а передача энергии материалу, в зависимости от структуры поверхности, производиться быстрее и эффективнее.

За счет использования излучателей возможно также целенаправленным образом нагревать отдельные зоны подвергаемых пластической деформации заготовок, для получения оптимизированных по нагрузке конструктивных элементов.

Для транспортировки между источником тепла и штамповочным инструментом далее может быть целесообразно, в частности, в случае использования очень тонких листов (к примеру, <0,8 мм), предусмотреть профилированную форму для повышения локальной жесткости. В случае обычной закалки это невозможно, так как для получения той степени прочности, которая должна быть достигнута, требуется резкое охлаждение, которое производится через полость инструмента вследствие его профилирования.

При способе в соответствии с изобретением подвергаемый холодной обработке давлением полуфабрикат нагревается до температуры ниже 720°C, в предпочтительном варианте в диапазоне температур от 400°C до 700°C, а затем подвергается пластической деформации с образованием конструктивного элемента. Оптимальная температура пластической деформации зависит от требуемой прочности конструктивного элемента и составляет в предпочтительном варианте примерно от 540°C до 700°C.

В результате обработки давлением (прессования), в дополнение к первоначальной холодной прокатке, структуре полуфабриката сообщаются дополнительные смещения, за счет которых в предпочтительном варианте может быть достигнуто дальнейшее повышение прочности, так как температуры не достаточно для полноценного погашения смещений в плане рекристаллизации или отдыха при используемом в промышленном производстве времени цикла максимально 15 с на каждый конструктивный элемент или существенно меньше этого.

В комбинации с ограничением смещений посредством расположенных в промежуточных пространствах элементов (к примеру, C, B, N) в процессе прессования и последующего охлаждения возможно дальнейшее повышение прочности за счет так называемого «Ваке-Hardening Effekt» (эффекта спекания и упрочнения) или за счет образования дополнительного выделения, к примеру, VC. В альтернативном варианте повышение прочности может быть осуществлено посредством регулируемого охлаждения или посредством дальнейшей тепловой обработки (к примеру, горячей сушки лаком или отжига для снятия напряжений).

В предпочтительном варианте осуществления изобретения при нагревании полуфабриката до температуры пластической деформации предпринимается локальное превышение диапазона температур полугорячего формования в зоне аустенитизации, чтобы целенаправленным образом осуществить локальные изменения свойств (к примеру, локальную закалку), которые в сочетании с повышением прочности остального материала приведены в соответствие с последующим нагружением конструктивного элемента.

1. Способ изготовления конструктивного элемента посредством горячей обработки давлением полуфабриката из стали, при котором полуфабрикат нагревают до температуры пластической деформации, а затем подвергают пластической деформации, отличающийся тем, что нагрев полуфабриката производят до температуры ниже температуры Ac₁ фазового перехода и перед нагревом повышают прочность полуфабриката посредством холодной обработки давлением, при этом пластической деформации полуфабрикат подвергают посредством холодной обработки давлением со степенью деформации, по меньшей мере, 3%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полуфабрикат подвергают пластической деформации посредством холодной обработки давлением со степенью деформации, по меньшей мере, 5%.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что полуфабрикат подвергают пластической деформации посредством холодной обработки давлением со степенью деформации, по меньшей мере, 5-35%.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев полуфабриката производят до температуры ниже 720°С.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что нагрев полуфабриката производят в диапазоне температур от 400°С до 700°С.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что нагрев полуфабриката производят в диапазоне температур от 540°С до 700°С.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полуфабрикат перед нагревом снабжают металлическим или лакообразным покрытием.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что полуфабрикат перед холодной обработкой давлением снабжают металлическим или лакообразным покрытием.

9. Способ по п. 7 или 8, отличающийся тем, что металлическое покрытие содержит Zn, и/или Mg, и/или Al, и/или Si.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев до температуры пластической деформации производят индукционным методом, кондукционным методом или посредством излучения.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полуфабриката используют плоскую листовую заготовку или трубу.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что плоскую листовую заготовку выполняют из горячекатаной полосы.

13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что трубой является бесшовная горячекатаная труба или изготовленная из горячекатаной полосы сварная труба.