專利名稱：一種能夠?qū)Ρ′摪暹M(jìn)行快速、無(wú)變形、無(wú)氧化均勻加熱或差溫加熱的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼鐵熱處理和熱沖壓成形領(lǐng)域，尤其涉及一種能夠?qū)Ρ′摪暹M(jìn)行快速、無(wú)變形、無(wú)氧化均勻加熱或差溫加熱的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
薄鋼板的熱沖壓及熱處理是一種在各類工業(yè)領(lǐng)域，特別是在汽車車身零部件制造領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛的加工技術(shù)。其工藝過(guò)程包括1)將薄鋼板加熱到規(guī)定溫度，和幻對(duì)高溫薄鋼板施行規(guī)定的成形和/或處理操作。薄鋼板加熱方法對(duì)熱沖壓或熱處理工藝的效率和可操作性以及對(duì)最終零件的質(zhì)量均會(huì)產(chǎn)生很大的影響。目前薄鋼板加熱方法主要有箱式爐加熱、火焰加熱和感應(yīng)加熱三種，其共同的缺點(diǎn)是加熱過(guò)程會(huì)導(dǎo)致薄鋼板嚴(yán)重變形。另一方面，因?yàn)橄涫綘t加熱速度緩慢，為配合后續(xù)熱沖壓或熱處理工序的節(jié)奏及防止脫碳氧化的發(fā)生，其爐體必須被加長(zhǎng)并加裝可控氣氛裝置，這會(huì)大幅增大加熱設(shè)備的投資成本。同時(shí)， 傳統(tǒng)的加熱方法(包括上述三種方法)均無(wú)法對(duì)薄鋼板實(shí)施精確控制的差溫加熱。差溫加熱是一種精確可控的非均勻加熱，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)薄鋼板的局部淬火。比如，把薄鋼板的某些部位加熱到奧氏體化溫度以上，其余部位加熱到奧氏體化溫度以下，然后整體淬火，就可以獲得包含高強(qiáng)度淬火馬氏體部分和高塑性鐵素體部分的復(fù)合性能零部件。具有如此復(fù)合性能的汽車車身零部件(如門B柱)可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)乘員和吸收撞擊能量的最佳配合，大大提高汽車的綜合安全性能，因此具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)Ρ′摪暹M(jìn)行快速、無(wú)變形、無(wú)氧化均勻加熱或差溫加熱的方法以及實(shí)現(xiàn)這一方法的設(shè)備。為達(dá)成此目的，本發(fā)明首先提供了一種快速接觸加熱方法，即使用一對(duì)被保持在等溫狀態(tài)的加熱模板將被加熱薄鋼板夾緊，利用加熱模板和被加熱鋼板之間的接觸傳熱將后者快速加熱，利用加熱模板的夾持力阻止薄鋼板的變形。為達(dá)成此目的，本發(fā)明還提供了一種改變上述加熱模板與被加熱薄鋼板之間接觸換熱系數(shù)的方法，在加熱模板的換熱面上形成高換熱區(qū)和低換熱區(qū)，以此來(lái)完成對(duì)薄鋼板的可控差溫加熱。為達(dá)成此目的，本發(fā)明還提供了一種在一對(duì)加熱模板之間形成局部保護(hù)氣氛的方法，以防止加熱模板的換熱面及被加熱鋼板的氧化。為達(dá)成此目的，本發(fā)明還提供了一種可以實(shí)現(xiàn)上述方法的薄鋼板加熱設(shè)備，能夠?qū)Ρ′摪暹M(jìn)行快速、無(wú)變形、無(wú)氧化均勻加熱或差溫加熱，還可以完成上料、夾緊和放料等程序化工藝操作。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。圖1是薄鋼板接觸加熱方法示意圖；圖2是差溫加熱-淬火鋼板上的硬度分布；圖3是薄鋼板接觸均勻加熱或接觸差溫加熱設(shè)備實(shí)施例示意圖；圖4是圖3所示加熱模板的動(dòng)作示意圖，顯示其3個(gè)不同的工作狀態(tài)a)接料狀態(tài)，b)夾緊狀態(tài)，和c)放料狀態(tài)；圖5是圖3所示加熱模板上的保護(hù)氣體預(yù)熱管和出氣孔示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1是薄鋼板接觸加熱方法示意圖。一對(duì)置于一等溫加熱裝置內(nèi)由耐熱鋼制成的加熱模板101在夾持力P的作用下將被加熱鋼板104夾緊。與被加熱鋼板104相比，加熱模板101具有足夠的厚度和熱容量，因此其在加熱過(guò)程中的溫度波動(dòng)可以被忽略不計(jì)。加熱模板101具有由高換熱區(qū)102和低換熱區(qū)103構(gòu)成的復(fù)合換熱表面，前者與被加熱鋼板之間的換熱系數(shù)要明顯高于后者。所以，被加熱鋼板104與高換熱區(qū)102接觸的部分能夠被快速加熱到接近加熱模板101的自身溫度，而在同樣的時(shí)間內(nèi)，其與低換熱區(qū)103接觸的部分只能被加熱到加熱模板101自身溫度以下的某一溫度，從而在被加熱鋼板104上形成位置、尺寸、形狀和溫度均精確可控的高溫區(qū)和低溫區(qū)，實(shí)現(xiàn)差溫加熱。與此同時(shí)，施加在加熱模板101上的夾持力P可以阻止被加熱鋼板104的變形。高換熱區(qū)102是加熱模板101換熱面上未經(jīng)處理過(guò)的部分，其與被加熱鋼板104 之間的換熱系數(shù)，，與其光潔度、平整度和加熱模板101的夾持力P有關(guān)；光潔度和平整度越高，夾持力P越大，1^就越大。低換熱區(qū)103是加熱模板101換熱面上被處理后形成微小凹坑點(diǎn)陣的部分，其與被加熱鋼板之間的換熱系數(shù)，his，與這些凹坑的尺寸和密度相關(guān)； 凹坑的尺寸越大，密度越高，越小。上述凹坑可以由機(jī)械或化學(xué)/電蝕刻的方法直接在加熱模板101的傳熱面上生成。低換熱區(qū)103也可以簡(jiǎn)單地由一整體凹陷區(qū)構(gòu)成。在這種情況下，其與被加熱鋼板104之間的接觸傳熱被完全阻斷，換熱系數(shù)僅與輻射傳熱有關(guān)。 通過(guò)改變之間的差值以及加熱模板的夾持時(shí)間可以控制被加熱鋼板104上高溫區(qū)和低溫區(qū)之間的溫度差；hs和his之間的差值越小，夾持時(shí)間越長(zhǎng)，溫度差就越小。加熱模板101上高換熱區(qū)和低換熱區(qū)之間的相對(duì)位置、尺寸和所占面積比例可以根據(jù)具體的零件設(shè)計(jì)和工藝要求來(lái)設(shè)定。當(dāng)?shù)蛽Q熱區(qū)面積被設(shè)定為零時(shí)，加熱模板101對(duì)薄鋼板進(jìn)行的是接觸均勻加熱。當(dāng)?shù)蛽Q熱區(qū)面積大于零時(shí)，加熱模板101對(duì)薄鋼板進(jìn)行的是接觸差溫加熱。為驗(yàn)證接觸差溫加熱方法的有效性，把一塊長(zhǎng)200mm，寬160mm，厚2. 3mm的薄鋼板夾持在一對(duì)長(zhǎng)寬尺寸各為250mm，溫度為950°C的模板之間。在模板的中心位置各制作出一邊長(zhǎng)為50mm，深度為Imm的菱形凹陷部分作為其換熱面上的低換熱區(qū)。在4000 夾持力下保持1 后，鋼板被從模板之間取出并水淬。圖2示出的是該淬火鋼板上的硬度分布，其中虛線所標(biāo)出的菱形區(qū)表示模板換熱面上凹陷部位(低換熱區(qū))的形狀、尺寸和位置?？梢钥吹?，菱形區(qū)內(nèi)部大部分區(qū)域的硬度僅有HRC20或以下，但是菱形區(qū)外部的硬度在經(jīng)過(guò)一個(gè)不太寬的過(guò)渡區(qū)后快速升高到HRC55以上。這一結(jié)果表明該鋼板在被加熱過(guò)程中，其與模板高換熱區(qū)(菱形區(qū)以外)接觸的部分在15秒內(nèi)即被迅速加熱到奧氏體化溫度以上，因此在淬火后轉(zhuǎn)變成高硬度的馬氏體組織，而其與模板低換熱區(qū)(菱形區(qū)之內(nèi))接觸的部分則沒有被加熱到奧氏體化溫度，因此在淬火后仍然保持在低硬度鐵素體/珠光體組織的狀態(tài)。位于菱形區(qū)邊界附近的硬度過(guò)渡區(qū)表明該區(qū)域被加熱到奧氏體/鐵素體雙相區(qū)；淬火后，僅其中的奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)楦哂捕鹊鸟R氏體相。因此，硬度從菱形區(qū)內(nèi)部向外部逐漸增加表明其馬氏體相(奧氏體相)含量的逐漸增加，也表明經(jīng)差溫加熱后該鋼板上曾存在著一個(gè)從菱形區(qū)中心向外逐漸升高的溫度梯度。用來(lái)實(shí)施上述接觸均勻加熱或差溫加熱方法的設(shè)備方案可以有很多種，圖3是實(shí)施例之一，由爐體201和置于其內(nèi)的加熱模板101構(gòu)成。爐體201的結(jié)構(gòu)與普通的箱式爐類似，其作用是加熱并把加熱模板101保持在一給定溫度。不同之處在于其頂部開有一個(gè)狹長(zhǎng)的進(jìn)料口 202，其底部開有一個(gè)狹長(zhǎng)的出料口 203。進(jìn)料口 202、出料口 203和加熱模板 101的對(duì)合面要處于位于爐體201中間位置的同一個(gè)平面上。如圖4所示，加熱模板101的四角各安裝有一個(gè)鉸鏈。其中的下鉸鏈105通過(guò)下連桿106與安裝在爐體外框架底部的支點(diǎn)109相連接，用以支撐加熱模板101的重量。其中的上鉸鏈107通過(guò)上連桿108與安裝在爐體外框架頂部的油缸(未示出)相連，用以帶動(dòng)加熱模板101完成接料、夾緊和放料的一系列動(dòng)作。如圖如所示，油缸通過(guò)上拉上連桿 108帶動(dòng)上鉸鏈107張開，其拉力L要小于加熱模板101的自重W使支點(diǎn)109施加在下連桿 106上的反作用力L' = L-W小于0，從而令下鉸鏈105保持在閉合狀態(tài)，加熱模板101呈V 型開口狀態(tài)，使其可以接住由進(jìn)料口 202投入的待加熱鋼板104并將其定位。如圖4b所示， 油缸通過(guò)下推上連桿108帶動(dòng)上鉸鏈107閉合，同時(shí)支點(diǎn)109施加在下連桿106上的反作用力(L' = -L-W << 0)亦把下鉸鏈105閉合，并進(jìn)而令加熱模板101將待加熱鋼板104 夾緊。如圖如所示，油缸通過(guò)上拉上連桿108帶動(dòng)上鉸鏈107張開，其拉力L要大于加熱模板101的自重W令支點(diǎn)109施加在下連桿106上的反作用力L' = L-W遠(yuǎn)大于0，進(jìn)而令下鉸鏈105同時(shí)張開，把被加熱鋼板104經(jīng)由出料口 203放出。在上述動(dòng)作中，上鉸鏈107 的張開程度由上定位環(huán)110規(guī)定，而下鉸鏈105的張開程度則由下定位環(huán)111規(guī)定。圖5示出的是位于加熱模板101內(nèi)部的保護(hù)氣體預(yù)熱管112和其換熱面上的保護(hù)氣體出氣孔113。保護(hù)氣體通過(guò)預(yù)熱管112預(yù)熱后經(jīng)多個(gè)出氣孔113進(jìn)入由加熱模板101 組成的空間并形成局部保護(hù)氣氛，從而有效防止加熱模板101的換熱面及被加熱鋼板104 的氧化。出氣孔113的另一個(gè)作用是在加熱模板101松開放料時(shí)提供高壓氣體射流幫助被加熱鋼板順利脫離加熱模板。出氣孔113的直徑要足夠小以免影響加熱模板101和被加熱鋼板104之間的換熱。圖3所示的加熱設(shè)備可以對(duì)薄鋼板進(jìn)行快速、無(wú)變形、無(wú)氧化均勻加熱或差溫加熱。對(duì)厚度小于2mm的薄鋼板，加熱時(shí)間可以短于10s，能夠很好地適應(yīng)熱沖壓工藝的生產(chǎn)節(jié)奏。需要強(qiáng)調(diào)指出的是，上面給出的具體實(shí)施例僅為方便闡述本發(fā)明之工作原理。實(shí)施者可以應(yīng)用本發(fā)明之工作原理對(duì)上述具體實(shí)施例進(jìn)行多種多樣的修改和細(xì)節(jié)完善。但所有如此產(chǎn)生的實(shí)施例變種都屬于本發(fā)明的具體體現(xiàn)，因此亦被包含在本發(fā)明之權(quán)利要求書中所要求的權(quán)利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種能夠?qū)Ρ′摪暹M(jìn)行快速、無(wú)變形均勻加熱的方法，其特征是該薄鋼板被夾緊在一對(duì)處于等溫狀態(tài)的加熱模板中，該加熱模板具有平整同質(zhì)的換熱表面，利用加熱模板和被加熱鋼板之間的接觸傳熱將后者快速均勻加熱，利用加熱模板的夾持力阻止被加熱鋼板的變形。
2.一種能夠?qū)Ρ′摪暹M(jìn)行快速、無(wú)變形差溫加熱的方法，其特征是該薄鋼板被夾緊在一對(duì)處于等溫狀態(tài)的加熱模板中，該加熱模板具有由高換熱區(qū)和低換熱區(qū)構(gòu)成的復(fù)合換熱表面，利用該復(fù)合換熱表面不同部位與被加熱鋼板之間不同的換熱系數(shù)對(duì)后者進(jìn)行精確可控差溫加熱，利用加熱模板的夾持力阻止被加熱鋼板的變形。
3.一種根據(jù)權(quán)力要求2所述的方法，其特征是所述高換熱區(qū)是加熱模板換熱面上未經(jīng)處理過(guò)的部分，所述低換熱區(qū)是加熱模板換熱面上經(jīng)過(guò)換熱系數(shù)弱化處理的部分。
4.一種根據(jù)權(quán)力要求3所述的換熱系數(shù)弱化處理是一種利用生成在加熱模板低換熱區(qū)表面上的微凹坑點(diǎn)陣來(lái)降低其換熱系數(shù)的方法，可以利用機(jī)械或化學(xué)/電蝕刻的方法制作凹坑點(diǎn)陣，凹坑的尺寸及密度可以用來(lái)對(duì)換熱系數(shù)進(jìn)行控制。
5.一種根據(jù)權(quán)力要求3所述的換熱系數(shù)弱化處理是一種在低換熱區(qū)表面上按其輪廓制作一整體凹陷區(qū)以隔斷加熱模板與被加熱鋼板之間的直接接觸，令其間的換熱系數(shù)完全由它們之間的輻射傳熱來(lái)決定的方法。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的方法，其特征是所述加熱模板的換熱面上開有多個(gè)保護(hù)氣體出氣孔，用以形成局部保護(hù)氣氛防止加熱模板換熱面和被加熱鋼板的氧化。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的方法，其特征是所述加熱模板的換熱面上開有多個(gè)保護(hù)氣體出氣孔，用以在加熱模板松開放料時(shí)產(chǎn)生保護(hù)氣體射流，幫助被加熱鋼板順利脫離加熱模板。
8.—種能夠?qū)Ρ′摪暹M(jìn)行快速、無(wú)變形、無(wú)氧化均勻加熱或差溫加熱的設(shè)備，由起加熱作用的箱式爐體和置于其內(nèi)的加熱模板構(gòu)成，其特征是a)上述爐體的頂部開有一進(jìn)料口，底部開有一出料口；b)被加熱鋼板由上述進(jìn)料口放入到加熱模板之間，完成定位、夾緊和加熱程序后被從上述出料口放出；c)加熱模板具備從權(quán)利要求1到權(quán)利要求7所述方法的特征和功能；d)加熱模板被通過(guò)下連桿和下鉸鏈支撐在爐體外框架的底部；e)加熱模板被通過(guò)上連桿和上鉸鏈與固定在爐體外框架頂部的油缸相連接并可以在后者的驅(qū)動(dòng)下完成接料、夾緊和放料等程序化操作。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠?qū)Ρ′摪暹M(jìn)行快速、無(wú)變形、無(wú)氧化均勻加熱或差溫加熱的方法及設(shè)備，其特征是利用加熱模板與被加熱鋼板之間的接觸傳熱實(shí)現(xiàn)對(duì)后者的快速加熱，利用加熱模板的夾持力阻止薄鋼板的變形，利用在加熱模板之間形成的保護(hù)氣氛避免模板換熱面和被加熱鋼板的氧化，通過(guò)改變加熱模板換熱面不同部位與被加熱鋼板之間的接觸換熱系數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)后者的可控差溫加熱。
文檔編號(hào)C21D9/56GK102373325SQ201010254759
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者劉麗輝, 劉偉杰 申請(qǐng)人:劉麗輝