专利名称：一种能够对薄钢板进行快速、无变形、无氧化均匀加热或差温加热的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明属于钢铁热处理和热冲压成形领域，尤其涉及一种能够对薄钢板进行快速、无变形、无氧化均勻加热或差温加热的方法及设备。
背景技术：
薄钢板的热冲压及热处理是一种在各类工业领域，特别是在汽车车身零部件制造领域，应用广泛的加工技术。其工艺过程包括1)将薄钢板加热到规定温度，和幻对高温薄钢板施行规定的成形和/或处理操作。薄钢板加热方法对热冲压或热处理工艺的效率和可操作性以及对最终零件的质量均会产生很大的影响。目前薄钢板加热方法主要有箱式炉加热、火焰加热和感应加热三种，其共同的缺点是加热过程会导致薄钢板严重变形。另一方面，因为箱式炉加热速度缓慢，为配合后续热冲压或热处理工序的节奏及防止脱碳氧化的发生，其炉体必须被加长并加装可控气氛装置，这会大幅增大加热设备的投资成本。同时， 传统的加热方法(包括上述三种方法)均无法对薄钢板实施精确控制的差温加热。差温加热是一种精确可控的非均勻加热，可用来实现对薄钢板的局部淬火。比如，把薄钢板的某些部位加热到奥氏体化温度以上，其余部位加热到奥氏体化温度以下，然后整体淬火，就可以获得包含高强度淬火马氏体部分和高塑性铁素体部分的复合性能零部件。具有如此复合性能的汽车车身零部件(如门B柱)可以实现保护乘员和吸收撞击能量的最佳配合，大大提高汽车的综合安全性能，因此具有极其广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够对薄钢板进行快速、无变形、无氧化均勻加热或差温加热的方法以及实现这一方法的设备。为达成此目的，本发明首先提供了一种快速接触加热方法，即使用一对被保持在等温状态的加热模板将被加热薄钢板夹紧，利用加热模板和被加热钢板之间的接触传热将后者快速加热，利用加热模板的夹持力阻止薄钢板的变形。为达成此目的，本发明还提供了一种改变上述加热模板与被加热薄钢板之间接触换热系数的方法，在加热模板的换热面上形成高换热区和低换热区，以此来完成对薄钢板的可控差温加热。为达成此目的，本发明还提供了一种在一对加热模板之间形成局部保护气氛的方法，以防止加热模板的换热面及被加热钢板的氧化。为达成此目的，本发明还提供了一种可以实现上述方法的薄钢板加热设备，能够对薄钢板进行快速、无变形、无氧化均勻加热或差温加热，还可以完成上料、夹紧和放料等程序化工艺操作。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。图1是薄钢板接触加热方法示意图；图2是差温加热-淬火钢板上的硬度分布；图3是薄钢板接触均勻加热或接触差温加热设备实施例示意图；图4是图3所示加热模板的动作示意图，显示其3个不同的工作状态a)接料状态，b)夹紧状态，和c)放料状态；图5是图3所示加热模板上的保护气体预热管和出气孔示意图。
具体实施例方式图1是薄钢板接触加热方法示意图。一对置于一等温加热装置内由耐热钢制成的加热模板101在夹持力P的作用下将被加热钢板104夹紧。与被加热钢板104相比，加热模板101具有足够的厚度和热容量，因此其在加热过程中的温度波动可以被忽略不计。加热模板101具有由高换热区102和低换热区103构成的复合换热表面，前者与被加热钢板之间的换热系数要明显高于后者。所以，被加热钢板104与高换热区102接触的部分能够被快速加热到接近加热模板101的自身温度，而在同样的时间内，其与低换热区103接触的部分只能被加热到加热模板101自身温度以下的某一温度，从而在被加热钢板104上形成位置、尺寸、形状和温度均精确可控的高温区和低温区，实现差温加热。与此同时，施加在加热模板101上的夹持力P可以阻止被加热钢板104的变形。高换热区102是加热模板101换热面上未经处理过的部分，其与被加热钢板104 之间的换热系数，，与其光洁度、平整度和加热模板101的夹持力P有关；光洁度和平整度越高，夹持力P越大，1^就越大。低换热区103是加热模板101换热面上被处理后形成微小凹坑点阵的部分，其与被加热钢板之间的换热系数，his，与这些凹坑的尺寸和密度相关； 凹坑的尺寸越大，密度越高，越小。上述凹坑可以由机械或化学/电蚀刻的方法直接在加热模板101的传热面上生成。低换热区103也可以简单地由一整体凹陷区构成。在这种情况下，其与被加热钢板104之间的接触传热被完全阻断，换热系数仅与辐射传热有关。 通过改变之间的差值以及加热模板的夹持时间可以控制被加热钢板104上高温区和低温区之间的温度差；hs和his之间的差值越小，夹持时间越长，温度差就越小。加热模板101上高换热区和低换热区之间的相对位置、尺寸和所占面积比例可以根据具体的零件设计和工艺要求来设定。当低换热区面积被设定为零时，加热模板101对薄钢板进行的是接触均勻加热。当低换热区面积大于零时，加热模板101对薄钢板进行的是接触差温加热。为验证接触差温加热方法的有效性，把一块长200mm，宽160mm，厚2. 3mm的薄钢板夹持在一对长宽尺寸各为250mm，温度为950°C的模板之间。在模板的中心位置各制作出一边长为50mm，深度为Imm的菱形凹陷部分作为其换热面上的低换热区。在4000 夹持力下保持1 后，钢板被从模板之间取出并水淬。图2示出的是该淬火钢板上的硬度分布，其中虚线所标出的菱形区表示模板换热面上凹陷部位(低换热区)的形状、尺寸和位置。可以看到，菱形区内部大部分区域的硬度仅有HRC20或以下，但是菱形区外部的硬度在经过一个不太宽的过渡区后快速升高到HRC55以上。这一结果表明该钢板在被加热过程中，其与模板高换热区(菱形区以外)接触的部分在15秒内即被迅速加热到奥氏体化温度以上，因此在淬火后转变成高硬度的马氏体组织，而其与模板低换热区(菱形区之内)接触的部分则没有被加热到奥氏体化温度，因此在淬火后仍然保持在低硬度铁素体/珠光体组织的状态。位于菱形区边界附近的硬度过渡区表明该区域被加热到奥氏体/铁素体双相区；淬火后，仅其中的奥氏体相转变为高硬度的马氏体相。因此，硬度从菱形区内部向外部逐渐增加表明其马氏体相(奥氏体相)含量的逐渐增加，也表明经差温加热后该钢板上曾存在着一个从菱形区中心向外逐渐升高的温度梯度。用来实施上述接触均勻加热或差温加热方法的设备方案可以有很多种，图3是实施例之一，由炉体201和置于其内的加热模板101构成。炉体201的结构与普通的箱式炉类似，其作用是加热并把加热模板101保持在一给定温度。不同之处在于其顶部开有一个狭长的进料口 202，其底部开有一个狭长的出料口 203。进料口 202、出料口 203和加热模板 101的对合面要处于位于炉体201中间位置的同一个平面上。如图4所示，加热模板101的四角各安装有一个铰链。其中的下铰链105通过下连杆106与安装在炉体外框架底部的支点109相连接，用以支撑加热模板101的重量。其中的上铰链107通过上连杆108与安装在炉体外框架顶部的油缸(未示出)相连，用以带动加热模板101完成接料、夹紧和放料的一系列动作。如图如所示，油缸通过上拉上连杆 108带动上铰链107张开，其拉力L要小于加热模板101的自重W使支点109施加在下连杆 106上的反作用力L' = L-W小于0，从而令下铰链105保持在闭合状态，加热模板101呈V 型开口状态，使其可以接住由进料口 202投入的待加热钢板104并将其定位。如图4b所示， 油缸通过下推上连杆108带动上铰链107闭合，同时支点109施加在下连杆106上的反作用力(L' = -L-W << 0)亦把下铰链105闭合，并进而令加热模板101将待加热钢板104 夹紧。如图如所示，油缸通过上拉上连杆108带动上铰链107张开，其拉力L要大于加热模板101的自重W令支点109施加在下连杆106上的反作用力L' = L-W远大于0，进而令下铰链105同时张开，把被加热钢板104经由出料口 203放出。在上述动作中，上铰链107 的张开程度由上定位环110规定，而下铰链105的张开程度则由下定位环111规定。图5示出的是位于加热模板101内部的保护气体预热管112和其换热面上的保护气体出气孔113。保护气体通过预热管112预热后经多个出气孔113进入由加热模板101 组成的空间并形成局部保护气氛，从而有效防止加热模板101的换热面及被加热钢板104 的氧化。出气孔113的另一个作用是在加热模板101松开放料时提供高压气体射流帮助被加热钢板顺利脱离加热模板。出气孔113的直径要足够小以免影响加热模板101和被加热钢板104之间的换热。图3所示的加热设备可以对薄钢板进行快速、无变形、无氧化均勻加热或差温加热。对厚度小于2mm的薄钢板，加热时间可以短于10s，能够很好地适应热冲压工艺的生产节奏。需要强调指出的是，上面给出的具体实施例仅为方便阐述本发明之工作原理。实施者可以应用本发明之工作原理对上述具体实施例进行多种多样的修改和细节完善。但所有如此产生的实施例变种都属于本发明的具体体现，因此亦被包含在本发明之权利要求书中所要求的权利范围内。
权利要求
1.一种能够对薄钢板进行快速、无变形均勻加热的方法，其特征是该薄钢板被夹紧在一对处于等温状态的加热模板中，该加热模板具有平整同质的换热表面，利用加热模板和被加热钢板之间的接触传热将后者快速均勻加热，利用加热模板的夹持力阻止被加热钢板的变形。
2.一种能够对薄钢板进行快速、无变形差温加热的方法，其特征是该薄钢板被夹紧在一对处于等温状态的加热模板中，该加热模板具有由高换热区和低换热区构成的复合换热表面，利用该复合换热表面不同部位与被加热钢板之间不同的换热系数对后者进行精确可控差温加热，利用加热模板的夹持力阻止被加热钢板的变形。
3.一种根据权力要求2所述的方法，其特征是所述高换热区是加热模板换热面上未经处理过的部分，所述低换热区是加热模板换热面上经过换热系数弱化处理的部分。
4.一种根据权力要求3所述的换热系数弱化处理是一种利用生成在加热模板低换热区表面上的微凹坑点阵来降低其换热系数的方法，可以利用机械或化学/电蚀刻的方法制作凹坑点阵，凹坑的尺寸及密度可以用来对换热系数进行控制。
5.一种根据权力要求3所述的换热系数弱化处理是一种在低换热区表面上按其轮廓制作一整体凹陷区以隔断加热模板与被加热钢板之间的直接接触，令其间的换热系数完全由它们之间的辐射传热来决定的方法。
6.一种根据权利要求1和权利要求2所述的方法，其特征是所述加热模板的换热面上开有多个保护气体出气孔，用以形成局部保护气氛防止加热模板换热面和被加热钢板的氧化。
7.一种根据权利要求1和权利要求2所述的方法，其特征是所述加热模板的换热面上开有多个保护气体出气孔，用以在加热模板松开放料时产生保护气体射流，帮助被加热钢板顺利脱离加热模板。
8.—种能够对薄钢板进行快速、无变形、无氧化均勻加热或差温加热的设备，由起加热作用的箱式炉体和置于其内的加热模板构成，其特征是a)上述炉体的顶部开有一进料口，底部开有一出料口；b)被加热钢板由上述进料口放入到加热模板之间，完成定位、夹紧和加热程序后被从上述出料口放出；c)加热模板具备从权利要求1到权利要求7所述方法的特征和功能；d)加热模板被通过下连杆和下铰链支撑在炉体外框架的底部；e)加热模板被通过上连杆和上铰链与固定在炉体外框架顶部的油缸相连接并可以在后者的驱动下完成接料、夹紧和放料等程序化操作。
全文摘要
本发明提供一种能够对薄钢板进行快速、无变形、无氧化均匀加热或差温加热的方法及设备，其特征是利用加热模板与被加热钢板之间的接触传热实现对后者的快速加热，利用加热模板的夹持力阻止薄钢板的变形，利用在加热模板之间形成的保护气氛避免模板换热面和被加热钢板的氧化，通过改变加热模板换热面不同部位与被加热钢板之间的接触换热系数实现对后者的可控差温加热。
文档编号C21D9/56GK102373325SQ201010254759
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月17日 优先权日2010年8月17日
发明者刘丽辉, 刘伟杰 申请人:刘丽辉