用于構件或半成品硬化的方法和硬化工具的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于構件或半成品硬化的方法，該構件或半成品由包括鋼材的工件制成，其中，該工件在成型工具中成型成為構件或半成品，其中，構件或半成品隨后放入圍繞該構件或半成品的硬化工具的容納區域中并通過至少一個集成在硬化工具中的感應線圈電感加熱，并且其中，該構件或半成品隨后通過冷卻而硬化。此外，本發明還涉及一種硬化工具，特別是用于實施該方法的硬化工具，該硬化工具具有:用于容納和圍繞該構件或半成品的容納區域和至少一個集成在該硬化工具中的感應線圈，該感應線圈用于電感加熱位于容納區域中的構件或半成品。
【背景技術】
[0002]特別是在汽車工業的領域中，為了實現盡可能高的重量減輕，對所使用的構件性能提出了越來越高的要求，尤其是在更薄的材料厚度的同時對穩定性和強度提出了更高的要求。這特別是適用于車身的結構構件。
[0003]為了改善鋼構件的強度，現有技術中已充分地公開對這類鋼構件進行硬化處理。在此使能夠硬化的鋼材達到鋼材的Acl或Ac3溫度以上的溫度并隨后冷卻、特別是淬火。因此，組織結構總是首先部分地轉換為奧氏體結構并隨后通過冷卻轉換為馬氏體結構，從而可以實現強度的提高。例如在錳硼鋼中在硬化后的狀態下可以達到最大2000MPa的抗拉強度。
[0004]為了滿足上述要求的另一種方案在于，將構件設計為空心型材。這些空心型材例如可以由擠壓硬化的構件、比如鋼背(Halbschale)制成。但是在此存在的問題在于，在薄壁厚的情況下，這類空心型材可能導致剛性問題。為了克服這一點，該空心型材可以作為閉合的空心型材形成。但是如果閉合的空心型材由鋼背組成，重量因此增加而且也必需有額外的工藝步驟。
[0005]在汽車工業的領域中首先將相對較簡單的構件、例如側面防撞桿形成為閉合的空心型材。由于相對較簡單的形狀，可以簡單地并具有足夠品質地實施硬化。隨著時間總是嘗試使更復雜的構件硬化。特別是在車身結構內部，一部分構件需要具有復雜程度高的形狀。
[0006]為了使具有復雜形狀的構件硬化的解決方案在于，構件首先在爐中加熱并隨后在硬化工具中通過冷卻而硬化。但是已顯示，在復雜的形狀下，通過隨后在硬化工具中的硬化不能達到令人滿意的硬化。另外，由于成型、加熱、硬化以及在此期間的構件的運輸是相互分離的過程步驟，這類方法使制造的總成本增加。
[0007]即使如DE 100 12 974 Cl或DE 10 2009 042 387 Al中已知的通過在工具內部加熱和硬化，也不能在復雜的構件中達到令人滿意的構件的硬化。
【發明內容】
[0008]因此，本發明的目的在于，提出一種方法和一種設備，從而即使在復雜的形狀下也可以以經濟的方式實現構件或半成品的工藝可靠的硬化。
[0009]根據本發明的第一教導，該目的通過按照本發明的方法由此得以實現，S卩，構件或半成品形狀配合地放入硬化工具的容納區域中并在閉合的硬化工具中的加熱期間構件或半成品與至少一個感應線圈之間保持基本上恒定的間距。
[0010]已發現，由于在構件或半成品的加熱和冷卻期間依賴于溫度的膨脹與收縮過程，在硬化工具中不能設置構件或半成品的可靠的位置。在電感加熱過程中這會導致，通過構件或半成品與感應線圈之間耦合距離的變化而在工件中耦合不同大小的能量。由此引起的溫度波動會導致不同程度的膨脹并導致波浪形的工件表面，這進一步導致待加熱構件或半成品的不同的間距。
[0011]現已證實，如果構件或半成品充分形狀配合地放入硬化工具的容納區域中，在閉合的硬化工具中的加熱期間在構件或半成品與至少一個感應線圈之間可以保持基本上恒定的間距。通過在構件或半成品與硬化工具之間預設的接觸區域中硬化工具的形狀恰好具有構件或半成品的形狀，實現了形狀配合的放入，該形狀為構件或半成品在放入該硬化工具中時所具有形狀。以此在加熱構件或半成品之前確保在硬化工具與構件或半成品之間存在面接觸。在放入硬化工具時，構件或半成品通常具有在該鋼材的奧氏體化溫度以下的溫度，例如大約為室溫。該接觸區域可以根據構件的形狀而設置為不同的。例如，將接觸區域設置在平面的構件或半成品的兩個側面上或者將接觸區域設置在構件或半成品的外側面上，特別是在型材中，從而在進一步加熱過程中可以簡單地保持該面接觸。由此，即使是在復雜和高復雜程度的形狀的情況下，構件或半成品與至少一個感應線圈之間保持基本上恒定的間距也是可能的。復雜或不復雜的構件的特征在于，變化的橫截面和/或大幅彎曲的形狀變化和/或大幅變化的構件高度。特別是復雜成型的構件，例如以內高壓成型法(IHU-Verfahren)和以U-O方法制成的構件，可以按照本發明程序可靠地硬化。因此可以在加熱期間基本上在構件或半成品與硬化工具之間維持全面的接觸。通過形狀配合的放入，構件或半成品與硬化工具實際上不會進行或僅進行可忽略的相對運動。另外，已顯示，通過將成型過程與硬化過程分配在分開的工具中可以這樣設計硬化工具，即，構件或半成品特別是形狀配合地放入硬化工具的容納區域中，在該區域中不再進行成型。
[0012]特別有利的是，至少一個感應線圈另外以相對于容納區域的硬化工具表面恒定的間距設置。至少一個感應線圈與硬化工具表面距離恒定的間距可以由此得以實現，即，硬化工具的作用面以殼體結構或皇冠狀結構形成并且在背側上銑削出通道，或者使用與通道一件式鑄成的殼體，其中可以嵌入至少一個感應線圈。
[0013]因此提供了一種方法，通過該方法即使在復雜的形狀下也可以以經濟的方式實現構件或半成品的工藝可靠的硬化。
[0014]根據按照本發明的方法的一個設計，空氣硬化材料作為鋼材使用而且構件或半成品在硬化工具的容納區域外部通過空氣冷卻而硬化，由于省略了在硬化工具中集成淬火或者省略了外部硬化過程，該過程可以特別經濟地實施。由于在硬化工具中構件或半成品非常均勻與能夠預見的加熱，通過接下來空氣中的冷卻可以實現特別均勻與精確的硬化。同樣能夠使用強制空氣冷卻。
[0015]空氣硬化材料特別是具有高絡含量的鋼，例如絡含量在12至18重量％之間。元素鉬、錳和/或鎳也可以促進鋼材的空氣硬化性。
[0016]根據按照本發明的方法的另一個設計，當在加熱之后通過冷卻、特別是借助冷卻介質使構件或半成品在閉合的硬化工具的容納區域內部硬化，即使在復雜的形狀下也可以實現構件或半成品的特別工藝可靠的硬化。因此也可以程序可靠地使鋼材硬化，該鋼材為了硬化必須非常快速冷卻，例如必須淬火。
[0017]特別是在硬化工具中加熱和冷卻的結合實現了對經濟有利的方法，因為不必在這些過程步驟中進行運輸。
[0018]例如，構件或半成品可以通過硬化工具表面本身而冷卻，該硬化工具表面通過與構件或半成品的接觸可以提供充分的熱量排散。同樣可以使用冷卻介質，比如氣體、液體或固體，可以通過冷卻系統將這些冷卻介質引入硬化工具的容納區域中或者也可以通過冷卻系統將硬化工具的工具表面的熱量排出。
[0019]特別是錳硼鋼、例如Mn-S1-T1-B基錳硼鋼可以視為通過淬火硬化并達到非常高強度的鋼材。例如可以使用MBW1500+AS，MBW1500+Z或MBW-K 1500型鋼。這些鋼材在硬化之后具有至少1500MPa的抗拉強度、至少100MPa的屈服極限和至少5%的斷裂延伸率As。。
[0020]根據按照本發明的方法的一個特別優選的設計，在加熱期間以及在冷卻期間構件或半成品都形狀配合地位于硬化工具的容納區域中。特別是已顯示，通過在加熱之前形狀配合地放置構件或半成品就可以實現，雖然在構件或半成品的加熱和隨后的冷卻中有膨脹與收縮的過程，但是不僅