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CN110249062B - 用于以板材构建方式生产车轮的方法 - Google Patents

用于以板材构建方式生产车轮的方法 Download PDF

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CN110249062B CN201780085567.5A CN201780085567A CN110249062B CN 110249062 B CN110249062 B CN 110249062B CN 201780085567 A CN201780085567 A CN 201780085567A CN 110249062 B CN110249062 B CN 110249062B
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ThyssenKrupp AG
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Abstract

本发明涉及一种用于以板材构建方式生产车轮的方法，该车轮具有用于容纳轮胎的轮辋和以材料配合，力配合和/或形状配合的方式与轮辋连接的轮盘，该轮盘具有用于可拆卸地连接到轮架的附接区域，该方法包括以下步骤，分别为轮辋和轮盘设置钢材，并由相应的钢材形成轮辋和轮盘，其中用于轮辋和/或轮盘的钢材是可调质的，其中，‑在将轮盘与轮辋连接以形成车轮之前，在成形过程中或在成形之后，至少局部地在轮辋和/或轮盘上单独进行至少一次第一热处理，或者‑在将轮盘连接到轮辋以形成车轮之后，至少局部地在组装状态下的轮辋和/或轮盘上进行至少一次第一热处理，其中，在第一次热处理之后，以这样的方式进行冷却，使得在轮辋和/或轮盘的可调质钢材中至少区域性地在调质的区域中调整得到淬火组织。

Description

用于以板材构建方式生产车轮的方法
技术领域
本发明涉及一种用于以板材构建方式生产车轮的方法，该车轮具有用于容纳轮胎的轮辋和以材料配合，力配合和/或形状配合的方式与轮辋连接的轮盘，该轮盘具有用于可拆卸地连接到轮架的附接区域，该方法包括以下步骤，分别为轮辋和轮盘设置钢材，并由相应的钢材形成轮辋和轮盘，其中用于轮辋和/或轮盘的钢材是可调质的，其中，
-在将轮盘与轮辋连接以形成车轮之前，在成形过程中或在成形之后，至少局部地在轮辋和/或轮盘上单独进行至少一次第一热处理，或者
-在将轮盘连接到轮辋以形成车轮之后，在组装状态下，至少局部地在轮辋和/或轮盘上进行至少一次第一热处理，
其中，在第一热处理之后，以这样的方式进行冷却，使得在轮辋和/或轮盘的可调质钢材中至少区域性地在经热处理的区域中调整得到淬火组织。此外，本发明涉及根据本发明方法生产的车轮的用途。
背景技术
车轮是安全部件，并且必须能够在运行/使用中持久地吸收高机械和动态交变应力。除了车轮的使用寿命和刚性外，重量也起着重要的作用，其可以直接影响材料成本，非簧载质量，转动质量惯性，振动行为(NVH)，还有燃料消耗。
传统生产的车轮，例如机动车车轮，尤其是以钢板材构建形式生产的车轮，包括用于容纳轮胎的轮辋和材料配合、力配合和/或形状配合地连接到轮辋的轮盘，该轮盘具有用于可拆卸地附接到轮架的附接区域。车轮部件通常通过冷成型由钢材料制成，尤其是以多步法(深冲，旋压，结构化)。通常，使用由拉伸强度在400和600MPa之间的微合金结构钢和双相钢制成的热轧且尤其经过酸洗的带材来生产车辆部件。通常将MAG焊接或电阻点焊用做用于连接车辆部件(轮盘和轮辋)的热连接技术。
如果一方面使用具有较高强度或抗振性的材料来确保吸收运行载荷，并且另一方面进行几何形状匹配以补偿因为材料厚度较低而引起的刚度损失，则可以实现重量减轻。然而，随着材料强度的增加，材料的成形能力通常也会降低。因此，使用可冷成型钢的轻质化构造达到了技术极限。在这些情况下，所谓的“热成形”可以提供补救，由此可以满足对高成形度的要求，同时最终形成的部件具有高强度。
目前，热成型钢，例如锰硼钢提供了轻质化构造的可能性，其可以吸收机械载荷，例如动态交变应力。参考文献DE 10 2007 019 485 A1，DE 10 2013 114 245 B3和DE 102014 108 901 B3作为现有技术，尤其是用于由热成型钢生产至少区域性模压淬火的轮盘。
研究表明，具有主要为马氏体组织结构的(热成型)钢，例如锰硼钢，调质钢和空气硬化钢，相对于常规使用的双相钢和结构钢，尤其对于轮盘来讲具有显着增加的交变弯曲疲劳极限。具有主要为马氏体组织结构的钢的积极特性又被缺点抵消，即由于热成形会在部件表面上在近表面层中产生局部裂纹，其在循环载荷下成为裂纹起点并因此会负面地损害使用寿命。正如研究所示，在近表面层中形成的缺陷的类型和频率是不同的，因此产生大的分散，这在最佳部件设计的意义上是不利的。
在通过后续加工进行热成形之后，循环的部件性能也会受到负面影响，例如，通过激光修整或通过热接合，除了几何缺口之外，还可以产生冶金缺口效应，由此经常无法保证足够的运行强度和可靠性。
这种用于以板材构建方式生产车轮的方法基于申请人的申请号为PCT/EP2017/050957的尚未公开的申请。
关于现有技术，在车轮的制造方面存在进一步的改进潜力，该车轮特征在于重量轻，同时具有高运行强度和可靠性。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于制造车轮的方法，该方法能够确保所制造的车轮在低重量的同时具有高运行强度和可靠性，并且给出了所生产的车轮的相应应用。
该目的通过具有权利要求1的特征的方法解决。
车轮的部件，例如轮盘和轮辋，借助于压力成形，拉伸成形，拉伸压力成形，弯曲成形，剪切成形，旋压成形，深冲成型，特别是通过具有选择性至少部分的(模压)淬火的热成型，或通过所述生产方法的组合成形。
为了生产或成形车轮的部件，优选轮盘，提供可调质的钢材料，其至少局部地经过(第一)热处理，尤其是加热至高于Ac1温度，优选高于Ac3温度，将该钢材料热成型，并且至少区域性通过冷却进行模压淬火(直接热成形)，或者例如冷成形，其中将基本上对应于相应部件的最终几何形状的型件加热至高于Ac1温度，优选高于Ac3温度，然后至少区域性地通过冷却硬化(间接热成形)。在这种情况下，Ac1温度对应于取决于钢材组成的、组织结构转变成奥氏体的温度，或Ac3温度对应于完全转变成奥氏体的温度。至少区域性的热处理也可以在组装状态下在车轮的一个或多个部件(轮辋，轮盘)上进行，其中组装状态是指彼此连接的部件(轮辋和轮盘)，即车轮，其中加热至少区域性地在Ac1温度以上，优选在Ac3温度以上进行，随后通过冷却至少区域性地进行硬化。通过至少第一热处理可以至少区域性地或完全地在一个或多个部件中单独地或在组装状态下通过目的性冷却调整得到淬火组织结构。淬火组织结构通过基本上马氏体的组织结构定义，其中马氏体在调质过的组织结构中以至少60体积％，尤其至少70体积％，优选至少80体积％，特别优选至少90体积％存在。马氏体例如也可以通过目的性过程控制或后续的热处理来回火。至少区域性的(第一)热处理或加热至至少部分奥氏体化温度(高于Ac1温度)通过合适的装置进行，例如，借助于电感器，熔炉，激光器，接触加热器或燃烧器进行。
轮盘以材料配合，力配合和/或形状配合的方式连接到轮辋上。轮盘优选地至少区域性地通过接合焊缝附接到轮辋上，该接合焊缝可以实施为MIG焊缝，MAG焊缝，激光焊缝，熔焊焊缝或钎焊接缝。替代性地，轮盘也可以借助于粘接和/或电阻焊接连接到轮辋上。替代性或者附加性地，还可设定通过轮盘和轮辋之间的(附加)压配合进行的力配合连接，尤其是用于省去额外的连接装置。也可以考虑使用形状配合的机械连接方法，例如，咬合连接，铆接或使用功能元件的方法。轮盘和轮辋之间的连接不一定必须按照常规方式在车轮的所谓“轮辋深槽”中进行。例如所谓的半面或全面盘轮或具有多件式实施形式的车轮结构也是可行的。
发明人已经确定，通过至少区域性喷丸或喷丸技术处理，特别是对热处理区域或调质区域，由直接或间接热成形或(模压)淬火在钢材料的近表面层中产生的缺陷可以尤其在表面上被平整并且均匀化，由于高的材料强度和特别是在调质(热处理)区域额外引入的压应力，这对部件的使用寿命并且由此对车轮的运行强度和可靠性产生显着的积极影响。因此，根据本发明的第一方面，在第一热处理之后，至少局部地单独在轮辋和/或轮盘上，或在组装状态下的轮辋和/或轮盘上进行喷丸。将这样的颗粒用于喷丸，其粒度尤其在0.02和4.0mm之间，特别是在0.1和2.0mm之间，优选地在0.3和1.0mm之间的数量级，并尤其具有大于400HV1，尤其大于500HV1，优选大于600HV1的硬度，其中HV根据维氏硬度来定义硬度。
根据本发明方法的一个设计方案，喷丸可以作为压缩空气喷丸进行。压缩空气喷丸可以目的性尤其用于待喷丸的小的区域，尤其用于具有可以非常好地控制的结果的区域性喷丸。如果要对部件的较大区域或整个部件进行喷丸处理，则根据替代性的和优选的设计方案，使用送风机喷丸，通过该送风机喷丸可以在用在车轮构造中时经济地为高的件数喷丸。尤其也由于机动车车轮的对称性和“圆形”形状，送风机喷丸是特别合适的。
根据本发明方法的另一个设计方案，将这样的颗粒用于喷丸，其由金属颗粒，玻璃珠或陶瓷珠组成。上述颗粒的混合物也是可能的。优选使用金属颗粒，尤其是钢丝颗粒，根据组成，可以将其从丝线上切成例如最大2mm的数量级的块(颗粒)，并且可以具有大于600HV1的硬度。颗粒的形状或形式可以是任意的，但优选使用球形或圆形的形状，以便尤其不会通过使用用尖的颗粒而(额外)损伤待喷丸的区域。
根据本发明方法的另一设计方案，喷丸至少区域性地单独在轮辋和/或轮盘的表面和/或切割边缘上进行，尤其是如果在轮辋和/或轮盘上进行调质或热处理的话。优选在组装之前对部件的整个表面进行喷丸处理，以基本上补偿在直接或间接热成形过程中形成的缺陷。替代地或额外地，也对通常由于额外修整而产生的局部关键位置，特别是切割边缘进行喷丸处理，该修整尤其在直接或间接热成形之后通常通过激光修整进行，以尤其通过加强切割边缘和/或分别围绕切割边缘设置的区域补偿借助于激光修正而局部引入的热量(热影响区)引起的负面影响，并有利地改变粗糙度和内部应力状态。部件的喷丸也可以在组装状态下进行，其中在组装状态下至少区域性地在表面上和/或在切割边缘上和/或在轮辋和/或轮盘的接合位置上进行喷丸。在组装状态下对部件的至少区域性喷丸具有的优点是，除了上述优点之外，由于例如在轮辋和/或轮盘接合位置的热接合而形成的产生负作用的热影响区可以通过加强接合位置或设置在接合位置周围的区域来补偿。此外，尤其当使用未涂覆的，可调质的钢材料，并且(第一)热处理或间接或直接热成形不在惰性环境中进行时，喷丸可以基本上去除在正常大气中热处理过程中，在部件的一个或多个表面上产生的氧化皮层。喷丸部件优选是未涂覆的，但是，也可以考虑使用涂层，例如基于锌或铝或使用有机和/或无机涂层。
根据符合本发明的方法的另一设计方案，可以在喷丸之后至少区域性地单独在轮辋和/或轮盘上或者在组装状态下的轮辋和/或轮盘上进行第二热处理。该热处理可在150℃至低于650℃，尤其低于600℃，优选低于550℃的温度下进行。热处理的持续时间取决于相应钢材料的组成和材料厚度以及尤其经淬火(调质)和喷丸的区域的待设定的性能和/或表面特性。第二热处理可以是尤其在高于300℃的温度下的退火，以在非常脆的淬火组织结构中调整得到高韧性，同时具有足够的强度和延展性，由此可以得到对于车轮的循环应力来讲最佳的组织结构状态。此外，通过回火和由此伴随的组织结构的松弛，可以降低氢致裂纹的风险。如果第二热处理期间的温度低于300℃，尤其150至250℃，单个组件或组装状态下组件尤其至少局部的，优选完全喷丸的表面可为涂漆工艺进行准备或表面处理。
根据一个设计方案，为轮辋和/或轮盘提供碳含量为至少0.15重量％，尤其是至少0.22重量％，优选至少0.27重量％的可调质钢材料。可调质钢材料可以是尤其品质为C22，C35，C45，C55，C60，42CrMo4的调质钢，尤其品质为16MnB5，16MnCr5，20MnB5，22MnB5，30MnB5，37MnB4，37MnB5，40MnB4的含锰钢，表面硬化钢，空气硬化钢或多层钢材复合材料，例如具有两个钢层，优选具有三个钢层，其中至少一个层是可调质的，尤其可以是涂层的或优选不涂层的。取决于可调质钢材料的组成，可以从所谓的ZTU图推断出相应的特征变量，例如，Ac1温度，Ac3温度和用于热处理的其他特征变量。
本发明的第二方面涉及根据本发明的方法生产的车轮用于由内燃机和/或电驱动的轿车，商用车辆，载重车辆，特种车辆，公共汽车，小型客车，挂车或拖车的应用。根据车辆的类型，具有轮盘和轮辋的车轮以相应的材料厚度在负载和/或重量方面进行优化，该材料厚度也可以沿相应的横截面变化。轮盘不仅限于单件式实施方案，而是也可以实施为定制产品和/或可以由多件式实施形式组装而成。
附图说明
下面基于附图更详细地解释本发明。详细示出了
图1示出了根据本发明第一实施例的方法流程图，
图2示出了根据本发明第二实施例的方法流程图
图3示出了不同车轮的抗振性测试结果。
具体实施方式
图1示出了根据本发明第一实施例的方法流程。为待生产的轮盘(II)提供碳含量为至少0.15重量％，尤其是至少0.22重量％，优选至少0.27重量％的可调质钢材料。优选为轮盘使用例如品质为C22，C35，C45，C55，C60，42CrMo4的调质钢，优选品质为16MnB5，16MnCr5，20MnB5，22MnB5，30MnB5，37MnB4，37MnB5，40MnB4的含锰钢，表面硬化钢，空气硬化钢或多层钢材复合材料，例如具有三个钢层，其中至少一个层是可调质的。为了生产轮辋(I)，提供传统的钢材料，例如尤其品质为S420MC的微合金细晶粒结构钢。轮辋(I)和轮盘(II)冷成型的，例如借助于压力成形，拉伸成形，拉伸压力成形，弯曲成形，剪切成形，旋压成形，深冲成型，或通过前述生产方法的组合冷成形。钢材料可以涂层或优选不涂层。
在成形之后，至少区域性地在轮盘(II)上进行第一热处理，即，在步骤a)中将轮盘(II)至少区域性加热至高于Ac1温度，优选高于Ac3温度然后至少区域性通过冷却淬火(间接热成形)。轮盘(II)优选完全奥氏体化并随后完全淬火。淬火组织结构由冷却决定，并且尤其基本上由马氏体组织结构组成，其中马氏体以至少60体积％，特别是至少70体积％，优选至少80体积％，特别优选至少90体积％存在于经调质的组织结构中。在轮盘上进行至少区域的，优选完全的喷丸之前(步骤b)，可以将至少区域性淬火的，优选完全淬火的轮盘(IIa)可以在中间步骤(这里未示出)中送去修整，例如通过激光修整，由此沿切割边缘形成对部件的特性有负面作用的热影响区。在与轮盘(IIa，IIb)连接之前，如果需要，成形的轮辋(I)在这里未示出的插入的步骤中可以进行修整。
轮盘(IIa)的喷丸优选以送风机喷丸实施。将这样的颗粒用做喷丸的工具，其由金属颗粒，玻璃珠或者陶瓷珠，尤其由其混合物组成，其中颗粒粒度尤其在0.02和4.0mm之间，特别是在0.1和2.0mm之间，优选地在0.3和1.0mm之间的数量级，并尤其具有大于400HV1，尤其大于500HV1，优选大于600HV1的硬度。优选使用金属颗粒，特别是钢丝颗粒，其具有最大2mm的颗粒粒度和大于600HV1的硬度。喷丸至少区域性地，优选完全地在轮盘(IIa)的表面上进行，以基本上补偿在间接热成形过程中形成的缺陷。选择性地，也在关键位置上，尤其在轮盘(IIa)的、在间接热成形之后由于激光修整而产生的切割边缘上进行喷丸处理，以尤其通过加强切割边缘和/或分别围绕切割边缘设置的区域补偿借助于激光修整而局部引入的热量(热影响区域)引起的负面影响。
至少局部地，优选完全淬火的且至少区域性地，优选完全喷丸的轮盘(IIb)在步骤c)中以材料配合，力配合和/或形状配合的方式连接到轮辋(I)上以形成车轮(III)。轮盘(IIb)优选通过接合焊缝至少部分地附接到轮辋(I)上，该接合焊缝可以实施为MIG焊缝，MAG焊缝，激光焊缝，熔焊焊缝或钎焊焊缝。在组装之后，可以在步骤d)中在车轮(III)上至少区域性地，例如仅在附接的轮盘(IIa)上或者完全地进行第二热处理，尤其在150℃且低于650℃之间的温度下进行，以获得至少区域性地或完全回火的车轮(IIIa)，其特征优选在于低重量和高运行强度和可靠性。
图2中示出了根据本发明第二实施方案的方法流程。为待生产的轮辋(I)和待生产的轮盘(II)提供碳含量为至少0.15重量％，尤其是至少0.22重量％，优选至少0.27重量％的可调质钢材料。轮辋(I)和轮盘(II)通过压力成形，拉伸成形，拉伸压力成形，弯曲成形，剪切成形，旋压成形，深冲成型，或通过所述生产方法的组合冷成形。轮辋(I)和轮盘(II)都可以在未示出的中间步骤中修整到所需的最终尺寸。与图1中的实施形式相反，在步骤c)中，轮盘(II)以材料配合，力配合和/或形状配合的方式连接到轮辋(I)以形成车轮(III)。轮盘(II)优选地通过接合焊缝至少部分地附接到轮辋(I)上，该接合焊缝可以实施为MIG焊缝，MAG焊缝，激光焊缝，熔焊焊缝或钎焊焊缝。
在车轮(III)的组装状态下，部件(轮辋和轮盘)在步骤a)中至少区域性地，优选完全地加热到高于Ac1温度的温度，优选高于Ac3温度或完全加热，然后将加热的部件或加热的或完全加热的车轮(III)通过目的性冷却至少区域性地，尤其完全地淬火。淬火组织结构由冷却决定，并且尤其基本上由马氏体组织结构组成，其中马氏体以至少60体积％，特别是至少70体积％，优选至少80体积％，特别优选至少90体积％存在于经调质的组织结构中。
在至少区域性地，尤其是完全淬火的车轮(IIIa')上优选进行送风机喷丸。优选使用粒度最大为2mm且硬度大于600HV1的钢丝粒作为喷丸工具。喷丸至少区域性地，优选完全地在车轮(IIIa)的表面上进行，以基本上补偿在(间接)热成形或淬火过程中形成的缺陷。此外，还可以局部在关键位置上，尤其在由于轮辋和轮盘接合位置的热接合而形成的产生负作用的热影响区上，通过加强接合位置或设置在接合位置周围的区域来产生积极影响。此外，如果优选使用未涂覆的，可调质的钢材料，喷丸可以基本上去除在正常大气中(第一)热处理，或间接或直接热成型过程中，在部件或车轮(IIIa')的一个或多个表面上产生的氧化皮层。
在至少区域性，优选完全喷丸之后，在步骤d)中，可以至少局部地，优选完全地在车轮(IIIb)上进行第二热处理，尤其是在150℃至小于650°的温度下进行，以获得至少局部或完全退火的车轮(IIIa)，其特征优选在于低重量和高运行强度和可靠性。
在环形弯曲试验(指南编号287§30道路交通和准许通行条例)中，具有不同钢材和表面处理方式的三种车轮变型经受交变应力。第一种车轮变型(1)由品质为DP600的双相钢制成，板厚为3.5mm。第二和第三种机动车变型(2,3)由可调质钢材，22MnB5通过直接热成型制成，板的厚度分别为3mm。具有基本马氏体的组织结构的淬火组织结构能够通过目的性冷却来调整得到，其中马氏体在调质的组织结构中以至少80体积％存在。变型(2)和(3)之间的区别在于，变型(3)在直接热成型之后通过使用基本上圆形的具有最大2mm的粒度，硬度约为640HV1的钢丝颗粒进行送风机喷丸而进行完全喷丸处理。测试结果如图3所示，其中直到失效的负载循环次数绘制在x轴上，负载力矩绘制在y轴上。在图3中可以清楚地看出，对由调质钢材料制成的车轮的喷丸对部件性能具有积极影响，特别是实现了循环负载部件的使用寿命的增加。除了分别增强部件表面(整体)或部件上的关键位置(局部)之外，喷丸还实现了粗糙度的降低，此外还对部件的使用寿命产生积极影响。
本发明不限于上述实施形式和一般的说明。根据本发明的方法生产的车轮(III，IIIa)可用于由内燃机和/或电驱动的轿车，商用车辆，载重车辆，特种车辆，公共汽车，小型客车，挂车或拖车。

Claims (13)

1.用于以板材构建方式生产车轮的方法，所述车轮具有用于容纳轮胎的轮辋和以材料配合，力配合和/或形状配合的方式与轮辋连接的轮盘，该轮盘具有用于可拆卸地连接到轮架的附接区域，该方法包括以下步骤，分别为轮辋和轮盘设置钢材，并由相应的钢材形成轮辋和轮盘，其中用于轮辋和/或轮盘的钢材是可调质的以及未涂层的，其中，
-在将轮盘与轮辋连接以形成车轮之前，在成形过程中或在成形之后，至少局部地在轮辋上进行至少一次第一热处理，
其中，在第一次热处理之后，以这样的方式进行冷却，使得在轮辋的可调质钢材中至少区域性地在调质的区域中调整得到淬火组织，其特征在于，在轮辋上的第一热处理之后，至少局部地进行喷丸，其中将这样的颗粒用于喷丸，其粒度在0.02和4.0mm之间，并具有大于400HV1的硬度，其中在喷丸之后在组装状态下的轮辋和/或轮盘上进行第二热处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述喷丸作为压缩空气喷丸或者送风机喷丸进行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述颗粒由金属颗粒，玻璃珠或陶瓷珠组成，或者由其混合物组成。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中喷丸至少区域性地在轮辋的表面上进行。
5.根据权利要求4所述的方法，其中喷丸在切割边缘上进行。
6.根据权利要求1所述的方法，其中为轮辋提供碳含量为至少0.15重量％的可调质钢材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述可调质钢材料为品质为C22，C35，C45，C55，C60，42CrMo4的调质钢。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述可调质钢材料为含锰钢。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述含锰钢为品质为16MnB5，16MnCr5，20MnB5，22MnB5，30MnB5，37MnB4，37MnB5，40MnB4的含锰钢。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述可调质钢材料为表面硬化钢。
11.根据权利要求6所述的方法，其中所述可调质钢材料为空气硬化钢。
12.根据权利要求6所述的方法，其中所述可调质钢材料为多层钢材复合材料，具有两个钢层或三个钢层，其中至少一个层是可调质的。
13.根据权利要求1所生产的车轮用于由内燃机和/或电驱动的轿车，商用车辆，载重车辆，特种车辆，公共汽车，小型客车，挂车或拖车的应用。
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