CN101365399A - 制造高强度含铁制品的方法，以及由此制造的制品 - Google Patents

Abstract

通过将工件加热至高于合金奥氏体化温度的温度，然后使该工件与淬火介质接触来在含铁合金体中形成预选的冶金相。在工件与淬火介质接触的至少一部分时间期间向工件输入热量。调节淬火介质和/或热源，使它们组合工作将工件维持在保持温度下，该温度高于在合金中形成马氏体相的温度。将合金维持在保持温度下持续预定的时段后，将其冷却至环境温度。在特定的实施方案中，该***工作以便在合金中形成贝氏体相。本发明还公开了实施所述方法的***。

Description

制造高强度含铁制品的方法，以及由此制造的制品

相关申请

本申请是于2005年9月15日提出的题为“制造高强度贝氏体制品的方法，和由此制造的制品”的美国专利申请第_____号的部分继续。本申请还要求于2004年9月17日提出的题为“使用电阻加热的金属形成方法”的美国临时专利申请第60/610,720号的优先权。

发明领域

本发明一般涉及由具有受控冶金学性质的含铁金属制造制品。更具体而言，本发明涉及由具有高浓度贝氏体相的含铁合金制造制品。最具体而言，本发明涉及由具有高浓度贝氏体相的高强度钢制造的用于机动车辆的结构部件以及其它制造制品的制造。

发明背景

使用超高强度钢来制造机动车辆、建筑结构和其它制造制品的各种部件。在现有技术的典型过程中，直接由马氏体钢制造这些制品，或者由在生产过程期间可以转变成马氏体的低碳钢制造这些制品。在任一种情形中，由此生产的钢产品具有高达和超过200ksi的拉伸强度。但是，这些马氏体结构在伸长率性质(典型为4-6％)受到损害。贝氏体钢，特别是下贝氏体钢不仅具有非常高的强度，而且具有非常好的伸长率性质，典型接近15％。优异的伸长率性质大大提高了这些制品的利用和/或简化了它们的制造。

尽管贝氏体钢在许多应用中是有利的，然而制备具有大量贝氏体相并且特别是下贝氏体相的钢是困难的。为了形成贝氏体相，必须首先将钢合金加热至高于它们的奥氏体化温度的温度，然后淬火至高于马氏体相形成温度的特定保持温度，并且必须将它们保持在该温度下持续相对长的时段，使得贝氏体相可以形成。当将钢保持在接近、但高于马氏体形成温度的温度下时，形成下贝氏体。保持步骤同时需要相当高温度和极好温度控制的组合。因此，典型在相对大量的高温流体例如熔融盐或加热油中实施该步骤。这些高温浴具有大的危险性，消耗相对大量的能量并且占据相对大的区域。

正如将在下文中详细解释的，本发明提供了一种方法，通过该方法可以在具有高度简化的保持步骤的过程中制造具有精确控制的冶金学性质的含铁制品，该保持步骤消除了高温浴等的使用，但是仍可促进选定金属相如上、下或混合贝氏体相的形成。因此，本发明的方法可以容易地适用于高强度钢合金制品的大量、高速制造，例如机动车辆的侵入梁(intrusion beam)、框架构件、主体构件等，以及建筑结构的部件和其它制造制品。

发明简述

本发明公开了一种制备包含高百分比的一种或多种所需金属相的含铁合金体的方法。具体参照贝氏体相的形成来说明本发明；但是可以使用它来形成其中具有其它所需冶金相的制品。在该方法的第一步骤中，将包含含铁合金的工件加热到高于该合金奥氏体化温度的温度。然后，使工件与淬火介质接触。至少在工件与淬火介质接触的一部分时间期间向工件输入热量，使得输入热量和淬火介质协同将工件维持在高于合金的马氏体相形成温度的保持温度下。将工件在这个保持温度下持续充足的时段以便在其中形成需要的相，然后将工件冷却至环境温度。在本发明的特定实施方案中，选择保持温度和时间的组合，使得在工件中形成贝氏体相。在特定情形中，工件的厚度不大于5毫米，并且在某些情形中，其不大于3毫米。

在一些情形中，可以通过电阻加热来加热工件，其中使电流从中流过。淬火介质可以包含气体或液体，并且可以将其流经(flowacross)、喷涂到、或者流过(flow through)工件，而在其它情形中，可以将工件浸入淬火剂流体的浴中。在一些情况中，可以对工件进行改变或者维持其形状的成形操作。可以在高于奥氏体化温度的加热之前、当工件处于奥氏体化温度时、当工件处于保持温度时、或者在该过程结束之后，实施该成形操作。本发明还公开了通过本发明的方法制造的制品以及用来实施本发明的设备。

附图说明

图1是显示一种加热曲线的曲线图，可以依照本发明实施该加热曲线以便在工件中产生下贝氏体相；和

图2是可以在本发明的实施中使用的温度控制电路的图解。

发明详述

本发明是一种冶金方法，通过从此前所使用的保持介质的功能中去除淬火介质功能，该方法大大简化了包含贝氏体、或其它所需冶金相的制品的形成。由此，本发明不需要在所需相的形成期间使用大、高温的液体浴用以将制品保持在提高的温度下。

本发明依靠输入热量和淬火介质的组合来动态平衡工件的温度，从而有效地将工件保持在足够的提高温度下，以便促进贝氏体或者其它所需相的形成。

在本发明典型的方法中，首先将包含含铁合金的工件加热至高于其奥氏体化温度的温度。可以通过本领域中公知的任何措施来实现这种加热。例如，可以通过感应加热器或者通过使电流流过制品的电阻加热在加热炉中实施加热。一旦将制品加热至这个初始温度，将其与淬火介质接触。该淬火介质可以包含简单流体，例如水或者水基液体、油等，或者在一些情况中它可以是液化或者蒸发的气体。淬火流体可以是制品浸入其中的浴的形式，或者它可以包含流体的喷雾体积。在任何情况下，由于还要向工件输入热量，所以该流体不必处于非常高的温度下。淬火流体可以包含气体，该气体包括环境空气、惰性气体(如氮气、氩气等)、或者反应性气体如氮化或碳化气体。在工件与淬火介质接触的至少一部分时间内，还对其进行加热。热量输入结合淬火介质建立了将工件维持在所选温度下的动态平衡。通过控制加热和淬火的参数，可以将工件非常准确地维持在所选的保持温度下，从而促进所需相的形成。维持加热和冷却的平衡持续充足的时段以便形成这种相，然后终止热量输入并且将工件冷却至低于转变温度从而保留所需的相。显然这种方法是高度可控的。在形成下贝氏体的典型操作中，将工件维持在不高于350℃但高于马氏体相开始形成的温度的保持温度下。精确的温度范围将取决于被处理的具体合金。在一些情况中，根据要形成的相将合金保持在高于350℃的温度。

可以通过本领域中公知的各种方法来实施保持阶段期间的热量输入。可以在本发明中有利地使用的一种具体方法包括电阻加热，其中使电流流过制品以便产生热量。电阻加热方法的实施和控制经济且简单。在一些情况中，可以首先通过优选在不存在淬火介质的情况下实施的电阻加热方法将制品加热至高于奥氏体化温度的温度，然后与淬火介质接触从而使其冷却至保持温度。这种加热和保持可以有利地在一个工作台上进行并且可以与保持步骤之前、期间或之后实施的其它成形工艺协同进行。

在本发明的实施中还可以使用其它加热方法，例如感应加热、火焰加热、辐射能加热等。在一些情况中可以有利地测量保持步骤期间的工件温度，并且可利用由此获得的温度信息来控制热量输入和/或淬火介质的参数，例如温度、速度、压力等，从而允许精确的温度控制。可以以反馈模式或者间接模式实施这种控制。

现在参照图1，显示了可操作以便在含铁物体中形成下贝氏体相的根据本发明的一个工艺的时间相对温度的分布。图1的曲线图沿着横轴绘出了时间并且沿着纵轴绘出了温度。在该过程开始时，工件处于环境温度(应理解为工件中遇到的常态室温)；并且在任何情况中，环境温度是足够低使得工件中不会发生明显的冶金学转变的温度。典型地，环境温度低于50℃。在该过程的第一部分中，将工件加热至高于组成工件的合金的奥氏体化温度的温度。该温度将根据所使用的具体合金而变化；然而本领域的普通技术人员可容易地确定该温度应当是多少。典型地相当快速地实施这个第一阶段加热，尽管这不是本发明的要求。可以在加热炉中进行加热，在该情况中可以将零件维持在其中直到进一步的处理。在其它情况中，就在处理前可以对各个零件进行加热。可以通过火焰、感应、电阻加热或者本领域技术人员可利用的任何其它方法来加热。一旦将工件升高至高于奥氏体化温度的温度，这时将其冷却至保持温度，该温度典型低于350℃但是高于合金中将形成马氏体相的温度。通过向其施用淬火剂流体将零件从奥氏体化温度冷却至保持温度。在工件处于保持阶段的至少一部分时间期间，结合淬火剂流体向其施加热量。可以通过本领域公知的任何措施进行这种加热；然而由于应用和控制的简便性，电阻加热是一种优选的加热方法。感应加热是另一种。热量输入和淬火剂的组合将如上所述建立使工件维持在保持温度下的动态平衡。热量的施加可以是连续的或者如果需要它可以是间歇式的。将工件保持在保持温度下持续足够的时段以便形成所需量的贝氏体相；然后将其冷却至环境温度，从而锁定为贝氏体相。典型通过淬火剂流体来实现冷却，并且在大多数情况中不输入附加热量。

本领域技术人员清楚，可以根据使用合金的具体冶金学和/或根据所需的处理参数来改变上述加热曲线。例如，可以改变加热或冷却工件的速率。同样，作为单一水平线显示的保持阶段可以是阶梯线或者逐渐倾斜的线。在一些情况中，可以选择性地将温度尖峰(spike)结合到曲线中。并且如上所述，当要形成其它相时保持温度可以高于350℃。

另外，应当指出本发明容许对工件的冶金学性质的极好空间(spacial)控制。例如，通过适当地配置加热和淬火供应***，可以选择性地加热、保持和冷却工件的部分从而在工件的特定部分优先形成贝氏体相。以这种方式可以为特定应用优化工件的物理参数如可变形性。

现在参照图2，显示了可以在本发明中实施的一种控温电路的示意图。图2的电路工作将工件10维持在预选的温度下。就此而言，温度传感器12与工件相联通(communication)并且操作产生代表其温度的输出信号。温度传感器12可以包括热电偶、温度计、热敏电阻或者一些其它这种接触装置。另外，它可以包括例如光学高温计的非接触装置。在任何情况中，温度传感器12产生与淬火控制器14和/或加热器控制器16联通的控制信号。在所示实施方案中，温度传感器与淬火控制器和热器控制器都联通；但是在一些情况中可以通过只控制一个控制器在工件中获得足够的温度控制。如图所示，淬火控制器14控制向工件10供应淬火流体的淬火流体输送***18。相似地，加热器控制器16控制向工件输入热量的加热器20。可以清楚的是，控制器14、16可以根据预选的曲线协同加热和冷却工件10。本领域技术人员可以容易地在本发明***中加入控制器的其它实施方案。

更优选地，使用相对薄的工件来实施本发明的方法，并且就此而言其具有不大于5毫米的厚度；并且在一些特殊情况中制品的厚度不超过3毫米。已经发现使用这种尺度的制品可以获得非常好的温度控制和均匀的冶金学性质。但是，通过适当调节淬火介质的温度和传热能力可以制造更厚的制品。本发明的方法非常适于制造相对薄的片状金属制品，例如机动车辆的缓冲梁、侵入梁、框架构件、车身板等。它还可以用来制造建筑结构的板、梁、支柱(brace)和相似部件。可以结合其它成形工艺例如轧制成形、冲压、弯曲、模压成形等来实施本发明的方法。如此，可以将用于形成贝氏体相的工段和***直接结合到各种设备中，特别是在提高温度下进行处理的那些情况中。例如，贝氏体形成步骤可以容易地结合到例如模压成形、热处理等热成形操作中。

总之，本发明操作用于平衡加热和冷却，从而允许根据精确控制的温度曲线来处理工件。这允许非常精确且准确地选择和控制制品的冶金学性质。

考虑到这里提供的公开内容，本发明的许多修改和变化对于本领域的技术人员将是显而易见的。前述是本发明的具体实施方案的举例说明，但并不意味着是对其实施的限制。下面的权利要求书(包括其等同物)限定了本发明的范围。

Claims (20)

1.一种制备包含高百分比的预选金属相的含铁合金体的方法，所述方法包括如下步骤：

提供包含含铁合金的工件；

将所述工件加热至高于所述合金奥氏体化温度的温度；和然后

使所述工件与淬火介质接触；

在所述工件与所述淬火介质接触的至少一部分时间期间，向所述工件输入热量，使得所述输入的热量和所述淬火介质的组合共同将所述工件维持在高于所述合金的马氏体相形成温度的预选保持温度下；

将所述工件维持在所述保持温度下持续足够的时段，以便在其中形成预选的金属相；和然后

将所述工件冷却至环境温度。

2.根据权利要求1的方法，其中以所述保持温度和所述时间的组合保持所述工件，从而在其中形成贝氏体相。

3.根据权利要求1的方法，其中所述温度低于350℃。

4.根据权利要求2的方法，其中所述贝氏体相是下贝氏体相。

5.根据权利要求2的方法，其中所述贝氏体相是上贝氏体相。

6.根据权利要求1的方法，其中所述工件的厚度不大于5毫米。

7.根据权利要求1的方法，其中所述工件的厚度不大于3毫米。

8.根据权利要求1的方法，其中向所述工件输入热量的步骤包括使电流流过所述工件从而电阻式加热所述工件。

9.根据权利要求1的方法，其中加热所述工件至高于奥氏体化温度的温度的步骤包括使电流流过所述工件从而电阻式加热所述工件。

10.根据权利要求1的方法，其中使所述工件与淬火介质接触的步骤包括使所述工件与液态介质接触。

11.根据权利要求1的方法，其中使所述工件与淬火介质接触的步骤包括使所述工件与气态淬火介质接触。

12.根据权利要求1的方法，其中使所述工件与淬火介质接触的步骤包括将所述工件浸入所述淬火介质。

13.根据权利要求1的方法，其中使所述工件与淬火介质接触的步骤包括将所述淬火介质喷到所述工件上。

14.根据权利要求1的方法，该方法包括当所述工件与所述淬火介质接触并且向其中输入所述热量时测量所述工件的温度的另外的步骤。

15.根据权利要求13的方法，该方法包括响应所述工件的温度而控制热量输入和/或所述淬火介质参数的另外的步骤。

16.根据权利要求1的方法，其中向所述工件输入热量的步骤包括感应式加热所述工件。

17.根据权利要求1的方法，该方法包括对所述工件实施成形操作的另一步骤。

18.一种制品，其通过权利要求1的方法制成。

19.一种制备具有高百分比的预选金属相的含铁合金体的设备，所述***包括：

淬火剂输送***，该***可操作用以向工件输送淬火剂流体；

加热器，该加热器可操作用以在淬火剂输送***向工件输送淬火剂的至少一部分时间期间加热工件；以及

控制器，该控制器用于控制所述淬火剂输送***和所述加热器中的至少一个，使得所述淬火剂输送***和所述加热器共同将工件维持在高于所述合金的马氏体相形成温度的预选保持温度下。

20.权利要求17的设备，该设备还包括用于产生对应于所述工件温度的信号的温度传感器，所述温度传感器可进一步操作使所述信号联通至控制器。

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