JP2008519154A - 高強度の鉄物品の製造方法及びこれにより製造された物品 - Google Patents

Abstract

所定の冶金学的相が、加工物を鉄合金のオーステナイト温度以上の温度に加熱し、ついで、急冷媒体と接触させることにより、鉄合金本体中に形成する。熱は、加工物が急冷媒体と接触している少なくとも一部の時間の間に加工物に付与される。急冷媒体及び／又は熱源を制御すると、それらが共同して、マンテンサイト相が合金中に形成する温度以上の保持温度に加工物を保持することができる。所定の時間、合金を保持温度に保持した後、周囲温度に冷却する。特定の例では、系は、合金中にベーナイト相を形成するように作用する。また、この方法を実施する系も開示される。

Description

（関連出願）
本出願は、「高強度ベーナイト物品の製造方法及びそれによって製造された部品」と題する、２００５年９月１５日に出願された米国特許出願第 号の一部継続出願である。この出願も、「抵抗加熱を有する金属形成方法」と題する、２００４年９月１７日に出願された、米国仮出願第６０／６１０，７２０号の優先権を主張する。
本発明は、制御された冶金学的性質を有する鉄合金からの物品の製造に関する。特に、本発明は、高濃度のベーナイト相を有する合金鉄からの物品の製造に関する。更に具体的に述べれば、本発明は、自動車用の構造部材の製造、及び高濃度のベーナイト相を有する強靭鋼から作られる他の製造物品に関する。

超強力鋼は、自動車、建築構造物及び他の製造物品の各種要素を製造するために用いられている。従来の典型的な方法において、この種の物品はマンテンサイト鋼から直接に作られるか、又は、その製造工程の間においてマンテンサイトに変わる低炭素鋼から作られる。いずれの例にもおいて、それによって生じる鋼材は、２００ｋｓｉまで、及び、それ以上の引張強さを有する。しかしながら、かかるマルテンサイト組織は、伸度特性（概して４〜６％）が損なわれる。ベーナイト鋼、特に下部ベーナイト (lower bainite) 鋼、は非常に高い強度を有するが、また、典型的に１５％に近づく、非常に良好な伸度特性を有する。優れた伸度特性は、かかる物品の有用性を非常に高め及び／又はそれらの製造を単純化する。

ベーナイト鋼が多くの用途において有利であるが、有意なベーナイト相及び特に下部ベーナイト相を有する鋼の調製は困難である。ベーナイト相を形成するために、鋼合金は、まず、それらのオーステナイト温度以上の(above)温度まで加熱され、次いで、マンテンサイト相が形成する温度以上の特定の保持温度に急冷(quench)され、そして、ベーナイト相が形成できるように、それらは比較的長時間、この温度で保たれなければならない。マンテンサイトが形成する温度付近であるが、しかしそれよりも高い(above)温度で保持されると、低部ベーナイトが形成される。保持工程は、かなり高い温度及び非常に良好な温度調節の組合せの両方を必要とする。その結果として、この工程は、融解塩又は加熱油などの比較的多量の高温流体において典型的に実施される。これらの高温度浴は、重要な危険を示し、比較的大量のエネルギーを消費し、そして、比較的大きい領域を占有する。

以下に詳細に説明されるように、本発明は、正確に制御された冶金学的性質を有する第一鉄の物品が、非常に簡略化された保持工程を有する方法を提供し、この保持工程によって、高い温度浴などの使用が除去され、しかも、上部、下部、又は混合ベーナイト相などの選択された金属的な相の形成が促進される。従って、本発明の方法は、強靭鋼合金物品、例えば、自動車などの侵入ビームや、フレーム部材、本体部材、更には、建築構造物の部品、その他の物品などの大量かつ高速製造に直ちに応用することができる。

本願明細書において、所望の金属的な位相の高割合を含む鉄合金本体を調製方法が開示される。本発明は、ベーナイト相の形成に特に関連して記載される。しかし、他の望ましい冶金学的相を有する物品を形成するために利用することができる。この方法の第一段階において、鉄合金から成る加工物（ワークピース）は、合金のオーステナイト化温度以上の温度まで加熱される。その後、加工物は、急冷媒体と接触する。熱は、加工物が急冷媒体と接触している時間の少なくとも一部において、加工物に付与され、付与された熱及び急冷媒体の組合せが加工物を合金のマンテンサイト相形成温度以上（above）の保持温度に維持するために協同する。加工物は、所望の相を内部に形成するに十分な期間、この保持温度に維持され、その後、加工物は、周囲温度に冷却される。本発明の特定の例において、ベーナイト相が加工物において形成されるように、保持温度及び時間の組合せが選択される。特定の例において、加工物の厚みは５ｍｍ以下である、そして、ある特定の例で、それは３ｍｍ以下である。

ある場合には、加工物は、電流が通される抵抗加熱によって加熱することができる。急冷媒体は、ガス又は液体から成ってもよく、それは、加工物を横切って流され、噴霧され、又はそこを通して流され得、一方、他の例において加工物は急冷剤(quenchant)流体の槽に浸漬されてもよい。ある場合には、加工物は、成形操作にかけてもよく、それによって、その形状を変化させるか、維持する。この成形操作は、オーステナイト温度以上（above）に加熱する前に、一方、加工物がオーステナイト温度にある間、又は、保持温度にある間、又は、この工程が終了した後に、行うこともできる。また、本願明細書において、本発明の方法によって製造される物品及び本発明を実施する装置が開示される。

（発明の詳細な説明）
本発明は、ここで使用する保持媒体の機能から急冷媒体の機能を切り離すことによって、ベーナイト又は他の望ましい冶金学的相を含む物品の形成を非常に単純化する冶金方法である。本発明は、所望の相の形成の間、物品を高温に保持するための大量かつの高温液浴を利用する必要を除去する。

本発明は、ベーナイト又は他の所望の相の形成を促進するのに十分な高い温度で効果的に加工物を保持するように加工物の温度を動的にバランスをとるために、入力熱と、急冷媒体との組合せに依存する。
本発明の典型的な方法では、鉄合金(ferrous alloy)から成る加工物は、そのオーステナイト温度以上の温度にまず加熱される。この加熱は、公知技術のいかなる手段によっても達成できる。例えば、加熱は、炉において、誘導ヒータによって、又は、物品に電流を流す抵抗加熱によって、実施し得る。一旦物品がこの最初の温度まで加熱されると、次いで、それは急冷媒体と接触される。この急冷媒体は、単純な流体、例えば、水又は水性液体、油などから成るか、又は、ある例では、それは液化性又は気化されたガスとすることができる。
急冷液体は、物品が浸漬される浴槽の形であるか、又は流体の吹き付量から成ることができる。いずれにしても、熱が加工物にも付与されるので、流体はあまり高い温度である必要はない。急冷液体は、周囲空気、希ガス、例えば、窒素や、アルゴン等を含むガスから成ることができ、又は窒化ガス又は炭化ガスなどの反応性ガスからなっていてもよい。加工物が急冷媒体と接触するある時間の少なくとも１部の間、加工物も、加熱されている。急冷媒体と組み合わせて働く熱の付与は、加工物を、選択された温度に維持する動的平衡を決める。加熱及び急冷のパラメータを制御することによって、加工物は、所望の相の形成を促進するための選択された保持温度に、非常に正確に維持することができる。熱及び冷却のバランスは、この相を形成するのに十分な期間の間維持され、その後、熱付与は終了されて、加工物は、所望の相を保存するために転移温度以下で冷却される。明らかなように、本方法は、非常に制御可能である。下部ベーナイトを形成するための典型的な操作において、加工物は、３５０℃以下であるが、マンテンサイト相が形成し始める温度以上の保持温度に維持される。正確な温度領域は、処理される特定の合金に依存する。いくつかの例において、形成される相に応じて、合金は、３５０℃より上の温度で保持される。

保持相の間の入熱は、公知技術のさまざまな方法によって行うことができる。本発明において有利に使用できる１つの特定の方法には、熱を発生させるために物品を通して電流を流す抵抗加熱が含まれる。この抵抗加熱方法は、経済的でかつ、実施しかつ制御しやすい。ある場合には、物品は、まず急冷媒体の非存在下で好ましくは実施される抵抗加熱方法によってオーステナイト温度以上の温度まで加熱され、その後、急冷媒体と接触して、保持温度までそれを冷却することができる。かかる加熱及び保持は、単一のワークステーションにおいて有利に実施することができ、保持工程の前に、間、又は後に、実施される更なる成形過程によって調整することができる。

誘導加温(inductive heating)、火炎加熱(flame heating)、放射エネルギー加熱などのような他の加熱プロセスも、本発明の実施において使用することができる。いくつかの例において、保持工程の間、加工物の温度を測定することは有利であり得、それによって得られる温度情報は、適当な場合、温度、速度、圧力などのような急冷媒体の熱及び／又はパラメータを制御して、正確な温度調節を考慮に入れるため利用することができる。かかる制御は、フィードバック・モードで、又は、間接的なモードで行うことができる。

図１を参照しながら説明すると、鉄(ferrous)本体で下部ベーナイト相を形成するように操作可能なものとして、本発明の１つの方法についての、時間対温度プロファイルが示されている。図１のグラフでは、水平軸に沿って時間を、垂直軸に沿って温度をプロットしてある。この方法の初めに、加工物は、仕事場において遭遇する標準室温であると理解される周囲温度にある。任意の例で、周囲温度は、有意な冶金学的移行が加工物で生じないように、十分に低い温度である。典型的には、周囲温度は、５０℃以下（below)にある。この方法の第１部分において、加工物は、加工物を構成する合金のオーステナイト温度以上の温度まで加熱される。この温度は、使用される特定の合金に依り変化する。しかしながら、当業者であれば、この温度が何でなければならないかについて直ちに決定できる。この第１の段階の加熱は、典型的には、かなり急速に実施される。但し、これは本発明の要件でない。加熱は、炉においてあることができ、そこにおいて、更に処理されるまで、本発明のパーツは維持できる。他の例において、加熱は、処理の直前に個々のパーツに行うことができる。加熱が、当業者が利用できる火炎、誘導、抵抗加熱又は他のいかなる方法によってもすることができる。一旦加工物がオーステナイト温度以上の温度まで上げられると、次いで、典型的に３５０℃以下であるが、しかし、マンテンサイト相が合金において形成する温度以上の保持温度まで冷却される。部品は、それに急冷剤流体を適用することによって、オーステナイト温度から保持温度に冷却される。少なくとも加工物が保持相にある時間の少なくとも一部の間において、急冷剤流体に関連して熱がそれに加えられる。この加熱は、公知技術の任意の手段によって行うことができる。しかしながら、適用及び制御の容易さのため、抵抗加熱は、１つの好適な加熱法である。誘導加熱でもよい。上記の如く、入熱及び急冷剤の組合せは、動的平衡を決め、それは加工物を保持温度に維持する。必要であれば、加熱は、連続的又は断続的であり得る。加工物は、ベーナイト相の望ましい量を形成するのに十分な保持温度に保たれる。その後、それは、周囲温度に冷却され、ベーナイト相を固定する。冷却は、急冷剤流体によって典型的に達成される。そして、追加の加熱は、ほとんどの場合付与されない。

当業者にとって明らかであるように、上述加熱プロフィールは、採用される合金の特定の冶金によって及び／又は所望の処理パラメータに従って修正できる。例えば、加工物が加熱されるか又は冷却される速度は、変化させることができる。同様に、保持相は、単一の水平線であるとして示されるが、段階状の線又は段階的に傾斜した線であることができる。ある場合には、温度スパイクは、プロフィールに選択的に組み込むことができる。また、上記の如く、他の相が形成されるときに、保持温度は３５０℃以上であってもよい。

また、本発明が加工物の冶金学的性質の非常に良好な空間制御を許容する点に留意する必要がある。例えば、適切に加熱及び急冷デリバリーシステムを設定することによって、加工物の部分は、選択可能に加熱し、保持し、そして冷却して、加工物の一定部分のベーナイト相を優先して形成することができる。このように、変形能のような加工物の物理パラメータは、特定の用途のために最適化することができる。

図２を参照すると、本発明において行うことができる１つの温度調節回路の模式的な描写が示される。図２の回路は、加工物１０を予め選択された温度に維持するために作動する。この点に関して、温度センサ１２は、加工物と連通して、その温度を示す出力信号を生じるために作動する。温度センサ１２は、熱電対、温度計、サーミスタ又はその他のコンタクト素子を含んでもよい。また、それは、非接触装置、例えば、光高温計(optical pyrometer)から成ることができる。任意の例において、温度センサ１２は、急冷コントローラ１４及び／又は加熱コントローラ１６に伝えられる制御信号を生じる。図示の例では、温度センサは、急冷コントローラ及び加熱コントローラと連通する。しかし、いくつかの例で、充分な温度調節は、コントローラの単一のものだけを制御することによって、加工物において得ることができる。図示するように、急冷コントローラ１４は、加工物１０に急冷液体を供給する急冷液体送達系１８を制御する。同様に、加熱コントローラ１６は、加工物に熱を付与するヒータ２０を制御する。明らかなように、コントローラ１４、１６は、予め選択されたプロフィールと一致する加工物１０を加熱し、冷却するために協同することができる。当業者は、コントローラの他の実施例を本発明の系に、直ちに取り入れることができる。

最も好ましくは、本発明の方法は、比較的薄い加工物を利用して行い、この場合、せいぜい５ｍｍ程度の厚さを有する。いくつかの特定の例で、物品の厚みは、３ｍｍ程度である。非常に良好な温度調節及び均一な冶金学的性質がこの大きさの物品を利用して得ることができることが分かった。しかしながら、より厚い物品も、適切に温度及び急冷媒体の伝熱容量を調整することによって製造することができる。本発明の方法は、比較的薄いシートメタル物品、例えば、自動車のためのバンパー梁、侵入ビーム、フレーム部材、胴板などの製造に非常によく応用される。建築構造物のパネル、梁、ブレースなど部品を製造するのにも、利用することもできる。本発明の方法は、他の成形過程、例えば、ロールフォーミング、スタンピング、屈曲、ダイフォーミングなどと連動して行うことができる。
このように、特に方法が高温で実施されるそれらの例において、ベーナイト相の形成のステーション及び系は、直接さまざまな装置に組み込まれる。例えば、ベーナイト形成工程は、ホットフォーミング操作、例えば、ダイフォーミング、熱処理などに直ちに組み込むことができる。

要約すると、本発明は、加熱及び冷却のバランスをとることによって、加工物を、正確に制御された温度プロファイルに従って処理することができる。これは、物品の冶金学的性質の非常に正確かつ精巧な選択及びの制御を可能とする。
明細書において示される開示からみて、本発明の多数の修正変更は、当業者にとって直ちに明らかである。前述のものは、本発明の特定の例を説明するが、その実施に対する限定を意図するものではない。本発明の範囲を定めるのは、以下の請求項であり、すべての等価物を含む。

図１は、加工物中の下部ベーナイト相を製造するために、本発明において行うことができる１つの加熱プロフィールを示すグラフである。 図２は、本発明の実施において利用できる温度調節回路の図式である。

Claims (20)

1. 高割合の予め選択された金属相を含む鉄合金本体を調製する方法であって、以下の工程、
   鉄合金から成る加工物を提供する工程、
   前記合金のオーステナイト温度以上の温度に前記加工物を加熱する工程、次いで、
   前記加工物を急冷媒体と接触させる工程、
   前記加工物が前記急冷媒体と接触している時間の少なくとも一部の間、前記加工物に熱を付与して、付与される前記熱及び前記急冷媒体の組合せが、共同して、前記加工物を前記合金のマンテンサイト相形成温度以上の予め選択された保持温度に維持する工程、
   前記加工物を、予め選択された金属相を内部に形成するのに十分な時間、前記保持温度に維持する工程、次いで、
   周囲温度に加工物を冷却する工程、
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記加工物を、前記保持温度及び前記時間の組合せで保持して、内部にベーナイト相を形成する、請求項１に記載の方法。
3. 前記温度が、３５０℃以下である請求項１に記載の方法。
4. 前記ベーナイト相が、下部ベーナイト相である請求項２に記載の方法。
5. 前記ベーナイト相は、上部ベーナイト相である請求項２に記載の方法。
6. 前記加工物の厚みが、５ｍｍ以下である請求項１の方法。
7. 前記加工物の厚みが、３ｍｍ以下である請求項１に記載の方法。
8. 前記加工物に熱を付与する工程が、前記加工物に電流を流して、前記加工物を抵抗的に加熱する請求項１に記載の方法。
9. オーステナイト温度以上の温度に前記加工物を加熱する工程が、前記加工物に電流を流して、前記加工物を抵抗加熱する請求項１に記載の方法。
10. 前記加工物を急冷媒体と接触させる工程が、前記加工物を液体媒体と接触させることから成る請求項１に記載の方法。
11. 前記加工物を急冷媒体と接触させる工程が、前記加工物をガス状急冷媒体と接触させることから成る請求項１に記載の方法。
12. 前記加工物を急冷媒体と接触させる工程が、前記加工物を前記急冷媒体に浸漬することから成る請求項１に記載の方法。
13. 前記加工物を急冷媒体と接触させる工程が、前記急冷媒体を前記加工物上に吹付けることから成る請求項１に記載の方法。
14. 前記加工物を前記急冷媒体と接触させかつ前記熱を該加工物に付与しながら、前記加工物の温度を測定する更なる工程を含む請求項１に記載の方法。
15. 前記加工物の温度に応答して、前記熱の付与及び／又は急冷媒体のパラメータを制御する更なる工程を含む請求項１３に記載の方法。
16. 前記加工物に熱を付与する工程が、前記加工物を誘導的に加熱することから成る請求項１に記載の方法。
17. 前記加工物上で成形操作を実施する更なる工程を含む請求項１に記載の方法。
18. 請求項１の方法によって製作される物品。
19. 高割合の予め選択された金属的な相を有する鉄合金本体を調製する装置であって、前記系が、
    急冷剤流体を加工物に送達するように操作可能な急冷剤送達系、
    急冷剤送達系が前記急冷剤を加工物に送達している時間の少なくとも一部において、前記加工物を加熱するように操作可能なヒータ、及び
    前記急冷剤送達系及び前記ヒータの少なくとも一つを制御して、前記急冷剤送達系及び前記ヒータが協同して、前記合金のマンテンサイト相形成温度より上の予め選択された温度に加工物を維持するコントローラ、
    を含むことを特徴とする装置。
20. 前記加工物の温度に対応する信号を生成するための温度センサを更に備え、前記温度センサが、前記信号を前記コントローラに伝えるように更に操作可能である請求項１７に記載の装置。

Images