TWI735707B - 複雜成型零件之製造方法及複雜成型零件之用途 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種藉由使用沃斯田鐵系鋼於多級製程(4)中製造複雜成型零件(6)之方法，其中使冷成型(2)及加熱(3)交替達至少兩個多級製程(4)步驟。在每個製程步驟期間之材料及製得之零件包括具有非磁性可逆性質的沃斯田鐵系微結構。

Description

複雜成型零件之製造方法及複雜成型零件之用途
本發明係關於一種藉由組合冷成型及退火處理利用沃斯田鐵系材料藉由多級成型操作製造極複雜部件之方法。在成型操作期間，已在沃斯田鐵系材料延展性減小的情況下達成雙晶的形成。
在車體工程中，利用軟深衝鋼製造具有複雜成型幾何形狀的零件。需要達成較高強度、輕量、包裝或安全性目標，可資利用的高強度鋼如雙相鋼、多相鋼或複雜相鋼經常達到其之可成型性極限。定義經調整的機械值及微結構部件(於製鋼期間)在零件製造期間對隨後的成型或熱處理步驟反應敏感。因此，其會不期望地改變其性質。
一種解決辦法係熱成型操作如所謂的加壓硬化，其中將可熱處理的錳-硼鋼加熱至沃斯田鐵化溫度(超過900℃)、透實硬化持續特定的停留時間及然後在熱成型工具中在該等高溫下成型為所得零件。在成型操作的同時，將熱自片材排放至工具的接觸區域及因此經冷卻。該製程例如描述於US20040231762A1中。藉由熱成型製程，可藉由使用高強度材料來獲得複雜部件。但殘留伸長率係處於最低水平(經常<5%)。
因此，隨後的冷成型步驟以及在車體零件之碰撞情況期間的高能吸收並不可能。此外，並非無時無刻皆需要1,500MPa之抗拉強度，例如當系統變得過度剛硬時。另外，相較於冷成型操作，利用邊際循環次數之輥頭爐(roller head furnace)的投資、檢修及能量成本以及所需空間相當高。此外，與經塗覆的冷成型鋼相比，腐蝕保護係處於較低水平。
數十年來，沃斯田鐵系不鏽鋼被使用於如水槽之複雜冷成型部件之家庭用品的應用領域中。藉由使用TRIP(相變誘導塑性( TRansformation Induced Plasticity))之硬化效應使既定的材料與鉻及鎳合金化，其中介穩態的沃斯田鐵系微結構於成型負載期間轉變為麻田散鐵。在室溫下，由於較低的麻田散鐵起始溫度，因而沃斯田鐵系微結構係穩定的。在文獻中，此效應熟知為「變形誘導之麻田散鐵形成」。將此等材料用於複雜冷成型操作的一項缺點係先前的沃斯田鐵系材料將性質轉變為具有較低延展性、增加硬度及因此降低所得之能量吸收潛力的麻田散鐵系微結構。此外，該過程並非可逆的。沃斯田鐵系材料的優勢(如非磁性性質)喪失且無法用於材料的零件情況。不可逆的微結構轉變係複雜多級成型操作的一項重大缺失，其中殘留伸長率不足。此外，TRIP效應對溫度敏感，其導致針對工具冷卻的進一步投資需求。此外，當在成型製程期間將其微結構轉變為麻田散鐵時，該等材料顯示應力誘導延遲龜裂的危險。具有TRIP效應之該等材料的疊差能量低於SFE<20毫焦耳/平方米(mJ/m2)。另外，麻田散鐵轉變產生氫脆化的危險。
具有TRIP效應之所描述的沃斯田鐵系不鏽鋼在起始狀態中係非磁性。公開案DE102012222670A1描述一種局部加熱使 用TRIP效應由不鏽鋼製造之零件的方法，且出於此效應導致形成麻田散鐵。此外，藉由在零件之麻田散鐵區域中的局部再結晶產生用於具有麻田散鐵轉變之沃斯田鐵系不鏽鋼之感應加熱的設備。
公開案WO2015028406A1描述一種硬化金屬片材之方法，其中藉由珠擊或噴砂來硬化表面。結果，就水槽應用而言，表面更耐刮。尤其指出介穩態鉻-鎳合金化1.4301之用途。
本發明之目的係要消除先前技術的一些缺失並建立一種最終及於所有製程步驟期間具有非磁性性質之沃斯田鐵系鋼之複雜成型零件的製造方法。組合成型及加熱的多級製程導致可逆的材料性質，其係藉由TWIP硬化效應及穩定的沃斯田鐵系微結構所達成。本發明的基本特徵羅列於隨附的申請專利範圍中。
本發明中所使用之鋼包含間隙分離的氮及碳原子，使得碳含量及氮含量之總和(C+N)為至少0.4重量%，但低於1.2重量%，且該鋼亦可有利地包含多於10.5重量%鉻，因此係為沃斯田鐵系不鏽鋼。如同鉻的另一種肥粒鐵形成物為矽，其於製鋼期間作為去氧劑。此外，矽可提高材料的強度及硬度。在本發明中，鋼的矽含量係低於3.0重量%以限制焊接期間的熱龜裂親和力，更佳低於0.6重量%以避免作為去氧劑的飽和，再更佳低於0.3重量%以避免基於Fe-Si的低熔相並限制疊差能量的不期望降低。在鋼包含必要含量之至少一種肥粒鐵相形成物(諸如鉻或矽)的情況中，將補償沃斯田鐵相形成物(如碳或氮)的含量，此外諸如錳重量%係藉於10%與低於或等於26%之間，較佳介於12-16%之間，碳及氮兩者的重量%值係多於0.2%且低於0.8%，鎳重量%係等於或低於2.5%，較 佳低於1.0%，或銅重量%係低於或等於0.8%，較佳介於0.25-0.55%之間，以於鋼之微結構中具有均衡且獨佔的沃斯田鐵含量。
本發明在於可利用多級冷成型及加熱操作在於完成成型操作之後保留或最佳化沃斯田鐵系材料性質的情況下獲得複雜的成型部件。
多級製程的成型步驟係藉由流體機械深衝製程如片材液壓成型或內部高壓成型進行。
此外，多級製程的成型步驟係藉由深衝、加壓、塞罩(plunging)、鼓脹成型(bulging)、彎曲成型、旋壓成型(spinning)或拉伸成型進行。
根據本發明，將伸長率A80等於或高於50%之沃斯田鐵系鋼用於多級成型製程中，其中該材料之特徵在於TWIP(孿晶誘導塑性(Twinning Induced Plasticity))硬化效應，特定的經調整疊差能量SFE介於高於或等於20毫焦耳/平方米與低於或等於30毫焦耳/平方米之間，較佳22-24毫焦耳/平方米，且因此在整個成型製程期間存在穩定的沃斯田鐵系微結構以及穩定的非磁性性質。
本發明係關於一種用於多級成型操作之方法，其中成型及加熱係由兩個不同操作步驟所組成，其中多級金屬成型製程包括至少兩個不同的(或彼此獨立的)步驟，其中至少一個步驟係成型步驟。另一個可係進一步的成型步驟或例如熱處理。此外，本發明中描述一種後續製程，其包括成型及加熱以產生複雜成型部件，且其使用具有TWIP硬化效應與其特定性質及利用TWIP(孿晶誘導塑性)硬化效應由沃斯田鐵系鋼製造複雜成型部件之可能性的沃斯田鐵系(不鏽)鋼來達成此目標。於加熱期間，所使用TWIP材料之微 結構中的雙晶溶解，及於成型期間，重建所使用TWIP材料之微結構中的雙晶。
片材製造工業技術現況中之複雜成型部件係廚房家電、消費品或車體工程。此外，經廣泛設計且複雜的成型幾何形狀具有節省部件數目、或整合額外功能的效益。作為廚房家電的多級複雜成型零件可存在於如廚房水槽或家用電器中之缸如洗碗機或洗衣機的滾筒中。此外，功能性或構造性需求如包裝限制，例如，汽車或容積規格(諸如槽罐、儲槽)之縱向構件，亦適用於複雜構造性組態。另外，碰撞結構(諸如汽車之具有保險桿系統之衝撞盒)之設計態樣(例如，水槽或負載路徑)可係本發明方法的進一步解決方案。此外，本發明適用於運輸系統的懸吊部件，如複雜成型的門或門邊防撞樑、以及內部部件如座椅結構尤其係椅背壁。可將根據本發明變形之零件應用於諸如汽車、卡車、巴士、鐵路或農業交通工具的輸送系統，以及用於汽車工業如安全氣囊套筒或燃料填料管。
多級成型操作係冷成型(例如，低於100℃且不低於-20℃，但較佳在室溫下)及隨後之短時間加熱的交替製程。製程步驟的數目係取決於成型複雜度。
1‧‧‧片材、板、管
2‧‧‧成型步驟
3‧‧‧熱處理
4‧‧‧多級製程
5‧‧‧成型複雜度
6‧‧‧複雜成型零件
本發明參照附圖作更詳細說明，其中圖1顯示不同製程的硬度比較，圖2顯示作為金相檢查之雙晶的形成，圖3顯示沃斯田鐵系TWIP鋼之成型度圖，圖4顯示自衝壓邊緣之硬化效應，圖5顯示藉由珠擊的表面硬化效應， 圖6顯示表面氮化熱處理對沃斯田鐵系TWIP鋼之機械性質的效應，及圖7顯示多級金屬成型製程。
圖1顯示於此一成型及加熱操作後之零件之測得硬度的結果。多級成型操作之不同製程步驟的硬度比較：起始、基礎材料(左)，於具有20%成型度之第一成型步驟之後(中)及於加熱製程後(右)；每種狀態測量10個硬度點。
圖2中，顯示雙晶之形成作為與圖1中之硬度測量相關之圖2中的金相檢查。
圖3顯示具有12-17%之鉻及錳之沃斯田鐵系TWIP鋼的成型度圖。
圖4中顯示12-17%鉻及錳合金化TWIP鋼之自衝壓邊緣之硬化效應。
圖5顯示珠擊對完全沃斯田鐵系TWIP鋼的表面硬化效應。
圖6中顯示於退火狀態中表面氮化熱處理對沃斯田鐵系TWIP鋼之機械性質的效應，Rp0.2=屈服強度，A80=斷裂後伸長率，Ag=均勻伸長率，樣品定義：A=於起始退火狀態中之樣品，N=於氮化處理後之樣品。
圖7中，多級金屬成型製程係由不同的加熱及利用TWIP硬化效應的成型步驟所組成。
方法中所使用的材料將由於TWIP效應而於成型操作期間硬化，但材料將維持沃斯田鐵系微結構。就沃斯田鐵系TWIP 材料而言，成型度將低於或等於60%，較佳低於或等於40%。若由材料之成型度所定義的成型潛力係處於方法的末端，或若需要成型用的高工作力，則可開始第二步驟-加熱步驟。在隨後的加熱步驟期間，雙晶溶解且材料將再度軟化。由於先前定義的材料特徵，因而該方法係一可逆製程。可將加熱製程整合至一個利用感應或傳導的成型工具中。加熱溫度必需介於750與1150℃之間，較佳介於900與1050℃之間。可將該製程重複達到建立期望複雜幾何形狀所需者的次數。
用於多級製程之片材的起始厚度應小於3.0毫米，較佳介於0.25與1.5毫米之間。本發明亦可使用撓性軋製片材。
零件係呈片材、管材、型材、線材或接合鉚釘之形式。
顯示雙晶之形成作為與圖1中之硬度測量相關之圖2中的金相檢查。可相當良好地指出藉由成型引起的雙晶形成及藉由加熱引起的溶解。藉由加熱後的進一步成型步驟，再度重新開始雙晶之形成且零件將再次硬化。可交替使用此製程並重複達到幾何形狀以及強度及伸長率之目標機械值所需者的次數。因此，多級成型操作的最終步驟可係具有一定成型度的成型步驟以及局部加熱步驟。關於與12-17%之鉻以及錳合金化之TWIP鋼的用途，使用成型圖來調整完成零件的足夠值，圖3。如圖3中所見，本發明尤其適用於具有高於或等於500MPa之最小屈服強度值的高或超高強度鋼。加熱步驟可利用感應、傳導或紅外技術來設計。20K/秒之加熱速率係可能的且不會影響雙晶的行為。
另外，可將成型操作整合至成型工具。結果，可於160%之基礎材料上達成用於技術現況操作的硬化效應。此邊緣硬化 之缺失亦可藉由隨後的加熱步驟來解決。結果，可顯著地降低邊緣龜裂敏感性。
本發明之另一正面態樣係藉由鍛粗的成型操作諸如珠擊、噴砂或高頻撞擊降低邊緣龜裂或表面龜裂敏感性來對表面產生壓縮應力值以及當多級成型零件處於疲勞應力條件下時(例如，汽車零件)之較佳疲勞行為的可能性。該表面處理為一般所熟知，但由於微結構(及因此材料性質(例如，非磁性))將為恆定，因此與所指出之材料特性組合將展現新穎性質。製程與材料之組合產生表1所示之值，其中表面硬化(珠擊)及隨後熱處理之效應係處於完全沃斯田鐵系TWIP鋼的殘留應力水平。
Figure 106140748-A0101-12-0008-1
於表1中，正號意指表面上之抗拉應力；負號意指壓縮應力值。
測量方法的一般偏差可為+/- 30MPa。表1可顯示起始狀態中之材料應力，尤其就應變硬化冷軋變型而言，可藉由鍛粗的成型操作轉變為非關鍵的壓縮值。由於在隨後的熱處理之後亦可維持高壓縮負荷值，因而亦可將此一操作整合至多級成型製程中。
可將多級複雜成型零件使用作為汽車零件，如駕駛室、保險桿系統、通道或作為底盤零件(例如，懸吊臂)。此外，可將作為安裝部件的多級複雜成型零件用於運輸系統中，如門、襟 翼、弗蘭德樑(flender beam)或荷重承載側翼、輸送系統的內部部件如座椅結構零件(例如，座椅靠背)。
亦存在製作多級複雜成型零件作為燃料噴射系統之部件(如加油頸或作為汽車、卡車、輸送系統、鐵路、農業交通工具之槽罐或儲存器)以及用於汽車工業，及此外於建築物及壓力容器或鍋爐中或使用多級複雜成型零件作為電池電力交通工具或油電混合車如電池盒的可能性。
可藉由氮化或滲碳熱處理達成如同鍛粗成型操作的額外表面效應。兩元素(氮及碳)作為沃斯田鐵形成物，且因此，此元素使局部疊差能量及所產生之硬化效應(TWIP機制)穩定。氮化或滲碳之效應在於零件之接近表面結構的硬化，如圖5所示。此外，接近表面結構對TWIP鋼之機械值的影響如圖6中之機械值所展現。
將具有介於500與650℃之間，較佳介於525與575℃之間之加熱溫度的氮化或滲碳表面處理整合至多級製程中，以產生零件之耐刮且同時非磁性的表面。
多級金屬成型製程可見於圖7中，其包括片材、板、管1至少兩個不同(或彼此獨立)的步驟，其中至少一步驟係成型步驟2。下一步驟3係熱處理。多級製程4步驟之數目取決於成型複雜度5。方法的最終結果係複雜成型零件6。

Claims (24)

  1. 一種於多級製程(4)中製造複雜成型零件(6)之方法，其係使溫度於-20℃至100℃範圍內之冷成型(2)及加熱(3)交替達至少兩個多級製程(4)步驟，材料為具有TWIP硬化效應之沃斯田鐵系鋼，藉此該鋼係具有大於或等於30%之起始伸長率A80，該鋼係具有於20至30毫焦耳/平方米(mJ/m2)範圍內之一特定的經調整疊差能量SFE，且成型度係低於或等於60%，其特徵在於該等加熱步驟期間之溫度係於750℃至1150℃範圍內，使在每個製程步驟期間之材料及製得之零件包括具有非磁性可逆性質的沃斯田鐵系微結構。
  2. 如請求項1之方法，其中，用於多級製程(4)之片材(1)的起始厚度應小於3.0毫米。
  3. 如請求項2之方法，其中，用於多級製程(4)之片材(1)的起始厚度應介於0.25與1.5毫米之間。
  4. 如請求項1或2之方法，其中，待變形之該沃斯田鐵系鋼中之碳含量及氮之總和(C+N)係高於0.4重量%，但低於1.2重量%。
  5. 如請求項1或2之方法，其中，該零件係呈片材、管材、型材、線材或接合鉚釘之形式(1)。
  6. 如請求項1或2之方法，其中，該所使用材料係使用TWIP硬化機制且具有22-24毫焦耳/平方米範圍內之一定疊差能量(SFE)的穩定完全沃斯田鐵系鋼(1)。
  7. 如請求項1或2之方法，其中，該所使用材料具有大於或等於50%之起始伸長率A80。
  8. 如請求項1或2之方法，其中，該所使用之沃斯田鐵系TWIP鋼具有介於10%與低於或等於26%錳之間的錳重量含量。
  9. 如請求項8之方法，其中，該所使用之沃斯田鐵系TWIP鋼具有介於12與16%錳之間的錳重量含量。
  10. 如請求項1或2之方法，其中，該所使用之沃斯田鐵系TWIP鋼係具有多於10.5%鉻的不鏽鋼。
  11. 如請求項10之方法，其中，該所使用之沃斯田鐵系TWIP鋼係具有介於12與17%鉻之間的不鏽鋼。
  12. 如請求項1或2之方法，其中，該多級製程(4)之該等成型步驟係藉由深衝、加壓、塞罩(plunging)、鼓脹成型(bulging)、彎曲成型、旋壓成型(spinning)或拉伸成型進行。
  13. 如請求項1或2之方法，其中，該多級製程(4)之該等成型步驟係藉由流體機械深衝製程如片材液壓成型或內部高壓成型進行。
  14. 如請求項1或2之方法，其中，該等加熱步驟(3)之加熱溫度係在900與1050℃之間的溫度範圍內。
  15. 如請求項1或2之方法，其中，該多級製程(4)之該等加熱步驟(3)係藉由感應加熱、傳導加熱或紅外加熱進行。
  16. 如請求項1或2之方法，其中，將一成型製程(2)整合至該多級製程(4)中作為在一後續加熱步驟(3)之前的非最終步驟。
  17. 如請求項1或2之方法，其中，將於表面上的一鍛粗成型處理如珠擊、噴砂或高頻撞擊整合至該多級製程中，以產生該零件之同時為非磁性的耐刮及壓縮負載表面。
  18. 如請求項1或2之方法，其中，將具有介於500與650℃之間之加熱溫度的一氮化或滲碳表面熱處理整合至該多級製程(4)中，以產生該零件之耐刮且同時非磁性的表面。
  19. 如請求項18之方法，其中，將具有介於525與575℃之間之 加熱溫度的一氮化或滲碳表面熱處理整合至該多級製程(4)中，以產生該零件之耐刮且同時非磁性的表面。
  20. 一種由請求項1至19中任一項之方法所製造的多級複雜成型零件之用途，該多級複雜成型零件係作為廚房家電如廚房水槽或家用電器中之缸如洗碗機或洗衣機之滾筒。
  21. 一種由請求項1至19中任一項之方法所製造的多級複雜成型零件之用途，該多級複雜成型零件係作為汽車零件如駕駛室、保險桿系統、通道或作為底盤零件如懸吊臂。
  22. 一種由請求項1至19中任一項之方法所製造的多級複雜成型零件之用途，該多級複雜成型零件係作為用於運輸系統之安裝部件如門、襟翼、弗蘭德樑(flender beam)或荷重承載側翼、輸送系統的內部部件如座椅結構零件。
  23. 一種由請求項1至19中任一項之方法所製造的多級複雜成型零件之用途，該多級複雜成型零件係作為燃料噴射系統之部件如加油頸或作為汽車、卡車之槽罐或儲存器或作為壓力容器或鍋爐。
  24. 一種由請求項1至19中任一項之方法所製造的多級複雜成型零件之用途，該多級複雜成型零件係作為電池電力交通工具或油電混合車如電池盒。
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