TWI791637B - 製造冷軋構件的方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種藉由冷變形局部硬化一鋼板之方法，其中利用一多步驟軋製及退火製程藉由一冷變形完成對一鋼之局部硬化，且為了具有一均勻厚度之一鋼板，使用在材料之縱向方向上具有機械及/或物理特性之不同值的至少兩個區域的鋼板。
Description
本發明係關於一種藉由利用一多步驟軋製及退火製程使鋼冷變形以便具有一厚度均勻之鋼板的方法，該鋼板具有在帶或線圈之縱向方向上具有機械及/或物理特性之不同值的至少兩個區域。
尤其在例如汽車車體、鐵路或商業車輛之運輸系統製造中，而且在其他機械工程應用中，工程師使用配置以在正確位置中具有正確材料以履行組件以及已裝配產品之局部變化的要求。在此類狀況下，例如輕量及安全(車體)或耐熱性加耐腐蝕性及成本效率(排氣系統)的可能矛盾的要求對於工程師提出挑戰。所建立的解決方案係在一個已裝配產品中使用不同材料之所謂「多材料設計」，可自其導出所謂「定製產品」。定製產品係至少兩種不同材料等級及/或材料厚度之組合的金屬產品。定製產品可取決於其產品形式(線圈、帶、薄片、坯料、管)或所使用製造/裝配製程而分類，例如定製焊接產品、定製補綴產品、定製接合產品或定製軋製產品。
目前先進技術的定製軋製產品的特徵在於沿著其長度的材料厚度係不同的，且該等產品可經切割以產生單個初始坯料。撓性軋製坯料應用於汽車部件之碰撞相關組件中，例如柱、橫向和縱向構件。另外，鐵路車輛在側壁、頂部或連接部件中使用撓性軋製坯料，且公交車和卡車亦應用撓性軋製坯
料。但在先前技術中，撓性軋製坯料的「正確材料」僅意謂在正確位置中具有正確厚度，因為在撓性軋製製造製程期間機械特性將在整個產品上保持相同。
因此，組件在負載應用之狀況下抵抗極限負載F之工程構造方式係僅調整厚度。此外，作為厚度之產物的極限負載F的比率、拉伸強度Rm及撓性軋製區域與未軋製區域之間的材料寬度必須恆定。因此，不可能產生具有不同強度和延性的區域用於後續成型製程。通常，後續再結晶退火製程及鍍鋅步驟在撓性軋製或軋製製程之後。
DE專利申請案10041280大體而言係撓性軋製坯料之初始專利。其描述用以製造具有不同厚度之金屬帶的製造方法及設備。達到此目的之方式係使用上軋輥及下軋輥且改變輥縫。然而，此DE專利申請案10041280不描述關於厚度對強度及伸長率之影響且關於強度、伸長率及厚度之間的相關性之任何內容。此外，未描述此關係所需之材料，因為未描述奧氏體材料。WO專利申請案2015107393A1亦描述一種用於製造沿著長度具有可變厚度之帶的方法。
US公開案2006033347描述用於在大量汽車解決方案中使用之撓性軋製坯料以及使用具有不同厚度之薄片材料的方式。此外，US公開案2006033347描述對於不同組件有意義之必需薄片厚度曲線。但是，並未描述強度及伸長率之影響、強度、伸長率及厚度之間的相關性以及此關係所需之材料。
WO公開案2014/202587描述用以生產具有厚度可變帶之汽車部件的製造方法。WO公開案2014/202587係關於擠壓可硬化的麻田散鋼低合金鋼(例如22MnB5)用於熱成型解決方案之用途。但是，亦未描述機械技術值與厚度之間的關係以及具有所描述特定微結構特性之奧氏體材料。
EP 16191364.5申請案首先描述一種使奧氏體鋼冷變形的改良型方法，其中在變形期間利用奧氏體之雙晶誘導塑性(Twinning Induced
Plasticity，TWIP)、TWIP/TRIP或相變誘導塑性(Transformation Induced Plasticity，TRIP)硬化效應以在奧氏體鋼產品中達成具有機械及/或物理特性之不同值以及厚度差異的區域。在此處，一個缺點係此類局部不同之值取決於厚度。對於組件製造製程，例如成型、衝壓、焊接或釺焊，均勻厚度將允許更容易地進行處理，同時可重複性及可再現性更佳，以及故障率更低。
EP專利申請案2090668係關於用於產生高強度鋼產品之製程，其中產品自熱軋及/或冷軋及退火之TWIP鋼產生且具有屈服強度與拉伸強度之初始比率Ri，且其中TWIP鋼之一部分隨後經受冷減縮，該冷減縮經選擇使得在該部分中獲得屈服強度與拉伸強度之所要比率Rd。本發明亦關於用於產生定製軋製坯料的製程及此類坯料。
WO公開案2009/095264係關於用於製造TWIP鋼帶之方法，其中利用一或多個絞線在連續鑄造機器中鑄造熔化鋼以形成厚度為至少30mm且至多120mm且在利用鑄造熱量時經由鍋爐設備傳送之厚塊，且在包含一或多個軋製支架之熱軋研磨機中經熱軋成具有所要最終厚度(hf)之鋼帶，i.在無限軋製製程中，其中a.在連續鑄造機器中、在鍋爐設備及熱軋機及任選加壓冷卻區域中在鋼之間存在材料連接，或b.其中複數個絞線的厚塊連接以便形成連續厚塊，藉此在鍋爐設備及熱軋機及任選加壓冷卻區域中達成鋼該材料連接；或ii.在半無限軋製製程中，其中在鍋爐設備及熱軋機及任選加壓冷卻區域中在鋼之間存在材料連接，且其中在無限或無限軋製之後及在任選加壓冷卻之後該帶被切割成具有隨後捲曲之所要長度的部分。
WO公開案2015107393係關於用於製造沿著其長度具有可變厚度之帶的方法，其中該方法包含以下步驟：沿著其長度均勻地冷軋初始帶以獲得在軋製方向上具有恆定厚度之中間帶；沿著其長度撓性地冷軋中間帶以獲得沿著其長度具有可變厚度之帶、具有第一厚度(e+s)之第一區域及具有小於第
一厚度(e+s)之第二厚度(e)的第二區域；對該帶進行製程退火。在任選製程退火之後，由第一區域中之均勻冷軋及撓性冷軋之步驟產生的塑性變形率大於或等於30%。
本發明之目標係消除先前技術之缺點，及達成一種藉由利用多步驟軋製及退火製程使鋼冷變形以便具有均勻地厚度恆定之鋼板的改良型方法，該鋼板具有在帶或線圈之縱向方向上具有不同值及/或物理特性的至少兩個區域。關於本發明之多步驟製程大體上意謂其由三個步驟組成：第一步驟係撓性軋製，第二步驟係退火且第三步驟係與第一步驟次序相反之最終撓性軋製，因此第三步驟以與步驟1相反之次序執行且最終製程步驟係帶之退火。在隨附申請專利範圍中列入本發明之基本特徵。
在根據本發明之方法中，將在縱向方向上具有均勻厚度之由鋼製成的熱或冷變形帶、薄片、板或線圈用作起始材料。起始材料之另一(冷)變形中的厚度減小與材料之機械特性(諸如屈服強度、拉伸強度及伸長率)的特定平衡局部改變相組合。將第一製程步驟之(冷)變形執行為撓性冷軋或偏心冷軋。材料之厚度沿著一個方向，尤其在材料之縱向延伸的方向上可變，縱向延伸方向對應於鋼之(冷)成型/軋製的方向。部分/局部(冷)變形區域具有所要最終厚度，且在變形產品之該部分處展示強度之增大以及同時發生的伸長率減小。在第二製程步驟中，局部變形之金屬將退火，結果在產品之縱向方向上具有不同厚度但在各處具有均勻材料特性。通用程序在此處或多或少自目前先進技術製程已知。現在，作為最後製程步驟且使用本發明之方法，將第三步驟執行為撓性冷軋或偏心冷軋，但以與第一步驟相反之次序執行，以使得先前較厚之區域現在(冷)變形至已經很薄之變形區域的厚度位準。結果，最終
(冷)變形產品在各處展示均勻厚度，但在帶之縱向方向上具有機械特性之部分/局部不同值。在退火步驟之前(冷)變形之區域處於退火條件下，其特徵在於強度更低及延性更高。相反地，在最後製程步驟中(冷)變形的區域的特徵在於強度增大以及延性更低。所描述區域之間的過渡區之特徵在於其機械、技術及物理特性之均勻過渡。
邊緣陡度必須反轉，但在本發明之第一製程步驟及最後製程步驟之間係恆定的以確保均勻厚度。因此，在調整邊緣陡度之情況下，可以瞭解製造且適合於目的之方式影響且針對最終組件調整過渡區之長度。
最大厚度減小△h係由流動曲線定義之取決於材料的值。流動曲線之一個主要值係以N/mm2計之流動應力Kf。成型度φ大體上將由於成型製程造成的一部分之永久幾何改變定義為成型改變值。表1展示不同等級之典型的技術上可能之成型度。
在本發明之方法中，藉由冷軋使材料冷變形以便在材料中達成至少兩個區域，該等區域在冷變形材料之縱向及/或橫向方向上具有初始(意謂最後步驟之前)厚度、屈服強度RP0,2[MPa]、拉伸強度Rm[MPa]及伸長率A80[%]之間的不同特定關係。最大成型度應小於或等於Φ<70%。為了在最後製程步驟之後在所有區域中實現恆定厚度，第一製程步驟與反向第三製程步驟的成型度必須相同。在理論上，有可能在在最後總計亦具有相同成型度之不同中間製程步驟中***具有第一製程步驟以及第三製程步驟之方法，而不改變三個主要製程步驟之次序。相對於經濟效率，在三個所描述主要步驟中執行本發明之
方法其較佳的。
可定義區域1 A1，其幾乎經軋製直至最終厚度，接著經退火且幾乎不會在最後步驟期間以較低強度及高延性變形。另外，可定義區域2 A2，其幾乎不在第一步驟期間受冷軋影響，接著經退火且在最終步驟中經冷變形，從而展示高強度與較低延性。區域可定義為：Ai=Li*w*t (1)
其中L係區域之平台長度[mm]，w係恆定產品寬度[mm]且t係最終均勻厚度。
區域經由此等區域之間的縱向及/或橫向過渡區域有利地彼此接觸。在過渡區域前後之具有不同機械值之連續區域中，利用下式確定經退火材料之極限負載F1及在最終步驟中變形之材料的極限負載F2：F1=Rm1*w*t (2)
及F2=Rm2*w*t (3)
相比於本發明，目前先進技術製程之計算規則係：F1=Rm*w*t1 (4)
及F2=Rm*w*t2 (5)
其中拉伸強度係恆定的且厚度係可變的。
將材料寬度維持為恆定因數，作為厚度t1與t2之間的百分比的極限負荷比△F則係：△F=(F2/F1) (6)
且相應地，作為負載F1與F2之間的百分比的厚度比△t係：△t=(t2/t1) (7)
對於本發明，△t=1.0始終有效。
△F與△t之間的比率r則係：r=△F/△t=Rm2/Rm1 (8)。
另外，利用下式以百分比確定比率r與成型度Φ之間的比率rΦ：rΦ=(r/Φ)*100 (9)。
根據本發明，比率r在1.0>r>2.0，較佳地1.20>r>1.75之範圍內，且極限負荷比△F>1.0，優選地<1.2。此外，成型度Φ在5
Φ
60，較佳地10
Φ
40之範圍內，且比率rΦ>4.0。
對於利用退火材料之目前先進技術製程，由於退火條件，考慮到寬度在整個線圈上恆定且拉伸強度亦恆定，厚度係唯一影響性變數。對於本發明之材料，藉由先前提及之其取決於特定材料之特性且基於其特定摻合概念及微結構來設計每區域最大可忍受負載。
由於不同工作硬化位準(此處位準受取決於材料之厚度減小及最終值影響，其針對各應用定製)，拉伸強度Rm現係根據本發明之主要影響性變數，且式(2)及(3)可變換成式(8)。式(6)以不同厚度區域之力比(force ratio)及式(8)之比率r展示其可與厚度t與拉伸強度Rm之間的關係相關。對於本發明，在多步驟製程之不同步驟期間用作t2與t1之間的比率的厚度比△t每次在整個製程結束時具有因數1.0。式(7)之值在最後製程步驟之後係△t=1.0且始終有效。在結束多步驟製程之後，本發明之材料在各位置處具有幾乎恆定之厚度，該厚度具有根據標準DIN_EN_ISO_9445-2之容限的雙幅值，更佳地根據該標準之值。作為實例，具有1250mm之生產寬度之1.5mm材料的厚度容限接著係±0,120mm，更佳地±0,060mm。此對於關於不同區域之厚度具有顯著差異的所有目前先進技術撓性軋製製程係一重要差異。藉由式(9)給出描述利用本發明製造之材料的另一方式，其中指出來自式(8)之材料特定
成型度Φ與比率r之間的關係。成型度係大體上描述成型製程期間組件之持續幾何改變的變形參數。因此，式(9)之關係可用作必須進行多少工作量以到達另一強度益處之指示。對於本發明，r9應>4.0，否則獲得負載之較佳硬化值的工作量變得不經濟。
根據本發明之冷變形變形可進一步開裂成薄片、板、縫隙帶或直接作為線圈或帶遞送。此等半成品可進一步經處理為管，或取決於使用目標而經處理為另一所需形狀。
本發明之優點結合所使用鋼係高強度之區域和高延性之區域結合均勻厚度。因此，本發明給予組件製造商可製定成型、衝壓、焊接或釺焊製程而不由於厚度改變而必要地在製程中調整處理參數的益處。結果，操作人員之處理更容易與更高可重複性和可再現性以及組件製造之更低故障率一致。
作為一個實例，由於***至工具中之薄片的重新定位而發生的故障無法發生，其中焊縫(用於焊接定製產品)或薄片厚度局部地非所要。因此，本發明藉由以冷軋程組合均勻厚度與薄片、板或線圈之機械特性之特定且平衡的局部改變來受限於先前技術之其他撓性軋製坯料產品。能量密集且成本較高熱處理，例如具有以下局部退火和更低輸出之擠壓硬化因此係不必要的。
在本發明之情況下，有可能以更多延性區域局部地可用之方式達成撓性軋製或偏心軋製之材料，其中材料可薄化且同時材料可由於其成型可能性而(進一步)硬化。另一方面，存在用於組件區域之高強度，例如深拉組件之接地，其中通常在深拉製程期間由過低之變形度於而無法實現硬化效應。
較佳地與本發明相關地適用之鋼係：˙大體而言，不鏽鋼，˙具有結合TWIP、TRIP/TWIP或TRIP硬化效應組合之奧氏體微結構的鋼。
藉由使用不鏽鋼，另一表面塗層係不必要的。倘若材料用於車輛之組件，則車體之標準陰向電泳噴塗係足夠的。針對成本、生產複雜度及腐蝕保護，此尤其對於濕式腐蝕部件係益處。結合本發明，存在關於噴塗之另一優點：處理更容易且品質由於均勻厚度而較佳。藉由不鏽鋼，進一步有可能在撓性冷軋程或偏心冷軋程之後避免後續鍍鋅製程，同時具有針對噴塗指出之相同益處。參考不鏽鋼之眾所周知的特性，最終冷軋材料關於非縮放、熱、腐蝕性及耐酸性具有增大之特性。因此，本發明之冷軋材料可用於高溫解決方案，例如排氣系統中，而且可用於電池驅動之車輛的組件，例如電池外殼。完全奧氏體TWIP硬化(不鏽)鋼之額外益處鋼例如成型或焊接之條件下的非磁性質。因此，此等鋼作為本發明之撓性軋製材料適合於電池電動車組件，例如電引擎中之應用。
利用本發明製造之材料尤其適合於碰撞相關部件，其局部地需要高延性變形且吸收能量且在其他處需要高強度以耐受衝擊。此類實例係碰撞框、B柱或彈簧，彈簧針對不同片段由不同彈簧變率D定義。彈簧應變率通常定義為：D=(E*A)/L0 (10)
藉此E通常係取決於材料之楊氏模量[N/mm2]，L0[mm]係彈簧或實際上彈簧類組件之初始長度，且A係橫截面面積[mm]。
本發明之材料如複合式彈簧工作，其補償彈簧應變率可定義為一系列連接：D=Σ 1/Di=1/D1+1/D2+1/D3+...+1/Dn (11)
各撓性軋製區域產生一個自有彈簧應變率Di。
楊氏模量對於本發明之撓性軋製材料的各區域幾乎恆定，但冷硬化更高強度區域能夠耐在塑性變形跟隨或實際上到達局部屈服強度之前受更
高負載。
根據本發明之待製造組件：˙係汽車組件，諸如安全氣囊襯套、汽車車體組件，例如底盤部件、副車架、柱、橫向或縱向構件、通道、搖臂導軌，˙係商業車輛組件，具有半成品薄片、管或輪廓，˙係具有>2000mm之連續長度的鐵路車輛組件，例如側壁、底部或頂部，˙係自帶或縫隙帶製成之管，˙係汽車附加部件，例如碰撞相關門側面防撞樑，˙係用於電動車輛之具有非磁性質之組件，˙係抗磨損及/或腐蝕組件，例如切割刀，共用或結構組件，例如農業應用之伸展臂，˙係用於汽車、卡車或公交車之底盤組件，˙用作具有分段式區域之彈簧，其意謂局部不同之彈簧應變率，˙係用於運輸應用之軋製成型或液壓成型組件。
利用本發明之該製造的較佳組件可係支撐電池電動車輛(battery electric vehicle，BEV)之電池隔室的橫向構件，藉此更高強度區域覆蓋電池隔室自身。更低強度區域側向突出，以在衝擊至電池電動車中期間成為在結構上提供的變形區域且因此吸收衝擊能。藉此，更高強度區域並非可變形區域。
本發明之另一較佳實施例係在車輛橫向上將此材料用作完整封閉環。在目前先進技術中，典型的小客車設計成在每一側處具有兩個b柱，該等b柱補充有頂部及車輛底部中之橫向構件且已裝配到彼此或其他包圍組件。利用本發明之材料，有可能產生同時具有連續厚度之不同強度區域。結果，可
使用一個大環，藉此整合b柱及頂部及底部之橫向構件兩者。裝配縮減成用以閉合環的一個接合操作。此產生車輛生產之更低成本，從而節約接合操作、所需投資及生產時間。自材料生產之視角，各種彼等橫向環可跨越寬度並聯配置，以具有最優材料容量及低廢料體積，其亦產生更高的成本效率。橫向環可在軋製方向上重複配置，此意謂在線圈或帶長度中已在整個線圈或帶上重現相同軋製及切割次序。
ti:初始厚度
tf:最終厚度
參考以下圖式更詳細地描述本發明，其中：圖1展示第一製程步驟，其中部分/局部冷變形的區域具有所要最終厚度且展示在變形產品的該部分處的伸長率減小時同時提高的強度，圖2展示以與第一步驟相反的次序執行以使得先前較厚之區域冷變形至已經很薄之變形區域的厚度位準的最終製程步驟之後的材料，圖3展示利用本發明之方法產生之材料的一個較佳應用實施例，圖4展示利用本發明之方法產生之材料的另一較佳應用實施例，圖5展示利用本發明之方法產生之材料的另一較佳用途。
在圖1中呈現目前先進技術，其中具有更高厚度(ti=初始厚度)之區域2藉由在所有材料區域中具有恆定機械技術值來用於更高負載區域。區域1表示在冷軋之後具有最終厚度tf之減薄區域。圖1亦表示本發明之步驟1。
在圖2中呈現本發明，其中具有冷硬化及因此更高強度位準之區域2藉由在所有材料區域中具有恆定厚度tf(處理後之最終厚度)用於更高負載
區域。
圖3表示汽車b柱。在係乘客之頸部頭部區域的上區域中，需要較高初始強度位準以產生優選地非可變形組件區域及因此保護乘客。對於b柱之下區域，需要顯著地更具延性之材料以在組件製造期間允許部件之複雜成型。同時，在成型之後較佳地高剩餘延性係必需的以在碰撞期間吸收能量且以此方式保護乘客。
圖4表示汽車儀錶板支撐樑。利用本發明方法產生之材料經進一步處理成縱向焊接管，該管具有在其縱向方向上具有機械及/或物理特性之不同值的至少兩個區域。接著，後接液壓成型製程以成型出最終組件幾何佈置。不具有或僅具有低成型度之區域可利用本發明方法設計成具有更高初始強度。在另一側上，利用本發明方法，複雜成型區域設定尺寸成具有更多延性。使用完全奧氏體TWIP鋼，複雜成型區域將在組件製造期間硬化，且下或非成型區域由於本發明方法而具有初始高的強度。
圖5表示利用本發明方法產生之線圈或帶的切割圖案。藉此，橫向環整合兩個b柱之正式單個部件、頂部橫向構件及底部橫向構件。藉此，各種橫向環可跨越寬度並行配置以具有最佳材料容量及低廢物體積。圖5及因此橫向環可在軋製方向上重複配置，此意謂在線圈或帶長度中已重現相同軋製及切割次序。在圖5中，強度更高但延性更低之材料區域以通常需要且在圖5中針對b柱樹及頂部橫向構件例示性地標註之「HS/LD」標識。在此等區域中，具有非可變形區域之防撞物係必需的。在另一側上，強度更低但延性更高之材料區域以通常需要且在圖5中針對b柱足部、至頂部之b柱連桿及底部橫向構件例示性地標註之「LS/HD」標識。b柱之足部具有吸收碰撞能量之任務，而至頂部之b柱連桿需要高延性以連接該等區域與頂部縱向結構。此外，底部橫向構件將複雜成型以提高組件剛度且因此在此處需要高延性。高強度材料區域與更低強
度材料區域之間的過渡區域在圖5中以「T」表徵。
以不鏽鋼1.4301(TRIP-硬化奧氏體、CrNi合金化)、1.4462(鐵磁體-奧氏體雙相結構、CrNiMo合金化)及1.4678(TWIP硬化完全奧氏體、CrMn合金化)測試根據本發明之方法。結果展示於表2中。
ti:初始厚度
tf:最終厚度
Claims (6)
- 一種用於電池外殼的冷軋構件的製造方法，該冷軋構件在至少兩個連續區域中具有不同的機械值並且具有極限負荷比△F和厚度比△t之間的比率(r)，其中，更高強度之區域用作非可變形區域，且相反地，材料之更高延性區域用於自電池隔室側向突出的在結構上提供的變形區域，這些變形區域通過改變TWIP硬化鋼起始材料的機械和/或物理特性而從電池外殼側面突出，該TWIP硬化鋼起始材料由鋼製成的熱變形帶、冷變形帶、薄板、板材和卷材構成的群組中選出，該起始材料在縱向上具有均勻的初始厚度，該方法包括以下步驟：(a)在冷變形步驟中減小一個或多個第一區域在縱向方向上的厚度以提供一個或多個區域在縱向方向上的最終厚度小於在縱向方向上的初始厚度，並且提供一個或多個在縱向上具有初始厚度的第二區域，使得該一個或多個第一區域在部分變形的鋼材中具有增加的強度同時降低伸長率，(b)對部分變形鋼材進行退火，以提供在縱向上具有多於一個厚度和均質材料特性的部分變形鋼材，以及(c)將一個或多個第二區域在縱向上的厚度減小到一個或多個第一區域的最終厚度，以提供在縱向上具有均勻厚度的變形鋼材，從而該第二區域的厚度減小提供了具有在變形鋼材的縱向方向上具有不同材料特性的第一區域和第二區域的變形鋼材，並且成型度(Φ)5Φ
60%，所述成型度(Φ)在每個厚度減小步驟中是相同的。
- 如請求項1所述之方法，其中減小厚度藉由冷變形步驟執行。
- 如請求項1所述之方法，其中減小厚度藉由撓性冷軋執行。
- 如請求項1所述之方法，其中減小厚度藉由偏心冷軋執行。
- 如請求項1至4中任一項所述之方法，其中，每一個厚度減小步 驟具有相同的成形度(Φ)，且具有第二區域的拉伸強度與第一區域的拉伸強度之間的比率(r)。
- 如請求項1至4中任一項所述之方法，其中，成型度(Φ)高達40%，且比率(r)在1.2>r>1.75之範圍內。
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