本PCT專利申請(qǐng)要求2014年9月22日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)62/053,280的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部公開內(nèi)容被認(rèn)為是本申請(qǐng)的公開內(nèi)容的一部分，并且通過引用并入本文。

關(guān)于聯(lián)邦贊助研究的聲明

根據(jù)能源部頒布的第NFE-13-04839號(hào)為他人工作協(xié)議(Work for Others Agreement)，政府在本發(fā)明中具有權(quán)利。

背景技術(shù)：

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及由用于機(jī)動(dòng)車輛的鋼形成的結(jié)構(gòu)部件以及用于制造結(jié)構(gòu)部件的方法。

相關(guān)技術(shù)

經(jīng)常對(duì)用于機(jī)動(dòng)車輛的鋼結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行熱成形以及淬火以形成馬氏體顯微組織，這提供了高硬度和強(qiáng)度。然而，根據(jù)結(jié)構(gòu)部件的特定應(yīng)用，可能需要在結(jié)構(gòu)部件的某些區(qū)域中降低硬度或者增加延展性。例如，可以形成軟區(qū)以改進(jìn)部件在沖擊后的性能或者改進(jìn)部件的可焊性。這種局部軟區(qū)可以通過回火工藝形成。然而，已知的回火工藝需要大量的時(shí)間和熱能，因此仍然需要更有效的回火工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種制造結(jié)構(gòu)部件、例如用于機(jī)動(dòng)車輛的部件的具有改進(jìn)的回火工藝的方法。該方法包括提供由鋼材形成的工件；對(duì)工件進(jìn)行加熱，以及使工件成形；對(duì)經(jīng)成形的工件進(jìn)行淬火；以及對(duì)經(jīng)淬火的工件的至少一部分進(jìn)行回火。回火步驟包括向工件同時(shí)施加熱能和磁場(chǎng)。這種熱磁回火工藝比其它回火工藝更有效，因此降低了與制造結(jié)構(gòu)部件相關(guān)的成本。

本發(fā)明還提供了一種結(jié)構(gòu)部件，該結(jié)構(gòu)部件包括至少一個(gè)硬區(qū)和與所述至少一個(gè)硬區(qū)相鄰的至少一個(gè)軟區(qū)。所述至少一個(gè)硬區(qū)包括馬氏體，并且所述至少一個(gè)軟區(qū)包括鐵素體和滲碳體的混合物。

本發(fā)明還提供了一種通過包括以下步驟的過程形成的結(jié)構(gòu)部件：對(duì)工件進(jìn)行加熱，以及使工件成形；對(duì)經(jīng)成形的工件進(jìn)行淬火；以及對(duì)經(jīng)淬火工件的至少一部分進(jìn)行回火。回火步驟包括向工件同時(shí)施加熱能和磁場(chǎng)。

附圖說明

通過參照以下結(jié)合附圖考慮時(shí)的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)將易于領(lǐng)會(huì)并變得更容易理解，在附圖中：

圖1例示了機(jī)動(dòng)車輛的示例結(jié)構(gòu)部件，其包括通過熱磁回火工藝形成的至少一個(gè)軟區(qū)；

圖2例示了包括通過熱磁回火工藝形成的軟區(qū)的另一示例結(jié)構(gòu)部件；

圖3例示了Fe-0.2C合金的典型的經(jīng)回火的顯微組織；

圖4是列出了示例鋼回火工藝的階段的表格；

圖5是列出了在示例鋼回火工藝期間發(fā)生的反應(yīng)的表；

圖6A至圖6C例示了包括低碳馬氏體的顯微組織；

圖7A至圖7C例示了包括高碳片狀馬氏體的顯微組織；

圖8A至圖8B例示了具有球狀顆粒的鋼顯微組織；以及

圖9例示了將本發(fā)明的熱磁回火工藝與常規(guī)回火工藝進(jìn)行比較的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種制造結(jié)構(gòu)部件10的改進(jìn)的方法，該結(jié)構(gòu)部件10通常用于機(jī)動(dòng)車輛應(yīng)用，例如立柱、前頂梁(header)、頂梁(rail)、扭軸(twist axle)、彈簧連桿(spring link)、控制臂、保險(xiǎn)杠、梁、側(cè)板或任何其它類型的強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)的底盤部件、白車身部件或安全相關(guān)部件。然而，結(jié)構(gòu)部件10可以替代性地用于非汽車應(yīng)用中。結(jié)構(gòu)部件10經(jīng)過熱成形、淬火、以及隨后使用熱磁回火工藝回火以形成與硬區(qū)14相鄰的至少一個(gè)局部軟區(qū)12和任選的過渡區(qū)16。圖1例示了包括A柱、前頂梁和車頂梁(roof rail)的示例結(jié)構(gòu)部件10，A柱、前頂梁和車頂梁各自包括通過熱磁回火工藝形成的至少一個(gè)局部軟區(qū)12。圖2例示了包括通過熱磁回火工藝形成的至少一個(gè)局部軟區(qū)12的另一示例汽車頂梁。與不采用磁場(chǎng)的其它回火工藝相比，熱磁回火工藝能夠以更快的速率實(shí)現(xiàn)更大程度的局部軟化。

該方法首先提供由鋼材形成的至少一個(gè)工件、例如板或坯料。工件的鋼材可以包括任何類型的鋼，包括低碳鋼、中碳鋼、超高強(qiáng)度鋼(UHSS)、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)或高強(qiáng)度鋼(HSS)。雙相鋼材或不同材料的混合物也可以用于形成結(jié)構(gòu)部件10。根據(jù)待形成的結(jié)構(gòu)部件10的類型，工件應(yīng)當(dāng)具有適合的尺寸和厚度。

該方法接下來包括使工件熱成形以實(shí)現(xiàn)預(yù)定形狀，這取決于待形成的結(jié)構(gòu)部件10的類型?？梢允褂萌魏晤愋偷臒岢尚喂に噥硎构ぜㄐ?。在一個(gè)示例實(shí)施方案中，熱成形工藝首先包括在爐中將工件加熱到預(yù)定溫度。該預(yù)定溫度取決于工件的鋼材的類型、工件的幾何形狀、結(jié)構(gòu)部件10的期望的幾何形狀、以及可能的其他因素。工件通常被加熱到足夠高的以在鋼材中形成奧氏體的溫度，例如至少900℃。

一旦工件達(dá)到足以進(jìn)行熱成形的預(yù)定溫度，將經(jīng)加熱的工件快速轉(zhuǎn)移至熱成形設(shè)備，例如模具、壓機(jī)或沖壓裝置。熱成形設(shè)備通常包括具有上成形表面的上模具和具有下成形表面的下模具。經(jīng)加熱的工件布置在兩個(gè)成形表面之間。上模具和下模具的形狀根據(jù)待形成的結(jié)構(gòu)部件的期望的幾何形狀而變化。上模具和下模具通常由鋼形成，但也可以由其他材料形成。上模具和下模具通常還包括冷卻裝置、例如與成形表面間隔開的多個(gè)冷卻通道。

成形步驟通常在將經(jīng)加熱的工件布置在上模具與下模具之間并且同時(shí)工件仍處于至少900℃的溫度處或接近于在爐中實(shí)現(xiàn)的溫度不久之后或立即開始。在成形步驟期間，上模具和下模具被壓在一起以沖壓、壓制或以其它方式使工件形成所需的幾何形狀。在一個(gè)實(shí)施方式中，成形步驟包括使熱工件在上模具與下模具之間進(jìn)行沖壓，以實(shí)現(xiàn)期望的幾何形狀，具體地通過使熱工件與上模具和下模具接合并且使用上模具和下模具中的至少一者向熱工件施加壓力來沖壓。在示例實(shí)施方式中，工件在爐中加熱到至少900℃的溫度，使得在成形步驟期間在工件的鋼材中存在奧氏體。工件可以根據(jù)結(jié)構(gòu)部件的期望應(yīng)用而形成為各種不同的復(fù)雜的幾何形狀。

緊接成形步驟之后或在成形步驟期間，該方法包括優(yōu)選在熱成形設(shè)備中對(duì)工件進(jìn)行淬火。該步驟稱為工具淬火。在成形沖程的底部，當(dāng)上模具和下模具壓在一起時(shí)，水或另一冷卻流體可以流過模具的冷卻通道以對(duì)工件進(jìn)行淬火。淬火步驟引起鋼材中的相變，并增大鋼材的強(qiáng)度。在淬火步驟期間，鋼材達(dá)到足夠低的溫度，使得奧氏體顯微組織轉(zhuǎn)變成馬氏體顯微組織，這增大了鋼材的強(qiáng)度。

該方法接下來包括熱磁回火工藝以形成至少一個(gè)局部軟區(qū)12。如上所述，與不采用磁場(chǎng)的其他回火工藝相比，在回火工藝期間使用磁場(chǎng)加速回火動(dòng)力學(xué)并以更快的速率實(shí)現(xiàn)局部軟化。熱磁回火工藝包括首先確定經(jīng)熱成形的、經(jīng)工具淬火的工件的哪些區(qū)域應(yīng)當(dāng)包括至少一個(gè)局部軟區(qū)12。工件的其中形成軟區(qū)12的預(yù)定區(qū)域取決于結(jié)構(gòu)部件10的期望應(yīng)用。例如，軟區(qū)12中的一個(gè)軟區(qū)可以位于結(jié)構(gòu)部件10的遠(yuǎn)端處、或者位于過渡區(qū)域中。可以使用改進(jìn)的熱磁回火工藝形成任何數(shù)量的軟區(qū)12。替代性地，熱磁回火工藝可以應(yīng)用于整個(gè)工件，以在整個(gè)結(jié)構(gòu)部件10上提供軟區(qū)12。

一旦選擇了工件的預(yù)定區(qū)域，熱磁回火工藝首先將磁體布置成與預(yù)定區(qū)域相鄰，以將磁場(chǎng)施加至預(yù)定區(qū)域。該方法還包括將熱源布置成與預(yù)定區(qū)域相鄰，以在施加磁場(chǎng)的同時(shí)施加熱能?？梢允褂萌魏晤愋偷拇朋w和任何類型的熱源以同時(shí)施加磁場(chǎng)和熱能。然而，磁體和熱源的幾何形狀基于工件的幾何形狀來選擇，并且應(yīng)該能夠向預(yù)定區(qū)域提供局部磁場(chǎng)和熱能。在示例實(shí)施方案中，磁場(chǎng)由呈具有孔的平板形式的超導(dǎo)磁體來提供，并且工件的預(yù)定區(qū)域布置在孔中。替代性地，可以使用常規(guī)的電磁體。工件通常保持在包括磁體和熱源的固定裝置或回火位置中。

熱磁回火工藝接下來包括向預(yù)定區(qū)域施加磁場(chǎng)和熱能以形成至少一個(gè)局部軟區(qū)12。施加至預(yù)定區(qū)域的磁場(chǎng)和溫度的大小可以根據(jù)工件的幾何形狀以及待在至少一個(gè)軟區(qū)12中實(shí)現(xiàn)的期望的顯微組織而變化。通常，在熱磁回火工藝期間，熱源將預(yù)定區(qū)域加熱到300℃至500℃的溫度范圍，并且磁體施加1特斯拉至3特斯拉范圍的磁場(chǎng)。在一個(gè)示例實(shí)施方案中，熱源將預(yù)定區(qū)域加熱至大約450℃的溫度，并且磁體施加大約2特斯拉的磁場(chǎng)。熱磁回火工藝的持續(xù)時(shí)間可以根據(jù)工件的幾何形狀和待在至少一個(gè)軟區(qū)12中實(shí)現(xiàn)的期望的顯微組織而變化?？梢哉{(diào)節(jié)熱磁回火工藝的溫度、磁場(chǎng)和/或持續(xù)時(shí)間，使得預(yù)定區(qū)域的馬氏體顯微組織轉(zhuǎn)變成期望的顯微組織。至少一個(gè)軟區(qū)12的顯微組織更穩(wěn)定并且具有比在回火工藝之前存在的馬氏體顯微組織的硬度更小的硬度。

在示例實(shí)施方案中，工件包括低碳鋼、例如Fe-0.2C合金。該實(shí)施方案的熱磁回火工藝包括將工件布置在超導(dǎo)磁體的孔中，并且將工件的預(yù)定區(qū)域加熱到450℃的溫度，同時(shí)施加2特斯拉的磁場(chǎng)25分鐘以形成軟區(qū)12。在熱磁回火工藝期間，經(jīng)熱成形的、經(jīng)工具淬火的工件的馬氏體從bct馬氏體顯微組織轉(zhuǎn)變成bcc鐵(被稱為鐵素體)和碳化物(Fe₃C)析出物的混合物。已知由于析出物與鐵素體基體之間的界面能降低，鐵素體和碳化物隨著時(shí)間和溫度的增加而粗化。參見George F.Vander Voort，ASM手冊(cè)：卷9：Metallography And Microstructures，ASM International,2004,ISBN-13:978-0871707062,ISBN-10:0871707063的參考文獻(xiàn)18，下文稱為“ASM手冊(cè)”。在該實(shí)施方案的經(jīng)回火的顯微組織中不存在珠光體。優(yōu)選地，通過熱磁回火工藝實(shí)現(xiàn)的硬度為200VHN，或約670MPa UTS。

Fe-0.2C合金典型的經(jīng)回火的顯微組織在圖3中示出，其從ASM手冊(cè)的參考文獻(xiàn)18獲得。圖4從ASM手冊(cè)的參考文獻(xiàn)3中獲得并且例示了示例鋼回火工藝的階段。在示例工藝中，形成過渡碳化物(ε或η)以及基體馬氏體的碳含量降低至約0.25％碳發(fā)生在100℃至250℃的溫度范圍內(nèi)。在200℃至300℃的溫度范圍，該工藝包括殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體和滲碳體。在250℃至350℃的溫度范圍，該工藝包括滲碳體和鐵素體替代過渡碳化物和低碳馬氏體。

圖5從ASM手冊(cè)的參考文獻(xiàn)5中獲得并且例示了示例鋼回火工藝中的在-40℃至550℃的溫度范圍發(fā)生的反應(yīng)。注意的是，時(shí)間和溫度二者是用以在回火工藝期間實(shí)現(xiàn)期望的顯微組織、強(qiáng)度和延展性的重要變量，以下回火參數(shù)通常用于描述時(shí)間與溫度之間的相互作用：T(20+logt)×10^-3，其中，T是以開爾文為單位的溫度，t是以小時(shí)為單位的時(shí)間，參見ASM手冊(cè)的參考文獻(xiàn)3。

隨回火發(fā)生的軟化的量可以通過向工件的鋼材中添加合金元素來改變。軟化通常通過滲碳體的受控?cái)U(kuò)散粗化來發(fā)生，并且強(qiáng)的碳化物形成物(例如鉻、鉬和釩)可以降低粗化速率。此外，在較高的回火溫度下，合金元素本身可以形成碳化物，導(dǎo)致總體硬度的增加。參見ASM手冊(cè)的參考文獻(xiàn)3。

此外，回火馬氏體的不同形態(tài)可以根據(jù)原始馬氏體的顯微組織來形成。如圖6A至圖6C中所示，已經(jīng)觀察到，低碳馬氏體中的對(duì)準(zhǔn)的板條狀的群可以轉(zhuǎn)變成大的針狀晶粒，其從ASM手冊(cè)的參考文獻(xiàn)18獲得。如圖7A至圖7C中所示，在更高碳片狀馬氏體中，大的馬氏體片可以在回火時(shí)轉(zhuǎn)變成等軸晶粒?；鼗饏?shù)還應(yīng)選擇成避免球化，其中Fe₃C聚結(jié)形成類球體顆粒，如圖8A至圖8B中所示。圖7A至圖7C和圖8A至圖8B也從ASM手冊(cè)的參考文獻(xiàn)18中獲得。

盡管熱磁回火工藝通常產(chǎn)生包括鐵素體和碳化物的混合物的軟區(qū)12，其中，碳化物是滲碳體(Fe₃C)，但熱磁回火工藝的溫度、磁場(chǎng)和/或持續(xù)時(shí)間可以調(diào)節(jié)成形成其它顯微組織和硬度水平。例如，馬氏體轉(zhuǎn)變成使得至少一個(gè)軟區(qū)12的顯微組織可以包括鐵素體和珠光體的混合物。此外，如果形成多個(gè)軟區(qū)12，可以在每個(gè)軟區(qū)12中形成不同的顯微組織和硬度水平。通過熱磁回火工藝形成的軟區(qū)12的顯微組織可以根據(jù)結(jié)構(gòu)部件10的應(yīng)用而變化。

在熱磁回火工藝期間，保護(hù)工件的其中不需要軟區(qū)12的選擇區(qū)域免受熱能和磁場(chǎng)以保持馬氏體顯微組織。換句話說，保護(hù)工件的某些部分以防止在熱成形和淬火步驟結(jié)束時(shí)存在的馬氏體顯微組織轉(zhuǎn)變成更軟的顯微組織。可以使用任何已知的方法來掩蔽或以其它方式保護(hù)這些選擇區(qū)域不受磁場(chǎng)和熱能的影響。存在于完成結(jié)構(gòu)部件10中的選擇區(qū)域被稱為硬區(qū)14，并且它們的位置根據(jù)結(jié)構(gòu)部件10的期望應(yīng)用而變化。

除了通過將磁場(chǎng)和熱能施加到工件的預(yù)定區(qū)域形成軟區(qū)12并且通過掩蔽工件的選擇區(qū)域來保持硬區(qū)14之外，該方法還可以包括通過至少部分地保護(hù)工件的某些區(qū)域或者對(duì)工件的某些區(qū)域進(jìn)行回火來形成至少一個(gè)過渡區(qū)16。工件的其中期望過渡區(qū)16的區(qū)域可以部分地掩蔽或部分地回火，使得它們僅暴露于磁場(chǎng)和/或熱能的一部分。例如，回火步驟可以包括掩蔽工件的第一部分，以保持硬區(qū)14，將熱能和磁場(chǎng)各自以第一水平同時(shí)施加至工件的第二部分，以形成軟區(qū)12，以及將熱能和磁場(chǎng)以低于第一水平的第二水平同時(shí)施加至工件的第三部分，以在硬區(qū)14與軟區(qū)12之間形成過渡區(qū)16。

過渡區(qū)16的位置根據(jù)結(jié)構(gòu)部件10的期望應(yīng)用而變化。然而，每個(gè)過渡區(qū)16通常布置在硬區(qū)14中的一個(gè)硬區(qū)和軟區(qū)12中的一個(gè)軟區(qū)之間。圖2示出了包括過渡區(qū)16的示例結(jié)構(gòu)部件。

過渡區(qū)16的顯微組織具有相鄰硬區(qū)14的硬度與相鄰軟區(qū)12的硬度之間的硬度。例如，過渡區(qū)16可以包括馬氏體、鐵素體、珠光體、滲碳體和貝氏體中的至少一者。通常，過渡區(qū)16包括不同顯微組織的混合物，例如鐵素體和珠光體的混合物。

除了熱磁回火工藝外，該方法還可以任選地包括常規(guī)的回火工藝。例如，可以形成第二經(jīng)回火區(qū)，其中，第二經(jīng)回火區(qū)具有與軟區(qū)12、硬區(qū)14和過渡區(qū)16的顯微組織和硬度不同的顯微組織和硬度。

由該方法形成的經(jīng)熱成形、經(jīng)淬火且經(jīng)回火的結(jié)構(gòu)部件10可以任選地被精加工或以其它方式進(jìn)一步制備用于期望的應(yīng)用。例如，在熱磁回火步驟之后，該方法可以包括對(duì)結(jié)構(gòu)部件10進(jìn)行修整、穿孔或焊接。

如上所述，由本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)部件10包括通過熱磁回火工藝形成的至少一個(gè)軟區(qū)12，其布置成與至少一個(gè)硬區(qū)14相鄰。軟區(qū)12具有不同于硬區(qū)14的顯微組織、具有小于硬區(qū)14的硬度的硬度、并且比硬區(qū)14更穩(wěn)定。軟區(qū)12的顯微組織通常包括鐵素體和碳化物的混合物，其中，碳化物是滲碳體(Fe₃C)。然而，具有其它顯微組織的軟區(qū)12可以通過熱磁回火工藝形成。結(jié)構(gòu)部件10還可以包括過渡區(qū)16和/或第二經(jīng)回火區(qū)。

具有通過熱磁回火工藝形成的軟區(qū)12的示例結(jié)構(gòu)部件10在圖1和圖2中示出。圖1例示了機(jī)動(dòng)車輛的示例A柱，前頂梁和頂梁。A柱包括沿著窗戶區(qū)域定位并且通過硬區(qū)14彼此間隔開的兩個(gè)軟區(qū)12。硬區(qū)14還沿著車輛的車頂延伸。圖1的車頂梁和前頂梁各自包括一個(gè)軟區(qū)12。前頂梁的軟區(qū)12被過渡區(qū)16包圍，并且車頂梁的軟區(qū)12被硬區(qū)14包圍。在其他情況下，結(jié)構(gòu)部件10可以包括用于焊接至另一部件的凸緣，其中，軟區(qū)12沿著凸緣形成以改進(jìn)凸緣相對(duì)于另一部件的可焊性。在圖2的示例頂梁中，軟區(qū)12形成在頂梁的遠(yuǎn)端處，硬區(qū)14從相反的端部朝向軟區(qū)12延伸，以及過渡區(qū)16位于軟區(qū)12與硬區(qū)14之間。軟區(qū)12通常包括鐵素體和碳化物的混合物，其中，碳化物是滲碳體(Fe₃C)，但替代性地，軟區(qū)12可以包括硬度小于硬區(qū)14的硬度的其它顯微組織。例如，在圖2的示例頂梁中，軟區(qū)12可以包括鐵素體和珠光體的混合物。

實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以將本發(fā)明的熱磁回火工藝與常規(guī)回火工藝進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)首先包括在任何回火之前測(cè)量從成形壓機(jī)獲得的第一組經(jīng)熱成形、經(jīng)工具淬火的鋼樣品的洛氏硬度(R_c)。實(shí)驗(yàn)接下來包括在不施加磁場(chǎng)的情況下進(jìn)行回火之后測(cè)量第二組樣品的洛氏硬度(R_c)，所述第二組樣品以與第一組樣品相同的方式經(jīng)熱成形并經(jīng)工具淬火?；鼗鸸に嚨臏囟确秶鸀?00℃至450℃，并且回火時(shí)間為5分鐘或25分鐘。該實(shí)驗(yàn)還包括在施加了2特斯拉的磁場(chǎng)的情況下進(jìn)行回火之后測(cè)量第三組樣品的洛氏硬度(R_c)，所述第三組樣品同樣以與前兩組相同的方式經(jīng)熱成形并經(jīng)工具淬火。通過將每個(gè)樣品放置在超導(dǎo)磁體的孔內(nèi)來施加磁場(chǎng)。除了磁場(chǎng)之外，相同的回火工藝參數(shù)被應(yīng)用于第二組樣品和第三組樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在圖9中示出并且表明在回火工藝期間經(jīng)受磁場(chǎng)的樣品的硬度比未暴露于磁場(chǎng)的樣品的硬度經(jīng)歷更大的降低。因此，實(shí)驗(yàn)表明，熱磁回火工藝提供了在結(jié)構(gòu)部件10中形成軟區(qū)12的更有效的方法。

顯然，根據(jù)上述教導(dǎo)，本發(fā)明的許多修改和變化是可能的，并且可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)以不同于具體描述的方式來實(shí)施。