包括产生局部软区的热磁回火工艺的用于制造结构部件的方法与流程

本PCT专利申请要求2014年9月22日提交的美国临时专利申请序列号62/053,280的权益和优先权，该申请的全部公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分，并且通过引用并入本文。

关于联邦赞助研究的声明

根据能源部颁布的第NFE-13-04839号为他人工作协议(Work for Others Agreement)，政府在本发明中具有权利。

背景技术：

技术领域

本发明总体上涉及由用于机动车辆的钢形成的结构部件以及用于制造结构部件的方法。

相关技术

经常对用于机动车辆的钢结构部件进行热成形以及淬火以形成马氏体显微组织，这提供了高硬度和强度。然而，根据结构部件的特定应用，可能需要在结构部件的某些区域中降低硬度或者增加延展性。例如，可以形成软区以改进部件在冲击后的性能或者改进部件的可焊性。这种局部软区可以通过回火工艺形成。然而，已知的回火工艺需要大量的时间和热能，因此仍然需要更有效的回火工艺。

技术实现要素：

本发明提供一种制造结构部件、例如用于机动车辆的部件的具有改进的回火工艺的方法。该方法包括提供由钢材形成的工件；对工件进行加热，以及使工件成形；对经成形的工件进行淬火；以及对经淬火的工件的至少一部分进行回火。回火步骤包括向工件同时施加热能和磁场。这种热磁回火工艺比其它回火工艺更有效，因此降低了与制造结构部件相关的成本。

本发明还提供了一种结构部件，该结构部件包括至少一个硬区和与所述至少一个硬区相邻的至少一个软区。所述至少一个硬区包括马氏体，并且所述至少一个软区包括铁素体和渗碳体的混合物。

本发明还提供了一种通过包括以下步骤的过程形成的结构部件：对工件进行加热，以及使工件成形；对经成形的工件进行淬火；以及对经淬火工件的至少一部分进行回火。回火步骤包括向工件同时施加热能和磁场。

附图说明

通过参照以下结合附图考虑时的详细描述，本发明的其它优点将易于领会并变得更容易理解，在附图中：

图1例示了机动车辆的示例结构部件，其包括通过热磁回火工艺形成的至少一个软区；

图2例示了包括通过热磁回火工艺形成的软区的另一示例结构部件；

图3例示了Fe-0.2C合金的典型的经回火的显微组织；

图4是列出了示例钢回火工艺的阶段的表格；

图5是列出了在示例钢回火工艺期间发生的反应的表；

图6A至图6C例示了包括低碳马氏体的显微组织；

图7A至图7C例示了包括高碳片状马氏体的显微组织；

图8A至图8B例示了具有球状颗粒的钢显微组织；以及

图9例示了将本发明的热磁回火工艺与常规回火工艺进行比较的实验结果。

具体实施方式

本发明提供了一种制造结构部件10的改进的方法，该结构部件10通常用于机动车辆应用，例如立柱、前顶梁(header)、顶梁(rail)、扭轴(twist axle)、弹簧连杆(spring link)、控制臂、保险杠、梁、侧板或任何其它类型的强度驱动的底盘部件、白车身部件或安全相关部件。然而，结构部件10可以替代性地用于非汽车应用中。结构部件10经过热成形、淬火、以及随后使用热磁回火工艺回火以形成与硬区14相邻的至少一个局部软区12和任选的过渡区16。图1例示了包括A柱、前顶梁和车顶梁(roof rail)的示例结构部件10，A柱、前顶梁和车顶梁各自包括通过热磁回火工艺形成的至少一个局部软区12。图2例示了包括通过热磁回火工艺形成的至少一个局部软区12的另一示例汽车顶梁。与不采用磁场的其它回火工艺相比，热磁回火工艺能够以更快的速率实现更大程度的局部软化。

该方法首先提供由钢材形成的至少一个工件、例如板或坯料。工件的钢材可以包括任何类型的钢，包括低碳钢、中碳钢、超高强度钢(UHSS)、先进高强度钢(AHSS)或高强度钢(HSS)。双相钢材或不同材料的混合物也可以用于形成结构部件10。根据待形成的结构部件10的类型，工件应当具有适合的尺寸和厚度。

该方法接下来包括使工件热成形以实现预定形状，这取决于待形成的结构部件10的类型。可以使用任何类型的热成形工艺来使工件定形。在一个示例实施方案中，热成形工艺首先包括在炉中将工件加热到预定温度。该预定温度取决于工件的钢材的类型、工件的几何形状、结构部件10的期望的几何形状、以及可能的其他因素。工件通常被加热到足够高的以在钢材中形成奥氏体的温度，例如至少900℃。

一旦工件达到足以进行热成形的预定温度，将经加热的工件快速转移至热成形设备，例如模具、压机或冲压装置。热成形设备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。经加热的工件布置在两个成形表面之间。上模具和下模具的形状根据待形成的结构部件的期望的几何形状而变化。上模具和下模具通常由钢形成，但也可以由其他材料形成。上模具和下模具通常还包括冷却装置、例如与成形表面间隔开的多个冷却通道。

成形步骤通常在将经加热的工件布置在上模具与下模具之间并且同时工件仍处于至少900℃的温度处或接近于在炉中实现的温度不久之后或立即开始。在成形步骤期间，上模具和下模具被压在一起以冲压、压制或以其它方式使工件形成所需的几何形状。在一个实施方式中，成形步骤包括使热工件在上模具与下模具之间进行冲压，以实现期望的几何形状，具体地通过使热工件与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热工件施加压力来冲压。在示例实施方式中，工件在炉中加热到至少900℃的温度，使得在成形步骤期间在工件的钢材中存在奥氏体。工件可以根据结构部件的期望应用而形成为各种不同的复杂的几何形状。

紧接成形步骤之后或在成形步骤期间，该方法包括优选在热成形设备中对工件进行淬火。该步骤称为工具淬火。在成形冲程的底部，当上模具和下模具压在一起时，水或另一冷却流体可以流过模具的冷却通道以对工件进行淬火。淬火步骤引起钢材中的相变，并增大钢材的强度。在淬火步骤期间，钢材达到足够低的温度，使得奥氏体显微组织转变成马氏体显微组织，这增大了钢材的强度。

该方法接下来包括热磁回火工艺以形成至少一个局部软区12。如上所述，与不采用磁场的其他回火工艺相比，在回火工艺期间使用磁场加速回火动力学并以更快的速率实现局部软化。热磁回火工艺包括首先确定经热成形的、经工具淬火的工件的哪些区域应当包括至少一个局部软区12。工件的其中形成软区12的预定区域取决于结构部件10的期望应用。例如，软区12中的一个软区可以位于结构部件10的远端处、或者位于过渡区域中。可以使用改进的热磁回火工艺形成任何数量的软区12。替代性地，热磁回火工艺可以应用于整个工件，以在整个结构部件10上提供软区12。

一旦选择了工件的预定区域，热磁回火工艺首先将磁体布置成与预定区域相邻，以将磁场施加至预定区域。该方法还包括将热源布置成与预定区域相邻，以在施加磁场的同时施加热能。可以使用任何类型的磁体和任何类型的热源以同时施加磁场和热能。然而，磁体和热源的几何形状基于工件的几何形状来选择，并且应该能够向预定区域提供局部磁场和热能。在示例实施方案中，磁场由呈具有孔的平板形式的超导磁体来提供，并且工件的预定区域布置在孔中。替代性地，可以使用常规的电磁体。工件通常保持在包括磁体和热源的固定装置或回火位置中。

热磁回火工艺接下来包括向预定区域施加磁场和热能以形成至少一个局部软区12。施加至预定区域的磁场和温度的大小可以根据工件的几何形状以及待在至少一个软区12中实现的期望的显微组织而变化。通常，在热磁回火工艺期间，热源将预定区域加热到300℃至500℃的温度范围，并且磁体施加1特斯拉至3特斯拉范围的磁场。在一个示例实施方案中，热源将预定区域加热至大约450℃的温度，并且磁体施加大约2特斯拉的磁场。热磁回火工艺的持续时间可以根据工件的几何形状和待在至少一个软区12中实现的期望的显微组织而变化。可以调节热磁回火工艺的温度、磁场和/或持续时间，使得预定区域的马氏体显微组织转变成期望的显微组织。至少一个软区12的显微组织更稳定并且具有比在回火工艺之前存在的马氏体显微组织的硬度更小的硬度。

在示例实施方案中，工件包括低碳钢、例如Fe-0.2C合金。该实施方案的热磁回火工艺包括将工件布置在超导磁体的孔中，并且将工件的预定区域加热到450℃的温度，同时施加2特斯拉的磁场25分钟以形成软区12。在热磁回火工艺期间，经热成形的、经工具淬火的工件的马氏体从bct马氏体显微组织转变成bcc铁(被称为铁素体)和碳化物(Fe₃C)析出物的混合物。已知由于析出物与铁素体基体之间的界面能降低，铁素体和碳化物随着时间和温度的增加而粗化。参见George F.Vander Voort，ASM手册：卷9：Metallography And Microstructures，ASM International,2004,ISBN-13:978-0871707062,ISBN-10:0871707063的参考文献18，下文称为“ASM手册”。在该实施方案的经回火的显微组织中不存在珠光体。优选地，通过热磁回火工艺实现的硬度为200VHN，或约670MPa UTS。

Fe-0.2C合金典型的经回火的显微组织在图3中示出，其从ASM手册的参考文献18获得。图4从ASM手册的参考文献3中获得并且例示了示例钢回火工艺的阶段。在示例工艺中，形成过渡碳化物(ε或η)以及基体马氏体的碳含量降低至约0.25％碳发生在100℃至250℃的温度范围内。在200℃至300℃的温度范围，该工艺包括残余奥氏体转变成铁素体和渗碳体。在250℃至350℃的温度范围，该工艺包括渗碳体和铁素体替代过渡碳化物和低碳马氏体。

图5从ASM手册的参考文献5中获得并且例示了示例钢回火工艺中的在-40℃至550℃的温度范围发生的反应。注意的是，时间和温度二者是用以在回火工艺期间实现期望的显微组织、强度和延展性的重要变量，以下回火参数通常用于描述时间与温度之间的相互作用：T(20+logt)×10^-3，其中，T是以开尔文为单位的温度，t是以小时为单位的时间，参见ASM手册的参考文献3。

随回火发生的软化的量可以通过向工件的钢材中添加合金元素来改变。软化通常通过渗碳体的受控扩散粗化来发生，并且强的碳化物形成物(例如铬、钼和钒)可以降低粗化速率。此外，在较高的回火温度下，合金元素本身可以形成碳化物，导致总体硬度的增加。参见ASM手册的参考文献3。

此外，回火马氏体的不同形态可以根据原始马氏体的显微组织来形成。如图6A至图6C中所示，已经观察到，低碳马氏体中的对准的板条状的群可以转变成大的针状晶粒，其从ASM手册的参考文献18获得。如图7A至图7C中所示，在更高碳片状马氏体中，大的马氏体片可以在回火时转变成等轴晶粒。回火参数还应选择成避免球化，其中Fe₃C聚结形成类球体颗粒，如图8A至图8B中所示。图7A至图7C和图8A至图8B也从ASM手册的参考文献18中获得。

尽管热磁回火工艺通常产生包括铁素体和碳化物的混合物的软区12，其中，碳化物是渗碳体(Fe₃C)，但热磁回火工艺的温度、磁场和/或持续时间可以调节成形成其它显微组织和硬度水平。例如，马氏体转变成使得至少一个软区12的显微组织可以包括铁素体和珠光体的混合物。此外，如果形成多个软区12，可以在每个软区12中形成不同的显微组织和硬度水平。通过热磁回火工艺形成的软区12的显微组织可以根据结构部件10的应用而变化。

在热磁回火工艺期间，保护工件的其中不需要软区12的选择区域免受热能和磁场以保持马氏体显微组织。换句话说，保护工件的某些部分以防止在热成形和淬火步骤结束时存在的马氏体显微组织转变成更软的显微组织。可以使用任何已知的方法来掩蔽或以其它方式保护这些选择区域不受磁场和热能的影响。存在于完成结构部件10中的选择区域被称为硬区14，并且它们的位置根据结构部件10的期望应用而变化。

除了通过将磁场和热能施加到工件的预定区域形成软区12并且通过掩蔽工件的选择区域来保持硬区14之外，该方法还可以包括通过至少部分地保护工件的某些区域或者对工件的某些区域进行回火来形成至少一个过渡区16。工件的其中期望过渡区16的区域可以部分地掩蔽或部分地回火，使得它们仅暴露于磁场和/或热能的一部分。例如，回火步骤可以包括掩蔽工件的第一部分，以保持硬区14，将热能和磁场各自以第一水平同时施加至工件的第二部分，以形成软区12，以及将热能和磁场以低于第一水平的第二水平同时施加至工件的第三部分，以在硬区14与软区12之间形成过渡区16。

过渡区16的位置根据结构部件10的期望应用而变化。然而，每个过渡区16通常布置在硬区14中的一个硬区和软区12中的一个软区之间。图2示出了包括过渡区16的示例结构部件。

过渡区16的显微组织具有相邻硬区14的硬度与相邻软区12的硬度之间的硬度。例如，过渡区16可以包括马氏体、铁素体、珠光体、渗碳体和贝氏体中的至少一者。通常，过渡区16包括不同显微组织的混合物，例如铁素体和珠光体的混合物。

除了热磁回火工艺外，该方法还可以任选地包括常规的回火工艺。例如，可以形成第二经回火区，其中，第二经回火区具有与软区12、硬区14和过渡区16的显微组织和硬度不同的显微组织和硬度。

由该方法形成的经热成形、经淬火且经回火的结构部件10可以任选地被精加工或以其它方式进一步制备用于期望的应用。例如，在热磁回火步骤之后，该方法可以包括对结构部件10进行修整、穿孔或焊接。

如上所述，由本发明提供的结构部件10包括通过热磁回火工艺形成的至少一个软区12，其布置成与至少一个硬区14相邻。软区12具有不同于硬区14的显微组织、具有小于硬区14的硬度的硬度、并且比硬区14更稳定。软区12的显微组织通常包括铁素体和碳化物的混合物，其中，碳化物是渗碳体(Fe₃C)。然而，具有其它显微组织的软区12可以通过热磁回火工艺形成。结构部件10还可以包括过渡区16和/或第二经回火区。

具有通过热磁回火工艺形成的软区12的示例结构部件10在图1和图2中示出。图1例示了机动车辆的示例A柱，前顶梁和顶梁。A柱包括沿着窗户区域定位并且通过硬区14彼此间隔开的两个软区12。硬区14还沿着车辆的车顶延伸。图1的车顶梁和前顶梁各自包括一个软区12。前顶梁的软区12被过渡区16包围，并且车顶梁的软区12被硬区14包围。在其他情况下，结构部件10可以包括用于焊接至另一部件的凸缘，其中，软区12沿着凸缘形成以改进凸缘相对于另一部件的可焊性。在图2的示例顶梁中，软区12形成在顶梁的远端处，硬区14从相反的端部朝向软区12延伸，以及过渡区16位于软区12与硬区14之间。软区12通常包括铁素体和碳化物的混合物，其中，碳化物是渗碳体(Fe₃C)，但替代性地，软区12可以包括硬度小于硬区14的硬度的其它显微组织。例如，在图2的示例顶梁中，软区12可以包括铁素体和珠光体的混合物。

实验

进行实验以将本发明的热磁回火工艺与常规回火工艺进行比较。实验首先包括在任何回火之前测量从成形压机获得的第一组经热成形、经工具淬火的钢样品的洛氏硬度(R_c)。实验接下来包括在不施加磁场的情况下进行回火之后测量第二组样品的洛氏硬度(R_c)，所述第二组样品以与第一组样品相同的方式经热成形并经工具淬火。回火工艺的温度范围为300℃至450℃，并且回火时间为5分钟或25分钟。该实验还包括在施加了2特斯拉的磁场的情况下进行回火之后测量第三组样品的洛氏硬度(R_c)，所述第三组样品同样以与前两组相同的方式经热成形并经工具淬火。通过将每个样品放置在超导磁体的孔内来施加磁场。除了磁场之外，相同的回火工艺参数被应用于第二组样品和第三组样品。实验结果在图9中示出并且表明在回火工艺期间经受磁场的样品的硬度比未暴露于磁场的样品的硬度经历更大的降低。因此，实验表明，热磁回火工艺提供了在结构部件10中形成软区12的更有效的方法。

显然，根据上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的，并且可以在所附权利要求的范围内以不同于具体描述的方式来实施。