具有三层结构的高韧性热处理钢管及其制造方法与流程

本发明涉及具有三层结构的钢管及包括热处理的其制造方法。钢管可具有三层结构，并可通过高频感应加热制造，使得可形成包括贝氏体和马氏体的三层结构，以便提高韧性以改善在车辆中使用时的碰撞性能。

背景技术：

近来，随着温室气体已成为全世界的严重问题，车辆尾气法规已执行。因此，汽车行业大多一直在尝试减轻车辆重量以满足国际环保法规，并提高燃料效率。由此，车辆制造商一直在开发使形成大部分车辆重量的车架的重量减轻的技术。

车辆的车架包括对应于车身骨架的白车身(biw)，以及例如车门、发动机罩、行李厢等的操作部分，并且形成总车辆重量的大部分。因此，在汽车行业，可使用用于车架的轻质材料来显著增加车辆的轻量化效果。

此外，车架是对例如车辆刚度、碰撞和行驶安全性等的车辆性能具有决定性影响的重要部分。因此，可以理解的是，车架的重量减轻同时强度提高是必要的技术。出于车辆的安全性和轻量化并存的原因，高强度钢管已被用作一些结构部件。

例如，可在车门内安装钢管，以便当发生车辆侧面碰撞时使车架的损坏最小化并保护乘客。这种钢管被称为车门防撞梁，并且为了实现车架的强度提高和重量减轻，车门防撞梁已由高强度钢制造。此外，在钢管的制造期间，已使用通过钢的合金设计和热处理的组织控制，来获得钢管的更高强度。

在通过高频感应加热加热至910℃或更高的温度之后，立即通过直喷冷却水的淬火工艺，已制造出常规的高强度钢管。通过这种工艺，常规的钢管可从500～600mpa强度的铁素体和马氏体组织转变为淬火后的1500～2000mpa强度的马氏体单相组织。这种马氏体单相组织可具有高脆性。因此，当钢管由这种组织形成时，可在车辆碰撞的早期阶段发生脆性断裂，并且因此不能充分获得车辆的安全性和驾驶者的安全性。在这种情况下，钢管不能充分用作为使车架的损坏最小化和保护乘客而形成的车门防撞梁。

为了解决上述常规问题，已添加在第一次热处理之后执行再加热至约200℃温度以便减少脆性的回火工艺。然而，因为由于用于回火工艺的附加设备的构建和工艺时间的增加可能使制造成本增加，所以回火工艺可能未应用于钢管的制造。因此，为了解决这些问题，已需要具有提高的韧性和高强度以改善碰撞性能的钢管。

因此，本发明解决了上述技术难题，从而提高用作车辆的车门防撞梁的钢管的韧性，并且提高冲击吸收性能。

技术实现要素：

在优选方面，本发明提供一种可具有显著提高的材料韧性和强度以防止在碰撞中的变形期间断裂的钢管及其制造方法。

此外，本发明提供一种使用具有提高的韧性的钢管及其制造方法的车门防撞梁，以实现车辆耐久性的增加和轻量化，从而提高燃料效率并防止环境污染。

本发明并不特别限于上述的方面，并且本领域技术人员可从以下给出的说明中清楚地理解其它方面。

在本发明的一方面，提供了一种包括贝氏体组织层、贝氏体和马氏体双相组织层以及马氏体组织层的钢管。本发明的钢管可通过热处理获得高韧性，因此，除非本文另外指明，否则在本公开内容中钢管也可称为高韧性热处理钢管。

如本文所使用的术语“贝氏体”是指可在预定的温度范围内自发地形成在合金钢中的组分的板状或片状的微观结构(相形态)。例如，根据本发明的示例性实施例的钢的贝氏体可在约400～650℃的温度下形成。如本文所使用的术语“马氏体”是指在冷却或淬火工艺期间冷却时产生的例如铁的合金组分的结晶形式或颗粒形式。例如，根据本发明的示例性实施例的钢的马氏体可在约0～20℃的温度下形成。

在一个优选方面，贝氏体和马氏体双相组织层可形成在马氏体组织层上，并且贝氏体组织层可形成在贝氏体和马氏体双相组织层上。

在一个优选方面，贝氏体组织层可存在于钢管的约5～10％的总厚度中。

在一个优选方面，贝氏体和马氏体双相组织层可存在于钢管的约10～15％的总厚度中。

在一个优选方面，马氏体组织层可存在于钢管的约80～85％的总厚度中。

在一个优选方面，贝氏体组织层可存在于钢管的约5～10％的总厚度中，贝氏体和马氏体双相组织层可存在于钢管的约10～15％的总厚度中，并且马氏体组织层可存在于钢管的约80～85％的总厚度中。

在本发明的另一方面，提供了一种钢管的制造方法，并且该方法可包括：对钢管进行一次感应加热；以及对钢管的外径部进行二次感应加热，同时利用冷却水对钢管的内径部进行冷却。在一个优选方面，可执行一次感应加热并可执行二次感应加热。

如本文所使用的术语“感应加热”是指使用通过电磁铁在高频交变电流时产生的电磁感应的加热方法。

在一个优选方面，在二次感应加热中，可将钢管的外径部加热至约400～650℃的温度。

在一个优选方面，在二次感应加热中，可将钢管的外径部加热约20～40秒。

在本发明中，在钢管的内径部的冷却中，冷却水的温度可以是约0～20℃。

在本发明中，在钢管的内径部的冷却中，可在约1bar的压力下喷射冷却水。

在本发明中，在一次感应加热中，可将钢管加热至约860～960℃的温度。

还提供了一种可包括如本文所述的钢管的车辆。例如，该车辆可包括用于车门防撞梁的钢管。

本发明的其它方面在下文公开。

附图说明

本发明的以上和其它目的、特征和优点将从以下结合附图进行的详细说明中得以更清楚地理解，在附图中：

图1示出现有技术中的常规高频感应加热装置和常规快速淬火装置；

图2示出根据本发明的示例性实施例的示例性钢管及其横截面；

图3示出用于制造根据本发明的示例性实施例的示例性钢管的示例性一次高频感应加热装置、示例性二次高频感应加热装置和示例性冷却装置；

图4示出根据本发明的示例性实施例的示例性钢管的横截面的显微镜照片；

图5a示出在13km/h的速度下碰撞后的常规车门防撞梁；

图5b示出在13km/h的速度下碰撞后的根据本发明的示例性实施例的示例性车门防撞梁；并且

图6示出在13km/h的速度下的车门防撞梁的碰撞位移－负荷曲线。

具体实施方式

本文所使用的术语仅是为了说明特定实施例，而非意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解的是，词语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时，规定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。

除非特别陈述或从上下文显而易见，如本文所使用的，词语“约”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2倍标准差之内。“约”可理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文另外明确，否则本文提供的所有数值均由词语“约”修饰。

应当理解的是，如本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其它类似术语包括通常的机动车辆，例如包括运动型多功能车(suv)、公交车、卡车、各种商用车辆在内的乘用车辆，包括各种艇和船在内的水运工具，以及航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合电动车辆、氢动力车辆和其它替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源取得的燃料)。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如具有汽油动力和电动力两者的车辆。

在下文中，将参照附图详细说明本发明，以使本领域的技术人员能够容易地实施本发明。在本发明的说明书和权利要求书中使用的术语或词语不应使用典型的或字典所限的含义来解释，而应基于发明人为了以最佳方式说明其自身的发明，可适当定义术语的概念的原则，被解释为符合本发明的技术思想的含义和概念。因此，应当理解的是，将与附图一起公开的详细说明意在说明本发明的示例性实施例，而并非旨在代表本发明的全部技术思想。因此，应该理解的是，可存在能够取代申请时所述的实施例的各种等同形式和变型。

以下将详细说明本发明。本发明涉及具有三层结构的高韧性热处理钢管及其制造方法。在本发明的一方面，高韧性热处理钢管可包括三层结构。

图1示出常规高频感应加热装置和常规快速淬火装置的构造。如图1中示例性示出的，设置有常规钢管11、常规高频感应加热装置13和直喷冷却水的常规快速淬火装置15。

在使用高频感应加热装置13加热至约910℃或更高的温度之后，立即通过使用直喷冷却水的快速淬火装置15的快速淬火工艺，已制造出常规钢管11。通过这种工艺，钢管11从约500～600mpa强度的铁素体和马氏体组织转变成淬火后的约1500～2000mpa强度的马氏体单相组织。这种马氏体单相组织可具有高脆性。因此，当钢管11由这种组织形成时，可在车辆碰撞的早期阶段发生脆性断裂，并且因而不能充分获得车辆的安全性和驾驶者的安全性。因此，钢管11不能充分用作为使车架的损坏最小化和保护乘客而形成的车门防撞梁。

为了解决上述问题，可在第一次热处理之后执行将钢再加热至约200℃的温度从而减少脆性的回火工艺。然而，在这种情况下，因为由于用于回火工艺的附加设备的构建和工艺时间的增加可能使制造成本增加，所以回火工艺可能未应用于钢管的制造。因此，为了解决这些问题，需要具有提高的韧性和高强度以改善碰撞性能的钢管。

因此，本发明提供可用作车辆的车门防撞梁的具有提高的韧性和冲击吸收性能的钢管。

图2示出根据本发明的示例性实施例的示例性钢管及其横截面。

如图2中所示，示例性钢管100可具有包括贝氏体组织层105、贝氏体和马氏体双相组织层103以及马氏体组织层101的三层结构。

一般情况下，贝氏体组织可具有比马氏体组织低约30～40％的强度，但可具有更大的拉伸性能和韧性，因此在碰撞方面有利。然而，当钢管整体进行热处理以便具有贝氏体组织时，钢管可具有提高的韧性但与常规钢管相比降低的强度。

因此，本发明的钢管100可包括三层结构，其可包括存在于钢管100的约5～10％的总厚度中的贝氏体组织层105，存在于钢管100的约10～15％的总厚度中的贝氏体和马氏体双相组织层103，以及存在于钢管100的约80～85％的总厚度中的马氏体组织层101。

在本发明的钢管100中，贝氏体和马氏体组织层可形成在钢管100的厚度方向。为此目的，钢管100可通过一次高频感应加热，然后二次高频感应加热钢管100的外径部同时通过冷却水冷却钢管100的内径部而制造。

图3示出用于制造根据本发明的示例性实施例的示例性钢管的示例性一次高频感应加热装置、示例性二次高频感应加热装置和示例性冷却装置。图3示出用于制造高韧性热处理钢管100的一次高频感应加热装置201、二次高频感应加热装置203和冷却装置205。

一次高频感应加热装置201可以与常规热处理工艺相同的方式，通过高频感应加热将高韧性热处理钢管100加热至约860～960℃的温度。当高韧性热处理钢管100经过一次高频感应加热装置201后，高韧性热处理钢管100的外径部可经过二次高频感应加热装置203，其可将高韧性热处理钢管100加热至约400～650℃的温度，同时高韧性热处理钢管100的内径部可经过冷却装置205，其可使用冷却水冷却高韧性热处理钢管100。

特别地，如图2中所示，高韧性热处理钢管100可具有包括高韧性组织和高强度组织的层状结构的横截面。例如，可通过保持约400～650℃的高温而在高韧性热处理钢管100的外径部形成贝氏体组织105，并可通过使用冷却水冷却而在高韧性热处理钢管100的内径部形成马氏体组织101。

因此，根据本发明的高韧性热处理钢管100可具有类似于常规马氏体钢的拉伸强度和减小的脆性。特别地，当车门防撞梁由具有这种层状结构的高韧性热处理钢管100形成并且钢管100因车辆碰撞而折断时，拉伸应力可施加至钢管100的外径部，因此可有效防止产生断裂。

当未同时执行二次加热和冷却，或者如常规方法中那样仅执行在加热后特定温度的冷却时，可能无法获得上述层状结构。此外，当如常规方法那样制造马氏体组织与贝氏体组织不均匀混合的钢管时，可能无法获得期望的拉伸强度。

当马氏体组织与贝氏体组织轻微混合时，通常可获得约1000～1300mpa的拉伸强度。另外，为了提高拉伸强度，可增加碳含量或者可增加马氏体率，这可导致脆性增加以及在车辆碰撞时发生断裂。

以下表1示出二次高频感应加热和冷却的条件以及从如此制造的钢管得到的测试结果。

表1

如表1中所示，使用了各种控制条件因素，总计三个因素，即在一次高频感应加热后的二次高频感应加热中的加热温度和加热时间，以及冷却中的冷却水的温度。因此，由于其中形成的微观组织，高韧性热处理钢管100在用于车门防撞梁时，可具有由高速碰撞测试结果示出的显著改善的拉伸性能。表1中的高速碰撞测试结果可示出在13km/h的速度条件下钢管100是否断裂。

因此，如表1中所示，二次高频感应加热中的加热温度和加热时间可直接影响在钢管100的外径部形成的贝氏体组织层105，并且冷却装置205中的冷却水的温度可有助于在钢管100的内径部形成马氏体组织层101以及贝氏体和马氏体双相组织层103。

上述二次高频感应加热中的条件可通过调节钢管100经过的二次高频感应加热装置203的长度以及钢管100的传送速度来设定。

二次高频感应加热中的最优加热温度适当地可以是约580～650℃，其可大于用以形成贝氏体组织层105的约350～550℃的等温冷却温度。当如表1的比较例2中那样在二次高频感应加热中的加热温度小于约580℃时，由于喷射到钢管100的内径部上的冷却水的效果，钢管100的外径部的实际温度可部分地降低至约350℃或更低的温度，并且可能未形成具有目标厚度的贝氏体组织层105。另一方面，当如表1的比较例4中那样在二次高频感应加热中的加热温度大于约650℃时，可形成具有比目标厚度更大厚度的贝氏体组织层105，因此钢管100的强度可降低。

此外，当如比较例3中那样在二次高频感应加热中的加热时间小于约20秒时，可能未充分形成贝氏体组织层105，并且由于冷却水的冷却效果，钢管100整体可转变为马氏体单相组织，因此脆性可增大。结果，可发生断裂。另一方面，当在二次高频感应加热中的加热时间大于约40秒时，可过度形成贝氏体组织层105，并且钢管100整体的强度可降低。因此，在本发明中，用于制造高韧性和高强度钢管的最优加热时间可以是约20～40秒。

此外，用以形成细密的马氏体组织的冷却中的冷却水的温度可以是约0～20℃。当冷却水的温度高于约20℃时，马氏体组织可变粗，并且可过度形成贝氏体组织，因此与测试例相比，钢管的强度可显著降低。另外，如表1的比较例5中所示，由于变粗的马氏体组织的效果，延伸率可降低。此外，用于喷射冷却水的压力可以是约1bar。

当未如本发明中那样同时执行二次高频感应加热和冷却，而是如常规方法中那样仅在一次高频感应加热后执行冷却时，如从表1的比较例1中所见，可能无法形成贝氏体组织。此外，当在常规方法中的冷却温度下马氏体组织与贝氏体组织不均匀混合时，可能无法获得期望的拉伸强度，并且可发生断裂。

图4中示出根据示例性实施例由同时二次感应加热和冷却获得的示例性钢管的横截面组织。在图4中示出放大200倍的示例性钢管的横截面的显微镜照片。

如图4中所示，可在与钢管100的内径部对应的图4的下端部分形成致密的马氏体组织层101，并且可在与钢管100的外径部对应的图4的上端部分沿向下方向依次形成贝氏体组织层105以及贝氏体和马氏体双相组织层103。

使用自由落体冲击试验机执行对使用根据本发明的高韧性热处理钢管100制造的车门防撞梁以及常规车门防撞梁的高速碰撞测试。

图5a和图5b是示例性车门防撞梁303和常规车门防撞梁301在13km/h的速度下碰撞后的结果的照片。

在此高速碰撞测试中，圆柱状的冲击器从指定高度自由落下以撞击车门防撞梁301和303的中部，然后测量车门防撞梁301和303的碰撞性能和脆性。在以9km/h、11km/h和13km/h改变冲击器与车门防撞梁301和303的碰撞速度的同时，执行高速碰撞测试。

作为测试结果，在高至11km/h的碰撞速度下车门防撞梁301和303二者均无脆性断裂地良好地变形，并且车门防撞梁301和303的最大负荷相似。然而，如图5a和图5b中示例性示出的，在13km/h的碰撞速度下，常规车门防撞梁301由于变形期间的脆性而发生断裂，根据本发明的示例性实施例的车门防撞梁303则具有良好的变形状态。

图6是示出在13km/h的速度下的车门防撞梁的碰撞位移－负荷曲线的图。在图6中，纵轴表示在高速碰撞中施加至车门防撞梁的负荷(n)，并且横轴表示由此导致的车门防撞梁的位移(mm)。

如上所述，当车门防撞梁在变形期间断裂时，如图6中所示，车门防撞梁可能无法承受断裂瞬间的负荷，因此可能无法吸收冲击能量并丧失其功能。

根据图6，如常规车门防撞梁的位移－负荷曲线401所示，常规车门防撞梁在位移为55～60mm时断裂。此外，如根据本发明的示例性实施例的车门防撞梁的位移－负荷曲线403所示，本发明的车门防撞梁在位移为约80～90mm时断裂。

因此，当位移－负荷曲线中的面积表示冲击吸收能量时，可以理解的是，与常规车门防撞梁301相比，根据本发明的车门防撞梁303在13km/h的速度下可具有提高约40％或更大的冲击吸收性能。

因此，根据本发明的高韧性热处理钢管及其制造方法，可确保材料的高强度，同时可显著提高材料的韧性，从而防止钢管在碰撞中的变形期间断裂。

优选地，由本文所述的钢管形成的车门防撞梁可设置在车门内，因此可使对于车辆侧面碰撞脆弱的车门中部的向内挤压程度最小化，并且侧面碰撞的冲击能量可传递至车架，因此可使传递至车内乘客的冲击最小化。

此外，使用根据本发明的各种示例性实施例的高韧性热处理钢管及其制造方法制造的车门防撞梁可增加车辆的耐久性并减轻车辆的重量，从而提高车辆的燃料效率并防止环境污染。

虽然已为了例示目的公开了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离如所附权利要求中所记载的本发明的范围和思想的情况下，各种修改、添加和替换是可能的。