專利名稱：制造高強度含鐵制品的方法，以及由此制造的制品的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明 一般涉及由具有受控冶金學性質(zhì)的含鐵金屬制造制品。更 具體而言，本發(fā)明涉及由具有高濃度貝氏體相的含鐵合金制造制品。 最具體而言，本發(fā)明涉及由具有高濃度貝氏體相的高強度鋼制造的用 于機動車輛的結(jié)構(gòu)部件以及其它制造制品的制造。
背景技術(shù)：
使用超高強度鋼來制造機動車輛、建筑結(jié)構(gòu)和其它制造制品的各 種部件。在現(xiàn)有技術(shù)的典型過程中，直接由馬氏體鋼制造這些制品， 或者由在生產(chǎn)過程期間可以轉(zhuǎn)變成馬氏體的低碳鋼制造這些制品。在 任一種情形中，由此生產(chǎn)的鋼產(chǎn)品具有高達和超過200 ksi的拉伸強 度。但是，這些馬氏體結(jié)構(gòu)在伸長率性質(zhì)(典型為4-6%)受到損害。貝 氏體鋼，特別是下貝氏體鋼不僅具有非常高的強度，而且具有非常好 的伸長率性質(zhì)，典型接近15%。優(yōu)異的伸長率性質(zhì)大大提高了這些制 品的利用和/或簡化了它們的制造。
盡管貝氏體鋼在許多應用中是有利的，然而制備具有大量貝氏體 相并且特別是下貝氏體相的鋼是困難的。為了形成貝氏體相，必須首 先將鋼合金加熱至高于它們的奧氏體化溫度的溫度，然后淬火至高于 馬氏體相形成溫度的特定保持溫度，并且必須將它們保持在該溫度下
持續(xù)相對長的時段，使得貝氏體相可以形成。當將鋼保持在接近、但 高于馬氏體形成溫度的溫度下時，形成下貝氏體。保持步驟同時需要 相當高溫度和極好溫度控制的組合。因此，典型在相對大量的高溫流 體例如熔融鹽或加熱油中實施該步驟。這些高溫浴具有大的危險性， 消耗相對大量的能量并且占據(jù)相對大的區(qū)域。
正如將在下文中詳細解釋的，本發(fā)明提供了一種方法，通過該方 法可以在具有高度簡化的保持步驟的過程中制造具有精確控制的冶金 學性質(zhì)的含鐵制品，該保持步驟消除了高溫浴等的使用，但是仍可促 進選定金屬相如上、下或混合貝氏體相的形成。因此，本發(fā)明的方法 可以容易地適用于高強度鋼合金制品的大量、高速制造，例如機動車
輛的侵入梁(intrusionbeam)、框架構(gòu)件、主體構(gòu)件等，以及建筑結(jié)構(gòu) 的部件和其它制造制品。
發(fā)明簡述
本發(fā)明公開了一種制備包含高百分比的一種或多種所需金屬相的 含鐵合金體的方法。具體參照貝氏體相的形成來說明本發(fā)明；但是可 以使用它來形成其中具有其它所需冶金相的制品。在該方法的第一步 驟中，將包含含鐵合金的工件加熱到高于該合金奧氏體化溫度的溫度。 然后，使工件與淬火介質(zhì)接觸。至少在工件與淬火介質(zhì)接觸的一部分 時間期間向工件輸入熱量，使得輸入熱量和淬火介質(zhì)協(xié)同將工件維持 在高于合金的馬氏體相形成溫度的保持溫度下。將工件在這個保持溫 度下持續(xù)充足的時段以便在其中形成需要的相，然后將工件冷卻至環(huán) 境溫度。在本發(fā)明的特定實施方案中，選擇保持溫度和時間的組合， 使得在工件中形成貝氏體相。在特定情形中，工件的厚度不大于5毫 米，并且在某些情形中，其不大于3毫米。
在一些情形中，可以通過電阻加熱來加熱工件，其中4吏電流從中 流過。淬火介質(zhì)可以包含氣體或液體，并且可以將其流經(jīng)(flow across )、噴涂到、或者流過(flow through )工件，而在其它情形中， 可以將工件浸入淬火劑流體的浴中。在一些情況中，可以對工件進行
改變或者維持其形狀的成形操作?？梢栽诟哂趭W氏體化溫度的加熱之 前、當工件處于奧氏體化溫度時、當工件處于保持溫度時、或者在該 過程結(jié)束之后，實施該成形操作。本發(fā)明還公開了通過本發(fā)明的方法 制造的制品以及用來實施本發(fā)明的設備。


圖1是顯示一種加熱曲線的曲線圖，可以依照本發(fā)明實施該加熱
曲線以便在工件中產(chǎn)生下貝氏體相；和
圖2是可以在本發(fā)明的實施中使用的溫度控制電路的圖解。
發(fā)明詳述
本發(fā)明是一種冶金方法，通過從此前所使用的保持介質(zhì)的功能中 去除淬火介質(zhì)功能，該方法大大簡化了包含貝氏體、或其它所需冶金 相的制品的形成。由此，本發(fā)明不需要在所需相的形成期間使用大、 高溫的液體浴用以將制品保持在提高的溫度下。
本發(fā)明依靠輸入熱量和淬火介質(zhì)的組合來動態(tài)平衡工件的溫度， 從而有效地將工件保持在足夠的提高溫度下，以便促進貝氏體或者其 它所需相的形成。
在本發(fā)明典型的方法中，首先將包含含鐵合金的工件加熱至高于 其奧氏體化溫度的溫度。可以通過本領域中公知的任何措施來實現(xiàn)這 種加熱。例如，可以通過感應加熱器或者通過使電流流過制品的電阻 加熱在加熱爐中實施加熱。 一旦將制品加熱至這個初始溫度，將其與 淬火介質(zhì)接觸。該淬火介質(zhì)可以包含簡單流體，例如水或者水基液體、 油等，或者在一些情況中它可以是液化或者蒸發(fā)的氣體。淬火流體可 以是制品浸入其中的浴的形式，或者它可以包含流體的噴霧體積。在 任何情況下，由于還要向工件輸入熱量，所以該流體不必處于非常高 的溫度下。淬火流體可以包含氣體，該氣體包括環(huán)境空氣、惰性氣體 (如氮氣、氬氣等)、或者反應性氣體如氮化或碳化氣體。在工件與 淬火介質(zhì)接觸的至少一部分時間內(nèi)，還對其進行加熱。熱量輸入結(jié)合
淬火介質(zhì)建立了將工件維持在所選溫度下的動態(tài)平衡。通過控制加熱 和淬火的參數(shù)，可以將工件非常準確地維持在所選的保持溫度下，從 而促進所需相的形成。維持加熱和冷卻的平衡持續(xù)充足的時段以便形 成這種相，然后終止熱量輸入并且將工件冷卻至低于轉(zhuǎn)變溫度從而保 留所需的相。顯然這種方法是高度可控的。在形成下貝氏體的典型操
作中，將工件維持在不高于350C但高于馬氏體相開始形成的溫度的 保持溫度下。精確的溫度范圍將取決于被處理的具體合金。在一些情 況中，根據(jù)要形成的相將合金保持在高于350t:的溫度。
入。可以在本發(fā)明中有利地使用的一種具體方法包括電阻加熱，其中 使電流流過制品以便產(chǎn)生熱量。電阻加熱方法的實施和控制經(jīng)濟且簡 單。在一些情況中，可以首先通過優(yōu)選在不存在淬火介質(zhì)的情況下實 施的電阻加熱方法將制品加熱至高于奧氏體化溫度的溫度，然后與淬 火介質(zhì)接觸從而使其冷卻至保持溫度。這種加熱和保持可以有利地在 一個工作臺上進行并且可以與保持步驟之前、期間或之后實施的其它 成形工藝協(xié)同進行。
在本發(fā)明的實施中還可以使用其它加熱方法，例如感應加熱、火 焰加熱、輻射能加熱等。在一些情況中可以有利地測量保持步驟期間 的工件溫度，并且可利用由此獲得的溫度信息來控制熱量輸入和/或淬 火介質(zhì)的參數(shù)，例如溫度、速度、壓力等，從而允許精確的溫度控制。 可以以反饋模式或者間接模式實施這種控制。
現(xiàn)在參照圖1，顯示了可操作以便在含鐵物體中形成下貝氏體相 的根據(jù)本發(fā)明的一個工藝的時間相對溫度的分布。圖l的曲線圖沿著 橫軸繪出了時間并且沿著縱軸繪出了溫度。在該過程開始時，工件處 于環(huán)境溫度(應理解為工件中遇到的常態(tài)室溫)；并且在任何情況中， 環(huán)境溫度是足夠低使得工件中不會發(fā)生明顯的冶金學轉(zhuǎn)變的溫度。典
型地，環(huán)境溫度低于5or;。在該過程的第一部分中，將工件加熱至高 于組成工件的合金的奧氏體化溫度的溫度。該溫度將根據(jù)所使用的具
體合金而變化；然而本領域的普通技術(shù)人員可容易地確定該溫度應當
是多少。典型地相當快速地實施這個第一階段加熱，盡管這不是本發(fā) 明的要求。可以在加熱爐中進行加熱，在該情況中可以將零件維持在 其中直到進一步的處理。在其它情況中，就在處理前可以對各個零件 進行加熱?？梢酝ㄟ^火焰、感應、電阻加熱或者本領域技術(shù)人員可利 用的任何其它方法來加熱。 一旦將工件升高至高于奧氏體化溫度的溫
度，這時將其冷卻至保持溫度，該溫度典型低于350X:但是高于合金
中將形成馬氏體相的溫度。通過向其施用淬火劑流體將零件從奧氏體 化溫度冷卻至保持溫度。在工件處于保持階段的至少一部分時間期間， 結(jié)合淬火劑流體向其施加熱量?？梢酝ㄟ^本領域公知的任何措施進行
這種加熱；然而由于應用和控制的簡便性，電阻加熱是一種優(yōu)選的加 熱方法。感應加熱是另一種。熱量輸入和淬火劑的組合將如上所述建 立使工件維持在保持溫度下的動態(tài)平衡。熱量的施加可以是連續(xù)的或
者如果需要它可以是間歇式的。將工件保持在保持溫度下持續(xù)足夠的 時段以便形成所需量的貝氏體相；然后將其冷卻至環(huán)境溫度，從而鎖 定為貝氏體相。典型通過淬火劑流體來實現(xiàn)冷卻，并且在大多數(shù)情況 中不輸入附加熱量。
本領域技術(shù)人員清楚，可以根據(jù)使用合金的具體冶金學和/或根據(jù) 所需的處理參數(shù)來改變上述加熱曲線。例如，可以改變加熱或冷卻工 件的速率。同樣，作為單一水平線顯示的保持階段可以是階梯線或者 逐漸傾斜的線。在一些情況中，可以選擇性地將溫度尖峰(spike)結(jié) 合到曲線中。并且如上所述，當要形成其它相時保持溫度可以高于350x:。
另外，應當指出本發(fā)明容許對工件的冶金學性質(zhì)的極好空間
(spacial)控制。例如，通過適當?shù)嘏渲眉訜岷痛慊鸸到y(tǒng)，可以 選擇性地加熱、保持和冷卻工件的部分從而在工件的特定部分優(yōu)先形 成貝氏體相。以這種方式可以為特定應用優(yōu)化工件的物理參數(shù)如可變 形性。
現(xiàn)在參照圖2，顯示了可以在本發(fā)明中實施的一種控溫電路的示 意圖。圖2的電路工作將工件10維持在預選的溫度下。就此而言，溫
度傳感器12與工件相聯(lián)通(communication)并且操作產(chǎn)生代表其溫 度的輸出信號。溫度傳感器12可以包括熱電偶、溫度計、熱敏電阻或 者一些其它這種接觸裝置。另外，它可以包括例如光學高溫計的非接 觸裝置。在任何情況中，溫度傳感器12產(chǎn)生與淬火控制器14和/或加 熱器控制器16聯(lián)通的控制信號。在所示實施方案中，溫度傳感器與淬 火控制器和熱器控制器都聯(lián)通；但是在一些情況中可以通過只控制一 個控制器在工件中獲得足夠的溫度控制。如圖所示，淬火控制器14 控制向工件10供應淬火流體的淬火流體輸送系統(tǒng)18。相似地，加熱 器控制器16控制向工件輸入熱量的加熱器20?？梢郧宄氖?，控制 器14、 16可以根據(jù)預選的曲線協(xié)同加熱和冷卻工件10。本領域技術(shù) 人員可以容易地在本發(fā)明系統(tǒng)中加入控制器的其它實施方案。
更優(yōu)選地，使用相對薄的工件來實施本發(fā)明的方法，并且就此而言 其具有不大于5毫米的厚度；并且在一些特殊情況中制品的厚度不超過 3毫米。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用這種尺度的制品可以獲得非常好的溫度控制和均 勻的冶金學性質(zhì)。但是，通過適當調(diào)節(jié)淬火介質(zhì)的溫度和傳熱能力可以 制造更厚的制品。本發(fā)明的方法非常適于制造相對薄的片狀金屬制品， 例如機動車輛的緩沖梁、侵入梁、框架構(gòu)件、車身板等。它還可以用來 制造建筑結(jié)構(gòu)的板、梁、支柱(brace)和相似部件?？梢越Y(jié)合其它成形工藝例如軋制成形、沖壓、彎曲、模壓成形等來實施本發(fā)明的方法。如 此，可以將用于形成貝氏體相的工段和系統(tǒng)直接結(jié)合到各種設備中，特別是在提高溫度下進行處理的那些情況中。例如，貝氏體形成步驟可以 容易地結(jié)合到例如模壓成形、熱處理等熱成形操作中。
總之，本發(fā)明操作用于平衡加熱和冷卻，從而允許根據(jù)精確控制 的溫度曲線來處理工件。這允許非常精確且準確地選擇和控制制品的 冶金學性質(zhì)。
考慮到這里提供的公開內(nèi)容，本發(fā)明的許多修改和變化對于本領 域的技術(shù)人員將是顯而易見的。前述是本發(fā)明的具體實施方案的舉例 說明，但并不意味著是對其實施的限制。下面的權(quán)利要求書(包括其 等同物)限定了本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種制備包含高百分比的預選金屬相的含鐵合金體的方法，所述方法包括如下步驟提供包含含鐵合金的工件；將所述工件加熱至高于所述合金奧氏體化溫度的溫度；和然后使所述工件與淬火介質(zhì)接觸；在所述工件與所述淬火介質(zhì)接觸的至少一部分時間期間，向所述工件輸入熱量，使得所述輸入的熱量和所述淬火介質(zhì)的組合共同將所述工件維持在高于所述合金的馬氏體相形成溫度的預選保持溫度下將所述工件維持在所述保持溫度下持續(xù)足夠的時段，以便在其中形成預選的金屬相；和然后將所述工件冷卻至環(huán)境溫度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中以所述保持溫度和所述時間的組 合保持所述工件，從而在其中形成貝氏體相。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述溫度低于350°C。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述貝氏體相是下貝氏體相。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述貝氏體相是上貝氏體相。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述工件的厚度不大于5毫米。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述工件的厚度不大于3毫米。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中向所述工件輸入熱量的步驟包括 使電流流過所述工件從而電阻式加熱所述工件。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中加熱所述工件至高于奧氏體化溫 度的溫度的步驟包括使電流流過所述工件從而電阻式加熱所述工件。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中使所述工件與淬火介質(zhì)接觸的 步驟包括使所述工件與液態(tài)介質(zhì)接觸。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中使所述工件與淬火介質(zhì)接觸的 步驟包括使所述工件與氣態(tài)淬火介質(zhì)接觸。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中使所述工件與淬火介質(zhì)接觸的 步驟包括將所述工件浸入所述淬火介質(zhì)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中使所述工件與淬火介質(zhì)接觸的 步驟包括將所述淬火介質(zhì)噴到所述工件上。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，該方法包括當所述工件與所述淬火 介質(zhì)接觸并且向其中輸入所述熱量時測量所述工件的溫度的另外的步 驟。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，該方法包括響應所述工件的溫度而 控制熱量輸入和/或所述淬火介質(zhì)參數(shù)的另外的步驟。
16. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中向所述工件輸入熱量的步驟包 括感應式加熱所述工件。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，該方法包括對所述工件實施成形操 作的另一步驟。
18. —種制品，其通過權(quán)利要求1的方法制成。
19. 一種制備具有高百分比的預選金屬相的含鐵合金體的設備， 所述系統(tǒng)包括淬火劑輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)可操作用以向工件輸送淬火劑流體； 加熱器，該加熱器可操作用以在淬火劑輸送系統(tǒng)向工件輸送淬火 劑的至少一部分時間期間加熱工件；以及控制器，該控制器用于控制所述淬火劑輸送系統(tǒng)和所述加熱器中 的至少一個，使得所述淬火劑輸送系統(tǒng)和所述加熱器共同將工件維持 在高于所述合金的馬氏體相形成溫度的預選保持溫度下。
20. 權(quán)利要求17的設備，該設備還包括用于產(chǎn)生對應于所述工件 溫度的信號的溫度傳感器，所述溫度傳感器可進一步操作使所述信號 聯(lián)通至控制器。
全文摘要
通過將工件加熱至高于合金奧氏體化溫度的溫度，然后使該工件與淬火介質(zhì)接觸來在含鐵合金體中形成預選的冶金相。在工件與淬火介質(zhì)接觸的至少一部分時間期間向工件輸入熱量。調(diào)節(jié)淬火介質(zhì)和/或熱源，使它們組合工作將工件維持在保持溫度下，該溫度高于在合金中形成馬氏體相的溫度。將合金維持在保持溫度下持續(xù)預定的時段后，將其冷卻至環(huán)境溫度。在特定的實施方案中，該系統(tǒng)工作以便在合金中形成貝氏體相。本發(fā)明還公開了實施所述方法的系統(tǒng)。
文檔編號A61F2/02GK101365399SQ200580038948
公開日2009年2月11日 申請日期2005年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月17日
發(fā)明者B·蘭迪諾, T·麥克洛維茲 申請人:普爾曼工業(yè)公司