專利名稱：用于制造高強(qiáng)度和延展性的鋼板的熱處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及經(jīng)常為軋制板或帶形式的低合金碳鋼工件的熱處理，以在例如沖壓期間增加工件的成型性，同時(shí)獲得更強(qiáng)的成型件。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及熱處理，其中，在工件在低于其Ms溫度下淬火以在其細(xì)化的顯微結(jié)構(gòu)中形成馬氏體與殘余奧氏體的期望混合物之前，低合金鋼板或工件以預(yù)定計(jì)劃在其奧氏體轉(zhuǎn)變溫度(A3溫度)之上和之下循環(huán)。這種熱循環(huán)的效果是增加了初始工件的成型性同時(shí)產(chǎn)出更高強(qiáng)度的成型產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
普通的碳鋼成分的板和帶已經(jīng)多年用于形成汽車的車身結(jié)構(gòu)構(gòu)件和車身板。這種鋼工件能夠沖壓或以其他方式形成為各種經(jīng)常是復(fù)雜的車身構(gòu)件形狀并且顯示出這種制造所需的強(qiáng)度。但是，隨著對(duì)降低車重以改善燃料經(jīng)濟(jì)性的增加的需求，已經(jīng)必須減小鋼板和鋼帶的厚度并且提高這種工件的成型性，同時(shí)設(shè)法獲得成型的車身部件及其他結(jié)構(gòu)的甚至更高的強(qiáng)度。按照美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)的描述，“當(dāng)沒(méi)有規(guī)定添加的鉻、鈷、鑰、鎳、鈮、鈦、鎢、釩或鋯或任何其他元素的最低含量以獲得期望的合金效應(yīng)時(shí)；當(dāng)銅的規(guī)定最低值不超過(guò)0.40%時(shí)；或者當(dāng)任何下列元素的最高含量不超過(guò)所指百分比時(shí):錳1.65、硅0.60、銅0.60，鋼被認(rèn)為是碳鋼?！痹谶@個(gè)定義中，沒(méi)有規(guī)定碳含量。低合金鋼通常含有少量的錳、鎳、鉻、鑰、釩和硅中的一種或多種。例如，一種典型的低碳低合金鋼，除了微量的通過(guò)再循環(huán)及初始材料的其他處理引入的其他元素之外，可以由(重量百分比)最多0.25%的碳、0.4%至0.7%的錳、0.1%至0.5%的娃以及剩余的鐵組成。在制造汽車車身部件的準(zhǔn)備中，這種普通的和低碳鋼的成分通過(guò)熱軋和冷軋操作的組合由鑄錠成型為板或帶的軋輥。根據(jù)它們的熱處理和機(jī)械加工處理歷史，這種熱軋鋼和冷軋鋼在環(huán)境溫度下可以 具有多種顯微組分。這種顯微組分可以包括鐵素體(α -鐵)-體心立方晶體結(jié)構(gòu)的鐵原子；碳化鐵或〃滲碳體〃；殘余奧氏體(Y -鐵)-面心立方晶體結(jié)構(gòu)的溶解碳的鐵原子；和馬氏體-亞穩(wěn)體心相的碳過(guò)飽和的鐵，其通過(guò)淬火奧氏體的無(wú)擴(kuò)散相變產(chǎn)生。由以適中冷卻速率冷卻高溫奧氏體相產(chǎn)生的典型顯微結(jié)構(gòu)將包括先共析鐵素體(在共析溫度以上與亞共析奧氏體分開(kāi)的鐵素體)和珠光體或貝氏體，或者更通常地，這些組分的組合。珠光體由交替的鐵素體和滲碳體薄片以較小的過(guò)冷從奧氏體共析成分(鐵具有0.8%重量百分比的碳)協(xié)同生長(zhǎng)而形成。貝氏體以較高的過(guò)冷由奧氏體形成并且包括鐵素體板連同在這些板之間或內(nèi)部沉淀的精細(xì)碳化物。以足夠高的冷卻速率，能夠通過(guò)由無(wú)擴(kuò)散切變進(jìn)行的奧氏體向亞穩(wěn)馬氏體相的轉(zhuǎn)變來(lái)消除奧氏體向鐵素體、珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變。根據(jù)鋼成分、冷卻速率和淬火溫度，顯微結(jié)構(gòu)中的奧氏體相的一部分能夠在環(huán)境溫度下保留。在這些參數(shù)中，促進(jìn)殘余奧氏體穩(wěn)定性的是高含碳量和細(xì)晶粒尺寸。為了獲得適合于隨后的板成型操作的顯微結(jié)構(gòu)，冷軋鐵素體鋼工件通常受熱到它們相應(yīng)的A3溫度以上(例如，接近900攝氏度，取決于合金鋼的成分)以獲得均勻的奧氏體晶體結(jié)構(gòu)并且然后淬火到它們的Ms溫度以下(例如，約400攝氏度，還是取決于鋼成分)以轉(zhuǎn)換一部分奧氏體相為馬氏體。新成型的馬氏體與殘余奧氏體的所得到的比例影響鋼工件的成型性和強(qiáng)度。這種熱處理實(shí)踐可以由鋼供應(yīng)商執(zhí)行或者由制造商執(zhí)行，其將要使鋼板或帶材料變形為沖壓的或以其他方式成型的產(chǎn)品。車身部件的制造商獲得板或帶材料，并且從其上切割合適的節(jié)段用于部件的成型。部件可以在環(huán)境溫度下在沖壓車間中成型或者在加熱壓力機(jī)或其他金屬成型機(jī)器中成型。隨著生產(chǎn)的鋼顯微結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越來(lái)越高，帶或板工件已經(jīng)逐漸變得越來(lái)越薄。鋼加工成車身部件的目標(biāo)開(kāi)始于在期望成型溫度(通常為環(huán)境溫度)下高度可成型的低合金鋼工件，然后生產(chǎn)非常強(qiáng)且質(zhì)輕的成型鋼部件。但是，難以實(shí)現(xiàn)初始低強(qiáng)度和高成型性與最終復(fù)雜形狀和高強(qiáng)度這兩個(gè)目標(biāo)。特別設(shè)計(jì)成滿足對(duì)高強(qiáng)度與延展性的更好組合的最新需求的鋼板已經(jīng)分類成先進(jìn)高強(qiáng)度鋼?！N獲得帶有增強(qiáng)強(qiáng)度和增強(qiáng)延展性的需要組合的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的方法依賴于在成型之前保留鋼顯微結(jié)構(gòu)中的高溫奧氏體相的能力。一旦對(duì)奧氏體鋼淬火，淬火的顯微結(jié)構(gòu)中的一些高溫奧氏體相就有就這樣保留的趨勢(shì)，而不轉(zhuǎn)變成馬氏體相或其他奧氏體分解產(chǎn)物。鋼，特別是合金化的和加工成包含相當(dāng)多的殘余奧氏體的，能夠經(jīng)歷相變感生可塑性，由此，成型期間殘余奧氏體的應(yīng)變感生轉(zhuǎn)變得到更大級(jí)別的強(qiáng)度和延展性。鋼能夠進(jìn)行特別配制和加工以便最大化初始鋼板中的殘余奧氏體量，因此最好地利用相變感生可塑性或"TRIP〃效果，這改善鋼的延展性。由于TRIP鋼在室溫下成型，部件的劇烈應(yīng)變區(qū)域中的殘余奧氏體將轉(zhuǎn)變成馬氏體。結(jié)果是，在部件的那些區(qū)域中，加工硬化速率增大，這抑制了局部變薄或"頸縮"，并因此提高鋼的延展性或成型性。鋼能夠配制和加工以便在形變之前保留更大量的奧氏體，因此在成型的部件中獲得強(qiáng)度和延展性的更大組合。這種鋼成分的配制可以包括多達(dá)0.4%C和1.5%Mn的量級(jí)。除了提高鋼的強(qiáng)度和硬化度之外，C和Mn是強(qiáng)奧氏體穩(wěn)定合金元件，這降低馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度并且在淬火時(shí)促進(jìn)奧氏體殘余。為保留大分?jǐn)?shù)的奧氏體的目的設(shè)計(jì)的合金鋼還可以包含大約l%Si或Al的量級(jí)以抑制碳化物的成型，這將以其他方式耗盡殘余奧氏體的碳含量，使它在室溫下較不穩(wěn)定。在鋼工件成型之前保留低合金鋼板材料中的奧氏體的現(xiàn)有實(shí)踐已經(jīng)使用標(biāo)準(zhǔn)奧氏體化熱處理，或者可替代地，在淬火之前在雙相臨界溫度范圍內(nèi)預(yù)熱板作為初加工步驟。仍然需要保留和/或更改低合金含量鋼板和鋼帶中的奧氏體的改善方法，以便它們能夠更容易地形成復(fù)雜的三維形狀，其呈現(xiàn)高強(qiáng)度和剛度，以用于車輛應(yīng)用及其他用途。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施，低合金鋼工件逐漸地被加熱到第一預(yù)定溫度，對(duì)于合金的特定成分而言，在此溫度以上時(shí)顯微結(jié)構(gòu)完全轉(zhuǎn)變成奧氏體(a3)。同樣地，低合金鋼的A3溫度可以超過(guò)約900攝氏度，取決于鋼的合金含量。奧氏體晶粒的碳含量與鋼的碳含量相同。鋼工件可以例如為車身部件的制造設(shè)計(jì)的板卷或帶卷的形式?；蛘?，工件可以是較小的板或帶的形式，為成型操作而進(jìn)行切割、成型和制備。工件被加熱到合適的預(yù)定溫度，例如高于其A3溫度約10攝氏度。奧氏體化的低合金鋼工件然后被冷卻至低于其第一溫度的預(yù)定第二溫度并且通常適當(dāng)?shù)氐陀贏3溫度約10攝氏度。鋼工件至低于A3溫度的這種冷卻步驟促使由剛成型的奧氏體形成為一些先共析鐵素體。工件中奧氏體晶體結(jié)構(gòu)的主要部分保留下來(lái)。較小的鐵素體晶粒在奧氏體晶界處形成。在處于第二和較低溫度的數(shù)秒時(shí)段之后，工件被重新加熱到工件的A3溫度以上。當(dāng)鋼被重新加熱到A3溫度以上時(shí)，新沉淀的先共析鐵素體晶粒就溶解，并且新的奧氏體晶粒沉淀在奧氏體晶界處和奧氏體/鐵素體界面邊界處。結(jié)果是細(xì)化的奧氏體晶粒度，歸因于受熱時(shí)更多數(shù)量的奧氏體成核點(diǎn)。A3溫度以上和以下的相應(yīng)溫度的保持時(shí)間可以例如是數(shù)秒，例如三十秒或更少，的預(yù)定時(shí)段。加熱速度可以是基于實(shí)際的加熱實(shí)踐。熱循環(huán)實(shí)踐可以例如通過(guò)在熱處理爐的不同溫度區(qū)段之間移動(dòng)工件被執(zhí)行，為這樣的循環(huán)熱處理設(shè)定尺寸并進(jìn)行控制?；蛘?，可以在不同的感應(yīng)加熱線圈之間移動(dòng)工件。在剛好高于與低于工件的A3溫度的溫度之間進(jìn)行這種循環(huán)熱處理的目的和功能是為了在較低溫度下重復(fù)地沉淀較小量的先共析鐵素體以及在高于A3溫度的較高溫度下重新溶解鐵素體。這個(gè)過(guò)程有利地在A3溫度以上細(xì)化奧氏體晶粒尺寸，并且同樣地，在A3溫度以下細(xì)化奧氏體加鐵素體顯微結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸。通過(guò)相當(dāng)快的碳擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)和控制這些相變。期望較慢擴(kuò)散合金元素，例如錳，將保留在鐵素體和奧氏體中的它們的初始濃度。這種熱循環(huán)重復(fù)幾次(例如2至4次)，直到獲得預(yù)定改變的奧氏體晶粒顯微結(jié)構(gòu)，為在合適的淬火介質(zhì)流體中把工件淬火到鋼成分開(kāi)始(啟始)馬氏體形成的溫度，Ms (馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變)溫度，以下的預(yù)定溫度做準(zhǔn)備。在奧氏體顯微結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過(guò)A3溫度以上和以下的熱循環(huán)而基本上細(xì)化之后，鋼工件將被淬火到其Ms溫度與其Mf (馬氏體完成轉(zhuǎn)變)溫度之間的溫度。選擇此淬火溫度以形成期望比例的馬氏體和殘余奧氏體。這些比例影響鋼的延展性(因此影響鋼的成型性)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，可以依靠殘余奧氏體的改進(jìn)的顯微結(jié)構(gòu)并且立即把鋼淬火到室溫用于隨后的成型或使用。但是，在本發(fā)明的許多實(shí)施例中，鋼(帶有其細(xì)化的奧氏體)現(xiàn)在可以被進(jìn)一步地處理，通過(guò)在其淬火溫度處或以上加熱以用于殘余奧氏體的碳富集。在淬火到Ms與Mf之間的溫度之前存在兩種可能的起始條件。I)如果淬火之前的上一熱循環(huán)使工件溫度在A3以上，那么，淬火的顯微結(jié)構(gòu)是帶有由鋼的大量碳含量提供的或多或少均勻碳濃度的細(xì)晶奧氏體。無(wú)論是否殘余的奧氏體將具有與鋼最開(kāi)始有的大致相同的碳含量，但是奧氏體晶粒已經(jīng)有利地被改變。2)另一方面，鋼能夠剛好從正好低于A3的起始溫度淬火，即，處于相穩(wěn)定性的臨界鐵素體加奧氏體區(qū)域。在這種情況下，淬火之前的起始條件將是細(xì)晶粒鐵素體加奧氏體顯微結(jié)構(gòu)，但是在這種情況下，事實(shí)上全部碳將在奧氏體中，沒(méi)有在鐵素體中的。也就是說(shuō)，淬火之前在臨界區(qū)域中形成的鐵素體通過(guò)抑制碳進(jìn)入奧氏體而沉淀。由鐵素體沉淀得到的碳富集奧氏體將更穩(wěn)定，因?yàn)槿芤褐杏懈嗟奶迹菍?huì)有更少的碳，因?yàn)楝F(xiàn)在顯微結(jié)構(gòu)中有鐵素體。通常，可以優(yōu)選為，在淬火(到低于Ms)之前，預(yù)先確定奧氏體的碳含量與體積分?jǐn)?shù)之間的權(quán)衡(相對(duì)于特定鋼)，其導(dǎo)致最大量的殘余奧氏體。碳鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(S卩，在Ms與Mf溫度之間)下的進(jìn)一步加熱或保持允許碳并且可能是其他奧氏體穩(wěn)定溶質(zhì)進(jìn)一步分配給奧氏體相從而進(jìn)一步穩(wěn)定其而不易在最終的淬火至室溫期間轉(zhuǎn)變。此熱處理過(guò)程的目的是在工件中產(chǎn)生顯微結(jié)構(gòu)，其既進(jìn)一步地提高其在室溫下的成型性，同時(shí)還保持對(duì)形成為制造件的鋼進(jìn)一步強(qiáng)化的可能性。由于淬火之前工件在其A3溫度以上和以下的前一熱循環(huán)，現(xiàn)在在淬火鋼中保留更多的奧氏體，這提高了其延展性和成型性。熱循環(huán)期間形成的細(xì)化晶粒奧氏體更好地經(jīng)受Ms以下的淬火(并且到環(huán)境 溫度)，得到的帶有預(yù)定的馬氏體與殘余奧氏體部分的顯微結(jié)構(gòu)允許鋼工件形成更復(fù)雜的形狀。淬火的工件在其用于板沖壓或其他成型或制造操作之前可以經(jīng)歷一段時(shí)間。但是，成型步驟的能量然后仍進(jìn)一步地促進(jìn)殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。這進(jìn)一步的顯微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提高了成型的鋼產(chǎn)品的延展性。由Ms以下淬火之前的熱循環(huán)(A3溫度以上和以下)得到的較小的奧氏體晶粒尺寸，增加了淬火的鋼中的殘余奧氏體的量并且因此有助于鋼的更高成型性。在成型之前，由熱循環(huán)得到的較小晶粒尺寸也提高了鋼的強(qiáng)度。并且，由于加工硬化，熱循環(huán)和淬火的鋼上進(jìn)行的成型操作提高了沖壓金屬板產(chǎn)品的強(qiáng)度。因此，本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)是，獲得更易成型的鋼工件，并且，得到的成型工件更強(qiáng)。例如，這個(gè)過(guò)程設(shè)法獲取的目標(biāo)特性是(i)百分之三十的總拉伸延伸率且拉伸強(qiáng)度約為lOOOMPa，或(ii)百分之二十的總拉伸延伸率且拉伸強(qiáng)度為1500MPa。優(yōu)點(diǎn)的組合特別有用，例如，在制造機(jī)動(dòng)車輛的更輕重量且更復(fù)雜成型的車身部分中。本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)將從說(shuō)明書(shū)的下文給出的示例實(shí)施例明顯看出。在這些示例中，將參照附圖，附圖在本說(shuō)明書(shū)的下面部分描述。


圖1是代表性車身結(jié)構(gòu)的斜視圖，不帶車身覆蓋件，有時(shí)稱作白車身，骨架結(jié)構(gòu)件作為可以由鋼起始工件按照本文公開(kāi)的實(shí)踐進(jìn)行熱處理而形成的候選結(jié)構(gòu)車身部件的例子。圖2是溫度對(duì)時(shí)間的曲線圖，解釋按照本發(fā)明進(jìn)行的低合金鋼工件的熱處理的例子中的加熱和冷卻步驟的順序。熱 處理的關(guān)鍵特征包括，加熱鋼到其A1溫度以上并且進(jìn)一步地到其A3溫度以上，然后，在鋼從其奧氏體區(qū)域淬火到低于其Ms溫度的淬火溫度Q以進(jìn)行進(jìn)一步的熱處理之前，在A3溫度以上和以下對(duì)鋼進(jìn)行預(yù)定次數(shù)的熱循環(huán)。繼淬火之后，兩個(gè)可替代的過(guò)程在圖2中示出。工件可以在淬火到室溫(通常為約25至30攝氏度)之前保持在其Q溫度一段時(shí)間，或者，它可以在淬火到大約室溫之前被加熱到更高溫度P。圖3是溫度對(duì)時(shí)間的曲線圖，解釋按照本發(fā)明進(jìn)行的低合金鋼工件的熱處理的例子中的加熱和冷卻步驟的稍有不同的順序。熱處理的關(guān)鍵特征包括，加熱鋼到其A3溫度以上，然后，在鋼從正好在其A3溫度以下的溫度(即，其臨界溫度區(qū)域中的溫度)淬火到低于其Ms溫度的淬火溫度Q以進(jìn)行進(jìn)一步的熱處理之前，在A3溫度以上和以下對(duì)鋼進(jìn)行預(yù)定次數(shù)的熱循環(huán)。像圖2中一樣，繼淬火之后，兩個(gè)可替代的過(guò)程在圖3中示出。工件可以在淬火到室溫(通常為約25至30攝氏度)之前保持在其Q溫度一段時(shí)間，或者，它可以在淬火到大約室溫之前被加熱到更高溫度P。
具體實(shí)施例方式本主題熱處理過(guò)程的目的是產(chǎn)生先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，帶有用于板或帶工件的成型與用于成型工件中更高拉伸強(qiáng)度的延展性的改進(jìn)組合。通過(guò)在對(duì)工件淬火以及進(jìn)一步加熱其淬火的顯微結(jié)構(gòu)之前使標(biāo)準(zhǔn)或修改的化學(xué)成分經(jīng)歷新的熱循環(huán)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。通常，本主題的過(guò)程適用于低合金鋼。合適鋼的例子是命名為TRIP的商售鋼(例如，Arcelor Mittal TRIP 780)，其有適合本發(fā)明實(shí)踐的成分。AM TRIP 780的標(biāo)稱成分(重量百分比)為0.25%的碳、2%的錳、最多2%的鋁加硅以及剩余的鐵，帶有奧氏體和無(wú)碳化物貝氏體的顯微結(jié)構(gòu)分散在軟鐵素體基體中?，F(xiàn)在關(guān)注的是使低成本鋼適應(yīng)于制造復(fù)雜的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)車身構(gòu)件。車身構(gòu)件通常具有較長(zhǎng)的尺寸，在其中它們可以是彎曲的，并且它們通常具有形成復(fù)雜形狀的橫截面。起始工件需要具有合適的延展性以適應(yīng)這種成型，于是，成型結(jié)構(gòu)部件需要呈現(xiàn)高強(qiáng)度和剛度。這種結(jié)構(gòu)件的例子在本說(shuō)明書(shū)的圖1中示出。現(xiàn)有機(jī)動(dòng)客運(yùn)車的車身框架包括復(fù)雜形狀的單獨(dú)成型的高強(qiáng)度鋼單元結(jié)構(gòu)，其通過(guò)焊接結(jié)合成強(qiáng)的單元結(jié)構(gòu)。在車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中滿足許多需求，這必須提供內(nèi)部空間，其用于向車輛車輪傳遞動(dòng)力的動(dòng)力設(shè)備，用于許多附件以及用于許多乘客。并且，車身結(jié)構(gòu)在車輛操作期間為乘客提供保護(hù)。希望形成可成型的和強(qiáng)的鋼工件的許多這些結(jié)構(gòu)，其由本發(fā)明的方法制備。圖1示出骨架白車身結(jié)構(gòu)10，不帶側(cè)板或頂板。復(fù)雜橫截面形狀的車身構(gòu)件的例子包括前保險(xiǎn)杠12、后保險(xiǎn)杠14、側(cè)框架構(gòu)件16、后框架構(gòu)件17、底板支撐構(gòu)件
18、容納傳動(dòng)軸20的坑道式殼體、前支撐結(jié)構(gòu)22、B柱24和頂支撐26。而且，車身包括底板底盤28和車輪外殼30。這些結(jié)構(gòu)件的每個(gè)可以由合適的延展性鋼板或帶工件沿著其長(zhǎng)度形成為彎曲形狀并且?guī)в袕?fù)雜的彎曲橫截面，其提供對(duì)車身構(gòu)件的加固以及在整個(gè)車身結(jié)構(gòu)的構(gòu)造中焊接到相鄰構(gòu)件的裝置。用于這種車輛結(jié)構(gòu)車身構(gòu)件的成型的合適的鋼成分的例子包括那些在本說(shuō)明書(shū)上文指出的。這樣的成分可以以長(zhǎng)的帶或板軋輥的形式制備，其具有鋼部件制造商使用的特定寬度和厚度。本發(fā)明的熱處理能夠在鋼板卷的初始制造期間應(yīng)用。軋制材料的區(qū)段或部分可以從軋輥上切下用于在合適的沖壓壓力機(jī)或其他金屬成型機(jī)器上成型。替代地，本主題的熱處理過(guò)程可以在來(lái)自先前生產(chǎn)的卷或毛坯的板的后處理中應(yīng)用。如上所述，本說(shuō)明書(shū)專 注于鋼板和鋼帶材料的熱處理以提供成型的良好延展性和成型產(chǎn)品的良好強(qiáng)度。本發(fā)明的實(shí)踐可以利用一個(gè)或多個(gè)爐子或其他加熱方法，例如感應(yīng)加熱，和用于鋼工件在不同溫度處理的裝置，如上文和本說(shuō)明書(shū)的下面段落中所指出的。參照?qǐng)D2和3，它們是熱處理過(guò)程溫度對(duì)時(shí)間的曲線圖，將用于大體說(shuō)明低合金鋼工件的新的熱處理的兩種實(shí)踐，以提高初始為大體平板形狀的物件的成型性并且提高從初始形狀產(chǎn)生的成型物件的強(qiáng)度。圖2和3的曲線圖的豎直溫度軸線表明非特定的A3溫度(在以特定的溫度升高速度加熱的時(shí)候完成奧氏體形成XA1溫度(在以特定的溫度升高速度加熱的時(shí)候開(kāi)始奧氏體形成)、Ms溫度(冷卻，通常為淬火，形成馬氏體的開(kāi)始)和Mf溫度(冷卻形成馬氏體的結(jié)束)。每種鋼成分的溫度的這些值是已知的、能夠算出的或者靠試驗(yàn)很容易確定的。圖2和3的橫軸上沒(méi)有示出時(shí)間的特定值。但是在過(guò)程中，各個(gè)步驟的持續(xù)時(shí)段將是數(shù)秒至幾分鐘的量級(jí)。并且，通常，適合于特定低合金鋼成分和形狀的特定溫度和處理時(shí)間將憑經(jīng)驗(yàn)或特定應(yīng)用中的試驗(yàn)預(yù)先確定。但是，處理溫度和時(shí)間的認(rèn)識(shí)將從下面的描述中理解。為了明了對(duì)處理的說(shuō)明，各個(gè)溫度的值將反映成穿過(guò)曲線的水平線，在圖2和3中，隨時(shí)間變化的過(guò)程用處理線表示?，F(xiàn)在參照?qǐng)D2，具有已知成分且具有用于成型的工件的形式的選定鋼在合適的爐子和氣氛中被逐漸加熱(以適當(dāng)快的速度)到其A3溫度以上的溫度，例如約890攝氏度以上以將工件的顯微結(jié)構(gòu)均勻地轉(zhuǎn)變成奧氏體。在完全奧氏體化的狀態(tài)中，奧氏體的碳含量(Cy )等于鋼的初始碳濃度Ci。如處理線的第一水平段所指示，工件保持在A3溫度以上的此初始溫度足夠長(zhǎng)的時(shí)間以確保期望的完全奧氏體顯微結(jié)構(gòu)。
在現(xiàn)有技術(shù)實(shí)踐中，奧氏體化工件現(xiàn)在將從其熱處理爐子中移除并且淬火到其Ms溫度以下的溫度。這樣的直接淬火過(guò)程通常包括"淬火-分離"實(shí)踐以用于在工件中獲得期望部分的殘余奧氏體和馬氏體。但是這個(gè)直接淬火實(shí)踐不跟隨本發(fā)明的實(shí)踐。相反地，工件在其A3溫度附近循環(huán)地被冷卻和加熱以更好且獨(dú)特地改變奧氏體晶粒結(jié)構(gòu)。各個(gè)冷卻、保持和再加熱時(shí)段由圖2的豎直和水平線示意性地表示。豎直線表示冷卻和加熱時(shí)段，這些通常需要大概數(shù)秒，如下面文字描述的。這種熱循環(huán)是在工件淬火到其Ms溫度以下之前完成的。這種熱循環(huán)在圖2給出的熱處理過(guò)程曲線圖中簡(jiǎn)單示意概要地示出。如圖2中示出的逐步、上下、矩形形狀的溫度-時(shí)間變化，工件現(xiàn)在冷卻到剛好在A3溫度以下的溫度。這個(gè)較低溫度是在鋼成分的溫度/相圖的兩相奧氏體-鐵素體區(qū)域中。特定溫度，A3溫度以上和以下的，可以憑經(jīng)驗(yàn)或?qū)γ總€(gè)鋼工件的試驗(yàn)來(lái)確定。但是高出和低于A3溫度大約10攝氏度的溫度，約十秒的保持時(shí)間，對(duì)于要按照本發(fā)明處理的新鋼工件來(lái)說(shuō)，通常是合適的且被認(rèn)為是良好的起點(diǎn)。工件被冷卻到奧氏體(fee)晶粒開(kāi)始轉(zhuǎn)變成先共析鐵素體(bcc)的溫度水平。鐵素體材料在奧氏體晶粒界面處顯著地成核。鐵素體形成有(沉淀有)近乎零的碳含量，并且，隨著鐵素體相的量升高和增長(zhǎng)，碳擴(kuò)散到殘余奧氏體中。在較短預(yù)定時(shí)段(例如約十秒)之后，工件被加熱回到工件的A3溫度以上的奧氏體區(qū)域中的其第一溫度(或類似的)。這在圖 2中示意性地示出。重新加熱的工件的顯微結(jié)構(gòu)中的鐵素體開(kāi)始轉(zhuǎn)變回奧氏體，但是，形成了新的更小的奧氏體晶粒。在較高溫度處的預(yù)定短時(shí)間(同樣例如約三十秒)之后，工件再次被冷卻至剛好在其A3溫度以下的溫度以再次開(kāi)始轉(zhuǎn)變小部分奧氏體為鐵素體。在工件最終淬火到其Ms溫度以下的溫度之前，剛好在工件A3溫度以上和以下進(jìn)行的這種熱循環(huán)重復(fù)預(yù)定次數(shù)。如圖2所示，在低合金鋼工件初始加熱至其A3溫度之后，其在A3溫度附近經(jīng)歷預(yù)定數(shù)量的冷卻和加熱循環(huán)以細(xì)化奧氏體的晶粒結(jié)構(gòu)。預(yù)定的溫度變化可以是約二十?dāng)z氏度(A3溫度以上和以下十度)，并且工件可以在選定溫度保持一定時(shí)段，例如十至三十秒或更久。加熱和冷卻可以例如通過(guò)使工件在一個(gè)或多個(gè)爐子的不同區(qū)段之間移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它也可以例如通過(guò)感應(yīng)加熱系統(tǒng)的溫度管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。并且，如本說(shuō)明書(shū)的上文所述，熱循環(huán)的工件在A3溫度以上或以下的溫度時(shí)，熱循環(huán)可以結(jié)束(并且淬火開(kāi)始)。在圖2示出的過(guò)程中，當(dāng)工件在其A3溫度以上并且處于完全奧氏體化狀態(tài)(如圖2的處理點(diǎn)A所示)時(shí)，執(zhí)行淬火。淬火在圖2的右側(cè)示出(工件在A3溫度以上)并且在圖2的總過(guò)程示圖中示出。Ms溫度以下的淬火之前的這種熱循環(huán)細(xì)化了初始奧氏體顯微結(jié)構(gòu)并且使它對(duì)熱處理的淬火和分離部分更敏感。在這種周期性加熱和冷卻之后，工件中的奧氏體相分布成更細(xì)的晶粒，這在淬火到馬氏體時(shí)促進(jìn)了更多未轉(zhuǎn)變奧氏體的保留。此外，細(xì)化的馬氏體/奧氏體組分提供更短的擴(kuò)散距離，用于更有效的分離碳與替換溶質(zhì)從而在最后淬火時(shí)進(jìn)一步穩(wěn)定奧氏體。本發(fā)明的處理的目的是增加殘余奧氏體的碳含量以及工件在成型之前其中殘余奧氏體的量。更大體積分?jǐn)?shù)的殘余奧氏體導(dǎo)致改進(jìn)的延展性。另外，初始淬火之前形成的細(xì)化顯微結(jié)構(gòu)在整個(gè)處理中保留，導(dǎo)致鋼的更大強(qiáng)度。如圖2所示，循環(huán)熱處理的工件現(xiàn)在在其Ms溫度以下淬火至淬火溫度(Q)。在淬火溫度Q，工件開(kāi)始轉(zhuǎn)變其細(xì)化奧氏體為馬氏體。顯微結(jié)構(gòu)包括帶有其碳含量的殘余奧氏體(由圍繞A3的熱循環(huán)細(xì)化的)，其大致等于低合金鋼的初始碳含量。顯微結(jié)構(gòu)還包括馬氏體，馬氏體也具有與其相關(guān)聯(lián)的與初始低合金鋼的碳含量成比例的碳。在達(dá)到淬火溫度且獲得工件的均勻溫度之后，可以短時(shí)間保持在其淬火溫度(Q，恒溫，圖2的實(shí)線)，因?yàn)楦嗟奶紡鸟R氏體移出且變得與殘余和變化的奧氏體相關(guān)聯(lián)。工件然后淬火到室溫并且為沖壓或其他成型工藝做準(zhǔn)備。在圖2的過(guò)程的另一實(shí)施例中，工件可以被加熱到稍高的溫度(如圖2的虛線過(guò)程，作為更高的分離溫度P)以更快地提高奧氏體碳含量。在這個(gè)更高的碳分離溫度P，更多的碳變得與殘余和變化的奧氏體相關(guān)聯(lián)，這有利地提高工件的延展性。同樣地，工件然后淬火到標(biāo)稱室溫并且為沖壓或其他成型工藝做準(zhǔn)備。在A3附近熱循環(huán)以及Ms以下淬火之后的處理的時(shí)間和溫度的組合可以憑經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)確定，以產(chǎn)生提供合適的延展性以用于預(yù)計(jì)成型操作的顯微結(jié)構(gòu)并且獲得變形物件的強(qiáng)度。圖3的時(shí)間-溫度過(guò)程曲線圖示出圖2的上述實(shí)踐的變形。如圖2的過(guò)程，工件被加熱到其A3溫度以上并且完全奧氏體化。如圖2所示，奧氏體化工件在其A3溫度以上和以下被加熱預(yù)定次數(shù)。但是，在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)工件已經(jīng)從其奧氏體化狀態(tài)(圖3的過(guò)程點(diǎn)A)在冷卻步驟冷卻到其臨界退火區(qū)域中的在其A3溫度以下但在其A1溫度以上的溫度(圖3中的過(guò)程點(diǎn)IA)時(shí)，工件淬火。IA溫度點(diǎn)和保持持續(xù)時(shí)間在圖3中示意性地示出以表明，溫度和保持時(shí)間是預(yù)先確定的以形成期望的少量先共析鐵素體，這將其大量碳含量給予奧氏體。在這個(gè)實(shí)施例中，工件然后淬火至低于其Ms溫度的溫度Q，同時(shí)，工件含有一些先共析鐵素體和碳富集變化的殘余奧氏體。在其淬火至Q之后，工件的處理可以是參照?qǐng)D2描述的用于變化的奧氏體的進(jìn)一步碳富集的任意實(shí)踐?？偨Y(jié)
在A3溫度圍繞工件的本主題熱循環(huán)提供改進(jìn)的細(xì)化奧氏體顯微結(jié)構(gòu)，用于更好的延展性和最終強(qiáng)度。傳統(tǒng)的淬火(緊跟著工件奧氏體化之后)和分離方法通過(guò)立即淬火奧氏體化鋼至最佳淬火溫度然后在分離(有時(shí)更高)溫度進(jìn)行進(jìn)一步熱處理來(lái)設(shè)法最大化殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)。分離步驟是用來(lái)重新分配碳和其他可能奧氏體穩(wěn)定溶質(zhì)到奧氏體相中以在最終淬火至室溫時(shí)進(jìn)一步穩(wěn)定其而不易轉(zhuǎn)變。如上面詳細(xì)描述的，本發(fā)明通過(guò)添加新穎的預(yù)先熱處理步驟改善了淬火和分離鋼的強(qiáng)度和延展性。在此，通過(guò)特定鋼成分的A3溫度特性以上的簡(jiǎn)短加熱，鋼首先完全奧氏體化。鋼的溫度然后通過(guò)在稍微低于A3溫度下冷卻然后稍微回至A3溫度以上進(jìn)行循環(huán)。在保留奧氏體之前通過(guò)淬火至馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度以下，A3溫度以上和以下的熱循環(huán)細(xì)化了顯微結(jié)構(gòu)。利用A3溫度以下的每次偏移進(jìn)入兩相鐵素體加奧氏體相區(qū)域，先共析鐵素體沉淀在奧氏體晶粒晶界上，因此形成鐵素體/奧氏體相間晶界區(qū)域的增大。利用A3溫度以上的每次偏移，通過(guò)奧氏體沉淀在晶粒晶界和相間晶界上，使鋼重新奧氏體化。成核點(diǎn)是更大量的，并且因此奧氏體晶粒尺寸減小。利用A3溫度附近的熱循環(huán)的每次重復(fù)，進(jìn)一步細(xì)化顯微結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在顯而易見(jiàn)的是，A3溫度附近的這種熱循環(huán)提供優(yōu)勢(shì)。第一，獲得更多的殘余奧氏體。因?yàn)椋ㄟ^(guò)熱循環(huán)，奧氏體組分的尺寸減小，其更穩(wěn)定，不易轉(zhuǎn)變成馬氏體，并且在淬火時(shí)更易于保留。第二，通過(guò)改善的溶質(zhì)分離實(shí)現(xiàn)奧氏體的更大穩(wěn)定性。因?yàn)?，很大地更?xì)化了顯微結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散距離相應(yīng)地減小以在最終淬火之前實(shí)現(xiàn)奧氏體-穩(wěn)定溶質(zhì)的更有效分離到殘余奧氏體。因此，提高了延展性。以及第三、在成型產(chǎn)品中獲得更高的強(qiáng)度。強(qiáng)度 受到基體顯微結(jié)構(gòu)尺度的影響。通過(guò)在初始淬火之前首先形成奧氏體或奧氏體加鐵素體顯微結(jié)構(gòu)的細(xì)化，提高了鋼的強(qiáng)度。
本發(fā)明的實(shí)施已經(jīng)用一些例子和曲線圖進(jìn)行了解釋。但是，本發(fā)明的范圍不意圖受到這種示例例子的限 制。
權(quán)利要求
1.一種熱處理低合金碳鋼成分工件的方法，用于改善其延展性以成型為制造件并且提供成型件的提高的強(qiáng)度，所述低合金碳鋼工件具有碳含量，并且開(kāi)始時(shí)具有鐵素體顯微結(jié)構(gòu)；所述方法包括: 加熱所述鋼成分工件到其A3溫度以上的第一溫度，直到所述鋼成分工件的顯微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成奧氏體晶粒； 在冷卻時(shí)段將所述鋼成分工件冷卻到其A3溫度以下的第二溫度，以開(kāi)始鐵素體在奧氏體晶粒的晶界處的沉淀，所述第二溫度和冷卻時(shí)段的持續(xù)時(shí)間被確定以保留所述顯微結(jié)構(gòu)中的大部分奧氏體晶粒； 在再加熱時(shí)段再加熱所述鋼成分工件到其A3溫度以上的溫度以由沉淀的鐵素體在未轉(zhuǎn)變成鐵素體的奧氏體晶界處重新形成新的奧氏體晶粒； 重復(fù)所述鋼成分工件到其A3溫度以下的冷卻和到其A3溫度以上的再加熱，以獲得變化的和重新形成的奧氏體晶粒的預(yù)定顯微結(jié)構(gòu)；然后，當(dāng)所述鋼成分工件處于其A3溫度以上或以下的溫度時(shí)， 淬火所述鋼成分工件到其Ms溫度以下且其Mf溫度以上的淬火溫度，以開(kāi)始由變化的和重新形成的奧氏體形成馬氏體，并且獲得所述工件的顯微結(jié)構(gòu)中的殘余奧氏體的期望比例；以及隨后 淬火所述鋼成分工件到環(huán)境溫度，以為成型操作準(zhǔn)備所述鋼成分工件。
2.如權(quán)利要求1所述的熱處理低合金碳鋼成分工件的方法，并且，在淬火所述鋼成分工件到其Ms溫度以下且其Mf溫度以上的淬火溫度的步驟之后，進(jìn)一步地包括，在淬火所述鋼成分至環(huán)境溫度之前，維持所述鋼成分工件在其Ms溫度以下和其Mf溫度以上一段時(shí)間，以提高殘余奧氏體的比例。
3.如權(quán)利要求1所述的熱處理低合金碳鋼成分工件的方法，并且，在淬火所述鋼成分工件到其Ms溫度以下且其Mf溫度以上的溫度的步驟之后，進(jìn)一步地包括，在淬火所述鋼成分到環(huán)境溫度之前，加熱所述鋼成分工件到其淬火溫度以上，以提高殘余奧氏體的比例。
4.如權(quán)利要求1所述的熱處理低合金碳鋼成分工件的方法，其中，所述低合金碳鋼成分的組成包括，重量百分比的，量最高可達(dá)約0.4%的碳、量最高可達(dá)約1.5%的錳、量最高可達(dá)約1%的可選擇的硅、量最高可達(dá)約1%的可選擇的鋁，以及鐵。
5.如權(quán)利要求1所述的熱處理低合金碳鋼成分工件的方法，其中，冷卻所述鋼成分工件到其A3溫度以下和再加熱到其A3溫度以上的步驟被重復(fù)兩次或更多次以獲得變化的和重新形成的奧氏體晶粒的預(yù)定顯微結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的熱處理低合金碳鋼成分工件的方法，其中，所述低合金碳鋼成分工件分別被加熱到其A3溫度以上和以下的溫度在A3溫度的約十?dāng)z氏度以內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的熱處理低合金碳鋼成分工件的方法，其中，A3溫度附近各個(gè)加熱和冷卻時(shí)段的持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)于約三十秒。
8.如權(quán)利要求1所述的熱處理低合金碳鋼成分工件的方法，其中，進(jìn)行在A3溫度以上和以下加熱和冷卻所述工件，因此，為在環(huán)境溫度成型準(zhǔn)備的所述工件擁有的用于成型的延展性比沒(méi)有在其A3溫度附近熱循環(huán)的、但是用于成型的其他過(guò)程相同的奧氏體化的相同工件更大。
9.如權(quán)利要求1所述的熱處理低合金碳鋼成分工件的方法，其中，所述工件是板、卷起或展開(kāi)的形式。
10.如權(quán)利要求1所述的熱處理低合金碳鋼成分工件的方法，其中，所述工件是板、卷起或展開(kāi)的形式，并且，板材在環(huán)境溫度經(jīng)歷沖壓操作以形成成型的工件，所述成型的工件具有比沖壓前的板材強(qiáng)度更大的區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制造高強(qiáng)度和延展性的鋼板的熱處理。通過(guò)加熱工件至剛好在其奧氏體轉(zhuǎn)變溫度(Ac3溫度)以上的溫度，用于冷成型的低合金鋼工件的顯微結(jié)構(gòu)可以有利地改變。鋼工件然后冷卻到剛好其Ac3溫度以下以促進(jìn)奧氏體晶粒上及之間的鐵素體形成。Ac3溫度以上和以下的加熱和冷卻重復(fù)預(yù)定次數(shù)以在工件淬火到其馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以下之前細(xì)化奧氏體晶粒以形成馬氏體與更多殘余奧氏體的混合物。在淬火鋼工件至環(huán)境溫度以前，工件可以在其馬氏體區(qū)域進(jìn)一步地被加熱以增大殘余奧氏體的比例。提高了工件的成型性以及其成型形狀的強(qiáng)度。
文檔編號(hào)C21D8/02GK103215421SQ201310018810
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
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