CN101326294A - 快速回火工艺与设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于回火工件的方法。所述方法包括提供其中具有马氏体和/或贝氏体相的铁合金工件，加热至少一部分所述工件到预选温度，然后冷却所述工件到更低温度。所述预选温度低于所述合金的奥氏体化温度并且所述加热在不多于60秒内完成。本发明的一个实施例用电阻加热来加热所述工件。

Description

快速回火工艺与设备

相关申请的交叉引用

【0001】本申请要求于2005年12月8日提交的编号为60/748,473的美国临时专利申请的优先权，该申请通过引用被并入本文。

技术领域

【0002】本发明一般涉及冶金学。更具体地，本发明涉及回火其中包括马氏体相的铁合金材料的工艺与方法。最具体地，本发明涉及用于迅速回火其中具有马氏体相的铁合金物件。

背景技术

【0003】多种钢和其它这种铁合金可以通过以下步骤使其变硬：加热这些材料到高于它们奥氏体化温度的温度，然后以适当时间/温度分布图冷却它们使得其中形成马氏体相。选择冷却分布图以使得合金材料通过指定为马氏体转变开始温度的第一温度边界，然后通过指定为马氏体转变终止或停止温度的第二较低温度。在时间/温度曲线上，马氏体转变开始和终止边界的具体值和位置将取决于所用的特定合金。被指定为可硬化的钢一般具有马氏体转变开始和终止边界的值，以致这些钢可以被容易地淬火以形成马氏体相。

【0004】马氏体是由与较慢的扩散转变相对的位移转变形成的任意晶体结构。然而，对马氏体最普遍的了解是在非常硬的钢中发现的一种碳过饱和的铁氧体铸铁。马氏体通过快速冷却俘获碳原子的奥氏体以致它们不具有足够的时间扩散出奥氏体晶体结构而形成，并且包括碳过饱和的铁氧体颗粒。马氏体与普通铁氧体仅有的区分是：其形成依赖于位移转变而不是相对较慢的扩散和结晶。马氏体的影响可以通过应用加热被简单地减小或消除。因此，需要高强度的钢可以被淬火以制作过多的马氏体，然后回火以逐渐减小其浓度直到获得本申请的正确结构。

【0005】其中含有马氏体的钢被本领域的技术人员普遍称为马氏体钢。马氏体钢硬而脆。马氏体钢或(也被称为马氏永磁体)的典型抗张强度大约为220ksi(千磅每平方英寸)，其屈服强度通常为190ksi，并且伸长率百分数大约为4％。这些钢对于许多制造操作太脆，而且它们的高度脆性也会限制它们在特定应用中的使用。这样，包括机动车辆应用的许多应用需要马氏体钢被回火以增强它们的延伸特性。回火涉及再加热合金材料到高于马氏体开始转变温度但小于奥氏体化温度的温度以及随后冷却合金回到环境温度。回火工艺减小了马氏体的影响和/或在合金中产生了缓和马氏体相的性质的其它相。经回火的马氏体钢的典型抗张强度可以低到大约100ksi，屈服强度大约80ksi，并且伸长率至少15％。回火可以制作具有跨越这个范围任何位置的性质的多级马氏体。

【0006】贝氏体是良好的非薄片结构，该结构在奥氏体被快速地冷却到大约723℃的临界温度之下时在钢中形成。贝氏体可以与珠光体的构造相似，但其带有由与马氏体形成相似的机械位移形成的铁氧体。然而不同于马氏体，位移转变往往跟随有来自过度饱和铁氧体或奥氏体的碳凝结。因此尽管未转变(相变)的奥氏体和/或马氏体可以出现在铁氧体板之间，该形态通常由被碳化铁分离的铁氧体板的集合体组成。当在连续的冷却期间形成时，形成贝氏体的冷却率高于形成珠光体所需的冷却率，但低于形成马氏体的冷却率。

【0007】目前已通过在回火炉或回火箱内再加热马氏体和/或贝氏体物件来实现回火。这种工艺相当耗费时间、硬件密集并且需要相当大量的专用制造空间。在一些情况下，回火通过使用感应加热线圈实现。这些线圈通常扫过物件以产生加热区域。这种感应加热工艺难于控制，特别当物件包括不规则特征如空缺、突出等时，这类特征会扭曲感应场。一般基于感应的工艺不能够精确控制被处理物件的材料属性，并且它们的利用被限制于如消除应力的硬化物件的应用。

发明内容

【0008】提供了一种用于回火工件的方法。所述方法包括提供具有马氏体和/或贝氏体相的铁合金工件，加热至少一部分所述工件到预选温度，然后冷却所述工件到更低温度。所述预选温度低于所述合金的奥氏体化温度并且所述加热在不多于60秒内完成。本发明的一个实施例用电阻加热来加热所述工件。

附图说明

【0009】图1说明了本发明快速回火操作的时间-温度曲线。

具体实施方式

【0010】依照本发明，已发现马氏体和/或贝氏体的回火可以通过快速工艺实现，所述快速工艺在本文中被称为“快速回火”(flashtempering)。依照本发明和图1中加热曲线所示的方法，热量在相当短的时间段100内被输入到工件，并且加热量足够把所述工件的温度升高到低于奥氏体化温度220的预选温度210。预选温度优选高于图1中所示的马氏体开始转变温度230，然而这不是该方法所必须操作的。温度的选择将取决于被处理合金的具体性质和回火物件的期望属性。然后物件在环境条件下或通过接触如气体或液体的冷却液流体被冷却，以便使所述工件回到适合下一步处理或加工的温度。这种精确控制的加热和冷却工艺回火马氏体相，因此降低所述物件的脆度。

【0011】加热通常通过一种可以快速精确地把热能输入到物件的工艺来完成。一种这样的工艺包含电阻加热，其中电流通过工件的流动导致该工件的加热。其它加热方法可以包含辐射加热，其中光子能通量对准工件，还包括等离子体加热或火焰加热。在一些情况下，热惰性流体如气体或液体可以用来加热所述工件。

【0012】在本发明的一个特定实施例中，预先确定加热被回火工件的部分所需的热量。这可以通过以所述工件的已知或测量的特性为基础计算所需的热量来完成。在其他情况下，所需的热量可以通过当热量被输入到工件时测量所述工件的温度变化进行实验确定。在任何情况下，一旦用于使被回火工件的部分达到适当温度的热量被确定，所述热量可以容易且快速地输入到所述工件，例如通过流过所述工件的电流或通过把所述工件暴露在电磁能通量中。在本发明的一组实施例中，热量在不大于五秒的时间段内被输入到所述工件。在特定情况下，热能在不多于一秒的时段内被输入。

【0013】在一些情况下，本发明可以用于选择性地回火部分工件，以便提供其中变化可控的性质。例如，具有基本遍布其全部体积的马氏体相的工件可以被选择性地回火，使得所述工件的部分将具有减小的脆度和增加的伸长属性。这样，可以制作如机动车辆的入侵梁等吸能结构。

【0014】在一些情况下，所述系统可以操作以将热能的“脉冲”传递到工件的全部或部分，所述脉冲的能量足以引起快速回火。这个脉冲的强度可以通过基于工件属性的计算或通过相对标准工件的校准而被确定。在其他情况下，系统在反馈模式中可以是可操作的，其中相当高的能量流被输入到工件，该工件的温度被检测，并且能量输入被适当调整使得所述工件达到预期温度。在一些情况下，当所述工件的检测温度在确定的水平时，能量输入将被终止，而在其他情况下，考虑到温度过冲，能量输入将在某一较早的时间点终止。在另外的情况下，能量输入可以被控制，以便在预期的时间内保持所述工件在特定的温度。

【0015】一旦达到预期的温度，所述工件被可选地保持在所述温度并冷却回到环境温度，从而完成回火工艺。通常，从冶金学观点来看冷却率不是关键的。在那些工件相对薄的情况下，冷却可以简单地通过接触环境大气来完成。在其他情况下，冷却可以通过使气态或液态流体流过所述工件而被增强。在本发明的特定实施例中，加热和冷却可以被动态地平衡以达到适当的加热分布图。例如，加热脉冲可以被输入到所述工件，并且在加热有效输入期间的某一时刻，冷却剂流可以被启动。在其它情况下，冷却剂流可以在所述热脉冲输入后起动。

【0016】本发明采用的加热脉冲的持续时间取决于物件要被加热到的温度，以及取决于所述物件的导热性和尺寸。本发明的显著特点是可以采用相对短的加热脉冲来回火物件。这极大的简化了回火工艺并减少了回火工艺所需的保持时间以及专用于此的空间。在本发明的典型回火工艺中，物件在不多于一分钟的时间段内被加热到期望的温度，而在特定情况中不多于5秒。在特定实施例中，加热通过很短的能量脉冲完成，所述能量可以是电阻加热情况的电能量或者感应加热或辐射加热情况的电磁能量。

【0017】本发明的原理尤其适用于回火相对薄的物件，如机动车辆的框架或体部件或者静止或移动构造物的其他结构元件。同样，本发明对于在具有小于5mm以及特殊情况下小于2mm的厚度的物件上实现的回火操作有特定的优势。

【0018】本发明的工艺可以被结合到其它金属加工和处理工艺。例如，金属物件通过一种工艺被制作，其中电阻加热用来提高工件温度以便于形成操作。在此类情况下，所述温度通常上升到高于奥氏体化温度以便软化所述金属。随后，这种物件通常通过接触淬火流体被淬火，以便形成马氏体相并硬化该物件。如上文提到的，此类马氏体物件通常很脆并且使用有限。然而，在用于大体积制作工艺的典型钢中，不可能直接形成表形有预期高强度和延展性组合的冶金学相。因此，如上文讨论的，此类物件需要被分别回火。在利用那些如电阻或感应加热的快速加热工艺的情况下，进行操作以便为金属加工和马氏体形成提供加热的同样设备可以通过使用本发明的方法而被用于回火所述物件。在这种情况下，本系统可以被编程以提供用于快速回火物件的适当能量脉冲。考虑到本文提出的教导，本领域技术人员可以容易地改变这种设备以进行这种形式的操作。

【0019】前文的讨论与描述说明了本发明的具体实施例，但不意味着对其实施进行限制。考虑到本文提出的教导，其中众多的改进和变更对于本领域技术人员是明显的。定义本发明的范围的是所附的权利要求，包括全部的等效物。

Claims (20)

1.一种用于回火工件的方法，所述方法包含以下步骤：

提供铁合金工件，所述工件其中具有马氏体相和/或贝氏体相；

加热至少一部分所述工件到预选温度，所述预选温度低于所述铁合金的奥氏体化温度，其中所述加热在不多于60秒内完成；以及

冷却所述工件到低于所述预选温度的温度；

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件的加热在不多于30秒内完成。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热通过电阻加热完成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热通过感应加热完成。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述预选温度高于所述合金的马氏体开始转变温度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中加热步骤仅对所述工件的一部分实施，由此所述工件被选择性地回火。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件具有不大于5mm的厚度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述回火将所述工件的初始抗张强度减小至少15％。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷却包含用流体接触所述工件。

10.根据权利要求1所述的方法，其中淬火剂流体在至少一部分所述加热时间的期间内接触所述工件。

11.一种用于回火工件的方法，所述方法包含以下步骤：

提供铁合金工件，所述工件其中具有马氏体和/或贝氏体相；

确定加热所述工件的预选体积到预选温度所必需的热能量，所述预选温度低于所述铁合金的奥氏体温度；

把所述热能量输入到所述工件的所述体积；以及

冷却所述工件到低于所述预选温度的温度；

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述预选体积包含所述工件的完整体积。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述预选体积包含所述工件的部分体积。

14.根据权利要求11所述的方法，其中把所述热能量输入到所述工件的所述体积在不超过30秒内完成。

15.根据权利要求11所述的方法，其中输入所述热能量包含电阻加热所述预选体积。

16.根据权利要求11所述的方法，其中所述预选温度高于所述合金的马氏体开始转变温度。

17.根据权利要求11所述的方法，其中所述工件的所述预选体积的厚度不大于5mm。

18.根据权利要求11所述的方法，其中所述回火将所述工件的初始抗张强度减少至少15％。

19.一种用于回火工件的设备，所述设备包含：

一个支撑物，其用于接收具有马氏体和/或贝氏体相的铁合金工件；

一个加热器，其用于加热所述工件；以及

一个控制器，其用于控制所述加热器以使所述工件被加热到预选温度，所述预选温度低于所述合金的奥氏体化温度，其中所述加热在不多于60秒内完成。

20.根据权利要求19所述的设备，还包含一个冷却系统，所述冷却系统操作所述工件到低于所述预选温度的温度。

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