CN107297474A - 用于定制轧制的可变厚度连续铸造 - Google Patents

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Abstract

提供了通过横跨带材材料的宽度定制铸造具有定制厚度的带材来形成高强度金属合金前体的方法。定制铸造带材在整个宽度上具有变化的厚度，其随后可以进一步定制轧制成最终所需的厚度轮廓/定制厚度。这种定制铸造方法可以通过在连续铸造工艺中使铸辊或铸坯的图案化表面与液体高强度金属合金接触来进行。本发明提供了横跨宽度连续铸造具有变化厚度的带材的方法，以允许在后续加工(如定制轧制)中改进产品。还提供了由具有定制厚度的定制铸造板坯制造高强度金属合金结构性汽车部件的方法。

Description

用于定制轧制的可变厚度连续铸造
技术领域
本发明涉及用于定制轧制的可变厚度连续铸造。
背景技术
本部分提供与本发明相关的背景信息，其不一定是现有技术。
不同技术已经用于诸如汽车工业的制造的各种制造工艺，以降低车辆的重量，同时仍然保持其结构完整性。例如，定制轧制板坯通常用于形成需要满足专门负载要求的车辆的结构部件。金属薄板面板或板坯可轧制为预定厚度并且随后通过在一对模具之间挤压来轧制成形或者冲压以产生复杂三维形状部件。金属薄板材料因其理想特征而被选用，例如与金属合金相关的强度、延展性和其它性能。例如，汽车车身的B柱结构部件理想情况下在对应于乘坐者身体的部位呈现相对高的结构刚度，同时在处于或低于乘坐者座位的下部区域具有增加的变形性，以在施加力或冲击时利于低于座位水平线的B柱的屈曲。因为结构部件在不同区域具有不同的性能要求，这种部件可由组装在一起的多个不同片材制成或者由具有不同厚度的单个片材制成。
定制轧制板坯可以形成这种具有不同厚度、并且因此沿着面板或板坯具有不同机械性能的结构部件。定制轧制板坯具有优于诸如缝焊组件(其中不同片材被焊接在一起)的替代物的优点，优点在于其没有可以引起潜在薄弱区域或部位的焊缝或接缝，在潜在薄弱区域或部位可能发生腐蚀。另外，同缝焊板坯组件相比，定制轧制板坯可以在厚度方面提供更多转换或分阶变化，提供更多设计灵活性。作为非限制性实例，定制轧制板坯组件可用于形成车辆的结构部件，例如摇轨、结构柱(A柱、B柱、C柱和/或D柱)、铰链柱、车门、车顶、引擎罩、行李箱盖、发动机轨道和具有高强度要求的其它部件。
在用于形成定制轧制板坯的典型简化工艺中，金属薄板或带材可以进行轧制工艺，该轧制工艺沿着薄板或带材的长度产生不同厚度。在定制轧制之前，金属板材或带材被铸造、必要时处理、冷却并且随后轧制成具有均匀厚度的细长薄板或带材，其随后轧制成卷材。然后，板材通常在另一加工设备处被展开，并且受到定制板坯轧制加工。薄板穿过一个或多个冷轧工位，其中当薄板经过辊子时，可沿着带材的长度产生不同的厚度。然而，在常规工艺中，厚度在带材上沿横向或宽度方向保持恒定，并且只沿着带材的长度变化。当板材穿过或滚过时，厚度的任何改变通过改变和控制辊子之间的空隙纵长地形成在板材内。空隙的这种改变通常在定制辊摆动时实现。这种系统需要对辊子的动态精确控制，以控制空隙高度，并且不能在不同厚度之间提供平滑短暂的转换。另外，动态控制辊子系统和工艺的成本相当高。
期望研发用于形成结构部件的新替代方法，要求诸如定制轧制板坯的结构部件在不同区域呈现出可变性能，其中这种新工艺提供对厚度转换的优异控制，包括在薄板或带材上沿宽度方向严格控制厚度的能力。此外，期望通过较为便宜的工艺形成定制轧制板坯，与此同时具有提高的定制轧制板坯质量。
发明内容
本部分提供本发明的大体概述，而并非全面地公开其整个范围和所有特征。
在某些方面，本发明提供了形成具有定制厚度的高强度金属合金前体的方法。在连续铸造工艺中，该方法任选地包含使铸辊或铸坯的图案化表面与诸如液态高强度合金的液态金属接触。该接触固化了合金并且产生了压型带材。生成的固体压型带材限定纵向的纵长轴线和横切纵向的纵长轴线的横向的宽度方向轴线。在固体热带材中，与铸辊或铸坯的图案化表面的接触产生了横跨横向的宽度方向轴线的可变厚度轮廓。在某些方面，在固体带材中，该接触产生了横跨横向的宽度方向轴线的非对称厚度轮廓。横跨横向的宽度方向轴线的具有最大厚度(tmax)的第一区域与具有最小厚度(tmin)的第二区域的比大于或等于约2.3。该方法进一步包含冷却具有非对称厚度轮廓的压型带材以形成具有定制厚度的高强度金属合金前体，该金属合金前体可以被定制轧制成定制轧制板坯。
在其它方面，本发明提供了形成高强度金属合金的定制轧制板坯的方法。在连续铸造工艺中，该方法任选地包含使铸辊或铸坯的图案化表面与诸如液态高强度合金的液态金属接触。该接触固化了合金并且产生了压型带材。生成的固体压型带材限定纵向的纵长轴线和横切纵向的纵长轴线的横向的宽度方向轴线。在固体热压型带材中，与铸辊或铸坯的图案化表面的接触产生了横跨横向的宽度方向轴线的可变厚度轮廓。在某些方面，在固体热带材中，该接触产生了横跨横向的宽度方向轴线的第一非对称厚度轮廓。横跨横向的宽度方向轴线的具有最大厚度(tmax)的第一区域与具有最小厚度(tmin)的第二区域的比大于或等于约2.3。该方法任选地进一步包含冷却具有第一非对称厚度轮廓的压型带材。该方法可进一步包含在至少两个定制辊之间定制轧制压型带材以限定至少比第一可变厚度轮廓薄约50％的第二可变厚度轮廓，以产生宽度方向上具有可变厚度的定制轧制带材。在某些方面，在至少两个定制辊之间定制轧制压型带材限定了至少比第一非对称厚度轮廓薄约50％的第二非对称厚度轮廓，以产生宽度方向上具有可变厚度的定制轧制带材。定制轧制带材可进一步切割成包含至少一部分第二非对称厚度轮廓的定制轧制板坯。
在其它方面，本发明提供了形成具有定制厚度的高强度金属合金结构性汽车部件的方法。该方法可以任选地包含在至少两个定制辊之间定制轧制高强度金属合金的带材以限定轧制的非对称厚度轮廓。在定制轧制之前，带材限定具有初始可变厚度轮廓的纵向的纵长轴线和横切纵向的纵长轴线的横向的宽度方向轴线。在某些方面，可变厚度轮廓是非对称厚度轮廓。在初始非对称厚度轮廓中，横跨横向的宽度方向轴线的具有最大厚度(tmax)的第一区域与具有最小厚度(tmin)的第二区域的比大于或等于约2.3。定制轧制之后，轧制的可变厚度轮廓比初始可变厚度轮廓至少薄约50％。在某些方面，轧制的可变厚度轮廓是比初始非对称厚度轮廓至少薄约50％的非对称厚度轮廓。该方法还可包括在带材脱离轧制之后热处理带材。该方法还包括切割带材以形成包含轧制的非对称厚度轮廓的板坯，以及使板坯经历成形工艺以产生整体的高强度三维成形主体部件。主体部件具有第一区域，第一区域具有呈现负载承载能力的第一厚度，第一区域与具有第二厚度的第二区域不同，并且该主体部件被用来形成结构性汽车部件。
进一步的应用领域从本说明书中所提供的描述中将变得显而易见。本发明内容中的描述和特定实例旨在用于示例目的，而不是旨在限制本发明的范围。
附图说明
本说明书中所描述的附图仅出于示例说明所选实施例而非所有可行实施方式的目的，并且不旨在限制本发明的范围。
图1示出了根据本发明的某些方面的用于形成具有定制厚度的高强度金属合金前体的连续定制块铸系统和下游定制轧制系统的示例性示意图。
图2示出了根据本发明的某些方面制备的高强度金属合金前体的横截面图，该金属合金前体具有在横向的宽度方向轴线上变化的定制非对称厚度轮廓。
图3示出了根据本发明的某些方面制备的高强度金属合金定制轧制产品的横截面图，该产品具有在横向的宽度方向轴线上变化的定制非对称厚度轮廓。
图4示出了根据本发明的某些方面的用于加工具有定制厚度轮廓的定制轧制板坯的示例性连续轧制成形系统，其形成结构部件的复杂三维主体部分。
图5示出了根据本发明的某些方面的在图4的轧制成形系统中形成之后的结构部件的复杂三维主体部分的横截面图。
图6示出了由根据本发明的某些方面制备的具有在横向的宽度方向轴线上变化的定制厚度轮廓的高强度金属合金定制轧制产品形成的高强度汽车摇杆轨道组件的截面图。
图7示出了图6的高强度汽车摇杆轨道组件的内部面板的截面图。
图8示出了具有拐角加固件和内部加强挡板的常规摇杆轨道组件的分解图。
图9示出了根据本发明的某些方面的用于形成具有定制厚度的高强度金属合金前体的连续铸造辊子系统和下游定制轧制系统的示例性示意图。
在所有的附图中，对应的附图标记指示对应的部件。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述实例实施例。
提供实例实施例以使本发明更加全面，并且将充分地向本领域技术人员传达发明范围。阐述了许多特定细节，诸如特定的组合物、部件、设备和方法的实例，以提供对本发明的实施例的全面理解。对本领域技术人员显而易见的是，不需要使用特定细节，实例实施例可以以不同的形式实现，并且特定细节不应被视为限制本发明的范围。在某些实例实施例中，未对公知的工艺、公知的装置结构和公知的技术进行详细的描述。
本文所使用的术语只是用于描述具体实例实施例的目的而不旨在进行限制。如本文所使用的，除非上下文以其它方式明确指出，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。术语“包含”、“含有”、“包括”和“具有”是包含的，并且因此指定了所陈述特征、整体、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在。本文所述的方法步骤、工艺和操作不应被视为必须要求它们以所讨论或示出的具体顺序执行，除非特别指出了它们的执行顺序。还应理解，除非另有说明，可采用附加或替代的步骤。
当部件、元件或层被称为“在另一元件或层上”、“接合至另一元件或层”、“连接至另一元件或层”或“耦接至另一元件或层”时，它可直接在另一部件、元件或层上，接合、连接或耦接至另一部件、元件或层，或者可存在介于中间的元件或层。相反地，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合至另一元件或层”、“直接连接至另一元件或层”或“直接耦接至另一元件或层”时，可以不存在介于中间的元件或层。应当以相同的方式解释用于描述元件之间的关系的其它词语(例如“在……之间”相比于“直接在……之间”、“与……相邻”相比于“直接与……相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关的所列出项目的任何组合和所有组合。
尽管术语第一、第二和第三等在本文用于描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或部分，除非另有说明，这些步骤、元件、部件、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语可能仅用于区分一个步骤、元件、部件、区域、层和/或部分与另一个步骤、元件、部件、区域、层和/或部分。除非上下文清楚指出，本文所用的诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语不暗含顺序或次序。因此，在不背离本实例实施例的教导的情况下，以下讨论的第一步骤、元件、部件、区域、层和/或部分可称作第二步骤、元件、部件、区域、层和/或部分。
为了描述容易，本文可使用诸如“在……之前”、“在……之后”、“在……内”、“在……外”、“在……下面”、“在……之下”、“在……下部”、“在……上面”、“在……上部”等等的空间或时间相对术语来描述附图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。空间或时间相对术语旨在涵盖所使用或操作的装置或系统除了图中描绘的方位之外的不同方位。
应当理解，对在某些替代变型中的“包含”某些步骤、组分或特征的方法、组合物、装置或系统的任何陈述来说，还应当考虑到，这种方法、组合物、装置或系统还可“基本上由列举的步骤、组分或特征组成”，因此将实质上改变本发明的基本特性和新颖特性的任何其它步骤、组分或特征被排除。
在整个公开中，数值代表大致度量或范围限度以涵盖给定值的较小偏差和具有约为所提及的值的实施例以及具有与所提及的值完全相同的那些。除了在详细说明末尾提供的工作实例中，本说明书中、包括所附权利要求书中的参数的所有数值(例如，量或条件)应理解为在一切情况下被术语“大约”修饰，不管“大约”是否确实出现在数值之前。“大约”指示所述数值允许稍许不精确(一定程度上近似于数值的精确度；近似地或合理地接近数值；几乎)。如果由“大约”提供的不精确不能用这种本领域中的普通含义理解，则本文使用的“大约”指示至少有变化可由测量和使用这种参数的普通方法引起。出于某些原因，如果“大约”提供的不精确不能用这种本领域中的普通含义理解，则本文使用的“大约”指示数值不超过所示值的5％的可能变化或常用测量方法的5％的变化。
如本文所用，术语“组合物”泛指含有至少优选的金属元件或化合物的物质，但其任选地包含附加物质或化合物，包括添加剂和杂质。术语“材料”也泛指含有优选的化合物或组合物的物质。
此外，范围的公开包括所有值的公开和在整个范围内的进一步划分范围，包括给定范围的端点和子范围。
在各个方面，本发明提供了形成具有可随后被定制轧制的定制厚度的高强度金属合金前体的方法。本发明还构想了形成高强度金属合金的定制轧制板坯的方法。在其它方面，本发明提供了形成具有定制厚度的高强度金属合金结构性汽车部件的方法，其包括定制轧制高强度金属合金，随后将定制轧制合金形成为具有非对称厚度的复杂三维高强度形状主体(例如通过轧制成形工艺)。
因此，在某些方面，本发明构想了形成具有定制厚度的高强度金属合金前体。本发明提供了用于定制铸造具有贯穿宽度变化的厚度的带材的方法，如常规方法一样，该带材可以进一步比从恒定厚度坯料开始更有效地轧制至最终要求厚度轮廓或定制厚度。在某些方面，在制造固化热带材的连续铸造工艺中，这种方法可以通过使铸辊或铸坯的图案化表面与诸如液态高强度合金的液态金属接触来实施。本文所用液体可包括可处于液态或半固态的流动金属。如本文所用，术语带材将指的是包括薄板、坯料或其它材料的材料，其具有大于宽度的长度。固化热带材可具有小于高强度合金的熔点的温度，但至少在室温(例如21℃)100℃以上，并且因此可在与铸辊或铸坯的可变厚度轮廓图案化表面接触之后处于可以保持图案和表面轮廓的固态或半固态。由于与铸坯或铸辊的接触发生，可变厚度轮廓因此在固化之前或在固化期间被产生。按照这种方式，本发明提供了具有贯穿宽度的变化厚度的连续铸造带材的方法，其允许在随后例如定制轧制的加工中改进产品。
带材限定纵向的纵长轴线和横切纵向的纵长轴线的横向的宽度方向轴线。由此该接触产生了可变厚度轮廓，使得厚度在带材横向的宽度方向轴线上不同。在某些变化中，如下面将更加详细描述的，横跨横向的宽度方向轴线的具有最大厚度(tmax)的第一区域与具有最小厚度(tmin)的第二区域的比大于或等于约2.3，可选地大于或等于约2.5，并且在某些变化中可选地大于或等于约3.0。根据本发明的某些理想方面，厚度在横向的宽度方向轴线上变化，因此其可以被认为是非对称厚度轮廓，其中厚度轮廓(对应于具有不同厚度的不同区域)不会在带材或薄板的宽度方向上对称地重复或者呈现规则重复图案。
在使液态金属与铸辊或铸坯的图案化表面接触之后，可将固化的高强度金属合金带材冷却(例如，到环境条件)以形成高强度金属合金前体，该金属合金前体具有横跨横向的宽度方向轴线的所需可变厚度轮廓，例如非对称厚度轮廓。因此，前体具有定制厚度，其能够被定制轧制成定制轧制板坯，如下面将进一步描述的。此种定制铸造带材允许在随后的定制轧制工艺中更均匀地减小(并且因此允许更好的微结构控制)以提供优良的定制轧制板坯。这可以提高制造具有可通过改变起始带材材料的厚度控制的性质的定制轧制板坯的能力。
通常，铸造压型带材可由具有压型或图案化表面的铸辊或铸坯产生，以使得固化后所得到的厚度对于后续定制轧制工艺是理想的。图1示出用于形成具有定制厚度的高强度金属合金前体的代表性连续定制块铸系统50。液态金属52离开炉和任何上游金属处理设备(未示出)。液体52可以具有接近或大于高强度合金的熔点的温度，例如在典型的高强度钢合金的情况下大于或等于约1300℃，这取决于材料组成和铸造条件。液体52可以通过通常用于金属成形工业中的任何金属处理设备连续输送。
液态金属52经过包括上铸坯62和下铸坯64的成对铸坯60(以局部视图示出)，并作为热固化的前体带材84材料离开。上铸坯62和下铸坯64中的每一个具有包括具有不同厚度轮廓的至少两个区域的图案化表面66。图案化表面66包括具有第一深度的第一区域68和具有不同于第一深度的第二深度的第二区域70。虽然仅示出为第一区域68和第二区域70，但是图案化表面66可以具有许多具有不同轮廓/深度的不同区域。此外，虽然上铸坯62和下铸坯64被示出具有相同的图案化表面66，但是在替代变化中，图案化表面66的图案和深度可以在上铸坯62和下铸坯64之间变化。
铸坯62、64中的每一个包括铰接段72，该铰接段可连续移动以使图案化表面66与液态金属52接触，从而在图案化表面66通过时迫使液体沿着所述图案化表面，从而在材料固化并形成前体带材84时在材料中产生厚度轮廓。成对铸坯60可以被冷却，例如利用内部冷却系统，以在图案化表面66接触液态金属52并且促进固化时保持和调节沿着图案化表面66的温度。固化的前体带材84限定纵向的纵长轴线74和横切纵向的纵长轴线74的横向的宽度方向轴线76。如此，图案化表面66与上铸坯62和下铸坯64的接触形成厚度轮廓，其中厚度横跨固化的前体带材84的横向的宽度方向轴线76而变化。在穿过并接触成对铸坯60之后，固化的前体带材84的第一区域80可以具有与图案化表面66上具有第一深度的第一区域68相对应的第一厚度。固化的前体带材84的第二区域82可以具有对应于在图案化表面66上具有第二深度的第二区域70的第二厚度。由此，在图案化之后，液态金属52被转变成可以进一步定制轧制和处理的固化的前体带材84。由于为了简单起见，在图1中在固化的前体带材84中只示出了两个不同厚度的部分，带材84的第一区域80比第二区域82厚，这是因为图案化表面66的第一区域68具有比图案化表面66的第二区域70更大的深度。
在各个方面，本发明促进横跨横向的宽度方向轴线76的厚度的显著的、大的转变，这在以前是不可能的。因此，在某些变化中，如下面将更加详细描述的，横跨横向的宽度方向轴线76的具有最大厚度(tmax)的第一区域80与具有最小厚度(tmin)的第二区域82的比大于或等于约2.3，任选地大于或等于约2.5，并且在某些变化中任选地大于或等于约3.0。根据本发明的某些方面，厚度横跨横向的宽度方向轴线76而变化，使得其可以被认为是非对称厚度轮廓，其中第一区域80和第二区域82中的厚度轮廓横跨横向的宽度方向轴线76在图案中不均匀地重复。值得注意的是，具有不同厚度的其它区域可以在固化的前体带材84中形成，并且甚至具有相同厚度的区域重复，但优选地，这样的区域不以规则图案重复。产生非对称厚度轮廓的能力在形成复杂的三维形状产品中是特别需要的。以这种方式，可以在固化的前体带材84中高度地定制厚度和伴随的材料性能，以更好地匹配并对应于待定制轧制和形成的三维部件中的宽度方向上所需的厚度，这在之前是不可能的。此外，当使用这种前体时，微结构得到改善。因此，在与具有成对铸坯60的金属合金的热固化前体带材84接触之后，可以将固化的前体带材84冷却至例如室温。
如图1中所示，固化的前体带材84可以在随后的定制轧制工位86中处理。这种定制轧制工位86可以在与铸造/定制块铸系统50相同的设施中，或者可以在不同的加工设施中。如果固化的前体带材84被输送到不同的加工设施，则其可以被卷绕和展开，然后在定制轧制工位86中被加工。如果随后的定制轧制作为热轧而执行，则该工艺可以涉及在轧制步骤之前或之间加热至所需轧制温度的炉。定制轧制工位86包括一对定制辊88，包括上定制辊90和下定制辊92。本发明构想了使用多对定制辊88(一系列定制辊)，其可以用于热轧或冷轧。上定制辊90和下定制辊92中的每一个具有包括具有不同厚度轮廓的至少两个区域的图案化表面94。如同成对铸坯60的图案化表面66，图案化表面94包括具有第一深度的第一区域96和具有不同于第一深度的第二深度的第二区域98。虽然仅示出为第一区域96和第二区域98，但是图案化表面94可以具有许多具有不同轮廓/深度的不同区域。值得注意的是，成对定制辊88的图案化表面94可以具有与成对铸坯60的图案化表面66相同或相似的厚度轮廓，但定制辊的第一区域96和第二区域98将具有与第一区域68和第二区域70不同的深度，以在前体产品通过成对定制辊88时产生具有所需厚度轮廓的更薄的前体产品99。在某些方面，随后对厚度减小的前体产品99进行热处理以根据需要改变材料性能。
例如，在至少两个定制辊88之间对固化的前体带材84进行定制轧制可以产生比用以产生在宽度方向上具有可变厚度的定制轧制板坯的厚度轮廓薄至少约50％的厚度轮廓。这个概念进一步示出于图2和图3中。在通过使液体金属与压型/图案化表面(例如成对铸坯60的图案化表面66)接触来处理液体金属之后，形成前体带材100。如代表性前体带材100(类似于图1中的固化的前体带材84)中所示，前体带材100的第一区域102比第二区域104厚(对应于铸坯60的图案化表面66的第一区域68具有比图案化表面66的第二区域70更大的深度)。由此，第一区域102具有比具有第二厚度(或高度)的第二区域104厚的第一厚度(或高度)。值得注意的是，第三区域106具有与第二区域104中的第二厚度相同的第三厚度(或高度)。第一区域102的第一厚度对应于前体带材100的最大厚度(tmax)，而第二区域104中的第二厚度对应于前体带材100的最小厚度(tmin)。
在某些方面，使热固化带材与图案化表面接触产生厚度轮廓，使得厚度横跨带材横向的宽度方向轴线110变化。在某些变化中，如下面将更加详细描述的，横跨横向的宽度方向轴线110具有最大厚度(tmax)的第一区域102与具有最小厚度(tmin)的第二区域104的比大于或等于约2.3，任选地大于或等于约2.5，并且在某些变化中任选地大于或等于约3.0。在一个变化中，第一区域102可以具有范围从大于或等于约8mm到小于或等于约25mm，例如约9.2mm的厚度，而第二区域104和第三区域106可以具有范围从大于或等于约3mm到小于或等于约10mm，例如约6mm，同时符合上文指定的最大/最小厚度比的厚度。如图2所示，横跨横向的宽度方向轴线110的厚度变化可以被认为形成非对称厚度轮廓。如上文所指出，在本技术之前，不可能在高强度合金材料带材中沿宽度方向产生非对称厚度轮廓。虽然未示出，但横跨横向的宽度方向轴线110的非对称厚度轮廓也可以具有与第一区域和第二区域不同的一个或多个额外厚度区域。例如，可以存在具有大于最小厚度(tmin)且小于最大厚度(tmax)的第三厚度的第三区域。
前体带材100的第一区域102具有指定为“w1”的第一宽度。第一宽度w1包括过渡区域w'1，其中前体带材100的厚度从第二区域104中的第二厚度(示出为tmin)增加到第一区域102的第一厚度(示出为tmax)或第三区域106的第三厚度。
在某些变化中，前体带材100可以具有大于或等于约120mm直到约2,000mm(例如，大于或等于约2m)的总体总宽度(横跨横向的宽度方向轴线110测量)，而在某些变化中，总体总宽度可以任选地大于或等于约500mm至小于或等于约2,000mm。在某些方面，第一区域102的最大长度可以大于或等于约60mm至小于或等于约1,800mm。第二区域104的最大长度可以同样大于或等于约60mm至小于或等于约1,800mm。在某些方面，第一区域102的最大长度可以大于或等于约60mm到小于或等于约100mm，并且第二区域104的最大长度可以大于或等于约60mm至小于或等于约125mm。
图3示出了定制轧制(例如，通过图1中的形成前体产品99的定制轧制工位86中的定制辊88)之后的定制轧制产品120，其中与前体带材100中的初始厚度相比，厚度进一步减小。在本发明中，成对定制辊88可以旋转，但是可以相对于经过的前体带材100上方的高度具有固定位置。以这种方式，本发明的方法和系统在横跨前体带材100的宽度提供均匀的厚度减小(以产生优良的厚度轮廓)并且避免引入不希望的变化到形成于被定制轧制的材料中的厚度的震荡轧制时提供显著提高的质量。
定制轧制产品120的第一区域122比第二区域124(对应于前体带材100的第一区域102和第二区域104)厚。由此，第一区域102具有比具有第二厚度(或高度)的第二区域104厚的第一厚度(或高度)。值得注意的是，第三区域126具有与第二区域124中的第二厚度相同的第三厚度(或高度)(且对应于前体带材100的第三区域106)。第一区域122的第一厚度对应于定制轧制产品120的最大厚度(t'max)，而第二区域124中的第二厚度对应于定制轧制产品120的最小厚度(t'min)。
定制轧制产品120的第一区域122还具有指定为w1的第一宽度，其与前体带材100中的第一区域102的第一宽度w1大体相同。随着定制轧制产品120的厚度从第二区域124的第二厚度(示出为t'min)或第三区域126的第三厚度到第一区域122的第一厚度(示出为t'max)增大，第一区域122的第一宽度w1包括相同的过渡区域w'1。
图2中的前体带材100的tmax由此减小了大于或等于约50％，以在定制轧制工艺之后形成图3中的定制轧制产品120的t'max。在某些变化中，tmax减小了大于或等于约75％以形成t'max。例如，在tmax为约9.2mm的情况下，其在定制轧制之后可以减小约75％以形成约2.3mm的t'max((9.2mm-2.3mm)/9.2mm＝0.75×100＝75％)。同样，图2中的前体带材100的tmin可以减小大于或等于约50％，以在定制轧制工艺之后形成图3中的定制轧制产品120的t'min。在某些变化中，tmin减小了大于或等于约75％以形成t'min。例如，在tmin为约4.0mm的情况下，其在定制轧制之后可以减小约75％以形成约1.0mm的t'min((4.0mm-1.0mm)/4.0mm＝0.75×100＝75％)。在形成定制轧制产品120的定制轧制工艺中的厚度减少量对于最小厚度与最大厚度两者来说可以是相同的(换句话说，厚度减小量横跨整个横向的宽度方向轴线110是均匀的)。在某些变化中，厚度减少量可以甚至大于75％，例如大于或等于约80％，任选地大于或等于约85％，且大于或等于约90％。
由此，横跨定制轧制产品120横向的宽度方向轴线110具有最大厚度(t'max)的第一区域122与具有最小厚度(t'min)的第二区域124的比保持与定制轧制之前的前体带材的比相同。因此，t'max与t'min的比可大于或等于约2.3，任选地大于或等于约2.5，并且在某些变化中，任选地大于或等于约3.0。在一个变化中，第一区域122可以具有范围从大于或等于约1.5mm到小于或等于约3.5mm，例如约2.3mm的厚度，而第二区域124和第三区域126可以具有范围从大于或等于约0.5mm到小于或等于约1.5mm，例如约1mm，同时符合上文指定的最大/最小厚度比的厚度。图3保留了横跨横向的宽度方向轴线110的非对称厚度轮廓。
在某些方面，定制轧制产品120中的第一区域122的最大长度可以大于或等于约60mm至小于或等于约1,800mm。第二区域124的最大长度同样可以大于或等于约60mm至小于或等于约1,800mm。在某些方面，第一区域122的最大长度可以大于或等于约60mm到小于或等于约100mm，并且第二区域124的最大长度可以大于或等于约60mm至小于或等于约125mm。
在各个方面，本发明提供了用于由高强度金属合金板坯的薄板或带材形成定制前体的方法。高强度金属合金可以选自由以下各者组成的组：高强度钢合金、铝合金、镁合金、钛合金，及其组合。代表性高强度金属合金可以包括先进的高强度钢，例如第三代先进高强度钢，如淬火和分配(Q&P)和中锰钢，转变诱导塑性(TRIP)钢，如TRIP690和TRIP780，双相(DP)钢，复合相(CP)钢，高强度低合金(HLSA)钢，马氏体(MS)钢，不锈钢，5000系列铝合金，6000系列铝合金，7000系列铝合金，等等。
高强度金属的薄板或带材可以是尚未切割成独立板坯的金属材料卷材。在定制轧制之后，可以进一步处理和加工定制轧制产品120。例如，定制轧制产品120可以经受二次热处理(例如，在将定制轧制产品120卷绕成卷材之后)。可替代地，定制轧制产品120可以被转移到下料工位(未示出)，在下料工位处，定制轧制产品120的薄板被切割成更小的、分立的不同板坯或薄板，该板坯或薄板可以形成为具有三维几何横截面的单独三维主体部件。
图4示出示例性连续轧制成形系统150。定制板坯轧制产品已根据本发明的某些方面被加工，且因此可以具有首先通过沿宽度方向的铸造厚度压型、随后进行定制板坯轧制而形成的厚度轮廓。由此，定制板坯轧制带材产品可以被切割成定制轧制板坯152，其具有沿宽度方向的至少一个具有第一厚度的第一区域154和具有第二不同厚度的第二区域156。定制轧制板坯152被输送到具有处于不同高度和位置的多个辊子158的多辊子传动系157，所述辊子通过轧制将通过的金属材料加工且成形为复杂的三维形状部分。材料可以在高温(低于合金的熔点)下冷轧或热轧。在连续轧制成形系统150中，具有可变的宽度方向厚度轮廓的定制轧制板坯152可以轧制成形以产生整体的高强度三维形状主体部件160。应当注意到用于从具有可变厚度的定制轧制板坯形成三维形状结构的其它替代技术，例如冲压、弯折、弯曲成形、液压成形、压制硬化，等等。高强度三维形状主体部件可以具有负载能力，且因此呈现出大于或等于约400MPa，任选地从大于或等于约400MPa至小于或等于约2,000MPa的强度。
在图5中示出了在图4中的连续轧制成形系统150中形成的代表性主体部件160的横截面。通过轧制成形而形成的主体部件160可以没有任何焊缝。主体部件160具有多个具有第一厚度的第一区域172和多个具有第二厚度的第二区域174，其中第一厚度小于第二厚度。如图所示，板坯在接缝176处折叠在其自身上以形成封闭结构。应当注意，具有不同厚度的多个区域可以通过本发明内容的原理形成。因此，根据每个区域的厚度，主体部件160具有呈现出不同材料性能的不同区域。在某些方面，主体部件的第二区域174是高强度的，因为其呈现出大于或等于约400MPa至小于或等于约2000MPa的强度。在定制轧制板坯上选择性地在宽度方向上控制厚度的能力使得能够为结构部件实现宽范围的新设计选择，这在以前对于冷定制板坯纵长地轧制成形并且在宽度方向上具有可变厚度是不可能的。
可以进一步加工定制轧制的金属板坯以形成高强度部件，例如汽车部件。高强度部件的主要部分可以是整体的三维主体。如本文所提及的，“整体的”结构是具有由单个板坯构造的至少一部分的结构。在某些方面，本发明因此构想了可以包含由高强度金属合金形成的整体的三维主体部分的高强度结构性汽车部件。整体的三维主体部件具有第一区域，该第一区域呈现出不同于第二区域的至少一种材料性能，例如强度。作为非限制性实例，材料性能可以包括拉伸强度、屈服强度、刚度、延展性、伸长率、可成形性、能量吸收等，以及它们的组合。根据本发明的某些方面，主体部件中的不同性能是由于从定制轧制板坯的宽度方向上可变厚度赋予的可变厚度引起的。
虽然整体的高强度结构特别适合用于汽车或其它交通工具(例如，摩托车、船、拖拉机、公共汽车、摩托车、房车、露营车和坦克)的部件中，但是它们也可以用于各种其它工业和应用，通过非限制性实例的方式，包括航空航天部件、消费品、办公设备和家具、工业设备和机械、农场设备或重型机械。可以通过当前技术制造的交通工具的非限制性实例包括汽车、拖拉机、公共汽车、摩托车、船、房车、露营车和坦克。具有可以通过当前技术制造的框架的其它示例性结构包括建筑物，诸如房屋、办公室、棚屋、仓库和设备。在某些变化中，高强度结构性汽车部件可以选自由以下组成的组：摇杆轨道、结构柱、A柱、B柱、C柱、D柱、铰链柱、车门、车顶、引擎盖、行李箱盖、发动机轨道及其组合。
图6和图7示出了根据本发明的某些方面的包括由高强度金属合金形成的整体的三维主体部分的高强度结构性汽车部件组件。更具体地，图6中的高强度结构性汽车部件组件是代表性摇杆轨道结构或组件200的截面图。摇杆轨道组件200包括在接缝或接合处206处接合在一起的内面板202和外面板204。图7示出了内面板202的截面图。内面板202由根据本发明形成的定制轧制板坯形成，类似图3中的定制轧制产品120，其本身通过定制轧制形成，由图2中的前体带材100形成。因此，内面板202已由定制轧制板坯形成，该板坯在类似于图4所示的工艺中进行轧制加工，以产生具有复杂成形形状的三维结构。替代地，整个横截面(周边)可以根据图4所示的工艺轧制形成。
内面板202包括：具有第一厚度的第一区域212(对应于定制轧制产品120的第一区域122)；具有第二厚度的第二区域214(对应于定制轧制产品120的第二区域124)；以及具有第三厚度的第三区域216(对应于定制轧制产品120的第三区域126)。应当注意，在轧制成形或其它三维成形工艺期间，定制轧制板坯的厚度可以在某些区域中进一步改变，并且因此可以产生额外的厚度区域。如图所示，第一区域212的第一厚度大于第二区域214的第二厚度和第三区域216的第三厚度。此外，形成两个过渡区域216，其中厚度在具有不同厚度的不同区域之间增加/减小。以这种方式，使用根据本技术的某些方面制备的在宽度方向上具有可变厚度，并且更具体地，具有在非对称厚度轮廓中的非对称可变厚度的定制轧制板坯，以形成整体的三维高强度主体部分。
外面板204同样在宽度方向上具有可变厚度，其包括具有第一厚度的第一区域222、具有第二厚度的两个第二区域224以及具有第三厚度的两个第三区域226。如图所示，第二区域224的第二厚度大于第一区域222的第一厚度或第三区域226的第三厚度。最厚和最强的第二区域224对应于外面板的拐角。第一区域222具有减小的厚度以提供质量的减少。外面板204可以随后连接到内面板202，如图6中的组件所示，以形成用于汽车的结构性摇杆轨道组件。由根据本发明的某些方面制造的部件形成的摇杆轨道组件200使得能够去除通常用于在需要承受高力的区域中为组件提供额外的强度的各种加固件，例如拐角加固件。
图8示出了常规摇杆轨道组件230的分解图。摇杆轨道组件230包括内面板232和外面板234。摇杆轨道组件230包括第一拐角加固件236和第二拐角加固件238。一系列内部加强挡板240设置在摇杆轨道组件230的中心内。当组装时，内面板232连接到外面板234，其中第一拐角加固件236和第二拐角加固件238强化拐角，并且内部加强挡板240在内部提供额外的刚度和强度。在将利用根据本发明(在图6和图7中)形成的定制轧制板坯形成的摇杆轨道组件200的设计与图8中的常规摇杆轨道组件230设计相比较时，第一拐角加固件236和第二拐角加固件238可以在铸造期间通过将金属结合到较厚的拐角中来去除。因此，摇杆轨道组件200的这种设计去除了单独的拐角加固件和相关的可能导致进一步的变形的点焊。在某些变化中，可以从摇杆轨道组件中去除一些或全部的内部加强挡板240。以这种方式，使用根据本技术的某些方面制备的在宽度方向上具有可变厚度，并且更具体地，具有在非对称厚度轮廓中的非对称可变厚度的定制轧制板坯，以形成三维高强度结构性部件，用于具有更高的强度、更好的机械性能、以及更轻的重量的汽车。
因此，在各个方面，本发明内容提供了连续铸造在整个带材的宽度上制造有变化厚度的材料带材的方法，其允许在后续处理中有效地定制轧制。具有在宽度方向上变化的厚度轮廓的铸造带材首先用压型辊和/或坯制造，使得所得到的厚度对于随后的定制轧制过程是理想的。以这种方式对带材进行定制铸造允许在随后的定制轧制过程中更均匀地减小(并且因此更好的微结构控制)。这提高了制造具有使用起始带材的厚度可控制的性能的定制轧制板坯的能力。此外，根据本发明的某些方面的定制铸造带材的方法增加了用于定制轧制的可用厚度的范围。本发明的工艺和由这样的工艺制造的材料的成本较低，这是由于与常规冷定制轧制工艺相比更有效的轧制过程导致的。本发明的方法可以进一步避免由于将各个板坯定制焊接在一起以形成适于成形的板坯而产生的成本和应力集中。
图9示出了本发明的替代变化，其中在连续铸辊系统250中实施方法，用于形成具有定制厚度的高强度金属合金前体。液体252高强度金属合金离开炉和任何金属处理系统(未示出)。液体252可以具有接近或大于高强度合金的熔点的温度，例如以上在图1的情况下描述的那些中的任何一个。液体252可以通过通常用于金属成形工业中的任何金属处理设备连续输送。
液体252进入包括上铸辊262和下铸辊264的成对铸辊260。上铸辊262和下铸辊264中的每一个具有包括具有不同厚度轮廓的至少两个区域的图案化表面266。如图所示，图案化表面266包括具有第一深度的多个第一区域268和具有不同于第一深度的第二深度的多个第二区域270。虽然仅示出为第一区域268和第二区域270，但是图案化表面266可以具有具有不同轮廓/深度的许多不同区域，并且第一区域268和第二区域270可以具有不同的厚度。此外，虽然上铸辊262和下铸辊264被示出具有相同的图案化表面266，但是在替代变化中，图案化表面266的图案和深度可以在上铸辊262和下铸辊264之间变化。成对铸辊260还可以具有不同的定向，例如，成对铸辊260可以被定向为使得金属垂直地流过它们，而不是如图9所示水平地流动。
成对铸辊260可以在通过带材284上方的固定高度处旋转，以迫使液体252与图案化表面266接触，以在材料通过时固化该材料，从而在固化的前体带材284中产生厚度轮廓。每个铸辊260可以被冷却，例如利用内部冷却系统，以在图案化表面266接触液体252并且促进固化时保持和调节沿着图案化表面266的温度。固化的前体带材284限定纵向的纵长轴线274和横切于纵向的纵长轴线274的横向的宽度方向轴线276。如此，与上铸辊262和下铸辊264的图案化表面266的接触产生厚度轮廓，其中厚度横跨固化的前体带材284的横向的宽度方向轴线276变化。在穿过并且接触成对铸辊260之后，固化的前体带材284的多个第一区域280可以具有与图案化表面266上具有第一深度的第一区域268对应的第一厚度。带材284的第二区域282可以具有与图案化表面266上具有第二深度的第二区域270对应的第二厚度。因此，在图案化之后，液体252被转变成可以进一步定制轧制和加工的固化的前体带材284。
如为了简单起见在图9中的前体带材284中仅示出两个不同的厚度区段，固化的前体带材284的第一区域280比第二区域282厚，这是因为图案化表面266的第一区域268具有大于图案化表面266的第二区域270的深度。然而，经由图案化表面266产生的第一区域280在分立区段之间具有不同的宽度。类似地，第二区域282在分立区段之间具有不同的宽度。因此，固化的前体带材284的厚度表面轮廓是非对称的并且针对稍后形成的部分被定制。
类似于图1，图9中的固化的前体带材284可以在随后的定制轧制工位286中加工。这种定制轧制工位286可以在与连续铸辊系统250相同的设施中，或者可以在不同的加工设施中。如果固化的前体带材284被输送到不同的加工设施，则其可以被卷绕和展开，然后在定制轧制工位286中被加工。定制轧制工位286包括成对的定制辊288，其包括上定制辊290和下定制辊292。本发明构想了使用多对定制辊288(一系列定制辊)，其可以作为热轧制或冷轧制操作来进行。
上定制辊290和下定制辊292中的每一个具有包括具有不同厚度轮廓的至少两个区域的图案化表面294。类似于成对的铸辊260的图案化表面266，图案化表面294包括具有第一深度的多个第一区域296和具有不同于第一深度的第二深度的多个第二区域298。虽然仅示出为第一区域96和第二区域98，但是图案化表面294可以具有许多具有不同轮廓/深度的不同区域。值得注意的是，成对定制辊288的图案化表面294可以具有与成对铸辊260的图案化表面266相同或相似的厚度轮廓，尽管定制辊第一区域296和第二区域298将具有与第一区域268和第二区域270不同的深度，以在其通过成对的定制辊288时产生具有所需厚度轮廓的更薄的前体产品299。前面在先前实施例的情况下描述的任何比率、尺寸和特征适用于该变化，因此为了简洁在此不再重复。在某些方面，随后对减小厚度的前体产品299带材进行热处理以根据需要改变材料性能。
为了说明和描述的目的，已经提供了对实施例的前述描述。其并不旨在穷举或限制本发明。特定实施例的个别元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在可应用的情况下是可互换的并且可以用在所选实施例中，即使没有具体示出或描述也是如此。同样也可以以许多方式变化。这些变化不被认为是脱离本发明，并且所有这样的修改旨在被包括在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种形成具有定制厚度的高强度金属合金前体的方法，其包含：
在连续铸造工艺中使铸辊或铸坯的图案化表面与液体高强度金属合金接触以固化所述合金并产生压型带材，其中所述压型带材限定纵向的纵长轴线和横切于所述纵向的纵长轴线的横向的宽度方向轴线，使得所述接触在所述压型带材中横跨所述横向的宽度方向轴线产生非对称的厚度轮廓，其中横跨所述横向的宽度方向轴线具有最大厚度(tmax)的第一区域与具有最小厚度(tmin)的第二区域的比大于或等于约2.3；以及
冷却具有所述非对称厚度轮廓的所述压型带材以形成具有所述定制厚度的所述高强度金属合金前体，其能够被定制轧制成定制轧制板坯。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述压型带材的总宽度大于或等于约120mm至小于或等于约2000mm，并且所述第一区域的最大长度大于或等于约60mm至小于或等于约1800mm，并且所述第二区域的最大长度大于或等于约60mm至小于或等于约1800mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一区域的最大长度大于或等于约60mm至小于或等于约100mm，并且所述第二区域的最大长度大于或等于约60mm至小于或等于约125mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述最大厚度(tmax)的范围从大于或等于约8mm至小于或等于约25mm，并且所述最小厚度(tmin)的范围从大于或等于约3mm至小于或等于约10mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其中横跨所述横向的宽度方向轴线存在多个第一区域，横跨所述横向的宽度方向轴线存在多个第二区域，或者横跨所述横向的宽度方向轴线存在多个所述第一区域和多个所述第二区域两者。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述非对称厚度轮廓具有横跨所述带材的所述横向的宽度方向轴线具有第三厚度的第三区域，其中所述第三厚度大于所述最小厚度(tmin)且小于所述最大厚度(tmax)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述高强度金属合金是高强度钢。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述非对称厚度轮廓是第一非对称厚度轮廓，并且所述方法进一步包含在所述冷却之后，在至少两个定制辊之间定制轧制所述带材，以限定比所述第一非对称厚度轮廓薄至少约50％的第二非对称厚度轮廓，以产生沿宽度方向具有可变厚度的定制轧制带材。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述非对称厚度轮廓是第一非对称厚度轮廓，并且所述方法进一步包含切割所述定制轧制带材以形成包括所述第二非对称厚度轮廓的至少一部分的板坯，其中：
(i)所述第二非对称厚度轮廓在所述定制轧制之后比所述第一非对称厚度轮廓薄至少75％；
(ii)所述第一非对称厚度轮廓的最大厚度(tmax)的范围从大于或等于约8mm至小于或等于约25mm，并且最小厚度(tmin)的范围从大于或等于约3mm至小于或等于约10mm，并且所述定制轧制带材的所述第二非对称厚度轮廓具有大于或等于约1.5mm至小于或等于约3.5mm的最大厚度(t'max)和大于或等于约0.5mm至小于或等于约1.5mm的最小厚度(t'min)；或者
(i)和(ii)两者。
10.根据权利要求8所述的方法，其中具有定制厚度的高强度金属合金结构性汽车部件由具有所述定制厚度的所述高强度金属合金前体形成，并且所述方法进一步包含：
形成板坯以产生整体的高强度三维形状主体部件，其中所述主体部件具有第一区域，所述第一区域具有呈现负载承载能力的第一厚度，其不同于具有第二厚度的第二区域，并且所述主体部件用于形成高强度金属合金结构性汽车部件，所述高强度金属合金结构性汽车部件选自以下组成的组的：摇杆轨道、结构柱、A柱、B柱、C柱、D柱、铰链柱、车门、车顶、引擎盖、行李箱盖、发动机轨道及其组合。
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