CN107646054A - 制造由奥氏体钢制成的部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用TWIP效应制造由奥氏体锰合金钢制成的部件的方法。使部件(1)发生形变，从而使得该部件(1)虽然在部件(1)的各个区域(A、B、C、D)中具有基本相同的厚度，该厚度在0.5至2毫米的范围内，但是该部件(1)具有至少两个机械性能值不同的区域。

Description

制造由奥氏体钢制成的部件的方法
本发明涉及一种制造由奥氏体锰合金钢制成的部件的方法，其利用钢的TWIP(孪晶诱发塑性)效应以获得虽然整个部件的厚度基本相同但是具有机械性能值不同的区域的部件。
当制造用于诸如汽车、卡车、公共汽车、轨道或农用车辆等运输系统的部件时，使用了实现TRIP(相变诱发塑性)的奥氏体钢或铁素体钢。通过计算获知所需要的强度和材料厚度以满足安全要求。但是，当部件上存在厚度高于所需厚度的区域时，其被描述为“超裕度设计”。因此，采用了将适当的材料安排在适当的地方的设计。这种可能性被称为“多材料设计”或“定制产品”，例如定制辊压成型、定制回火或定制拼焊板(Tailored weldedblanks)。这实际上意味着其采用均匀的材料性能进行计算，并且因而只能对厚度进行构造，或者将不同的材料和板材放在一起。
美国专利公开2013048150描述了一种生产工件的方法，其利用高锰合金钢的TRIP硬化效应通过特殊的脱碳退火工艺制造在整个壁或带材厚度上具有可调节性能的工件。
国际专利公开2014180456描述了仅用一种材料奥氏体轻质结构钢生产具有不同材料性能的部件。通过特定的成形制得芯材，其中奥氏体轻质结构钢在转变期间具有依赖于温度的相变诱发塑性(TRIP)和/或孪晶诱发塑性效应(TWIP)。所制成的部件在高于室温的40至160℃温度范围内获得了高韧性，并在低于室温的-65至0℃温度范围内获得了高强度。美国专利公开2014328715也描述了生产TWIP和纳米孪晶奥氏体不锈钢的方法中的深冷处理，该不锈钢包含少于0.018重量％的C、0.25至0.75重量％的Si、1.5至2重量％的Mn、17.80至19.60重量％的Cr、24.00至25.25重量％的Ni、3.75至4.85重量％的Mo、1.26至2.78重量％的Cu、0.04至0.15重量％的N，其余为Fe和不可避免的杂质。
TWIP(孪晶诱发塑性)效应取决于化学组成、奥氏体微结构硬化效应以及堆垛层错能(20至30mJ/m2)。在TWIP效应中，变形孪晶的形成驱动了大量的变形。当微结构变得越来越细时，孪晶会导致瞬时硬化速率的高值。由此产生的孪晶界限起到与晶界相似的作用，并且使钢强化。在约30％的工程应变下，硬化速率值增加至0.4，然后保持恒定，直到均匀伸长率和总伸长率均达到50％。
例如在中国专利公开103556052、中国专利公开102312158、欧洲专利公开2649214、韩国专利公开20100028310以及韩国专利公开20100009222中也描述了采用不同化学组成制造具有TWIP效应的钢种的方法。
国际公开2014/097184涉及具有TWIP效应的奥氏体不锈钢在制造具有复杂几何形状的汽车部件中的用途，该奥氏体不锈钢以重量％的方式包含0.01至0.50％的C、0.001至0.5％的Si、6至12％的Mn、11至20％的Cr、0.01至6.0％的Ni、0.01至2.0％的Mo、0.01至2.0％的Co、0.01至6.0％的Cu、0.11至0.50％的N、0.001至0.5％的Nb、0.001至2.0％的Al，其余为铁和不可避免的杂质，所述汽车部件用于能量吸收、结构增强和/或者经由深拔(deep drawing)需要耐腐蚀性的应用。
现有技术集中在描述如何生产或制造具有TWIP硬化效应的钢以及它们对于钢的特定化学分析。尽管国际公开2014/097184提及了所述钢在汽车部件中的使用，但是国际公开2014/097184没有描述如何使用其奥氏体不锈钢来制造部件。
本发明的目的在于消除现有技术的缺点并且设计一种利用TWIP效应通过半成品的成形制造由奥氏体锰合金钢制成的部件的方法，该半制成品的厚度与部件基本相同并且具有机械性能值不同的区域。本发明的基本特征列于随附的权利要求书中。
根据本发明的方法，利用钢的TWIP(孪晶诱发塑性))效应从而使由锰合金钢制成的工件发生形变以获得虽然厚度基本相同但是至少具有两处机械性能值不同的区域的部件，该均匀厚度的范围为0.5至2.0毫米。每个区域所需的机械性能值取决于对工件实施的形变水平或形变程度。因此，根据本发明，可以在部件中获得诸如刚度、能量吸收和耐碰撞性等机械性能值不同的区域。
在TWIP效应中，硬化水平取决于形变程度或形变水平(固有应变)，但是与形变工艺无关。因此，根据DIN 8582的所有成形工艺都是可以的。
本发明的方法中待形变的工件由堆垛层错能在18至30mJ/m2的范围内的奥氏体钢制成。所述钢的锰含量为10至25重量％，优选为15至20重量％。所述钢优选地包含间隙分离的氮原子和碳原子，从而使得碳含量和氮含量的总和(C+N)至少为0.4重量％，但小于1.2重量％，并且所述钢还可以优选地包含超过10.5重量％的铬，因此其为奥氏体不锈钢。若所述钢包含至少一种铁素体形成元素的基本成分(诸如铬)，则采用奥氏体形成元素的成分(诸如锰、碳、氮、镍或铜)进行补偿，从而使所述钢的微结构中具有均衡和单一的奥氏体成分。
根据本发明的待形变的工件优选为板材、管材、型材、线材、接合铆钉或任何类似形状的形式，其中可以通过具有TWIP效应的形变来达到取决于形变水平或形变程度的机械-技术值的局部设置。例如，通过本发明的方法来增加钢的硬度和强度。
作为本发明的一个与变形期间的TWIP效应有关的实施方式，所述钢也可以利用基于奥氏体向马氏体相转变的TRIP(相变诱发塑性)效应。所述TRIP效应取决于堆垛层错能。当堆垛层错能在18至20mJ/m2范围内时，TRIP效应可以在形变期间存在，在这种情况下，一些奥氏体将转变成马氏体，并且在这种情况下，奥氏体的主要部分将在没有任何相变的情况下处于TWIP效应下。
根据本发明的工件的形变可以采用基本上所有常见的形变工艺来进行。诸如轧制、压印、加压、冲孔、切削、冲压或顶升等压力形变工艺以及诸如深冲压、深拉、液压成形、高压成形、凸缘成形或鼓胀成形等推拉式成形工艺均适用于本发明的方法。可以利用诸如压纹等的拉伸成形工艺以及诸如弯曲、卷曲、密封卷曲或经由屈曲的弯曲等弯曲成形工艺。另外，诸如剪切成形、表面变形或爆炸成形等的特殊成形工艺是合适的。此外，取决于诸如钳铆或铆接等成形的接合工艺适合应用于本发明。
工件在本发明的形变期间变形为部件所需的形式或几何形状，所述形式或形状是基于部件功能的应用。典型的形式可以为卷曲状、薄边状、折叠状、压切状以及切削边缘。也可以选择部件的形式或几何形状使得部件可以以有利的方式与另一部件机械连接。
根据本发明的工件至所需部件的形变在0至400℃，优选20至80℃的温度范围内进行。
根据本发明的形变的部件可以应用于诸如汽车、卡车、公共汽车、轨道或农用车辆等运输系统，并且还可以应用于建筑物和钢结构中，如地板。
该部件可以用作(例如)：
·轨道车辆中的侧壁、地板、车顶、踏板或入口部件，
·轿车中的保险杠、横梁、纵梁、前壁、驾驶室、仪表板罩、支柱、滑道，
·农业机械、公共汽车或卡车中的压型板材、管材或型材。
通过使用由本发明方法制造的部件，并基于需要可延展区域以及需要硬化区域的位置的实际情况来界定部件的区域，从而可以将碰撞期间的冲击控制为材料性能。
根据本发明的方法，有利地将可延展的软材料放入成形工具并取得高强度部件。通常在现有技术中，如果希望获得高强度部件时，放入成形工具的材料和所取得的材料必须是相同的高强度材料。在这种情况下，由于材料的形变程度太大，因而在成形加工期间，材料表面可能会产生裂纹。
参照附图更详细地说明本发明，其中，
图1示出了本发明的一个实施方式的用作汽车b柱的部件。
图2示出了基于根据图1的部件的各个区域中的拉伸强度的测量结果。
图1中，汽车b柱1由1.0mm均匀厚度并且含有0.08重量％的碳、21重量％的锰、13重量％的铬、小于0.5重量％的镍以及0.40至0.45重量％的氮的奥氏体TWIP钢板制成。使b柱1发生形变，从而使其具有形变程度分别为30％、30-35％、7％和15％的四个区域A、B、C和D。区域A中有5个测量点(1至5)，区域B中有5个测量点(6至10)，区域C中有7个测量点(11至17)，区域D中有7个测量点(18至24)。
图2示出了b柱1的各个测量点1至24的拉伸强度值。结果表明，变形程度越高的区域具有越高的拉伸强度。

Claims (13)

1.一种利用TWIP效应制造由奥氏体锰合金钢制成的部件的方法，特征在于：使所述部件(1)发生形变，从而使得所述部件(1)虽然在所述部件(1)的各个区域(A、B、C、D)中具有基本相同的厚度，该厚度在0.5至2毫米的范围内，但是所述部件(1)具有至少两个机械性能值不同的区域。
2.根据权利要求1所述的方法，特征在于所述部件(1)的各个区域(A、B、C、D)所需的机械性能值取决于所述形变程度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，特征在于所述形变在0至400℃，优选20至80℃的温度下进行。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，特征在于所述变形通过压力形变工艺来进行。
5.根据权利要求1、2或3所述的方法，特征在于通过推拉式成形工艺进行所述变形。
6.根据权利要求1、2或3所述的方法，特征在于通过拉伸成形工艺进行所述变形。
7.根据权利要求1、2或3所述的方法，特征在于通过弯曲成形工艺进行所述变形。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，特征在于待形变的所述奥氏体钢是板材、管材、型材、线材、接合铆钉的形式。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，特征在于待形变的所述奥氏体钢包含10至25重量％，优选15至20重量％的锰。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，特征在于待形变的所述奥氏体钢中碳含量和氮含量的总和(C+N)大于0.4重量％且小于1.2重量％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，特征在于待形变的所述奥氏体钢包含超过10.5重量％的铬。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，特征在于待形变的所述奥氏体钢的堆垛层错能在18至30mJ/m2的范围内。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，特征在于待形变的所述奥氏体钢的堆垛层错能在18至20mJ/m2的范围内，并且在与TWIP效应有关的变形期间在所述钢中利用了TRIP效应。
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