CN107881294A - 激光点硬化 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光点硬化。硬化的/变硬的钢部件包括钢基体，钢基体具有主体区域和钢基体表面。多个局部马氏体富集区域位于钢基体表面处。典型地，多个局部马氏体富集区域具有比主体区域高的马氏体含量。多个局部马氏体富集区域中相邻的局部马氏体富集区域的中心以间隔距离间隔开，该间隔距离为从约0.5mm至5mm。还提供了通过激光点硬化形成钢部件的方法。

Description

激光点硬化
技术领域
在至少一个方面，本发明涉及被激光点硬化的(laser spot hardened)钢部件。
背景
已知的是，机动交通工具具有大量的金属部件，特别是钢部件。使用这些部件是因为金属易于成型为汽车部件并提供强度。然而，为了提高燃油效率，汽车制造商面临着降低交通工具的重量的压力。因此，期望减小金属部件的厚度。然而，厚度减小可能会降低这些部件的刚度(rigidity)。
因此，需要保持刚度并且同时也减轻重量的钢部件。
概述
本发明通过在至少一个实施方案中提供具有提高的刚性(stiffness)和硬度(hardness)的钢部件解决了现有技术的一个或更多个问题。钢部件包括具有主体区域(bulk region)和钢基体表面的钢基体(steel substrate)。多个局部马氏体富集区域位于钢基体表面处。典型地，多个局部马氏体富集区域具有比主体区域高的马氏体含量。多个局部马氏体富集区域中相邻的局部马氏体富集区域的中心以间隔距离间隔开，该间隔距离为从约0.5mm至5mm。
在另一实施方案中，提供了用于形成上面所阐述的硬化的/变硬(stiffened)的钢部件的方法。该方法包括提供具有主体区域和钢基体表面的钢基体的步骤。使用激光焊接系统在钢基体表面上的多个位置处对钢基体进行激光点硬化，激光焊接系统包括激光器，以形成位于钢基体表面处的多个局部马氏体富集区域。多个局部马氏体富集区域具有比主体区域高的马氏体含量。多个局部马氏体富集区域中的相邻局部马氏体富集区域的中心以间隔距离间隔开，该间隔距离为从约0.5mm至5mm。有利地，通过激光点焊接(laser spotweld)的分布和尺寸来控制部件强度和刚性的增大或减小。汽车座椅结构或部件表现出可预测和可重复的载荷路径性能，而质量零增加。
附图简述
图1A提供了具有以矩形阵列布置的多个局部马氏体富集区域的钢部件的俯视图；
图1B是以六边形阵列布置的多个局部马氏体富集区域的俯视图；
图1C是具有多个局部马氏体富集区域的钢部件的侧视图；
图2是用于形成多个局部马氏体富集区域的点激光硬化系统的示意图；
图3A是具有钢部件的交通工具座椅框架的透视图；
图3B是钢交通工具座椅靠背框架侧部部件的侧视图，该侧部部件通过多个局部马氏体富集区域变硬；
图4是用于评估钢部件刚度的三点弯曲测试系统的示意图；以及
图5是三点弯曲测试挠曲(deflection)与所施加的法向载荷的曲线图。
详细描述
现将详细地参考本发明的目前优选的组成、实施方案和方法，其构成发明人目前已知的实践本发明的最佳方式。附图不一定是按比例的。然而，应理解，所公开的实施方案仅是可以按各种形式和可选形式实施的本发明的示例。因此，本文所公开的具体细节不应被理解为限制性的，而是应该被理解为仅作为本发明的任何方面的代表性基础，和/或作为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。
除了在示例中、或者以其它方式明确表明的地方之外，本说明书中表示材料的量或反应情况和/或使用情况的所有数值量应理解为由词“大约(about)”修饰以描述本发明的最宽泛范围。在所陈述的数值限度内的实践通常是优选的。并且，除非明确地阐明相反：对于与本发明有关的给定目的是适合或优选的一组或一类材料的描述意味着该组或类的任何两个或更多个成员的混合物同样是适合的或优选的；化学术语中成分的描述是指在添加到描述中所指定的任何组合时的成分，并且不一定排除混合时混合物的成分之间的化学相互作用；首字母缩略词或其它缩写词的第一个定义适用于本文中相同缩写词的所有后续使用，并且对初始定义的缩写词的常见语法变体进行必要的修改；并且除非明确地阐明相反，否则性能的测量通过与关于同一性能在前面或后面引用的技术相同的技术来确定。
还应理解，本发明并不局限于以下所描述的具体实施方案和方法，因为具体的部件和/或条件无疑可以变化。另外，本文所使用的术语仅为了描述本发明的特定实施方案而使用并且无论如何不意在是限制性的。
还必须注意的是，当在说明书和所附权利要求书中使用时，除非上下文清楚地指明与之不同，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数指示物。例如，以单数形式提及一部件意在包括多个部件。
术语“包含(comprising)”是“包括(including)”、“具有(having)”、“含有(containing)”或“以...为特征(characterized by)”的同义词。这些术语是包容性和开放性的，并且不排除额外的、未被引用的要素或方法步骤。
短语“由...组成(consisting of)”不包括权利要求中未指定的任何要素、步骤或成分。当该短语出现在权利要求的正文中一个子句中时，而不是紧接在前序部分之后，它仅限制该子句中阐述的要素；整体上其它要素并不从该权利要求被排除。
短语“基本上由...组成(consisting essentially of)”将权利要求的范围限于所指定的材料或步骤，加上不实质影响所要求保护的主题的基本和新颖特征的那些材料或步骤。
关于术语“包含”、“由...组成”和“基本上由...组成”，在该三个术语中的一个在本文被使用的情况下，当前公开的和所要求保护的主题可以包括使用其它两个术语中的任一个。
参考图1A、1B和1C，提供了具有提高的刚性和硬度的钢部件。钢部件10包括钢基体12，钢基体12包括主体区域14和钢基体表面16。合适的钢基体的示例包括但不限于多相钢(multiphase steel)、双相钢(dual phase steel)和高强度低合金(HSLA)等级的钢。通常，钢部件将具有约0.25mm至3mm的厚度。多个局部马氏体富集区域18位于钢基体表面16处。典型地，多个局部马氏体富集区域18具有比主体区域14高的马氏体含量。在变型中，钢部件10还包括相反的表面20，表面20包括第二多个局部马氏体富集区域22。多个局部马氏体富集区域18或22中的相邻的局部马氏体富集区域的中心26以间隔距离d1间隔开。在改进方案中，间隔距离d1为约0.5mm至5mm。在另一个改进方案中，间隔距离d1为约1mm至4mm。在又一个改进方案中，间隔距离d1为约1.5mm至3mm。
仍参考图1A、1B和1C，示意性地描绘了多个局部马氏体富集区域的各种布置。图1A示出了矩形阵列，其中局部马氏体富集区域18的至少一部分的行24是对齐的。图1B示出了六边形阵列，其中局部马氏体富集区域18的至少一部分的行28是偏离的。每个局部马氏体富集区域18具有平行于钢基体表面16的最大空间伸展范围(maximum spatial extent)d2。在改进的方案中，平行的最大空间伸展范围d2小于或等于5mm。在另一个改进的方案中，最大空间伸展范围d2小于或等于4mm。在其它改进方案中，最大空间伸展范围d2小于或等于3mm。通常，在这些改进的方案中，平行的最大空间伸展范围d2大于或等于1mm。局部马氏体富集区域18在钢基体表面下方延伸至深度d3。在改进的方案中，深度d3为约50微米至600微米。在另一改进的方案中，深度d3为约150微米至400微米。在又一个改进的方案中，深度d3为约300微米。
本实施方案的钢部件有利地比不具有多个局部马氏体富集区域18的由相同主体区域组成部分组成的钢部件更硬且刚度更大。在这方面，局部马氏体富集区域18具有如以C标尺(C scale)测量的约35至60HRC的平均洛氏硬度值，并且主体区域具有如以C标尺测量的小于35HRC的平均洛氏硬度值。在改进的方案中，对于1mm厚样品，使用300N的载荷，如通过以下阐述的三点弯曲测试所确定的，钢部件具有的挠曲至多是不具有局部马氏体富集区域的钢部件(具有相同的类型和尺寸)的挠曲的50％。在另一个改进的方案中，对于1mm厚样品，使用300N的载荷，如通过以下阐述的三点弯曲测试所确定的，钢部件具有的挠曲至多是不具有局部马氏体富集区域的钢部件(具有相同的类型和尺寸)的挠曲的40％。在又一个改进的方案中，对于1mm厚样品，使用300N的载荷，如通过以下阐述的三点弯曲测试所确定的，钢部件具有的挠曲是不具有局部马氏体富集区域的钢部件(具有相同的类型和尺寸)的挠曲的20％至50％。
参考图2，提供了用于硬化钢基体和/或使钢基体变硬以形成上面所阐述的钢部件的方法。钢基体12包括主体区域14和钢基体表面16。钢基体12的细节已在上面阐述。利用激光焊接系统32，钢基体12在钢基体表面16上的多个位置30处经受激光点硬化。激光焊接系统32包括激光器34，以形成位于钢基体表面处的多个局部马氏体富集区域18。激光焊接系统32还包括用于调整激光束42的方向的振镜系统(galvo systems)38、40和用于聚焦激光束42的透镜43。振镜系统38、40分别包括反射镜44、46，反射镜44、46可以用于使激光束42沿方向d4和d5转向，以形成多个局部马氏体富集区域18和/或22。振镜系统38、40可以使反射镜44、46旋转大约角度a1和a2。在改进的方案中，激光器34在大约5ms内熔化钢，当凝固时这在钢中产生马氏体结构。在改进的方案中，激光焊接系统32包括光纤激光器。尽管本发明不受激光功率的限制，但是通常激光器34具有约0.1MW/cm2至3MW/cm2的功率输出。来自激光器34的光经由振镜系统38、40顺序地被引导到钢基体表面上的多个位置30。在改进的方案中，钢基体12顺序地移动以将光引导到钢基体表面上的多个位置。
图3A和图3B提供了交通工具座椅框架的示意图，其包括可以变硬/硬化的钢部件。交通工具座椅框架50包括座椅靠背框架52。座椅靠背框架52包括附接到座椅靠背横向构件58、60的座椅靠背侧部构件54、56。交通工具座椅框架50还包括定位在座椅靠背框架52下方的座椅底部框架62。通常，这些交通工具座椅框架部件中的一个或更多个由适合于进行如上所阐述的激光硬化的钢制成。例如，图3B示出了座椅靠背侧部构件54，其包括数个不同的区域(可以是1个、2个、3个、4个、5个或更多个)，每个区域具有通过激光点硬化形成的多个局部马氏体富集区域64-70。本公开中所示的局部马氏体富集区域是大致圆形的，但它们不必一定是大致圆形的。
参考图4，提供了用于测试钢部件的刚度的系统。三点弯曲测试系统80包括用于悬挂钢部件10的侧部支撑件82、84。在钢部件10的中心处施加法向力F并测量挠曲量d6。图5提供了针对具有1.0mm厚度的780DP钢样品的局部马氏体富集区域的数个间隔的挠曲曲线图。对于这些样品，热处理后具有比基础材料(base material)高的刚性特性。对于在单侧上具有激光点的样品，力被施加到相反侧。三点弯曲测试显示，在421N的作用下，在延伸上具有从对于基础材料的3.9mm到对于1.5mm间距的样品的2.1mm的47％的降低。表1提供了关于数个等级的钢的挠曲值。通常，激光处理的钢样品在载荷下表现出较小的挠曲。
表1.三点挠曲值
表2提供了基础材料和用于数种钢样品的激光点的极限拉伸强度(UTS)的值。一般来说，UTS增加了100％以上。
表2钢样品的UTS强度
*上述UTS强度基于基础材料和激光点硬化区域中的所测量的微观硬度(micro-hardness)结果。
最后，表3提供与钢表面相距数个距离处的激光点硬化区域中的微观硬度值。一般来说，微观硬度高于基础材料(即主体区域)的值。
表3.微观硬度值
距表面的位置 硬度值
0.050mm 40HRC
0.100mm 38HRC
0.200mm 40HRC
HAZ(热影响区) 27HRC
基础材料 28HRC
虽然上面描述了示例性实施方案，但是这些实施方案不意在描述本发明的所有可能的形式。而是，在说明书中使用的词句是描述性的而不是限制的词句，以及应理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可做出各种变化。此外，各种实现实施方案的特征可组合以形成本发明的另外的实施方案。

Claims (20)

1.一种钢部件，包括：
钢基体，其具有主体区域和钢基体表面；和
多个局部马氏体富集区域，其位于所述钢基体表面处，所述多个局部马氏体富集区域具有比所述主体区域高的马氏体含量，其中所述多个局部马氏体富集区域中相邻的局部马氏体富集区域的中心以间隔距离间隔开，所述间隔距离为从约0.5mm至5mm。
2.根据权利要求1所述的钢部件，其中，所述间隔距离为从约1mm至4mm。
3.根据权利要求1所述的钢部件，其中，所述间隔距离为从约1.5mm至3mm。
4.根据权利要求1所述的钢部件，其中，所述多个局部马氏体富集区域的至少一部分以矩形阵列布置。
5.根据权利要求1所述的钢部件，其中，所述多个局部马氏体富集区域的至少一部分以六边形阵列布置。
6.根据权利要求1所述的钢部件，其中，每个局部马氏体富集区域具有平行于所述钢基体表面的最大空间伸展范围，所述最大空间伸展范围小于4mm。
7.根据权利要求1所述的钢部件，其中，所述钢基体包括多相钢或双相钢。
8.根据权利要求1所述的钢部件，其中，所述局部马氏体富集区域具有平行于所述钢基体表面的最大空间伸展范围，所述最大空间伸展范围小于3mm。
9.根据权利要求1所述的钢部件，其中，所述局部马氏体富集区域具有以C标尺测量的从约35HRC至60HRC的平均洛氏硬度值，并且所述主体区域具有以C标尺测量的小于35HRC的平均洛氏硬度值。
10.根据权利要求1所述的钢部件，其中，所述局部马氏体富集区域在所述钢基体表面下面延伸至从约50微米至600微米的深度。
11.一种用于硬化钢部件的方法，包括：
提供具有主体区域和钢基体表面的钢基体；和
利用激光焊接系统在所述钢基体表面上的多个位置处对所述钢基体进行激光点硬化，所述激光焊接系统包括激光器，以形成位于所述钢基体表面处的多个局部马氏体富集区域，所述多个局部马氏体富集区域具有比所述主体区域高的马氏体含量，其中所述多个局部马氏体富集区域中相邻的局部马氏体富集区域的中心以间隔距离间隔开，所述间隔距离为从约0.5mm至5mm。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述激光器在5ms内熔化所述钢基体，这在凝固时产生所述多个局部马氏体富集区域。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述激光焊接系统包括光纤激光器。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述激光器具有从约0.1MW/cm2至3MW/cm2的功率输出。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，来自所述激光器的光被顺序地引导到所述钢基体表面上的所述多个位置。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，顺序地移动所述钢基体，以将光引导到所述钢基体表面上的多个位置。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述间隔距离为从约1mm至4mm。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述间隔距离为从约1.5mm至3mm。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多个局部马氏体富集区域的至少一部分以矩形阵列或六边形阵列布置。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述钢基体包括多相钢、双相和HSLA等级的钢。
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