CN110100016B - 制造复合成形构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在多级处理(4)中使用奥氏体钢制造复合成形构件(6)的方法，其中，冷成形(2)和加热(3)作为多级处理(4)的至少两个步骤交替进行。在每个处理步骤期间的材料和所产生的构件具有非磁性的可逆性质的奥氏体微观组织。

Description

制造复合成形构件的方法
技术领域
本发明涉及通过冷成形处理和退火处理组合的多级成形操作用奥氏体材料制造非常复杂零件的方法。在成形操作期间，在奥氏体材料延展性减小的情况下实现了孪晶形成。
背景技术
在车身工程中，用软拉深钢制造具有复合成形几何形状的构件。需要满足高强度轻重量目标、总布置设计目标或安全目标，可用的高强度钢例如双相钢、多相钢或复相钢经常达到成形性极限。预定调节的机械性能值和微观组织零件(在钢制造期间)对在构件制造期间随后的成形处理步骤或热处理步骤反应敏感。因此，它们的性质会不合希望地改变。
一种方案是热成形操作，例如所谓的加压硬化，其中，可热处理的锰-硼钢加热达到奥氏体化温度(超过900℃)，通过以一定保持时间硬化，接着在此高温下在热成形工具中成形得到最终构件。在成形操作的同时，热量从板材排放到工具的接触区域，因此被冷却。例如在US20040231762A1中描述了此处理。利用热成形处理，可使用高强度材料实现复杂零件。但是，残余延伸率在最低水平(大多数时候<5％)。
因此，随后的冷成形步骤是不可能的，在车身构件碰撞情形期间高能量吸收率也是不可能的。此外，不是任何时候都要求1,500Mpa的抗拉强度，例如当系统变得太刚硬时。另外，与冷成形操作相比，在边际生产周期时间的情况下，用于辊式炉的投资成本、修理成本和能量成本以及所需空间极大。此外，与涂层的冷成形钢相比，耐蚀性处于较低水平。
数十年以来，奥氏体不锈钢一直在用于复合冷成形构件(例如洗涤槽)的家用品应用领域中使用。已知材料是铬和镍合金化，采用了TRIP(相变诱发塑性)硬化效应，其中，亚稳态奥氏体微观组织在成形载荷期间变成马氏体。在室温下，由于较低的马氏体开始温度，因此奥氏体微观组织是稳定的。在文献中，此效应熟知为“变形诱发的马氏体形成”。使用此材料进行复合冷成形操作的缺点在于：形式上为奥氏体材料的性质变为延展性较低、硬度增大且因此最终能量吸收潜力减小的马氏体微观组织。此外，该过程是不可逆的。奥氏体材料的优点(例如非磁性性能)丧失，且无法在此材料的构件情形中利用。该不可逆的微观组织改变是复合多级成形操作的重大缺点，其中，残余延伸率不足。此外，TRIP效应对温度敏感，从而导致需要对工具冷却的进一步投资。此外，此材料在成形处理期间微观组织改变为马氏体时会展现出应力诱发延迟断裂的危险。具有TRIP效应的材料的堆垛层错能SFE<20mJ/m2。另外，马氏体相变会导致氢脆危险。
所描述的具有TRIP效应的奥氏体不锈钢在初始状态下为非磁性的。文献DE102012222670A1描述了一种对不锈钢制造的构件进行局部加热的方法，采用了导致马氏体形成的TRIP效应。此外，采用对马氏体相变的奥氏体不锈钢进行感应加热的设备，在构件的马氏体区域中局部再结晶。
文献WO2015028406A1描述了一种使金属板材硬化的方法，其中，通过喷丸或喷砂使表面硬化。因此，对于洗涤槽应用来说，表面更加耐划。尤其指出了亚稳态铬-镍合金化1.4301的使用。
发明内容
本发明的目的是消除现有技术的一些缺点，建立一种在最终以及在所有处理步骤期间具有非磁性的奥氏体钢复合成形构件的制造方法。成形和加热组合的多级处理导致了可逆的材料性质，这是通过TWIP硬化效应和稳定的奥氏体微观组织来实现的。本发明的必要特征在所附权利要求书中列出。
本发明中使用的钢含有间隙脱离原子氮和碳，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％，且该钢有利地还可含有超过10.5重量％的铬，因此是奥氏体不锈钢。另一如同铬的铁素体形成元素是硅，在钢制造期间充当脱氧剂。此外，硅增大了材料的强度和硬度。在本发明中，钢的硅含量小于3.0重量％以限制在焊接期间的易热裂性，更优选地小于0.6重量％以避免作为脱氧剂的饱和，进一步更优选地小于0.3重量％以避免在Fe-SI基础上的低熔点相且限制堆垛层错能不合希望的减小。在钢含有至少一个铁素体相形成元素(例如铬或硅)的必要含量的情况下，为了在钢的微观组织中具有平衡和独占的奥氏体含量，将以奥氏体相形成元素含量进行补偿，例如碳或氮，而且例如锰重量％介于10％与小于或等于26％之间优选地介于12-16％之间，碳和氮两者的重量％值大于0.2％且小于0.8％，镍重量％等于或小于2.5％优选地小于1.0％，或铜重量％小于或等于0.8％优选地介于0.25-0.55％之间。
本发明在于采用多级冷成形和加热操作实现复合成形构件，在完成成形操作之后保留或优化了奥氏体材料性质。
多级处理的成形步骤是通过液压机械拉深处理来执行，例如板材液压成形或内部高压成形。
此外，多级处理的成形步骤通过拉深、加压、翻边、胀形、弯曲、旋压或拉伸成形来执行。
根据本发明，在多级成形处理中使用延伸率A80等于或大于50％的奥氏体钢，材料的特征在于TWIP(孪晶感生塑性)硬化效应，特定调节的堆垛层错能SFE大于或等于20且小于或等于30mJ/m2、优选地22-24mJ/m2，因此在整个成形处理期间有稳定的奥氏体微观组织以及稳定的非磁性性质。
本发明涉及一种用于多级成形操作的方法，其中，成形和加热由两个不同操作步骤组成，其中，多级金属成形处理包含至少两个不同(或彼此独立)的步骤，其中，至少一个步骤是成形步骤。另一步骤可为另一成形步骤或例如热处理。此外，在本发明中描述了后续处理，后续处理包括成形和加热以形成复合成形构件，且为此目的后续处理使用具有TWIP硬化效应的奥氏体(不锈)钢，其特殊性质可便于利用TWIP(孪晶诱发塑性)硬化效应由奥氏体钢制造复合成形构件。在加热期间所使用TWIP材料的微观组织中的孪晶溶解，且在成形期间所使用TWIP材料的微观组织中的孪晶重构。
用于板材制造业领域的复合成形构件是白色家电、日用消费品或车身工程。此外，设计广泛和复合成形的几何形状具有节省零件数或整合额外功能的益处。作为白色家电的多级复合成形构件可见于例如厨房洗涤槽，或家用电器的缸例如洗碗机滚筒或洗衣机滚筒。此外，功能性要求或构造性要求诸如总布置设计限制例如汽车纵向构件或体积规格例如储箱、储罐也适用于复杂的构造性配置。此外，其他设计方面，例如汽车保险杠系统的诸如碰撞盒的防撞结构的沉陷路径或加载路径，可为本发明方法的其它方案。此外，本发明适用于运输系统的悬挂件，例如复合成形门或门侧冲击梁，以及内部零件，例如座椅结构，尤其是座椅靠背壁。根据本发明变形的构件可应用到运输系统，例如小汽车、卡车、公共汽车、铁路车辆或农业车辆，以及汽车工业，例如安全气囊套筒或燃油注入管。
多级成形操作是冷成形(例如低于100℃且不低于-20℃，但优选地在室温)且接着是短时加热的交替处理。处理步骤的数目取决于成形复杂性。
附图说明
参考附图来更详细地说明本发明，其中：
图1示出不同处理的硬度比较，
图2示出作为金相检验的孪晶形成，
图3示出奥氏体TWIP钢的成形程度图，
图4示出从冲压边缘起的硬化效果，
图5示出通过喷丸进行表面硬化的效果，
图6示出表面渗碳热处理对奥氏体TWIP钢机械性质的效果，
图7示出多级金属成形处理。
具体实施方式
图1示出在这种成形和加热操作之后构件的硬度测量结果。多级成形操作的不同处理步骤的硬度比较：初始状态，基材(左)，在以20％成形程度进行第一成形步骤之后(中间)，以及在加热处理之后(右)；每个状态每次测量10个硬度点。
在图2中，孪晶的形成在图2中示出为金相检验，与图1中的硬度测量相关。
图3示出具有12-17％铬和锰的奥氏体TWIP钢的成形程度图。
在图4中示出12-17％铬和锰合金化TWIP钢从冲压边缘起的硬化效果。
图5示出通过喷丸进行表面硬化对全奥氏体TWIP钢的效果。
在图6中示出在退火条件下表面渗氮热处理对奥氏体TWIP钢机械性质的效果，Rp0,2＝屈服强度，A80＝断裂后延伸率，Ag＝均匀延伸率，样品定义：A＝在初始退火条件下采样，N＝在渗氮处理之后采样。
在图7中，多级金属成形处理由不同加热步骤和成形步骤组成，利用了TWIP硬化效应。
由于TWIP效应，在方法中使用的材料将在成形操作期间硬化，但材料将维持奥氏体微观组织。对于奥氏体TWIP材料来说，成形程度将小于或等于60％，优选地小于或等于40％。如果由材料成形程度定义的成形潜力在方法结束时或如果需要用于成形的高加工力，可开始第二步骤，即加热步骤。在随后的加热步骤期间，孪晶溶解且材料将再次软化。由于之前限定的材料特征，该方法是可逆过程。加热处理可整合到一个成形工具中，采用感应或传导。加热温度必须介于750℃与1150℃之间，优选地介于900℃与1050℃之间。处理可根据需要多次重复，以建立所需的复杂几何形状。
用于多级处理的板材的初始厚度应小于3.0mm，优选地介于0.25mm与1.5mm之间。本发明也可使用柔性轧制板材。
构件的形式为板材、管材、型材、线材或接合铆钉。
孪晶的形成在图2中示出为金相检验，与图1中的硬度测量相关。可非常好地示出通过成形实现的孪晶形成和通过加热实现的孪晶溶解。利用在加热之后的另一成形步骤，孪晶的形成将再次重新开始且构件将再次硬化。此过程可根据需要多次交替重复使用，以达到几何形状以及强度和延伸率的目标机械性能值。因此，多级成形操作的最终步骤可为具有限定成形程度的成形步骤以及局部加热步骤。对于12-17％铬以及锰合金化的TWIP钢的使用，采用图3的成形图来调节成品构件的充分值。如图3所见，本发明尤其适用于最小屈服强度水平大于或等于500MPa的高强度钢或超高强度钢。可利用感应、传导或还有红外线技术来设计加热步骤。升温速率可为20K/s，且不会影响孪晶的行为。
另外，成形操作可整合到成形工具中。因此，现有技术操作的硬化效果可达到超过基材的160％。通过后续加热步骤也可解决边缘硬化的此缺点。因此，可显著减少边缘裂纹敏感性。
本发明的另一个积极方面是可通过镦锻成形操作(例如喷丸、喷砂或高频冲击)在表面上产生压缩应力值，以减少边缘裂纹或表面裂纹敏感性以及当多级成形构件在疲劳应力条件下(例如，汽车构件)时达到更好的疲劳行为。这种表面处理是周知的，但与所指出材料特性的组合表现出新的性质，这是因为微观组织且从而材料性质(例如，非磁性)将恒定。处理和材料的组合生成了在图1中示出的值，其中，表面硬化(喷丸)和后续热处理的效果处于全奥氏体TWIP钢的残余应力水平。
Figure BDA0002105657670000061
表1
在表1中，正号意味着表面上的拉伸应力，负号意味着压缩应力水平。
测量方法的大致偏差可为+/-30MPa。利用表1可示出，在初始状态下的材料应力(尤其是对于应变硬化的冷轧例来说)可通过镦锻成形操作转变成非临界压缩值。这种操作也可整合到多级成形处理中，这是因为在后续热处理之后也能维持高压缩载荷水平。
多级复合成形构件可用作汽车构件，例如轮罩、保险杠系统、槽形件，或用作底盘构件，例如悬臂。此外，多级复合成形构件作为安装件可在运输系统中使用，例如门、翼板或盖板、弗兰德梁(flenderbeam)或承载侧板、运输系统的内部部件(例如座椅结构件，比如座椅靠背)。
多级复合成形构件还可形成为用于汽车、卡车、运输系统、铁路、农业车辆以及用于汽车行业的燃油注入系统的一部分，例如加油管嘴，或作为储箱或储罐，且进一步可用在建筑物、压力容器或锅炉中，或使用多级复合成形构件作为电池电动车或混合动力车，例如电池盒。
可利用渗碳或渗碳热处理达到额外表面效果，例如镦锻成形操作。氮和碳两种元素都作为奥氏体形成元素，因此这两种元素使局部堆垛层错能和最终硬化效应(TWIP机理)稳定。渗碳或渗碳的效果是如图5所示构件近表面结构的硬化。此外，近表面结构对TWIP钢机械性能值的影响表示为如图6中所示的机械性能值。
加热温度介于500℃与650℃之间优选地介于525℃与575℃之间的渗碳或渗碳表面处理被整合到多级处理中，以形成构件的耐划且同时非磁性的表面。
多级金属成形处理可见于图7中，包括薄板材、厚板材、管材1，至少两个不同(或彼此独立)的步骤，其中，至少一个步骤是成形步骤2。下一步骤3是热处理。多级处理4的步骤数目取决于成形复杂性5。复合成形构件6是方法的最终结果。

Claims (36)

1.一种用于在多级处理(4)中制造复合成形构件(6)的方法，其中，冷成形(2)和加热(3)作为多级处理(4)的至少两个步骤交替进行，使用的材料是具有TWIP硬化效应的奥氏体钢，其特征在于，奥氏体钢的特定调节的堆垛层错能SFE介于20至30mJ/m2之间且初始延伸率A80大于或等于30％；冷成形步骤期间的温度介于-20℃至100℃之间；成形程度小于或等于60％；加热步骤期间的温度介于750℃至1150℃之间；从而使得在每个处理步骤期间的材料以及所生产的构件具有非磁性的可逆性质的奥氏体微观组织。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在加热期间所使用TWIP材料的微观组织中的孪晶溶解，且在成形期间所使用TWIP材料的微观组织中的孪晶重构。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于多级处理(4)的板材(1)的初始厚度应小于3.0mm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，用于多级处理(4)的板材(1)的初始厚度介于0.25mm与1.5mm之间。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，待变形的奥氏体钢中的碳含量和氮含量的总和C+N大于0.4％重量％，但小于1.2重量％。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，构件的形式为板材、管材、型材、线材或接合铆钉(1)。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所使用的材料是稳定的全奥氏体钢(1)，采用了TWIP硬化机理，限定的堆垛层错能(SFE)介于22-24mJ/m2之间。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所使用材料的初始延伸率A80大于或等于50％。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所使用奥氏体TWIP钢的锰重量含量介于10％与小于或等于26％之间。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所使用奥氏体TWIP钢的锰重量含量介于12％与16％之间。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所使用的奥氏体TWIP钢是具有大于10.5％铬的不锈钢。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所使用的奥氏体TWIP钢是铬介于12％与17％之间的不锈钢。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，多级处理(4)的成形步骤通过拉深、加压、翻边、胀形、弯曲、旋压或拉伸成形来执行。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，多级处理(4)的成形步骤通过液压机械拉深处理来执行。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，液压机械拉深处理是板材液压成形或内部高压成形。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，加热步骤(3)的加热温度处于900℃与1050℃之间的温度范围。
17.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，多级处理(4)的加热步骤(3)通过感应加热、传导加热或红外线加热来执行。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，成形处理(2)作为后续加热步骤(3)之前的非最终步骤被整合到多级处理(4)中。
19.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对表面的镦锻成形处理被整合到多级处理中，以形成耐划和具有压缩载荷且同时是非磁性的构件表面。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，对表面的镦锻成形处理为喷丸、喷砂或高频冲击。
21.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，加热温度在500℃与650℃之间的渗氮或渗碳表面热处理被整合到多级处理(4)中，以形成耐划且同时非磁性的构件表面。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，渗氮或渗碳表面热处理的加热温度在525℃与575℃之间。
23.根据权利要求1-22中任一项所述方法制造出的多级复合成形构件的用途，作为白色家电。
24.根据权利要求23所述的用途，白色家电为厨房洗涤槽，或家用电器中的缸。
25.根据权利要求24所述的用途，家用电器中的缸为洗碗机滚筒或洗衣机滚筒。
26.根据权利要求1-22中任一项所述方法制造出的多级复合成形构件的用途，作为汽车构件。
27.根据权利要求26所述的用途，汽车构件为轮罩、保险杠系统、槽形件、或作为底盘构件。
28.根据权利要求27所述的用途，底盘构件为悬臂。
29.根据权利要求1-22中任一项所述方法制造出的多级复合成形构件的用途，作为安装件，用于运输系统。
30.根据权利要求29所述的用途，作为运输系统的门、盖板或翼板、弗兰德梁或承载侧板，或运输系统的内部部件。
31.根据权利要求30所述的用途，运输系统的内部部件为座椅结构件。
32.根据权利要求31所述的用途，座椅结构件为座椅靠背。
33.根据权利要求1-22中任一项所述方法制造出的多级复合成形构件的用途，作为用于汽车、卡车的燃油注入系统的一部分或作为储箱或储罐，或作为压力容器或锅炉。
34.根据权利要求33所述的用途，燃油注入系统的一部分为加油管嘴。
35.根据权利要求1-22中任一项所述方法制造出的多级复合成形构件的用途，作为电池电动车或混合动力车。
36.根据权利要求35所述的用途，作为电池盒。
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