CN111332367A - 加压硬化焊接钢合金部件 - Google Patents

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Abstract

一种加压硬化的汽车部件,具有由第一钢合金形成的第一部分以及由第二钢合金形成的第二部分,所述第一钢合金包含约1.0至9.0重量百分比的铬(Cr)、约0.5至2.0重量百分比的硅(Si)和约0.2至0.45重量百分比的碳(C)；所述第二钢合金包含约1.0至9.0重量百分比的铬(Cr)、约0.5至2.0重量百分比的硅(Si)和约0.01至0.25重量百分比的碳(C)。第一钢合金和第二钢合金中的每一种都分别进一步包含大于0.0至约3.0重量百分比的锰(Mn)和大于0.0重量百分比至小于约0.01重量百分比的氮(N)。激光焊接界面将第一钢合金工件接合到第二钢合金工件上。

Description

加压硬化焊接钢合金部件
技术领域
本公开大体上涉及加压硬化钢部件；更具体地说,涉及由通过激光焊接工艺接合的两种不同钢合金形成的加压硬化钢部件。
背景技术
在汽车应用中,高强度钢合金通过热冲压(也称为加压硬化)转变成复杂的形状。需要量身定制机械性能的结构件(例如汽车车身的B柱)由钢坯(也称为工件)制成,所述钢坯从钢板上切下来并修整成预定的形状和尺寸。这些工件在加热炉中以预定的温度和时间加热,在模具内热冲压形成预定的零件构造,然后淬火以获得所需的结构性能。通过加压硬化工艺制造的高强度钢汽车零件被称为加压硬化钢(PHS)部件。
B柱位于前门和后门之间以将车身连接到车顶,具有两个部分。上部相对于重力方向由高强度钢合金形成,设计成保护乘客,避免侧面撞击侵入乘客室。下部由延性钢合金制成,设计用于吸收侧面碰撞产生的冲击力。高强度钢合金可以通过激光焊接接合到延性钢合金,这需要在两种钢合金可以通过激光焊接接合之前去除任何已有的表面涂层,例如AlSi。去除涂层需要耗费大量的时间和人力。
因此,虽然现有的表面涂覆钢合金实现了获得B柱量身定制的性能这个预期目的,但是需要具有足够表面抗氧化性的钢合金以便消除对表面涂层的需要,从而消除必须除去表面涂层的过程。
发明内容
根据若干方面,公开了一种加压硬化的汽车部件。该加压硬化的汽车部件包括由第一钢合金形成的第一部分以及由第二钢合金形成的第二部分,所述第一钢合金包含约1.0至9.0重量百分比的铬(Cr)和约0.5至2.0重量百分比的硅(Si)；并且所述第二钢合金包含约1.0至9.0重量百分比的铬(Cr)和约0.5至2.0重量百分比的硅(Si)。
在本公开的另一方面,第一钢合金和第二钢合金中的每一种进一步包含大于0.0至大约3.0重量百分比的锰(Mn)。
在本公开的另一方面,第一钢合金进一步包含约0.2至0.45重量百分比的碳(C)；并且第二种钢合金进一步含有约0.01至0.25重量百分比的碳(C)。
在本公开的另一方面,第一钢合金和第二钢合金中的每一种都包括大于0.0重量百分比的氮(N)至小于约0.01重量百分比的氮(N)。
在本公开的另一方面,加压硬化的汽车部件进一步包括将第一钢合金工件接合到第二钢合金工件的激光焊接界面。
在本公开的另一方面,激光焊接界面包括大于1重量百分比的铬(Cr)。
在本公开的另一方面,第一钢合金工件包括大于约95％的马氏体微结构；而第二钢合金包括铁素体、马氏体和贝氏体微结构。
在本公开的另一方面,第一钢合金工件包括在约1500MPa至2000MPa之间的拉伸强度。
在本公开的另一方面,第二钢合金工件包括大于约500MPa且小于约1500MPa的拉伸强度。
在本公开的另一方面,加压硬化的汽车部件是用于机动车辆的B柱。
根据若干方面,公开了一种用于加压硬化工艺的钢合金工件组件。该钢合金工件组件包括第一钢合金工件和第二钢合金工件,所述第一钢合金工件包含约0.2至0.45重量百分比的碳(C)和约0.5至2.0重量百分比的硅(Si)；并且所述第二钢合金工件包含约0.01至0.25重量百分比的碳(C)和约0.5至2.0重量百分比的硅(Si)。
在本公开的另一方面,第一钢合金工件进一步包括大于0.0至大约3.0重量百分比的锰(Mn)；并且第二钢合金工件进一步包括大于0.0至大约3.0重量百分比的锰(Mn)。
在本公开的另一方面,第一钢合金工件进一步包括约1.0至9.0重量百分比的铬(Cr)；并且第二钢合金工件进一步包括约1.0至9.0重量百分比的铬(Cr)。
在本公开的另一方面,钢合金工件组件进一步包括将第一钢合金工件接合到第二钢合金工件的激光焊接界面。
在本公开的另一方面,激光焊接界面含有大于1重量百分比的铬(Cr)。
根据若干方面,一种制造加压硬化钢合金部件的方法。该方法包括：(a)提供第一钢合金板,其包含约0.2至0.45重量百分比的碳(C)、约0.0至3.0重量百分比的锰(Mn)、约1.0至9.0重量百分比的铬(Cr)和约0.5至2.0重量百分比的硅(Si)；(b)提供第二钢合金板,其包含约0.01至0.25重量百分比的碳(C)、大于0.0至大约3.0重量百分比的锰(Mn)、大约1.0至9.0重量百分比的铬(Cr)和约0.5至2.0重量百分比的硅(Si)；(c)将第一钢合金板和第二钢合金板切割成预定形状,以获得第一钢合金工件和第二钢合金工件；(d)组装第一钢合金工件和第二钢合金工件,以形成钢合金工件组件；(e)将第一钢合金工件焊接到第二钢合金工件上,以形成焊接界面；(f)在预定的时间和温度下对焊接的钢合金工件组件进行热处理；(g)将焊接的钢合金工件组件热冲压成加压硬化的钢合金部件；(h)以预定的淬火速率对加压硬化的钢合金部件进行淬火。
在本公开的另一方面,步骤(f)包括：在足以使第一工件包括完整奥氏体微结构以及使第二工件包括铁素体和奥氏体微结构的时间和温度下加热钢合金工件组件。
在本公开的另一方面,步骤(h)包括：以大于每秒15℃的速率淬火钢合金工件组件,使得第一工件转变为大于95％的马氏体结构,第二工件转变为铁素体和马氏体微结构。
在本公开的另一方面,焊接界面含有大于1重量百分比的铬(Cr)。
在本公开的另一方面,步骤(g)包括：将焊接的钢合金工件组件热冲压成用于机动车辆的B柱。
根据本公开提供的描述,其他适用领域将变得显而易见。应该理解的是,描述和具体实例仅用于说明的目的,并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
此处的附图仅起到说明的目的,并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据一个示例性实施例的具有高强度上部和延性下部的加压硬化钢合金(PHS)部件的示意图；
图2是根据一个示例性实施例的用于制造图1中PHS部件的方法的工艺流程示意图；
图3是根据一个示例性实施例的用于制造图1中PHS部件的热处理工艺的温度-时间转变图；
图4是根据一个示例性实施例的图1中PHS部件与已知PHS部件相比的应力-应变曲线；
图5是具有3重量百分比的铬(Cr)和0重量百分比的硅(Si)的实验室样品钢合金表面的照片；
图6是具有0重量百分比的铬(Cr)和1.8重量百分比的硅(Si)的实验室样品钢合金表面的照片；以及
图7是具有3重量百分比的铬(Cr)和1.5重量百分比的硅(Si)的实验室样品钢合金表面的照片。
具体实施方式
以下描述在本质上仅仅是示例性的,并不旨在限制本公开、应用或用途。参考附图公开了所示实施例,其中在所有几个附图中,相同的附图标记表示相应的部件。这些图不一定按比例绘制,并且一些特征可能被放大或最小化以显示特定特征的细节。所公开的具体结构和功能细节不旨在被解释为限制,而是作为教导本领域技术人员如何实践所公开概念的代表性基础。
本公开提供一种加压硬化钢(PHS)部件,例如用于机动车辆的结构部件,其具有通过常规的热加压硬化工艺实现的具有量身定制的机械性能的多个部分。本公开还提供具有足够的铬(Cr)和硅(Si)含量的钢合金工件,使得多个钢合金工件可通过激光焊接接合以提供单个工件或工件组件112,其经过热加压硬化处理后获得多个具有量身定制的机械性能的部分。本公开还提供了一种制造PHS部件的方法,该部件具有多个具有量身定制的机械性能的部分。虽然公开了激光焊接作为实施例,但是应当理解,也可以使用其他焊接技术,例如电阻点焊和钎焊。
图1示出了机动车辆(未示出)的加压硬化钢(PHS)结构构件,例如B柱100。PHS B柱100包括由第一钢合金工件104形成的上部102或第一部分102,以及由第二钢合金工件108形成的下部106或第二部分106。上部102的配合表面通过激光焊接接合到下部106的配合表面,在加压硬化工艺之前形成激光焊接界面110。激光焊接界面110包括约1至10mm宽的焊缝。在加压硬化之后,第一钢合金工件104为B柱100的上部102提供比下部106更高的强度。在加压硬化之后,第二钢合金工件108为下部106提供更大的延展性(与上部102相比)。
第一钢合金工件104和第二钢合金工件108包括足够重量百分比的铬(Cr)和硅(Si)以抵抗表面氧化,因此不需要诸如Al-Si的表面涂层以及在通过激光焊接将第一钢合金工件104接合到第二钢合金工件108之前去除涂层的烧蚀步骤。第一钢合金工件104的成分包括约0.2至0.45重量百分比的碳(C)、约大于0.0至3.0重量百分比的锰(Mn)、约1.0至9.0重量百分比的铬(Cr)、约0.5和2.0重量百分比的硅(Si)和大于0但小于0.01重量百分比的氮(N)。第二钢合金工件108的成分包括约0.01至0.25重量百分比的碳(C)、约大于0.0至3.0重量百分比的锰(Mn)、约1.0至9.0重量百分比的铬(Cr)、0.5至2.0重量百分比的硅(Si)和小于0.006重量百分比的氮(N)。第一钢合金工件104和第二钢合金工件108中分别包括小于0.8重量百分比的钼(Mo)、小于0.005重量百分比的硼(B)、小于0.3重量百分比的铌(Nb)以及小于0.3重量百分比钒(V)。
表A中提供了第一工件和第二工件的成分的汇总表。
Figure BDA0001910402750000041
表A
通过激光焊接组装并接合第一钢合金工件104和第二钢合金工件108,以获得焊接钢合金工件组件112。第一钢合金工件104和第二钢合金工件的合金成分提供激光焊接界面110或激光焊接接头110,其具有大于1重量百分比的铬(Cr)。在焊接钢合金工件组件112经受如下所述的热加压硬化之后,第一钢合金工件104转变为PHS B柱100的上部102,并且第二钢合金工件108转变为PHS B柱100的下部106。上部102具有大于约95％的马氏体微结构,下部106具有铁素体和马氏体/贝氏体微结构。
PHS B柱100的上部102的所得拉伸强度在1500至2000MPa之间,这足以阻止侧面撞击侵入机动车辆的乘客室。PHS B柱100的下部106的强度高于500MPa但小于1500MPa,因此下部106的拉伸强度低于上部102。然而,下部106的延展性高于上部102,用于吸收侧面冲击力。
图2示出了利用激光焊接到第二钢合金工件108的第一钢合金工件104制造加压硬化的焊接钢合金工件组件112的方法的工艺流程,该方法总体上由附图标记200表示。该方法首先提供第一钢合金的第一卷板202和第二钢合金的第二卷板204；将第一卷板展开并切割成多个具有预定尺寸和形状的第一钢合金工件104；将第二卷板展开并切割成多个具有预定尺寸和形状的第二钢合金工件108；将第一钢合金工件104组装焊接到第二钢合金工件108上,以形成工件组件112；在加热炉206中以预定的时间和温度加热工件组件112；将工件组件112在模具208中热冲压成PHS部件,例如B柱100；以预定的淬火速率对PHS部件进行淬火,这也可以在模具208中进行。
来自第一卷板的第一钢合金包括如上针对第一钢合金工件104所公开的合金成分,并且来自第二卷板的第二钢合金包括如上针对第二钢合金工件108所公开的合金成分。第一钢合金和第二钢合金的独特合金成分提供了固有的表面氧化膜,这消除了对工件上的抗氧化涂层的需要,从而在热冲压过程之前和期间保护工件免受氧化。通过消除对表面涂层(例如Al-Si)以及在焊接之前去除涂层的相关烧蚀工艺的需求,消除了对抗氧化涂层的需求,从而降低了成本。
图3示出了根据示出的示例性实施例示出了热冲压过程的时间-温度转变图。在将第一钢合金工件104激光焊接到第二钢合金工件108来形成工件组件112之后,工件组件112在加热炉206中以约880℃至950℃的温度进行加热,该温度高于曲线302所示的第一钢合金工件104的奥氏体温度(Ac3),但低于曲线304所示的第二钢合金工件108的奥氏体温度(Ac3)。将工件组件112保持在该温度下一段时间并进行热冲压,使得第一钢合金工件104转变为具有完全奥氏体微结构,并且第二工件转变为具有铁素体和奥氏体微结构。然后,以大于每秒15℃的速率淬火工件组件112,使得第一钢合金工件104转变为具有大于约95％的马氏体微结构,第二工件转变为具有铁素体和马氏体微结构。奥氏体微结构为上部102提供高强度结构,而铁素体和奥氏体微结构为下部106提供延性结构。
图4示出了如上文所示由第一钢合金工件104(如曲线402a和402b所示)和第二钢合金工件108(如曲线404a和404b所示)形成的PHS B柱100与由传统的Usibor 1500钢合金(如曲线406所示)和Ductibor 1000钢合金(如曲线408所示)形成的PHS B柱100之间的应力-应变比较。实验室结果表明,与Usibor 1500相比,PHS B柱100的高强度上部102具有更高的强度,并且与Ductibor 1000相比,PHS B柱100的高延展性下部106具有更好的延展性。焊接钢合金工件组件112改善了抗侵入性和能量吸收性能。
图5是具有3重量百分比的铬(Cr)和0重量百分比的硅(Si)的实验室样品钢合金300的表面的照片。图6是具有0重量百分比的铬(Cr)和1.8重量百分比的硅(Si)的实验室样品钢合金302的表面的照片。图7是具有3重量百分比的铬(Cr)和1.5重量百分比的硅(Si)的实验室样品钢合金304的表面的照片。
实验室样品钢合金300、302、304分别在900℃的烘箱中加热10分钟,然后在空气中冷却至室温。实验室样品钢合金300和302分别表现出显著的表面氧化,如较暗的着色所示。与样品钢合金300和302相比,实验室样品钢合金304表现出优异的表面抗氧化性,这是由无深色变色证明的。图5、6和7清楚地表明,具有3重量百分比的铬(Cr)和1.5重量百分比的硅(Si)的钢合金在900℃下热处理10分钟,然后在空气中冷却至室温后,比分别具有铬(Cr)或硅(Si)的钢合金表现出更优异的表面抗氧化性。
上述公开内容提供了有利于制造加压硬化的焊接钢合金部件的钢合金。所公开的成分为直接接触大气的焊接钢合金部件提供了薄的表面氧化膜。上述公开内容还提供了一种制造这种具有量身定制的机械性能的焊接钢合金部件的方法,该方法通过消除对涂层和相关的涂层去除焊接工艺的需求来降低成本。
这里以范围的形式给出了数字数据。本公开所用的术语“约”是本领域技术人员已知的。或者,术语“约”包括+/-0.05重量百分比。应当理解,使用该范围格式仅仅是为了方便和简洁,因此应该被灵活地解释为不仅包括明确列举为范围限制的数值,而且还包括在该范围内包含的所有单独的数值或子范围,就好像每个数值和子范围被明确地列举一样。虽然已经详细描述了示例,但是熟悉本公开所涉及领域的技术人员将认识到用于在所附权利要求的范围内实践所公开的方法的各种替代设计和示例。
虽然已经结合一个或多个实施例描述了本发明,但是应该理解,本发明不限于那些实施例。相反,本发明涵盖可包括在所附权利要求的精神和范围内的所有替代、修改和等同物。

Claims (10)

1.一种加压硬化的汽车部件，包括：
第一部分，由包含约1.0至9.0重量百分比的铬(Cr)和约0.5至2.0重量百分比的硅(Si)的第一钢合金形成；和
第二部分，由包含约1.0至9.0重量百分比的铬(Cr)和约0.5至2.0重量百分比的硅(Si)的第二钢合金形成。
2.根据权利要求1所述的加压硬化汽车部件，其中所述第一钢合金和所述第二钢合金中的每一种都分别进一步包含大于0.0至大约3.0重量百分比的锰(Mn)。
3.根据权利要求2所述的加压硬化汽车部件，其中：
所述第一钢合金进一步包含约0.2至0.45重量百分比的碳(C)；并且
所述第二钢合金进一步包含约0.01至0.25重量百分比的碳(C)。
4.根据权利要求3所述的加压硬化汽车部件，其中所述第一钢合金和所述第二钢合金中的每一种都分别包含大于0.0重量百分比至小于大约0.01重量百分比的氮(N)。
5.根据权利要求4所述的加压硬化汽车部件，进一步包括将所述第一钢合金接合到所述第二钢合金的激光焊接界面。
6.根据权利要求5所述的加压硬化汽车部件，其中所述激光焊接界面包含大于1重量百分比的铬(Cr)。
7.根据权利要求4所述的加压硬化汽车部件，其中：
所述第一钢合金包含大于约95％的马氏体微结构；并且
所述第二钢合金包括铁素体、马氏体和贝氏体微结构。
8.根据权利要求7所述的加压硬化汽车部件，其中所述第一钢合金包括在约1500MPa至2000MPa之间的拉伸强度。
9.根据权利要求8所述的加压硬化汽车部件，其中所述第二钢合金包括大于约500MPa且小于约1500MPa的拉伸强度。
10.根据权利要求9所述的加压硬化汽车部件是用于机动车辆的B柱。
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