CN112996929B - 局部电阻加热退火工艺 - Google Patents

Abstract

提供一种局部退火工艺以及通过该工艺制造的具有延展性提高的局部区域的零件。该零件由硬质材料制成、经过回火和/或以其他方式经过硬化，使得该零件符合最低硬度和延展性要求。该零件还包括对于可加工性而言延展性提高的局部区域，局部区域可以包括各种类型的变形部。局部退火工艺包括提供具有低等级延展性的零件，并且然后对该零件的局部区域进行退火以提高延展性，局部区域将需要进行机加工或附接至另一成型零件。退火工艺包括将电极放置在局部区域的任一侧部上并且产生通过局部区域的电力。局部区域中的材料则由该电力加热，以形成延展性更高的物理结构。

Description

局部电阻加热退火工艺

相关申请的交叉引用

该PCT国际专利申请要求于2018年11月5日提交的题为“Localized ResistanceAnnealing Process(局部电阻加热退火工艺)”、序列号为62/755,637美国临时专利申请的权益和优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过参引合并于此。

发明背景

技术领域

本发明涉及用于对金属零件进行退火的工艺。更具体地，本发明涉及局部退火工艺以及通过该局部退火工艺制造的具有延展性提高的局部区域的零件。

背景技术

本部分提供与本公开有关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。

持续致力于减轻重量并提高燃料效率已经驱使汽车工业开发出强度和延展性提高的金属，从而允许使用更薄的厚度，而同时仍保持工业安全标准。在制造期间，这些金属通常起初成金属坯料的形式，这些金属坯料后期被冲压成汽车零件。根据最终用途，汽车零件需要不同等级的强度和延展性。例如，被冲压以在汽车中使用的零件可能经由粗糙的驱动表面、内部振动以及与腐蚀性环境的接触而承受若干类型的应力，而相邻零件可能只承受最小的应力。此外，各个零件可能在局部区域承受不一致的应力。由于某些零件经历不太恶劣的工况(less hardship)，因此这些零件可以用较轻的金属和金属合金来制造，以满足特定的强度或刚度要求。然而，对于那些承受最大应力的零件，其通常由进行过处理以实现优化的强度和延展性的钢或钢合金制成。这些处理方法通常涉及将零件加热至使下层金属的物理特性以及、在有些情况下、化学特性改变的温度。根据所用金属合金的成分，当将零件加热至一定温度时，这些成分在冷却之前可以形成不间断的微观结构。尽管这些经处理的零件可以以更薄的厚度制成以减轻重量，但经处理的零件硬度较大，使得这些经处理的零件难以成形并连接至其他相邻零件。另外，开发包含延展性提高的局部区域的零件总是有益的，例如以在事故期间改善吸收，使得驾驶员和乘客不会经历速度和方向的突然改变。

尝试制造可加工性改善的、具有包括不同等级的延展性和强度的局部区域的零件已经导致开发出可以对零件的局部区域进行处理的若干工艺。一种较普遍的方法涉及在金属零件的多次冲压之间和/或金属零件的冲压期间对模具加热。在该工艺期间，将模具加热至足够高的温度以改变正进行冲压的金属的物理特性。尽管有用，但是对模具加热是昂贵的工艺，并且难以精确地处理较小的或具有复杂形状的局部区域。更具体地，经热处理的局部区域具有未完全处理或未处理的较大过渡区。局部处理的另一方法涉及使用激光对局部区域加热，但是同样地，该方法昂贵并且不是特别精确。还有另一工艺涉及使用感应对局部区域加热，但是该工艺仍在开发中，并且不能处理较小的局部区域，从而使得其对于某些应用而言并不理想。此外，这些方法中的每一种方法当前均用于使局部区域硬化，因此不能用以软化和改善可加工性。

因此，一直需要开发和进一步完善能够对零件的局部区域进行处理以优化强度和刚度要求而同时又不损害零件的可加工性的工艺。

发明内容

该部分提供了本公开的总体概述，并且不应被解释为是与本公开相关联的所有目的、方面、特征和优点的完整且全面的列举。

根据本公开的一个方面，提供了一种用于汽车的部件。该部件包括由金属材料形成的第一零件。第一零件包括至少一个局部区域，其中，局部区域中的金属材料经过退火并且包括延展性更高的物理结构。所述至少一个局部区域包括至少一个变形部。

根据本公开的另一方面，提供一种形成汽车的部件的方法，该部件包括至少一个经回火的零件。该方法包括下述步骤：形成由金属材料形成的第一零件；将电极放置在第一零件的相反侧部上；对电极通电并对经回火零件内的局部区域加热，直到局部区域具有延展性提高的物理结构为止；以及在局部区域内形成至少一个变形部。

根据本文提供的描述其他适用领域将变得显而易见。该概述中的描述和具体示例仅旨在用于说明而非旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文中描述的附图仅出于对所选实施方式进行说明的目的，而非意在限制本公开的范围。通过参照以下描述并结合附图，将更容易理解与本公开相关联的发明构思，在附图中：

图1示出了根据本公开构造的部件的立体图；

图2示出了该部件的立体图，该部件包括附接至第二零件的第一经回火的零件；

图3A和图3B示出了零件内的延展性提高并且包括至少一个变形部的局部区域；

图4示出了根据一个实施方式的局部退火工艺的某些方面的流程图；

图5以曲线图的方式示出了由热冲压钢形成的局部区域中的硬度的分布；

图6A示意性地示出了根据本公开的一个实施方式的利用点焊机对部件进行的局部电阻加热退火工艺；

图6B示意性地示出了根据本公开的另一实施方式的利用电阻缝焊机对部件进行的局部电阻加热退火工艺；

图7A示出了局部电阻加热退火工艺的方法步骤；以及

图7B示出了由已经经历局部电阻加热退火工艺的零件组装部件的步骤。

具体实施方式

现将参照附图对示例实施方式进行更全面地描述。总体上，本主题实施方式涉及局部退火工艺以及具有延展性提高的局部区域的零件。然而，提供示例实施方式仅为了使本公开将会详尽，并且将向本领域技术人员全面地传达范围。阐述了许多具体细节比如具体部件、装置以及方法的示例以透彻理解本公开的实施方式。对于本领域技术人员而言将明显的是，不需要采用具体细节，示例性实施方式可以以许多不同的形式实施，并且示例性实施方式不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例实施方式中，未对已知的工艺、已知的装置结构和已知的技术进行详细描述。

参照附图，其中，在所有视图中，相似的附图标记指示相对应的部分，局部退火工艺和所得零件改善了零件内所选定的局部区域的可加工性。局部区域的可加工性可以包括由于下层材料的刚度和硬度而导致的使局部区域变形的难易程度。如通过进一步阅读将理解的，局部退火工艺产生这样的零件：其包括高强度低延展性材料，而在零件中具有以精确且廉价的方式经过退火的延展性提高的选定局部区域。

首先参见图1，其示出了包括至少一个零件20的部件10。在一个示例中，部件10形成汽车的一部分，并且上述至少一个零件包括由经硬化的金属材料形成的零件20。例如，零件20可以由铝材料形成，该铝材料包括已经通过回火工艺硬化的铝或铝合金中的一者。例如，经回火的零件20可以已经经历回火工艺，比如F回火、T4回火、T5回火或T6回火中的一者。作为参考，“T7-回火”的零件已经经历大量的热处理并且已经过人工时效。更具体地，经T7回火的零件可以从“T4回火”条件在465℃的温度下进行固溶、空气淬火，并从215℃人工时效到225℃以上。已经经历T7回火工艺的零件可以更易于进行铆接，而F-回火和T4-回火到T6-回火的零件太硬。“T5-回火”指的是在铸造时已经在215℃下经历人工时效的零件。T5回火工艺是防止材料机械性能在零件的使用寿命期间变化的稳定处理。“T6-回火”是指已经通过强制空气淬火进行热处理并且经过人工时效的零件。“F-回火”是指未经历热处理的在铸造时由铸造厂呈交的铸造材料形成的零件。由于图1和图2中的示例零件已经经历上述提及的回火工艺中的一种回火工艺，从而导致延展性降低，因此经回火的零件20难以加工、例如难以变形。因此，至少一个局部区域24已经经过退火以提高延展性并且促进可加工性。在一个示例中，图1和图2所呈现的经回火的零件20已经经历F-回火、T4-回火、T5-回火和T6-回火中的一种回火。然而，应当理解的是，该零件不需要经历用于使退火步骤有用的硬化工艺、比如先前的回火工艺。例如，零件20可以由高强度金属或金属合金形成、比如由包括钢或含碳的钢合金中的一者的钢材料形成，该金属或金属合金未经过回火并且无论如何难以加工。同样地，零件20可能已经经历先前未详细描述的不同类型的硬化工艺、比如各种形式的热处理和冷加工。在使用钢或钢合金的情况下，材料可能最初已被处理成包括额外的奥氏体浓度或马氏体浓度。

如图1和图2中所示，零件20包括至少一个局部区域24。该至少一个局部区域24包括多个相继地间隔开的较小且呈圆形形状的局部区域24，其中，机械紧固件26被驱动穿过每一个经退火的局部区域24。机械紧固件26可以是铆钉，并且铆钉可以是自冲铆钉。如图2中所示，示例部件10包括已经经历硬化工艺、并且更特别地回火工艺的至少一个零件20。因此，该至少一个零件20包括由铝材料制成的第一经回火的零件20并且包括第二零件28。第一经回火的零件20包括第一搭接区带22，并且第二零件28包括第二搭接区带29。第二零件28通过将搭接区带22、29邻接并驱动至少一个紧固件26穿过搭接区带22、29而连接至第一经回火的零件20。在一个示例中，第二零件28需要较小的强度和刚度，因此不必包括硬质材料，也不必使第二零件28经历硬化工艺。然而，在所图示的示例中，第二零件28同样由下述铝材料形成：该铝材料已经经历使得其难以加工的类似的回火工艺，例如F-回火工艺、T4-回火工艺、T5-回火工艺和T6-回火工艺中的一种回火工艺。因此，第二零件28包括至少一个第二局部区域30，该第二局部区域30已经在下述部位中经过退火，该部位在第一搭接区带22与第二搭接区带29邻接时邻近第一零件20的至少一个局部区域24。在所图示的示例中，该至少一个第二局部区域包括在叠置在第一退火局部区域24上方的一系列对应的第二退火局部区域30。类似第一退火局部区域24，第二退火局部区域30已经经过退火以增加延展性。一系列铆钉26(例如，自冲铆钉)延伸穿过零件20、28两者的搭接区带，其中，每个铆钉26均延伸穿过第一退火局部区域24和第二退火局部区域30。除铆钉26以外或者替代铆钉26，可以使用其他类型的紧固方法。例如，可以使用粘合剂、焊接和其他螺钉/铆钉型机械紧固件，这些紧固方法通常由于下层材料的硬度和低延展性而被阻止。

尽管不限于此，第一零件20可以包括铝、铝合金、钢或含碳钢合金中的任意一者。在第一零件20和/或第二零件28将承受大量应力的应用中，优选的是第二零件28也包括铝、铝合金、钢或含碳钢合金。如果第二零件28是铝或铝合金，则第二零件28也可以如上所述地进行回火、例如进行F-回火、T4-回火、T5-回火和T6-回火中的一种以改变硬度和延展性。如果零件是钢或钢合金，则其可以如上所述经历硬化工艺。

现在参照图3A和图3B，其示出了根据第二实施方式的已经经历硬化工艺的零件20。零件20可以由经回火的铝或铝材料形成。更具体地，经回火的零件20已经经历回火工艺，例如F-回火、T4-回火、T5-回火和T6-回火中的一种。经回火的零件20包括下述至少一个局部区域24：该局部区域已经经过退火，使得其具有提高的延展性。如所示的，经回火的零件20的局部区域包括已经沿经回火的零件20的宽度或长度进行修剪的切口32或边界。经回火的零件20还可以包括定尺寸成用于接纳各种不同的孔隙34的局部区域24，该孔隙34可以包括凸缘36或穿孔38。凸缘36和已经被刺穿的剩余材料可以已经预先经过退火。此外，局部区域还可以包括弯曲部40。局部区域24被图示为从零件20中完全移除。此外，根据经回火的零件20的位置，包括下述局部区域也可能是有益的：该局部区域包括延展性提高的计划吸收区41，以控制和改善事故期间的能量吸收。

如先前所述，零件20优选地包括铝、铝合金、钢或含碳钢合金中的一者。如果零件20包括含碳钢合金，则零件20可以包括等级为22MnB5的钢合金，以基于合金的总重量的重量百分比(wt.％)计，该钢合金包括：碳(最小量0.19wt.％，最大量0.25wt.％)；硅(最大量0.40wt.％)；锰(最小量1.10wt.％，最大量1.40wt.％)；硼(最小量0.0008wt.％，最大量0.005wt.％)；其余部分为铁。硬化工艺可以包括例如热处理和冷加工中的一者。

如果零件20包括铝或铝合金，则零件20可以包括下述铝合金：以基于合金的总重量的重量百分比(wt.％)计，该铝合金包括：铁(无最小量，最大量0.20wt.％)；硅(无最小量，最大量10.50wt.％)；锰(无最小量，最大量0.50wt.％)；其余部分为铝和杂质。硬化工艺可以包括例如上述回火工艺中的一种回火工艺。

参照图4，其呈现了在由铝或铝合金铸造而成的金属零件的情况下的局部退火工艺100的某些方面的流程图。工艺100通过将材料压铸110成一定形状而开始。按照常规，当使用铝或铝合金时，使铸件回火120到T7以改善可加工性。T7回火工艺可以包括固溶和空气淬火130、对铸件进行矫直140以及对铸件进行人工时效150。然而，根据本发明，不再需要这些常规步骤130、140和150。替代这些常规步骤，铸造保持在F-回火中，并且在预选定的局部区域中接受电阻点加热退火160以提高延展性。然后对局部区域进行机加工170，该机加工170可以包括在局部区域内形成变形部的步骤。形成变形部的步骤可以包括形成切口、弯曲部、孔隙、修剪的边缘、吸收区、穿孔或凸缘中的至少一者。在机加工完成后，铸件立即接受阿洛丁(alodine)处理180，随后将铸件组装190成更大的部件，组装190可以包括通过粘合剂和自冲铆钉而连接至第二零件。替代铸造，应当理解的是，也可以在步骤110中通过其他方法并且由其他材料形成金属坯料、例如对由钢材料形成的坯料进行冲压形成金属坯料。

图5以曲线图的方式示出了根据示例实施方式由热冲压钢形成的零件的局部区域中的硬度分布。局部区域示出为介于X轴上的3.8mm至5.8mm之间。应当理解的是，已经经历退火工艺160的局部区域具有提高的延展性并且因此更软并且包括改善的可加工性。零件20的硬度以维氏角锥硬度值(HV)示出。软化的局部区域具有减小的HV，更具体地，在该示例实施方式中，零件20由硬化的钢制成并且平均硬度为500HV，而局部区域的平均硬度为350HV。类似地，包含铝或铝合金的零件20的硬度在90HV至120HV的范围内，并且局部区域的硬度在70HV至85HV的范围内。附加地，包括其他类型的钢材料的零件20的硬度在400HV至550HV的范围内，并且局部区域的硬度在250HV至350HV的范围内。应当理解的是，包围局部区域的区带表现出最小的硬度降低，从而表明了退火工艺的精确性。

图6A和图6B、图7A提供了关于在图4中所讨论的退火步骤160的进一步细节。首先参照图6A，示出为对零件20进行退火的点焊机42。点焊机42包括在直径方向上对置的由铜制成的一对电极44。根据待在局部区域24上执行的工艺的类型，这些电极44可以包括任意数目的横截面形状45、45’、45”、45”’和尺寸。例如，可以提供圆形横截面形状，该圆形横截面形状的半径比将被驱动穿过该圆形横截面形状的机械紧固件的柄部略大、略小，或与其具有相同的尺寸。

如图7A所示，其呈现了退火步骤160的详细流程图。退火步骤160包括将电极放置200成与零件的局部区域的相反侧部接触。接下来，将电极夹紧205在一起，从而在局部区域的相反侧部上施加机械压力。在夹紧205之后、例如夹紧超过200毫秒，以电流对其中至少一个电极通电210。由于铜是电的良导体，因此电流的趋势是在零件的相反侧部上的电极之间跳跃。然而，电极之间的传递受到零件电阻的妨碍，这导致局部区域经由穿过局部区域的电流的摩擦而加热220。该加热220步骤可能潜在地使温度超过2000°F或更高的温度。然后将电流关闭240，之后可以将电极保持就位足够长的时间以使局部区域冷却。冷却250导致形成延展性更高的微结构，冷却步骤可以包括允许零件坐置至少200毫秒和/或向零件施加冷却介质。如图5所图示，已经经历这些步骤的局部区域表现出维氏硬度(Vickers Hardness)下降，并且更软、更易于加工。此外，这些局部区域以非常精确的方式限定有较小的过渡区。

现在参照图6B，其提供了与图6A中的点焊机42类似的替代机器。更具体地，以具有一对电极盘44’的缝焊机46来代替点焊机42。因此，图7A中的退火工艺160还可以包括在夹紧205、加热220和通电210的步骤期间使电极滚动260，以便使长型的局部区域软化。因此，即使在冷却250之后，该区域仍然保持处于软化状态，使得该区域更易进行加工、即经由变形部而进行机加工。在包括形成下述局部区域的应用中使用电极盘44’可能是优选的：该局部区域呈长型并且待进行修剪或弯曲。应当理解的是，机加工工艺170可以发生在局部区域已经被冷却250之前。

图7B是示出了根据本公开的另一方面的方法100’的流程图。方法100’提供用于形成下述部件的步骤：该部件具有第一经回火的零件以及可以回火或可以不回火的第二零件。方法100’通过提供270经回火的零件(这可以包括提供第一零件并经历F-回火工艺、T4-回火工艺、T5-回火工艺和T6-回火工艺中的一种回火工艺以使第一零件回火)开始。方法100’通过提供280第二零件(这可以包括提供第二零件并经历F-回火工艺、T4-回火工艺、T5-回火工艺和T6-回火工艺中的一种回火工艺以使第二零件回火)而继续。接下来，基于每个零件的在附接期间会搭接的区带来确定290至少第一经回火的零件(和第二零件—如果第二零件经过回火的话)的局部区域。根据这些零件与彼此附接的方式，又对局部区域进行退火160。步骤160可以包括对相继地间隔开的若干局部区域进行退火。然后，将两个零件的局部区域对准300并且通过驱动紧固件、铆钉或其他连接器穿过每个零件的局部区域(例如，相继地间隔开的局部区域中的每个局部区域)而将其附接310。在替代方案中，这些零件可以一起进行退火160，使得对准300的步骤可以在退火160的步骤之前完成。还应当理解的是，第二零件可能已经具有更高的延展性，使得不需要对第二零件进行退火160。在这种情况下，第一经回火的零件是在对准300和附接310之前经过退火160的唯一零件。

贯穿本公开的若干零件和工艺步骤已经被描述为在铝的情况下进行回火或经历回火工艺，然而代替具有已进行回火的零件，上述工艺、部件和零件可以包括未经历任何硬化工艺或已经经历不同于回火的硬化工艺的高强度、低延展性金属材料。例如，前述第一零件和/或第二零件中的任一者可以包括未经历硬化工艺或已经经历硬化工艺的钢或钢合金。通常，零件中的至少一个零件包括难以加工的硬质材料以及已经经历硬化工艺的更软的材料，硬化工艺使得更软的材料难以加工。

应当理解的是，提供了实施方式的上述描述是为了进行说明。换言之，本主题公开并非旨在穷举或限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或特征通常并不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下可进行互换并且可以用于选定实施方式中，即使没有具体示出或描述亦是如此。特定实施方式的各个元件或特征也可以以多种方式进行变型。这种变型不应被视为背离本公开，并且所有这种修改均旨在包含于本公开的范围内。

Claims (5)

1.一种形成汽车的部件的方法，所述部件包括至少一个零件，所述方法包括下述步骤：

用已经经历硬化工艺的金属材料形成第一零件；

将电极放置在所述第一零件的相反侧部上；

将所述电极夹紧在一起，从而在局部区域的相反侧部上施加机械压力；

在夹紧超过200毫秒之后，对所述电极通电并对所述第一零件内的局部区域加热，直到所述局部区域具有延展性提高的物理结构为止；以及

在所述局部区域内形成至少一个变形部，

其中，所述金属材料为铝合金，以基于合金的总重量的重量百分比（wt.%）计，所述铝合金包括：最大量为0.20 wt.%的铁、最大量为10.50 wt.%的硅、最大量为0.50 wt.%的锰，其余部分为铝和杂质，

所述方法还包括提供第二零件、以及使所述第二零件的至少一部分与所述局部区域搭接，

其中，在所述局部区域内形成变形部的步骤包括形成孔隙、以及驱动机械紧固件穿过所述孔隙并进入到所述第二零件中，

其中，所述电极具有圆形横截面形状，所述圆形横截面形状的半径与将被驱动穿过所述孔隙的所述机械紧固件的柄部具有相同的尺寸。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二零件由同样已经经历硬化工艺的金属材料形成。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一零件由铝材料形成，并且所述硬化工艺包括F-回火、T4-回火、T5-回火或T6-回火中的一种。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述第二零件还包括第二局部区域，所述第二局部区域经过退火并且包括延展性更高的物理结构，并且其中，所述第二局部区域包括至少一个第二孔隙，所述机械紧固件还延伸穿过所述至少一个第二孔隙。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述机械紧固件包括自冲铆钉。