JP2009518543A - フラッシュ焼き戻し方法および装置 - Google Patents

Abstract

製作品の焼き戻し方法を提供する。該方法は、内部にマルテンサイトおよび/またはベイナイト相を有する鉄合金製作品を提供する工程；該製作品の少なくとも一部を予め選定した温度に加熱する工程；および、その後、該製作品を低めの温度に冷却する工程を含む。上記予め選定された温度は上記合金のオーステナイト化温度よりも低く、加熱は60秒以内で実施する。本発明の１つの実施態様は、上記製作品を、抵抗加熱を使用し加熱する。
【選択図】 なし

Description

発明の詳細な説明

（関連出願との相互参照）
本出願は、2005年12月8日に出願した米国仮特許出願第60/748,473号の優先権を主張する；該出願は、参考として本明細書に合体させる。

（技術分野）
本発明は、一般に、冶金に関する。さら詳細には、本発明は、内部にマルテンサイト相を含む鉄合金材料の焼き戻し方法に関する。最も詳細には、本発明は、内部にマルテンサイト相を有する鉄合金物品の急速焼き戻し方法および装置に関する。
（背景技術）
種々の鉄鋼類および他のそのような鉄合金類は、これら材料をそのオーステナイト化温度よりも高い温度に加熱し、その後、それら材料を適切な時間/温度プロフィールで冷却してマルテンサイト相が内部に生じるようにすることによって硬化させ得る。冷却プロフィールは、合金材料が、マルテンサイト開始温度を示す第１の温度境界を、次いで、マルテンサイト終了または停止温度を示す第２の低めの温度を通過するように選定する。時間/温度曲線上のマルテンサイト開始および終了境界の特定の値および位置は、使用する特定の合金に依存する。硬化性とみなされる鉄鋼は、鉄鋼を容易に急冷してマルテンサイト相を形成し得るようなマルテンサイト開始および終了境界についての値を一般に有する。
マルテンサイトは、遅い拡散転換とは対照的に、変位転換によって形成される任意の結晶構造体である。しかしながら、マルテンサイトは、超硬質鋼において見出される炭素で過飽和されたフェライト鉄の形として最も一般的に知られている。マルテンサイトは、炭素原子がオーステナイト結晶構造から拡散する十分な時間を有さないように炭素原子を捕捉し且つ炭素で過飽和されたフェライト粒子を含むオーステナイトの急冷によって形成される。マルテンサイトは、その形成が拡散および核生成(共に比較的低速である)よりはむしろ変位転換に依存している点でのみ通常のフェライトとは異なる。マルテンサイトの作用は、熱を適用することによって容易に低減または排除し得る。従って、高強度を必要とする鉄鋼は、急冷して過剰のマルテンサイトを生成させ、その後、焼き戻しして、その濃度を、意図する用途における正しい構造が達成されるまで漸減させ得る。

内部にマルテンサイトを有する鉄鋼は、当業者においては、マルテンサイト鋼と一般に称している。マルテンサイト鋼は、硬いが脆い。マルテンサイト鋼或いはマルテンサイト鋼と称する代替物の典型的な引張強度はおよそ220ksiであり、その降伏は典型的には190ksiであり、％伸びはおよそ4%である。これらの鉄鋼は、多くの製造操作においてあまりも脆く、また、その高い度合の脆性は、特定の用途におけるその使用を制約し得る。そのようなものとして、自動車用途を含む多くの用途において、マルテンサイト鋼を焼き戻してその伸び特性を改良することが必要である。焼き戻しは、合金材料をマルテンサイト開始温度よりも高いがオーステナイト化温度よりも低い温度に再加熱し、その後、合金を冷却して周囲温度に戻すことを含む。焼き戻し工程は、マルテンサイトの作用を低減しおよび/またはマルテンサイト相特性を和らげる他の相を合金中に生成させる。焼き戻しマルテンサイト鋼の典型的な引張強度はおよそ100ksi程で低く、降伏はおよそ80ksiであり、伸びは少なくとも15％である。焼き戻しにより、この範囲におけるいずれかの特性を有する種々の等級のマルテンサイトを生成させ得る。
ベイナイトは、オーステナイトをおよそ723℃の温度の臨界温度よりも低く急冷するときに鉄鋼中に生じる微細な非ラメラ構造体である。ベイナイトは、構造的にはパーライトに類似し得るが、マルテンサイト形成と同様な変位メカニズムによるフェライト形成を伴う。しかしながら、マルテンサイトとは異なり、該変位転換は、通常、その後、過飽和フェライトまたはオーステナイトからの炭化物の沈降が生じる。従って、その形態は、セメンタイトによって分離されたフェライトのプレート状凝集物から典型的になるが、未転換オーステナイトおよび/またはマルテンサイトがフェライトプレート間に存在し得る。連続冷却において形成させる場合、ベイナイトを形成させる冷却速度は、パーライトを形成させるのに必要とする速度よりも速いが、マルテンサイトを形成させる速度よりも遅い。
従来、焼き戻しは、マルテンサイトおよび/またはベイナイト物品を焼き戻し炉またはオーブン内で再加熱することによって実施している。この方法は、かなりの時間消費性でハードウェア集約性であり、かなり大量の専用製造空間を必要とする。ある場合には、焼き戻しは、誘導加熱コイルの使用により実施している。これらのコイルは、典型的には、物品全体を通り抜けて加熱領域を創出している。そのような誘導加熱方法は、とりわけ物品が、誘導電磁界を変形させ得る開口、突起等のような不規則形状を含む場合に、制御するのが困難である。一般に、誘導系処理は、処理する物品の材料特性を正確に制御することができず、その使用は、応力緩和硬化物品のような用途に限定されている。

（発明の開示）
製作品（workpiece）の焼き戻し（tempering）方法を提供する。該方法は、内部にマルテンサイトおよび/またはベイナイト相を有する鉄合金製作品を提供する工程；上記製作品の少なくとも一部を予め選定した温度に加熱する工程；および、その後、上記製作品を低めの温度に冷却する工程を含む。上記予め選定した温度は合金のオーステナイト化温度よりも低く、加熱は60秒以内（no more than）で実施する。本発明の１つの実施態様は、製作品を、抵抗加熱を使用して加熱する。

（発明を実施する最良の形態）
本発明によれば、マルテンサイトおよび/またはベイナイト物品の焼き戻しを、本明細書において“フラッシュ焼き戻し”と称する急速方法において実施し得ることを見出した。本発明の、図１の加熱曲線によって例証する方法によれば、加熱を、製作品中に、比較的短い時間１００で、製作品の温度をオーステナイト化温度２２０よりも低い予め選定した温度２１０に上げるのに十分な量で施す。好ましくは、上記予め選定した温度は、図１に示すマルテンサイト開始温度２３０よりも高いが、このことは、方法が操作可能である場合は必要ではない。選定温度は、処理する上記合金の特定の性質および焼き戻し物品の所望特性による。その後、物品を、周囲条件下に或いはガスまたは液体のような冷却剤流体と接触させることによって冷却して、製作品をさらなる加工または取扱いに適する温度に戻す。この正確に制御された加熱および冷却方法は、マルテンサイト相を焼き戻し、それによって物品の脆性を低減する。
加熱は、典型的には、熱エネルギーを物品内に急速且つ正確に投入し得る方法によって実施する。１つのそのような方法は、製作品を通る電流の流れが製作品の加熱を生じる抵抗加熱を含む。他の加熱方法は、光子エネルギー束を製作品に向ける放射加熱、プラズマ加熱または火炎加熱を含む。ある場合には、気体または液体のような高温不活性流体の流束を使用して製作品を加熱してもよい。

本発明の１つの特定の実施態様においては、焼き戻しする製作品の一部を加熱するのに必要な熱量を予め決定する。これは、必要熱エネルギーを製作品の既知のまたは測定した特性に基づき算出することによってなし得る。他の場合においては、必要熱量は、熱を投入するときまたは投入しながらの製作品の温度変化を測定することによって経験的に測定し得る。何れの場合も、焼き戻しする製作品の１部を適切な温度とするのに必要な熱量を一旦決定すると、その熱量は、例えば、電流を製作品中に流すことによる或いは製作品を電磁エネルギー束に暴露させることによるようにして、製作品中に容易に且つ急速に投入し得る。本発明の１群の実施態様群においては、熱を、製作品中に、5秒を越えない時間で投入する。特定の場合においては、熱エネルギーは、１秒を越えない時間で投入する。
ある場合には、本発明を使用して、製作品の一部を選択的に焼き戻しし、製作品を通して変化させ、制御された特性を与えることもできる。例えば、その容積（volume）の実質的に全体に亘ってマルテンサイト相を有する製作品を選択的に焼き戻しして、製作品の一部が、低減された脆性および増大した伸び特性を有するようにすることができる。この方法において、自動車用の侵入者ビーム等のようなエネルギー吸収構造体を製造し得る。
ある場合には、上記装置は、熱エネルギーの“パルス”を製作品の全体または一部にフラッシュ焼き戻しを生じるに十分な量で伝達するように作動し得る。このパルスの強度は、製作品の特性に基づき算出することによって或いは標準製作品に対して較正することによって決定し得る。他の場合には、上記装置は、比較的高いエネルギー束を製作品に投入し、製作品の温度を感知し、エネルギー投入量を適切に調節して製作品が所望の温度に達するようにするフィードバック方式で操作可能である。ある場合には、エネルギー投入は、製作品の感知温度が所定値である場合に終了させるであろうし、また、他の場合には、エネルギー投入は、温度を過上昇させる或る早い時点で終了させるであろう。さらに他の場合においては、エネルギー投入は、製作品を特定温度に所望時間保持するように制御することもできる。

所望温度を達成した時点で、上記製作品を、必要に応じてこの温度に保持し、冷却して周囲温度に戻し、焼き戻し工程を完了させる。一般的には、冷却速度は、冶金学的見地からは臨界的ではない。製作品が比較的薄い場合、冷却は、周囲雰囲気と接触することによって単純に実施し得る。他の場合には、冷却は、製作品にガス状または液状流体を流すことによって増強し得る。本発明の幾つかの特定の実施態様においては、加熱および冷却は、動力学的に均衡させて適切な加熱プロフィールを達成し得る。例えば、熱パルスを製作品中に投入し得、活発な熱投入中のある時点で、冷却剤流を開始し得る。他の例においては、冷却剤流は、熱パルス投入後に開始し得る。
本発明において使用する熱パルス時間は、物品を加熱すべき温度並びに物品の熱伝導率および寸法に依存する。本発明の注目すべき特徴は、比較的短い熱パルスを使用して物品を焼き戻しし得ることである。このことは、焼き戻し工程を大いに簡素化し、焼き戻し工程において必要な保持時間を短縮し、専用しなければならない空間を少なくする。本発明の典型的な焼き戻し工程においては、物品を、１分を超えない、特定の場合には5秒を超えない時間で所望温度に加熱する。特定の実施態様においては、加熱は、抵抗加熱の場合には電気エネルギーで有り得或いは誘導加熱または放射加熱の場合には電磁エネルギーであり得る極めて短いパルスのエネルギーによって実施し得る。

本発明の原理は、自動車のフレームまたは車体コンポーネント或いは静置または可動式建造物の双方用の他の構造要素のような比較的薄い物品を焼き戻しするのにとりわけ良好に適応する。そのようなものとして、本発明は、5mm未満、特定の場合には2mm未満の厚さを有する物品に対して実施する焼き戻し操作においてとりわけ有利である。
本発明の方法は、他の金属加工および処理方法と一体化し得る。例えば、金属物品を、抵抗加熱を使用して製作品の温度を上昇させて成形操作を容易にする方法によって製造する。そのような場合、典型的には、温度をオーステナイト化温度よりも高く上昇させて金属を軟化させる。その後、そのような物品を、急冷流体と接触させることによって急冷して、マルテンサイト相を形成させ、物品を硬化させる。上述したように、そのようなマルテンサイト物品は、典型的に極めて脆く、限られた利用性しか有さない。しかしながら、大量製造方法において使用する典型的な鉄鋼においては、高強度と延性の所望組合せを示す冶金相を直接形成させるのは不可能である。従って、上述したように、そのような物品は、別々に焼き戻しする必要がある。抵抗または誘導加熱のような急速加熱方法を使用する場合、金属加工およびマルテンサイト形成のための加熱をもたらすように作動する同じ装置を使用して、物品を、本発明の方法を使用することによって焼き戻すことができる。そのような場合、その方式をプログラム化して、物品をフラッシュ焼き戻しするのに適するエネルギーパルスを提供し得る。本明細書において提示する教示に鑑み、当業者であれば、そのような装置をこの方式での操作に容易に適応させ得るであろう。

上記の論考および説明は、本発明の特定の実施態様の例示であるが、本発明の実施についての限定を意味するものではない。本発明の多くの修正および変更は、本明細書において提示した教示を見れば当業者にとって明白であろう。本発明の範囲を定義するのは、全ての等価物を包含する特許請求の範囲である。

本発明のフラッシュ焼き戻し操作における時間-温度曲線を示す。

Claims (20)

1. 下記の工程を含むことを特徴とする、製作品の焼き戻し方法：
   内部にマルテンサイトおよび/またはベイナイト相を有する鉄合金製作品を提供する工程；
   前記製作品の少なくとも一部を、前記鉄合金のオーステナイト化温度よりも低い予め選定した温度に加熱し、この加熱を60秒以内で実施する工程；および、
   前記製作品を前記予め選定した温度よりも低い温度に冷却する工程。
2. 前記製作品の加熱を、30秒以内で実施する、請求項１記載の方法。
3. 前記加熱を抵抗加熱によって実施する、請求項１記載の方法。
4. 前記加熱を誘導加熱によって実施する、請求項１記載の方法。
5. 前記予め選定した温度が、前記合金におけるマルテンサイト開始温度よりも高い、請求項１記載の方法。
6. 前記加熱工程を前記製作品の一部においてのみ実施し、それによって前記製作品を選択的に焼き戻す、請求項１記載の方法。
7. 前記製作品が、5mmよりも大きくない厚さを有する、請求項１記載の方法。
8. 前記焼き戻しにより、前記製作品の初期引張強度を少なくとも15%低下させる、請求項１記載の方法。
9. 前記冷却が、前記製作品を流体と接触させることを含む、請求項１記載の方法。
10. 急冷剤流体が、前記加熱時間の少なくとも一部の間に前記製作品と接触する、請求項１記載の方法。
11. 下記の工程を含む、製作品の焼き戻し方法：
    内部にマルテンサイトおよび/またはベイナイト相を有する鉄合金製作品を提供する工程；
    前記製作品の予め選定した容積を前記鉄合金のオーステナイト化温度よりも低い予め選定した温度に加熱するのに必要とする熱エネルギー量を決定する工程；
    前記熱エネルギー量を前記製作品の前記容積に投入する工程；および、
    前記製作品を、前記予め選定した温度よりも低い温度に冷却する工程。
12. 前記予め選定した容積が、前記製作品の全体容積を構成する、請求項１１記載の方法。
13. 前記予め選定した容積が、前記製作品の容積の一部を構成する、請求項１１記載の方法。
14. 前記容積中への前記熱エネルギー量の投入を、30秒以内で実施する、請求項１１記載の方法。
15. 前記熱エネルギー量の投入工程が、前記予め選定した容積を抵抗加熱することを含む、請求項１１記載の方法。
16. 前記予め選定した温度が、前記合金のマルテンサイト開始温度よりも高い、請求項１１記載の方法。
17. 前記製作品の予め選定した容積の厚さが、5mmよりも大きくない、請求項１１記載の方法。
18. 前記焼き戻しが、前記製作品の初期引張強度を少なくとも15%低下させる、請求項１１記載の方法。
19. 下記を含むことを特徴とする、製作品の焼き戻し用装置：
    マルテンサイトおよび/またはベイナイト相を有する鉄合金材料の製作品の受入れ用支持体；
    前記製作品の加熱用ヒーター；および、
    前記製作品を前記鉄合金のオーステナイト化温度よりも低い予め選定した温度に加熱し、該加熱を60秒以内で実施するようにする、前記ヒーターの制御用コントローラー。
20. 冷却システムをさらに含み、該冷却システムが、前記製作品に対して、前記予め選定した温度よりも低い温度に作用する、請求項１９記載の方法。

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