TW201920693A - 促進含奧氏體等級之熱機械成形製程以生產定製強度結構元件之方法 - Google Patents

促進含奧氏體等級之熱機械成形製程以生產定製強度結構元件之方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種定量測定隨奧氏體不鏽鋼中之溫度及應變變化之變形誘導麻田散體之量的方法，該方法用於定製成形結構元件之某些部分的強度及伸長特徵。預測特定部件位置中之麻田散體體積分數准許設計具有定製強度特徵之特定元件，該等定製強度特徵可始終可重複地製造。

Description

促進含奧氏體等級之熱機械成形製程以生產定製強度結構元件之方法
汽車行業不斷地尋求更節約成本的鋼，該等鋼對於更節約燃料之車輛而言更輕且對於碰撞抗性增強而言更強，同時仍為可成形的。定製強度結構元件係達成重量節省同時滿足汽車元件之結構效能必不可少的。現今，在市場中越來越多地使用定製加壓硬化元件，該等定製加壓硬化元件操縱經由在熱衝壓後之受控冷卻來控制熱麻田散體的能力。
定製強度元件之應用可包括：各種軌道部分(前端軌、頂部軌道、背部軌道)，其可潛在地經由熱機械管液壓成形製程來生產；以及b柱及薄片形成元件，其係使用分段式冷卻/加熱模具以達成不同部位中之特定強度水準來生產。
奧氏體鋼通常具有更高的極限拉伸強度以及高總伸長。奧氏體微觀結構為延性的，且具有產生高總拉伸伸長的潛力。奧氏體微觀結構有時在室溫下為不穩定的(或為介穩定的)，且當鋼經受可塑性變形時，奧氏體通常轉變為麻田散體(應力/應變誘導的麻田散體)。麻田散體為具有更高強度之微觀結構，且具有混合微觀結構(諸如奧氏體加麻田散體)之組合效果係增加總體拉伸強度。當奧氏體經受可塑性變形且轉變為麻田散體時，鋼之總強度增加。
下一代鋼(及介穩定奧氏體鋼)依賴於奧氏體轉變為具有變形加強之麻田散體。適合於淬火及分割製程之鋼等級、或展現轉變誘導的可塑性之彼等鋼等級，可經小心地處理以達成例如10-20%殘留奧氏體。期望此奧氏體將在成形期間轉變為麻田散體，以在成品部件中提供額外強度。已知奧氏體穩定性對於組成、溫度、應變率、應變水準及應力狀態具有依賴性。 增加溫度抑制轉變且增加奧氏體穩定性。增加應變率在樣本中產生更高的絕熱熱產生，且有效地具有與增加測試溫度相同的效果。一般而言，增加應變水準促進具有S形依賴性之轉變。在任何複合衝壓部件中，變形模式可在牽伸條件(draw conditions) (純剪切至平面應變)至拉伸條件(stretching conditions) (平面應變至平衡的雙軸拉伸)之範圍內。麻田散體轉變經由純剪切發生，且有文獻表明，即使在相同等效應變下，轉變之量可隨變形模式而變化。
本發明實施例有助於開發，用於藉由控制既定部件位置中之變形麻田散體之量(藉由控制在成形期間引入的溫度及應變)，生產具有定製特性之含奧氏體不鏽鋼及碳等級結構元件的熱機械液壓成形或片成形製程。
本申請案係關於一種方法，其可用於有助於熱機械製程(管液壓成形、薄片液壓成形及/或常規薄片金屬成形)之快速設計以便生產定製強度結構元件。在許多此等元件中，定製該元件之不同區中之強度可為有利的。
此本申請案中描述之方法可用於定量預測隨溫度及應變變化之變形誘導的麻田散體的量，已證實此對於奧氏體不鏽鋼起極佳作用；且使用該計算來定製結構元件之某一部分之強度及伸長特徵。預測特定部件位置中之麻田散體體積分數將准許具有定製強度特徵之特定元件的設計，該等定製強度特徵可始終可重複地製造。本文所描述之方法可容易地適合於依賴於轉變誘導的可塑性(TRIP)機制的其他含奧氏體之碳/不鏽鋼等級。
眾所周知，介穩定奧氏體不鏽鋼及下一代含殘留奧氏體先進的高強度鋼依賴於在加強變形期間之奧氏體的轉變。如上文所闡述，認為轉變動力學取決於化學組成、應變量、溫度(應變率)及可能變形模式。
奧氏體穩定性(諸如Md 30)及不穩定度因素之經驗量測，對為既定奧氏體等級如何基於化學組成穩定或不穩定提供方向性指導為可行的。 Md 30定義為在30%應變下存在50%麻田散體的溫度。 Md 30可使用以下等式來計算：
Md 30 (℃) = 413-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-9.5*Ni-18.5*Mo 等式1
通常，Md 30值越高，等級中之奧氏體越不穩定。
在美國專利3,599,320中引入不穩定度函數(IF)，以用於評定在特定化學組成範圍內的奧氏體穩定性，該化學組成範圍含有0.07-0.18 C、0.9-6.2 Mn、4.1-7.7 Ni、14.1-17.9 Cr、0.01-0.14 N，其餘為鐵。對於此組成範圍，報導不穩定度函數在0至2.9內變化，且藉由以下等式(2)來測定：
IF = 37.193 -51.248 [C] -1.0174 [Mn] -2.5884[Ni] -0.4677 [Cr] -34.396 [N] (等式2)
在該專利申請中，將顯現IF值在0與2.9之間的鋼分類為「稍微介穩定」的鋼，而顯現負IF值的分類為「完全穩定」的鋼。
然而，定義奧氏體穩定性之方法不適用於基於在成形元件上之特定位置處之既定應變及溫度來定量預測麻田散體的量。 Md30及IF將告知您具有特定組成之等級是否為大體上穩定的。亦即，相較於具有高奧氏體穩定性之材料，具有較低奧氏體穩定性之材料將轉變更多(更高體積分數之麻田散體)。
本發明方法提供一種更清晰的方法，其可不僅用於指示特定等級之奧氏體穩定性，且亦可用於設計在不同結構元件中生產定製強度水準的熱機械製程(液壓成形或常規成形)。作為可能在溫度控制之情況下強度水準之可能增強的一實例，圖1中展示Nitronic 30鋼等級的來自等溫測試之資料；在0.4之真實應變下，真實應力在4.4℃之溫度下增加至1500 MPa，而在71.1℃下，真實應力僅為1000 MPa。
應力應變回應之反曲係由於變形誘導的麻田散體所產生，其可使用數種技術(包括磁感應、X射線繞射或中子繞射)中斷測試至不同應變水準來量測。經由線性外插方法，使來自此等不同方法之資料彼此相關聯；在圖2中展示圖1中描述之相同Nitronic 30鋼資料的使用磁感應所量測之變形麻田散體之量的實例。
儘管圖2中之資料可在所關注的任何溫度下以實驗方式來產生，且可用以挑選出變形誘導的麻田散體之體積分數，但此可成為極繁瑣的製程，從而需要所關注的各奧氏體不鏽鋼等級在所關注的所有溫度下的數個實驗。
為了簡化此奧氏體轉變動力學之理解為適用預測工具，研發一種特徵應變曲線方法來將資料相對於溫度及應變水準標準化。應注意，應變率之效果隱含地包括於此方法中，此係由於增加的應變率對應於導致溫度增加的變形樣本中之更絕熱的內部加熱。在本發明方法中，特徵應變僅為在不同溫度下達成所需(任意)量之轉變麻田散體所需要的應變量。在圖3中展示相同Nitronic 30鋼材料之實例，其對應於圖1及圖2中選擇0.10麻田散體體積分數或更接近於0.04麻田散體體積分數之資料。麻田散體之體積分數之選擇為任意的，且僅方便地視特定等級之奧氏體穩定性而定。
Nitronic 30材料基於不同選擇量之麻田散體的特徵應變曲線展示於圖4中。可將特徵應變曲線擬合為隨溫度變化的指數曲線；此允許吾等自熱機械成形(液壓/薄片)製程中在若干溫度至所關注的廣泛範圍溫度下進行之拉伸測試推知資訊。
一旦已知既定等級之特徵應變曲線，則允許吾等預測任何熱機械製程中含有特定奧氏體之等級之麻田散體的體積分數，如圖5及6針對Nitronic 30中所示。
圖6中展示之單一曲線不僅涵蓋圖5中之實驗資料，且可用於預測在任何所需溫度及應變水準下，此Nitronic 30等級之麻田散體的體積分數。
在奧氏體不鏽鋼之情況下，發生進一步簡化。在此情況下，吾等已發現，存在足以描述所有此等等級中之轉變麻田散體之量的單一通用曲線。下文圖7展示以實驗方式量測之廣泛多種奧氏體不鏽鋼的轉變資料。
吾等已發現，將所有奧氏體不鏽鋼資料映射至圖8中展示之一個單一通用轉變曲線中；在瞭解特徵應變曲線(對於各奧氏體等級其為獨特的)之情況下，吾等可僅測定熱機械製程中在任何所需溫度及應變水準下之麻田散體的體積分數。此資訊對於快速設計在任何熱機械製程中於不同區中具有定製強度水準的元件係重要的。
本發明方法提供以下益處。此通用曲線可用於奧氏體鋼或含有殘留奧氏體之任何鋼，以定量預測既定等級之既定部件中之麻田散體體積分數，或以在既定部件中獲得所需體積分數的麻田散體。
儘管在單軸拉伸中發展等式，但其亦可發展為對於不同模式(諸如雙軸拉伸)以相同方式使用。且上文所描述製程可用於發展對於其他鋼材之類似曲線。
實例 1 ：用分段式模具之常規薄片成形
通常以涉及將板料置放在模具內(其包括壓料板(blankholder)、衝頭及嚙合模具)之常規衝壓操作，來生產圖9中所描繪的例示性部件(汽車B柱之通用表示)。首先移動壓料板以將板料之移動限制至模具中，且隨後移動衝頭以形成部件。形成相同元件之一種替代性方法為，使用薄片液壓成形製程，其中代替使用衝頭，流體壓力用於將板料傳送至模具中。 本文所描述之方法有助於在習知薄片成形中用分段式模具熱機械成形，或用薄片液壓成形，其中通用B柱之溫度控制諸如圖9中的一者。該方法包含以下製程： 1. 設計者需要較高強度(例如1200 MPa)以抵抗進入部件頂部(圖9中之部件A)，但需要較低強度(例如800 MPa)以增加用於能量吸收之底部區(圖9中之部件B)延性。 2. 為了達到彼等目標，例如在NITRONIC 30之情況下，圖1展示可在溫度~0℃(線反映在4.4℃下之結果)下於0.3之真實應變下達成1200 MPa。類似地，您得到在接近於0℃之溫度下於0.2之應變下800 MPa強度水準。 3. 現在，當然若設計者可嘗試及建立使用0℃之衝壓製程，則設計模具改變「有效」應變(注意，在薄片金屬部件中，存在共平面主要應變但此等可轉化成單一等效有效應變)，在b柱頂部為0.3，且在底部區段中為0.2，隨後他將達成所需強度差異。一般而言，此類型之蠻力方法將不可行的，因為0℃之特定溫度或應變自頂部0.3改變至底部0.2的能力不能達成。 4. 在本發明方法之實施例中，吾等首先認識到，奧氏體鋼之強度直接與麻田散體及奧氏體之體積分數相關。 因此對於此奧氏體鋼NITRONIC 30鋼，吾等自圖2發現，在0℃下之0.2%應變對應於使用磁性FERITSCOPE來測量之~10%體積分數的麻田散體；及0.3%應變對應於~30%體積分數的麻田散體。( 請注意，若相體積分率係使用 XRD 來 量測，則麻田散體體積分數將為 1 . 73 x 用 磁性 FERITSCOPE 方法量測之體積分數。 ) 5. 此為吾人之方法之優越處所在。使用圖8之通用曲線，對於所要轉變水準，吾等可挑選出在30%麻田散體及10%麻田散體下的經標準化應變(ε/εc )。曲線將展示，對於30%麻田散體ε/εc 為~2.4；對於10%麻田散體ε/εc 為~1.2。( 請同樣注意，此處報導之麻田散體體積分數係基於磁性 FERITSCOPE 方法，且此等應用 1 . 73 之因子縮放以與 XRD 值相關聯。 ) 6. 對於10%麻田散體體積分數之1.2的(ε/εc )值及對於30%麻田散體之2.4的(ε/εc )值為不依賴於所有奧氏體鋼之等級及溫度的相同值。 7. 現在，製程設計者知道達成他所尋求之定製強度水準之元件之不同區中之特定目標體積分數的麻田散體的目標(ε/εc )。 8. 視部件幾何形狀而定，他對於其可在不同區中達成之應變分佈具有一定的控制。有限元素分析可給予他對於其可在部件之不同區中達成之應變的預測能力。 9. 一旦已知在既定幾何形狀中可達成的應變(在兩個主要方向上且轉化成有效應變)，及已知目標ε/εc ，則留下的唯一變數為特徵應變值。 10. 特徵應變值為等級及溫度之函數。圖6展示數種常見奧氏體等級之特徵應變曲線。 11. 製程設計者在此時可具有兩個選擇。若他選擇具有由一種材料製造之整體元件，則其可使用圖6來尋找他需要的溫度差異，其可發展適當熱機械成形(利用分段式模具的管/薄片液壓成形或常規薄片成形)來產生本申請案的定製強度元件。 12. 製程設計者所擁有的第二選擇係他並不想要儘可能地改變溫度，且將進行選擇以使用利用兩種不同材料(其不同地轉變以達成他所尋求的目標強度差異)的焊接板料，來產生定製強度元件。此處援引之概念為，既定體積分數之麻田散體(對應於既定目標強度水準)直接與經標準化應變(ε/εc )相關，如圖8中所展示。經標準化應變具有兩個分量：部件上的有效應變；及視等級之奧氏體穩定性及溫度而定的特徵應變。請注意，奧氏體穩定性僅為材料中之轉變可能的傾向。在既定應變及溫度下，具有低奧氏體穩定性之材料將轉變更多，且在特定區中產生更高體積分數之麻田散體。
實例2：前壓軌元件之管液壓成形
第二例示性部件為諸如展示於圖10中之前壓軌元件。部件設計的意圖可為，在前端中具有較低強度以允許其在前端碰撞期間吸收能量，但在擠壓製程中之一些點處，應無進一步變形以預防塌陷至乘客區室中。 因此，部件之背部端應具有高強度。 i. 前端軟區域及較硬背部區域 ii. 考慮及方法與實例1中針對用分段式模具之常規薄片成形之直至步驟9為相同的。 iii. 用管(或薄片)液壓成形之一個問題為，可能難以用一個流體來改變液壓成形製程中之不同區中的溫度。 iv. 選擇1：使用整體管。以兩個階段執行液壓成形：部件之前部使用一個溫度之流體，且隨後背部部件使用不同溫度之流體，各溫度係基於圖8之日期選擇。 v. 選擇2：構築具有兩個不同奧氏體等級之定製焊接管：前部部件為具有高奧氏體穩定性之材料，而背部部件為具有低奧氏體穩定性之材料。 vi. 選擇3：使用整體管改變至背部部件中之較大部分，使得將在液壓成形期間達成更多應變且因此在相同溫度下在背部部分中更多轉變。 vii. 上文所定義之任何選擇將產生定製強度元件。
實例3
一種成形部件，其藉由以下來製造：確認成形部件之區中之至少一個預定機械特性；將麻田散體體積分數水準與該預定強度水準相關聯；使用通用應變曲線以判定對應於該麻田散體體積分數之經標準化應變；及選擇鋼以提供經標準化應變，或選擇成形製程中之製程限制以提供經標準化應變。
實例4
如實例3或任何以下實例之方法，其中經標準化應變係藉由選擇特定等級之鋼提供。
實例5
如實例3或4或任何以下實例之方法，其中經標準化應變係藉由選擇成形製程中之製程限制提供。
實例6
如實例3、4或5或任何以下實例之方法，其中製程限制包含有效應變或成形溫度中之至少一者。
實例7
如實例3、4、5或6或任何以下實例之方法，其中有效應變係藉由衝壓模具組態提供。
實例8
將由鋼製成之板料形成為成形部件，其中成形部件具有帶有不同機械特性之至少兩個區；藉由確認部件之各區的機械參數；將麻田散體體積分數與部件之各區之經確認機械參數相關聯；測定鋼的特徵應變曲線；基於鋼之特徵應變曲線，選擇產生與部件之各區相關聯之麻田散體體積分數所必需的真實應變及溫度；對模具進行組態以提供部件之各區的經選擇的真實應變；及在成形溫度下且在針對該區所選擇之模具組態中形成部件之各區，以產生定製成形部件。
實例9
如實例8或任何以下實例之方法，其中該鋼為奧氏體不鏽鋼或碳鋼。
實例10
如實例8或9或任何以下實例之方法，其中鋼包括殘留奧氏體。
實例11
如實例8、9或10或任何以下實例之方法，其中板料為管。
實例12
如實例8、9、10或11或任何以下實例之方法，其中板料薄片。
實例13
如實例8、9、10、11或12或任何以下實例之方法，其中機械特性可包括強度水準。
實例14
如實例8、9、10、11、12或13或任何以下實例之方法，其中鋼之特徵應變曲線係藉由確認在三個或更多個不同溫度下變形之後奧氏體轉變為麻田散體之量來測定。
實例15
一種成形部件，其藉由以下來形成：提供待形成為成形部件之鋼製成之板料，其中成形部件具有帶有不同機械特性之至少兩個區；藉由確認部件之各區的機械參數；將麻田散體體積分數與部件之各區之經確認機械參數相關聯；測定鋼的特徵應變曲線；基於鋼之特徵應變曲線，選擇產生與部件之各區相關聯之麻田散體體積分數所必需的真實應變及溫度；對模具進行組態以提供部件之各區的經選擇的真實應變；及在成形溫度下且在針對該區所選擇之模具組態中形成部件之各區，以產生定製成形部件。
實例16
如實例15之方法，其中鋼之特徵應變曲線係藉由確認在三個或更多個不同溫度下變形之後之奧氏體轉變為麻田散體的量來測定。
A‧‧‧部件
B‧‧‧部件
圖1描繪由AK Steel Corporation, West Chester, Ohio生產及銷售之Nitronic® 30奧氏體鋼的等溫應力/應變曲線。
圖2描繪Nitronic 30材料之相對於應變的麻田散體體積分數。
圖3描繪Nitronic 30材料之隨溫度變化的麻田散體體積分數。
圖4描繪Nitronic 30材料之擬合為隨溫度變化之指數曲線的特徵應變曲線。
圖5描繪Nitronic 30材料之隨溫度變化之麻田散體之體積分數的實驗資料。
圖6描繪Nitronic 30材料之相對於經標準化應變的麻田散體體積分數。
圖7描繪數種奧氏體不鏽鋼之以實驗方式量測的轉變資料。
圖8描繪圖7中闡述之資料之最佳擬合曲線。
圖9描繪來自汽車之通用B柱。
圖10描繪汽車之通用前壓軌。

Claims (12)

  1. 一種用於製備成形部件之方法，其包含以下步驟： a. 確認該成形部件之一區中之至少一個預定機械特性； b. 使麻田散體體積分數水準與該預定機械特性相關聯； c. 使用通用應變曲線來確定對應於該麻田散體體積分數之經標準化應變；及 d. 選擇鋼以提供該經標準化應變或選擇成形製程中之製程限制來提供該經標準化應變。
  2. 如請求項1之方法，其中該經標準化應變係藉由選擇特定等級之鋼來提供。
  3. 如請求項2之方法，其中該經標準化應變係藉由選擇成形製程中之製程限制來提供。
  4. 如請求項3之方法，其中該製程限制包含有效應變或成形溫度中之至少一者。
  5. 如請求項4之方法，其中該有效應變係藉由衝壓模具組態來提供。
  6. 如請求項1之方法，其中該鋼為奧氏體不鏽鋼或碳鋼。
  7. 如請求項1之方法，其中該鋼包括殘留奧氏體。
  8. 如請求項1之方法，其中板料為管。
  9. 如請求項1之方法，其中板料為薄片。
  10. 如請求項1之方法，其中該機械特性可包括強度水準。
  11. 一種用於製備成形部件之方法，其包含以下步驟： a. 提供由待形成為成形部件之鋼製成的板料，其中該成形部件具有帶有不同機械特性之至少兩個區； b. 確認該部件之各區之機械參數； c. 使麻田散體體積分數與該部件之各區之該等經確認機械參數相關聯； d. 測定該鋼之特徵應變曲線； e. 基於該鋼之該特徵應變曲線，選擇產生與該部件之各區相關聯之該麻田散體體積分數所必需的真實應變及溫度； f. 對模具進行組態以為該部件之各區提供該經選擇之真實應變； g. 在成形溫度下且在針對該區所選擇之模具組態中形成該部件之各區，以產生定製成形部件。
  12. 如請求項11之方法，其中該鋼之該特徵應變曲線係藉由確認在三個或更多個不同溫度下變形之後奧氏體轉變為麻田散體之量來測定。
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