專利名稱：快速回火工藝與設備的制作方法
快速回火工藝與設備相關申請的交叉引用0001本申請要求于2005年12月8日提交的編號為60/748,473的 美國臨時專利申請的優先權，該申請通過引用被并入本文。技術領域0002本發明一般涉及冶金學。更具體地，本發明涉及回火其 中包括馬氏體相的鐵合金材料的工藝與方法。最具體地，本發明涉及 用于迅速回火其中具有馬氏體相的鐵合金物件。
背景技術：
0003多種鋼和其它這種鐵合金可以通過以下步驟使其變硬加熱這些材料到高于它們奧氏體化溫度的溫度，然后以適當時間/溫度 分布圖冷卻它們使得其中形成馬氏體相。選擇冷卻分布圖以使得合金 材料通過指定為馬氏體轉變開始溫度的第一溫度邊界，然后通過指定 為馬氏體轉變終止或停止溫度的第二較低溫度。在時間/溫度曲線上， 馬氏體轉變開始和終止邊界的具體值和位置將取決于所用的特定合 金。被指定為可硬化的鋼一般具有馬氏體轉變開始和終止邊界的值， 以致這些鋼可以被容易地淬火以形成馬氏體相。0004馬氏體是由與較慢的擴散轉變相對的位移轉變形成的任 意晶體結構。然而，對馬氏體最普遍的了解是在非常硬的鋼中發現的 一種碳過飽和的鐵氧體鑄鐵。馬氏體通過快速冷卻俘獲碳原子的奧氏 體以致它們不具有足夠的時間擴散出奧氏體晶體結構而形成，并且包 括碳過飽和的鐵氧體顆粒。馬氏體與普通鐵氧體僅有的區分是其形成依賴于位移轉變而不是相對較慢的擴散和結晶。馬氏體的影響可以 通過應用加熱被簡單地減小或消除。因此，需要高強度的鋼可以被淬 火以制作過多的馬氏體，然后回火以逐漸減小其濃度直到獲得本申請的正確結構。0005其中含有馬氏體的鋼被本領域的技術人員普遍稱為馬氏 體鋼。馬氏體鋼硬而脆。馬氏體鋼或(也被稱為馬氏永磁體)的典型抗張強度大約為220 ksi(千磅每平方英寸)，其屈服強度通常為190 ksi， 并且伸長率百分數大約為4%。這些鋼對于許多制造操作太脆，而且它 們的高度脆性也會限制它們在特定應用中的使用。這樣，包括機動車 輛應用的許多應用需要馬氏體鋼被回火以增強它們的延伸特性。回火涉 及再加熱合金材料到高于馬氏體開始轉變溫度但小于奧氏體化溫度的溫 度以及隨后冷卻合金回到環境溫度。回火工藝減小了馬氏體的影響和/ 或在合金中產生了緩和馬氏體相的性質的其它相。經回火的馬氏體鋼的 典型抗張強度可以低到大約100ksi，屈服強度大約80ksi，并且伸長率 至少15%。回火可以制作具有跨越這個范圍任何位置的性質的多級馬氏 體。0006貝氏體是良好的非薄片結構，該結構在奧氏體被快速地 冷卻到大約723°C的臨界溫度之下時在鋼中形成。貝氏體可以與珠光 體的構造相似，但其帶有由與馬氏體形成相似的機械位移形成的鐵氧 體。然而不同于馬氏體，位移轉變往往跟隨有來自過度飽和鐵氧體或 奧氏體的碳凝結。因此盡管未轉變(相變)的奧氏體和/或馬氏體可以 出現在鐵氧體板之間，該形態通常由被碳化鐵分離的鐵氧體板的集合 體組成。當在連續的冷卻期間形成時，形成貝氏體的冷卻率高于形成 珠光體所需的冷卻率，但低于形成馬氏體的冷卻率。0007目前已通過在回火爐或回火箱內再加熱馬氏體和/或貝氏 體物件來實現回火。這種工藝相當耗費時間、硬件密集并且需要相當 大量的專用制造空間。在一些情況下，回火通過使用感應加熱線圈實 現。這些線圈通常掃過物件以產生加熱區域。這種感應加熱工藝難于 控制，特別當物件包括不規則特征如空缺、突出等時，這類特征會扭 曲感應場。 一般基于感應的工藝不能夠精確控制被處理物件的材料屬 性，并且它們的利用被限制于如消除應力的硬化物件的應用。發明內容0008提供了一種用于回火工件的方法。所述方法包括提供具有馬氏體和/或貝氏體相的鐵合金工件，加熱至少一部分所述工件到預 選溫度，然后冷卻所述工件到更低溫度。所述預選溫度低于所述合金 的奧氏體化溫度并且所述加熱在不多于60秒內完成。本發明的一個實 施例用電阻加熱來加熱所述工件。
0009圖1說明了本發明快速回火操作的時間一溫度曲線。
具體實施方式
0010依照本發明，巳發現馬氏體和/或貝氏體的回火可以通過 快速工藝實現，所述快速工藝在本文中被稱為"快速回火"(flash tempering)。依照本發明和圖1中加熱曲線所示的方法，熱量在相當 短的時間段100內被輸入到工件，并且加熱量足夠把所述工件的溫度 升高到低于奧氏體化溫度220的預選溫度210。預選溫度優選高于圖1 中所示的馬氏體開始轉變溫度230，然而這不是該方法所必須操作的。 溫度的選擇將取決于被處理合金的具體性質和回火物件的期望屬性。 然后物件在環境條件下或通過接觸如氣體或液體的冷卻液流體被冷 卻，以便使所述工件回到適合下一步處理或加工的溫度。這種精確控 制的加熱和冷卻工藝回火馬氏體相，因此降低所述物件的脆度。0011加熱通常通過一種可以快速精確地把熱能輸入到物件的 工藝來完成。 一種這樣的工藝包含電阻加熱，其中電流通過工件的流 動導致該工件的加熱。其它加熱方法可以包含輻射加熱，其中光子能 通量對準工件，還包括等離子體加熱或火焰加熱。在一些情況下，熱 惰性流體如氣體或液體可以用來加熱所述工件。0012在本發明的一個特定實施例中，預先確定加熱被回火工 件的部分所需的熱量。這可以通過以所述工件的已知或測量的特性為 基礎計算所需的熱量來完成。在其他情況下，所需的熱量可以通過當 熱量被輸入到工件時測量所述工件的溫度變化進行實驗確定。在任何 情況下， 一旦用于使被回火工件的部分達到適當溫度的熱量被確定， 所述熱量可以容易且快速地輸入到所述工件，例如通過流過所述工件 的電流或通過把所述工件暴露在電磁能通量中。在本發明的一組實施 例中，熱量在不大于五秒的時間段內被輸入到所述工件。在特定情況7下，熱能在不多于一秒的時段內被輸入。0013在一些情況下，本發明可以用于選擇性地回火部分工件， 以便提供其中變化可控的性質。例如，具有基本遍布其全部體積的馬 氏體相的工件可以被選擇性地回火，使得所述工件的部分將具有減小 的脆度和增加的伸長屬性。這樣，可以制作如機動車輛的入侵梁等吸 能結構。0014在一些情況下，所述系統可以操作以將熱能的"脈沖" 傳遞到工件的全部或部分，所述脈沖的能量足以引起快速回火。這個 脈沖的強度可以通過基于工件屬性的計算或通過相對標準工件的校準 而被確定。在其他情況下，系統在反饋模式中可以是可操作的，其中 相當高的能量流被輸入到工件，該工件的溫度被檢測，并且能量輸入 被適當調整使得所述工件達到預期溫度。在一些情況下，當所述工件 的檢測溫度在確定的水平時，能量輸入將被終止，而在其他情況下， 考慮到溫度過沖，能量輸入將在某一較早的時間點終止。在另外的情 況下，能量輸入可以被控制，以便在預期的時間內保持所述工件在特 定的溫度。0015
一旦達到預期的溫度，所述工件被可選地保持在所述溫 度并冷卻回到環境溫度，從而完成回火工藝。通常，從冶金學觀點來 看冷卻率不是關鍵的。在那些工件相對薄的情況下，冷卻可以簡單地 通過接觸環境大氣來完成。在其他情況下，冷卻可以通過使氣態或液 態流體流過所述工件而被增強。在本發明的特定實施例中，加熱和冷 卻可以被動態地平衡以達到適當的加熱分布圖。例如，加熱脈沖可以 被輸入到所述工件，并且在加熱有效輸入期間的某一時刻，冷卻劑流 可以被啟動。在其它情況下，冷卻劑流可以在所述熱脈沖輸入后起動。0016本發明采用的加熱脈沖的持續時間取決于物件要被加熱 到的溫度，以及取決于所述物件的導熱性和尺寸。本發明的顯著特點 是可以采用相對短的加熱脈沖來回火物件。這極大的簡化了回火工藝 并減少了回火工藝所需的保持時間以及專用于此的空間。在本發明的 典型回火工藝中，物件在不多于一分鐘的時間段內被加熱到期望的溫 度，而在特定情況中不多于5秒。在特定實施例中，加熱通過很短的 能量脈沖完成，所述能量可以是電阻加熱情況的電能量或者感應加熱或輻射加熱情況的電磁能量。0017本發明的原理尤其適用于回火相對薄的物件，如機動車輛的框架或體部件或者靜止或移動構造物的其他結構元件。同樣，本發明對于在具有小于5 mm以及特殊情況下小于2 mm的厚度的物件上 實現的回火操作有特定的優勢。0018本發明的工藝可以被結合到其它金屬加工和處理工藝。 例如，金屬物件通過一種工藝被制作，其中電阻加熱用來提高工件溫 度以便于形成操作。在此類情況下，所述溫度通常上升到高于奧氏體 化溫度以便軟化所述金屬。隨后，這種物件通常通過接觸淬火流體被 淬火，以便形成馬氏體相并硬化該物件。如上文提到的，此類馬氏體 物件通常很脆并且使用有限。然而，在用于大體積制作工藝的典型鋼 中，不可能直接形成表形有預期高強度和延展性組合的冶金學相。因 此，如上文討論的，此類物件需要被分別回火。在利用那些如電阻或 感應加熱的快速加熱工藝的情況下，進行操作以便為金屬加工和馬氏 體形成提供加熱的同樣設備可以通過使用本發明的方法而被用于回火 所述物件。在這種情況下，本系統可以被編程以提供用于快速回火物 件的適當能量脈沖。考慮到本文提出的教導，本領域技術人員可以容 易地改變這種設備以進行這種形式的操作。0019前文的討論與描述說明了本發明的具體實施例，但不意 味著對其實施進行限制。考慮到本文提出的教導，其中眾多的改進和 變更對于本領域技術人員是明顯的。定義本發明的范圍的是所附的權 利要求，包括全部的等效物。
權利要求
1.一種用于回火工件的方法，所述方法包含以下步驟提供鐵合金工件，所述工件其中具有馬氏體相和/或貝氏體相；加熱至少一部分所述工件到預選溫度，所述預選溫度低于所述鐵合金的奧氏體化溫度，其中所述加熱在不多于60秒內完成；以及冷卻所述工件到低于所述預選溫度的溫度；
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述工件的加熱在不多于30 秒內完成。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中所述加熱通過電阻加熱完成。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中所述加熱通過感應加熱完成。
5. 根據權利要求l所述的方法，其中所述預選溫度高于所述合金 的馬氏體開始轉變溫度。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中加熱步驟僅對所述工件的一 部分實施，由此所述工件被選擇性地回火。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中所述工件具有不大于5 mm 的厚度。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中所述回火將所述工件的初始 抗張強度減小至少15%。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中所述冷卻包含用流體接觸所 述工件。
10. 根據權利要求1所述的方法，其中淬火劑流體在至少一部分所述加熱時間的期間內接觸所述工件。
11. 一種用于回火工件的方法，所述方法包含以下步驟 提供鐵合金工件，所述工件其中具有馬氏體和/或貝氏體相； 確定加熱所述工件的預選體積到預選溫度所必需的熱能量，所述預選溫度低于所述鐵合金的奧氏體溫度；把所述熱能量輸入到所述工件的所述體積；以及 冷卻所述工件到低于所述預選溫度的溫度；
12. 根據權利要求ll所述的方法，其中所述預選體積包含所述工 件的完整體積。
13. 根據權利要求ll所述的方法，其中所述預選體積包含所述工 件的部分體積。
14. 根據權利要求ll所述的方法，其中把所述熱能量輸入到所述 工件的所述體積在不超過30秒內完成。
15. 根據權利要求ll所述的方法，其中輸入所述熱能量包含電阻 加熱所述預選體積。
16. 根據權利要求ll所述的方法，其中所述預選溫度高于所述合 金的馬氏體開始轉變溫度。
17. 根據權利要求ll所述的方法，其中所述工件的所述預選體積 的厚度不大于5mm。
18. 根據權利要求ll所述的方法，其中所述回火將所述工件的初 始抗張強度減少至少15%。
19. 一種用于回火工件的設備，所述設備包含-一個支撐物，其用于接收具有馬氏體和/或貝氏體相的鐵合金工件；一個加熱器，其用于加熱所述工件；以及一個控制器，其用于控制所述加熱器以使所述工件被加熱到 預選溫度，所述預選溫度低于所述合金的奧氏體化溫度，其中所 述加熱在不多于60秒內完成。
20.根據權利要求19所述的設備，還包含一個冷卻系統，所述冷 卻系統操作所述工件到低于所述預選溫度的溫度。
全文摘要
提供了一種用于回火工件的方法。所述方法包括提供其中具有馬氏體和/或貝氏體相的鐵合金工件，加熱至少一部分所述工件到預選溫度，然后冷卻所述工件到更低溫度。所述預選溫度低于所述合金的奧氏體化溫度并且所述加熱在不多于60秒內完成。本發明的一個實施例用電阻加熱來加熱所述工件。
文檔編號C21D1/10GK101326294SQ200680046412
公開日2008年12月17日 申請日期2006年12月8日 優先權日2005年12月8日
發明者T·馬赫羅維齊 申請人:諾布爾高級技術公司