本發明涉及具有三層結構的鋼管及包括熱處理的其制造方法。鋼管可具有三層結構，并可通過高頻感應加熱制造，使得可形成包括貝氏體和馬氏體的三層結構，以便提高韌性以改善在車輛中使用時的碰撞性能。

背景技術：

近來，隨著溫室氣體已成為全世界的嚴重問題，車輛尾氣法規已執行。因此，汽車行業大多一直在嘗試減輕車輛重量以滿足國際環保法規，并提高燃料效率。由此，車輛制造商一直在開發使形成大部分車輛重量的車架的重量減輕的技術。

車輛的車架包括對應于車身骨架的白車身(biw)，以及例如車門、發動機罩、行李廂等的操作部分，并且形成總車輛重量的大部分。因此，在汽車行業，可使用用于車架的輕質材料來顯著增加車輛的輕量化效果。

此外，車架是對例如車輛剛度、碰撞和行駛安全性等的車輛性能具有決定性影響的重要部分。因此，可以理解的是，車架的重量減輕同時強度提高是必要的技術。出于車輛的安全性和輕量化并存的原因，高強度鋼管已被用作一些結構部件。

例如，可在車門內安裝鋼管，以便當發生車輛側面碰撞時使車架的損壞最小化并保護乘客。這種鋼管被稱為車門防撞梁，并且為了實現車架的強度提高和重量減輕，車門防撞梁已由高強度鋼制造。此外，在鋼管的制造期間，已使用通過鋼的合金設計和熱處理的組織控制，來獲得鋼管的更高強度。

在通過高頻感應加熱加熱至910℃或更高的溫度之后，立即通過直噴冷卻水的淬火工藝，已制造出常規的高強度鋼管。通過這種工藝，常規的鋼管可從500～600mpa強度的鐵素體和馬氏體組織轉變為淬火后的1500～2000mpa強度的馬氏體單相組織。這種馬氏體單相組織可具有高脆性。因此，當鋼管由這種組織形成時，可在車輛碰撞的早期階段發生脆性斷裂，并且因此不能充分獲得車輛的安全性和駕駛者的安全性。在這種情況下，鋼管不能充分用作為使車架的損壞最小化和保護乘客而形成的車門防撞梁。

為了解決上述常規問題，已添加在第一次熱處理之后執行再加熱至約200℃溫度以便減少脆性的回火工藝。然而，因為由于用于回火工藝的附加設備的構建和工藝時間的增加可能使制造成本增加，所以回火工藝可能未應用于鋼管的制造。因此，為了解決這些問題，已需要具有提高的韌性和高強度以改善碰撞性能的鋼管。

因此，本發明解決了上述技術難題，從而提高用作車輛的車門防撞梁的鋼管的韌性，并且提高沖擊吸收性能。

技術實現要素：

在優選方面，本發明提供一種可具有顯著提高的材料韌性和強度以防止在碰撞中的變形期間斷裂的鋼管及其制造方法。

此外，本發明提供一種使用具有提高的韌性的鋼管及其制造方法的車門防撞梁，以實現車輛耐久性的增加和輕量化，從而提高燃料效率并防止環境污染。

本發明并不特別限于上述的方面，并且本領域技術人員可從以下給出的說明中清楚地理解其它方面。

在本發明的一方面，提供了一種包括貝氏體組織層、貝氏體和馬氏體雙相組織層以及馬氏體組織層的鋼管。本發明的鋼管可通過熱處理獲得高韌性，因此，除非本文另外指明，否則在本公開內容中鋼管也可稱為高韌性熱處理鋼管。

如本文所使用的術語“貝氏體”是指可在預定的溫度范圍內自發地形成在合金鋼中的組分的板狀或片狀的微觀結構(相形態)。例如，根據本發明的示例性實施例的鋼的貝氏體可在約400～650℃的溫度下形成。如本文所使用的術語“馬氏體”是指在冷卻或淬火工藝期間冷卻時產生的例如鐵的合金組分的結晶形式或顆粒形式。例如，根據本發明的示例性實施例的鋼的馬氏體可在約0～20℃的溫度下形成。

在一個優選方面，貝氏體和馬氏體雙相組織層可形成在馬氏體組織層上，并且貝氏體組織層可形成在貝氏體和馬氏體雙相組織層上。

在一個優選方面，貝氏體組織層可存在于鋼管的約5～10％的總厚度中。

在一個優選方面，貝氏體和馬氏體雙相組織層可存在于鋼管的約10～15％的總厚度中。

在一個優選方面，馬氏體組織層可存在于鋼管的約80～85％的總厚度中。

在一個優選方面，貝氏體組織層可存在于鋼管的約5～10％的總厚度中，貝氏體和馬氏體雙相組織層可存在于鋼管的約10～15％的總厚度中，并且馬氏體組織層可存在于鋼管的約80～85％的總厚度中。

在本發明的另一方面，提供了一種鋼管的制造方法，并且該方法可包括：對鋼管進行一次感應加熱；以及對鋼管的外徑部進行二次感應加熱，同時利用冷卻水對鋼管的內徑部進行冷卻。在一個優選方面，可執行一次感應加熱并可執行二次感應加熱。

如本文所使用的術語“感應加熱”是指使用通過電磁鐵在高頻交變電流時產生的電磁感應的加熱方法。

在一個優選方面，在二次感應加熱中，可將鋼管的外徑部加熱至約400～650℃的溫度。

在一個優選方面，在二次感應加熱中，可將鋼管的外徑部加熱約20～40秒。

在本發明中，在鋼管的內徑部的冷卻中，冷卻水的溫度可以是約0～20℃。

在本發明中，在鋼管的內徑部的冷卻中，可在約1bar的壓力下噴射冷卻水。

在本發明中，在一次感應加熱中，可將鋼管加熱至約860～960℃的溫度。

還提供了一種可包括如本文所述的鋼管的車輛。例如，該車輛可包括用于車門防撞梁的鋼管。

本發明的其它方面在下文公開。

附圖說明

本發明的以上和其它目的、特征和優點將從以下結合附圖進行的詳細說明中得以更清楚地理解，在附圖中：

圖1示出現有技術中的常規高頻感應加熱裝置和常規快速淬火裝置；

圖2示出根據本發明的示例性實施例的示例性鋼管及其橫截面；

圖3示出用于制造根據本發明的示例性實施例的示例性鋼管的示例性一次高頻感應加熱裝置、示例性二次高頻感應加熱裝置和示例性冷卻裝置；

圖4示出根據本發明的示例性實施例的示例性鋼管的橫截面的顯微鏡照片；

圖5a示出在13km/h的速度下碰撞后的常規車門防撞梁；

圖5b示出在13km/h的速度下碰撞后的根據本發明的示例性實施例的示例性車門防撞梁；并且

圖6示出在13km/h的速度下的車門防撞梁的碰撞位移－負荷曲線。

具體實施方式

本文所使用的術語僅是為了說明特定實施例，而非意在限制本發明。如本文所使用的，單數形式“一個”、“一種”和“該”旨在也包括復數形式，除非上下文另外明確指出。還將理解的是，詞語“包括”和/或“包含”當在本說明書中使用時，規定所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但不排除一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或其群組的存在或添加。如本文所使用的，詞語“和/或”包括一個或多個相關列出項目的任何和所有組合。

除非特別陳述或從上下文顯而易見，如本文所使用的，詞語“約”應理解為在本領域的正常公差范圍內，例如在平均值的2倍標準差之內。“約”可理解為在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之內。除非從上下文另外明確，否則本文提供的所有數值均由詞語“約”修飾。

應當理解的是，如本文所使用的術語“車輛”或“車輛的”或者其它類似術語包括通常的機動車輛，例如包括運動型多功能車(suv)、公交車、卡車、各種商用車輛在內的乘用車輛，包括各種艇和船在內的水運工具，以及航空器等等，并且包括混合動力車輛、電動車輛、插電式混合電動車輛、氫動力車輛和其它替代燃料車輛(例如，從石油以外的資源取得的燃料)。如本文所提及的，混合動力車輛是具有兩種或更多種動力源的車輛，例如具有汽油動力和電動力兩者的車輛。

在下文中，將參照附圖詳細說明本發明，以使本領域的技術人員能夠容易地實施本發明。在本發明的說明書和權利要求書中使用的術語或詞語不應使用典型的或字典所限的含義來解釋，而應基于發明人為了以最佳方式說明其自身的發明，可適當定義術語的概念的原則，被解釋為符合本發明的技術思想的含義和概念。因此，應當理解的是，將與附圖一起公開的詳細說明意在說明本發明的示例性實施例，而并非旨在代表本發明的全部技術思想。因此，應該理解的是，可存在能夠取代申請時所述的實施例的各種等同形式和變型。

以下將詳細說明本發明。本發明涉及具有三層結構的高韌性熱處理鋼管及其制造方法。在本發明的一方面，高韌性熱處理鋼管可包括三層結構。

圖1示出常規高頻感應加熱裝置和常規快速淬火裝置的構造。如圖1中示例性示出的，設置有常規鋼管11、常規高頻感應加熱裝置13和直噴冷卻水的常規快速淬火裝置15。

在使用高頻感應加熱裝置13加熱至約910℃或更高的溫度之后，立即通過使用直噴冷卻水的快速淬火裝置15的快速淬火工藝，已制造出常規鋼管11。通過這種工藝，鋼管11從約500～600mpa強度的鐵素體和馬氏體組織轉變成淬火后的約1500～2000mpa強度的馬氏體單相組織。這種馬氏體單相組織可具有高脆性。因此，當鋼管11由這種組織形成時，可在車輛碰撞的早期階段發生脆性斷裂，并且因而不能充分獲得車輛的安全性和駕駛者的安全性。因此，鋼管11不能充分用作為使車架的損壞最小化和保護乘客而形成的車門防撞梁。

為了解決上述問題，可在第一次熱處理之后執行將鋼再加熱至約200℃的溫度從而減少脆性的回火工藝。然而，在這種情況下，因為由于用于回火工藝的附加設備的構建和工藝時間的增加可能使制造成本增加，所以回火工藝可能未應用于鋼管的制造。因此，為了解決這些問題，需要具有提高的韌性和高強度以改善碰撞性能的鋼管。

因此，本發明提供可用作車輛的車門防撞梁的具有提高的韌性和沖擊吸收性能的鋼管。

圖2示出根據本發明的示例性實施例的示例性鋼管及其橫截面。

如圖2中所示，示例性鋼管100可具有包括貝氏體組織層105、貝氏體和馬氏體雙相組織層103以及馬氏體組織層101的三層結構。

一般情況下，貝氏體組織可具有比馬氏體組織低約30～40％的強度，但可具有更大的拉伸性能和韌性，因此在碰撞方面有利。然而，當鋼管整體進行熱處理以便具有貝氏體組織時，鋼管可具有提高的韌性但與常規鋼管相比降低的強度。

因此，本發明的鋼管100可包括三層結構，其可包括存在于鋼管100的約5～10％的總厚度中的貝氏體組織層105，存在于鋼管100的約10～15％的總厚度中的貝氏體和馬氏體雙相組織層103，以及存在于鋼管100的約80～85％的總厚度中的馬氏體組織層101。

在本發明的鋼管100中，貝氏體和馬氏體組織層可形成在鋼管100的厚度方向。為此目的，鋼管100可通過一次高頻感應加熱，然后二次高頻感應加熱鋼管100的外徑部同時通過冷卻水冷卻鋼管100的內徑部而制造。

圖3示出用于制造根據本發明的示例性實施例的示例性鋼管的示例性一次高頻感應加熱裝置、示例性二次高頻感應加熱裝置和示例性冷卻裝置。圖3示出用于制造高韌性熱處理鋼管100的一次高頻感應加熱裝置201、二次高頻感應加熱裝置203和冷卻裝置205。

一次高頻感應加熱裝置201可以與常規熱處理工藝相同的方式，通過高頻感應加熱將高韌性熱處理鋼管100加熱至約860～960℃的溫度。當高韌性熱處理鋼管100經過一次高頻感應加熱裝置201后，高韌性熱處理鋼管100的外徑部可經過二次高頻感應加熱裝置203，其可將高韌性熱處理鋼管100加熱至約400～650℃的溫度，同時高韌性熱處理鋼管100的內徑部可經過冷卻裝置205，其可使用冷卻水冷卻高韌性熱處理鋼管100。

特別地，如圖2中所示，高韌性熱處理鋼管100可具有包括高韌性組織和高強度組織的層狀結構的橫截面。例如，可通過保持約400～650℃的高溫而在高韌性熱處理鋼管100的外徑部形成貝氏體組織105，并可通過使用冷卻水冷卻而在高韌性熱處理鋼管100的內徑部形成馬氏體組織101。

因此，根據本發明的高韌性熱處理鋼管100可具有類似于常規馬氏體鋼的拉伸強度和減小的脆性。特別地，當車門防撞梁由具有這種層狀結構的高韌性熱處理鋼管100形成并且鋼管100因車輛碰撞而折斷時，拉伸應力可施加至鋼管100的外徑部，因此可有效防止產生斷裂。

當未同時執行二次加熱和冷卻，或者如常規方法中那樣僅執行在加熱后特定溫度的冷卻時，可能無法獲得上述層狀結構。此外，當如常規方法那樣制造馬氏體組織與貝氏體組織不均勻混合的鋼管時，可能無法獲得期望的拉伸強度。

當馬氏體組織與貝氏體組織輕微混合時，通常可獲得約1000～1300mpa的拉伸強度。另外，為了提高拉伸強度，可增加碳含量或者可增加馬氏體率，這可導致脆性增加以及在車輛碰撞時發生斷裂。

以下表1示出二次高頻感應加熱和冷卻的條件以及從如此制造的鋼管得到的測試結果。

表1

如表1中所示，使用了各種控制條件因素，總計三個因素，即在一次高頻感應加熱后的二次高頻感應加熱中的加熱溫度和加熱時間，以及冷卻中的冷卻水的溫度。因此，由于其中形成的微觀組織，高韌性熱處理鋼管100在用于車門防撞梁時，可具有由高速碰撞測試結果示出的顯著改善的拉伸性能。表1中的高速碰撞測試結果可示出在13km/h的速度條件下鋼管100是否斷裂。

因此，如表1中所示，二次高頻感應加熱中的加熱溫度和加熱時間可直接影響在鋼管100的外徑部形成的貝氏體組織層105，并且冷卻裝置205中的冷卻水的溫度可有助于在鋼管100的內徑部形成馬氏體組織層101以及貝氏體和馬氏體雙相組織層103。

上述二次高頻感應加熱中的條件可通過調節鋼管100經過的二次高頻感應加熱裝置203的長度以及鋼管100的傳送速度來設定。

二次高頻感應加熱中的最優加熱溫度適當地可以是約580～650℃，其可大于用以形成貝氏體組織層105的約350～550℃的等溫冷卻溫度。當如表1的比較例2中那樣在二次高頻感應加熱中的加熱溫度小于約580℃時，由于噴射到鋼管100的內徑部上的冷卻水的效果，鋼管100的外徑部的實際溫度可部分地降低至約350℃或更低的溫度，并且可能未形成具有目標厚度的貝氏體組織層105。另一方面，當如表1的比較例4中那樣在二次高頻感應加熱中的加熱溫度大于約650℃時，可形成具有比目標厚度更大厚度的貝氏體組織層105，因此鋼管100的強度可降低。

此外，當如比較例3中那樣在二次高頻感應加熱中的加熱時間小于約20秒時，可能未充分形成貝氏體組織層105，并且由于冷卻水的冷卻效果，鋼管100整體可轉變為馬氏體單相組織，因此脆性可增大。結果，可發生斷裂。另一方面，當在二次高頻感應加熱中的加熱時間大于約40秒時，可過度形成貝氏體組織層105，并且鋼管100整體的強度可降低。因此，在本發明中，用于制造高韌性和高強度鋼管的最優加熱時間可以是約20～40秒。

此外，用以形成細密的馬氏體組織的冷卻中的冷卻水的溫度可以是約0～20℃。當冷卻水的溫度高于約20℃時，馬氏體組織可變粗，并且可過度形成貝氏體組織，因此與測試例相比，鋼管的強度可顯著降低。另外，如表1的比較例5中所示，由于變粗的馬氏體組織的效果，延伸率可降低。此外，用于噴射冷卻水的壓力可以是約1bar。

當未如本發明中那樣同時執行二次高頻感應加熱和冷卻，而是如常規方法中那樣僅在一次高頻感應加熱后執行冷卻時，如從表1的比較例1中所見，可能無法形成貝氏體組織。此外，當在常規方法中的冷卻溫度下馬氏體組織與貝氏體組織不均勻混合時，可能無法獲得期望的拉伸強度，并且可發生斷裂。

圖4中示出根據示例性實施例由同時二次感應加熱和冷卻獲得的示例性鋼管的橫截面組織。在圖4中示出放大200倍的示例性鋼管的橫截面的顯微鏡照片。

如圖4中所示，可在與鋼管100的內徑部對應的圖4的下端部分形成致密的馬氏體組織層101，并且可在與鋼管100的外徑部對應的圖4的上端部分沿向下方向依次形成貝氏體組織層105以及貝氏體和馬氏體雙相組織層103。

使用自由落體沖擊試驗機執行對使用根據本發明的高韌性熱處理鋼管100制造的車門防撞梁以及常規車門防撞梁的高速碰撞測試。

圖5a和圖5b是示例性車門防撞梁303和常規車門防撞梁301在13km/h的速度下碰撞后的結果的照片。

在此高速碰撞測試中，圓柱狀的沖擊器從指定高度自由落下以撞擊車門防撞梁301和303的中部，然后測量車門防撞梁301和303的碰撞性能和脆性。在以9km/h、11km/h和13km/h改變沖擊器與車門防撞梁301和303的碰撞速度的同時，執行高速碰撞測試。

作為測試結果，在高至11km/h的碰撞速度下車門防撞梁301和303二者均無脆性斷裂地良好地變形，并且車門防撞梁301和303的最大負荷相似。然而，如圖5a和圖5b中示例性示出的，在13km/h的碰撞速度下，常規車門防撞梁301由于變形期間的脆性而發生斷裂，根據本發明的示例性實施例的車門防撞梁303則具有良好的變形狀態。

圖6是示出在13km/h的速度下的車門防撞梁的碰撞位移－負荷曲線的圖。在圖6中，縱軸表示在高速碰撞中施加至車門防撞梁的負荷(n)，并且橫軸表示由此導致的車門防撞梁的位移(mm)。

如上所述，當車門防撞梁在變形期間斷裂時，如圖6中所示，車門防撞梁可能無法承受斷裂瞬間的負荷，因此可能無法吸收沖擊能量并喪失其功能。

根據圖6，如常規車門防撞梁的位移－負荷曲線401所示，常規車門防撞梁在位移為55～60mm時斷裂。此外，如根據本發明的示例性實施例的車門防撞梁的位移－負荷曲線403所示，本發明的車門防撞梁在位移為約80～90mm時斷裂。

因此，當位移－負荷曲線中的面積表示沖擊吸收能量時，可以理解的是，與常規車門防撞梁301相比，根據本發明的車門防撞梁303在13km/h的速度下可具有提高約40％或更大的沖擊吸收性能。

因此，根據本發明的高韌性熱處理鋼管及其制造方法，可確保材料的高強度，同時可顯著提高材料的韌性，從而防止鋼管在碰撞中的變形期間斷裂。

優選地，由本文所述的鋼管形成的車門防撞梁可設置在車門內，因此可使對于車輛側面碰撞脆弱的車門中部的向內擠壓程度最小化，并且側面碰撞的沖擊能量可傳遞至車架，因此可使傳遞至車內乘客的沖擊最小化。

此外，使用根據本發明的各種示例性實施例的高韌性熱處理鋼管及其制造方法制造的車門防撞梁可增加車輛的耐久性并減輕車輛的重量，從而提高車輛的燃料效率并防止環境污染。

雖然已為了例示目的公開了本發明的示例性實施例，但是本領域技術人員將會理解，在不脫離如所附權利要求中所記載的本發明的范圍和思想的情況下，各種修改、添加和替換是可能的。