生產(chǎn)硬化的結(jié)構(gòu)部件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及生產(chǎn)具有由鋅或鋅合金組成的涂層的硬化鋼元件的方法；將坯從所述用鋅層或鋅合金層涂覆的板沖壓成型，將沖壓成型的坯加熱至≥AC3的溫度并且如果需要保持在這一溫度預(yù)定的一段時(shí)間以便促使奧氏體的形成，并且之后被加熱的坯被轉(zhuǎn)移至成型模具，在所述成型模具中成型并且在所述成型模具中以高于臨界硬化速度的速度冷卻并由此硬化，以延遲轉(zhuǎn)化的方式調(diào)整所述鋼材料以使通過(guò)將奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體的淬火硬化在450℃至700℃的范圍內(nèi)發(fā)生；所述加熱之后和所述成型之前，發(fā)生有效的冷卻，其中所述坯或坯的部分以>15K/s的速度被冷卻。
【專利說(shuō)明】生產(chǎn)硬化的結(jié)構(gòu)部件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生產(chǎn)具有權(quán)利要求1的特征的硬化的、腐蝕保護(hù)的元件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]已知特別是在汽車中使用了由鋼板組成的所謂的壓力硬化元件。由鋼板組成的這些壓力硬化元件是特別用作車身區(qū)域中的安全元件的高強(qiáng)度元件。關(guān)于這一點(diǎn)，這些高強(qiáng)度鋼元件的使用使得可以相對(duì)于正常強(qiáng)度的鋼減少材料密度并且實(shí)現(xiàn)低車身重量。
[0003]在壓力硬化中，對(duì)于制造這樣的元件基本上有兩種可能。它們被分為所謂的直接和間接的方法。
[0004]在直接的方法中，鋼板坯被加熱至比所謂的奧氏體化溫度更高的溫度，并且如果需要的話，保持在這一溫度直到達(dá)到所期望的奧氏體化程度。之后，這一加熱的坯被轉(zhuǎn)移至成型模具并且在這一成型模具中以一步成型工藝成形為成品元件并且在進(jìn)行這一步時(shí)借助于冷卻的成型模具以比臨界硬化速度更高的速度同時(shí)冷卻。這樣產(chǎn)生了硬化的元件。
[0005]在間接的方法中，首先，可能以多步驟成型工藝，將元件成型直到其幾乎完全完成。這一所形成的元件之后同樣加熱至比奧氏體化溫度更高的問題并且如果需要保持在這一溫度一段所期望的、必需的時(shí)間。
[0006]之后將加熱的元件轉(zhuǎn)移并且插入已經(jīng)具有元件尺寸或元件的最終尺寸的成型模具中，如果需要考慮到預(yù)先成型的元件的熱膨脹。在具體的冷卻模具結(jié)束后，預(yù)先成型的元件由此在這一模具中以比臨 界硬化速度更高的速度冷卻并由此被硬化。
[0007]關(guān)于這一點(diǎn)，直接方法某種程度上更容易實(shí)現(xiàn)，但是僅允許實(shí)際上可通過(guò)一步成型工藝生產(chǎn)的形狀，即相對(duì)簡(jiǎn)單的板形。
[0008]間接工藝某種程度上更復(fù)雜，但是同樣能夠產(chǎn)生更復(fù)雜的形狀。
[0009]除了壓力硬化元件的需要，同樣產(chǎn)生了生產(chǎn)這樣的不采用未涂層的鋼板而是提供具有腐蝕保護(hù)層的這些元件的需要。
[0010]在汽車領(lǐng)域，腐蝕保護(hù)層可由相當(dāng)少使用的鋁或鋁合金或明顯更頻繁使用的鋅基涂層組成。關(guān)于這一點(diǎn)，鋅具有不僅提供類似鋁的屏蔽保護(hù)層還提供陰極腐蝕保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。此外，鋅涂層的壓力硬化元件更適于車身的整體腐蝕保護(hù)概念，因?yàn)樵谥圃旒夹g(shù)中，它們通常被整體鍍鋁。就此而言，減少或消除接觸腐蝕是可能的。
[0011]但是兩種方法可包括已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)中討論過(guò)的缺點(diǎn)。在直接的方法即具有鋅涂層的壓力硬化鋼的熱成型中，在材料中出現(xiàn)微裂縫(10 μ m至100 μ m)或者甚至宏觀裂縫；微裂縫出現(xiàn)在涂層中而宏觀裂縫甚至延伸通過(guò)板的整個(gè)橫截面。具有宏觀裂縫的這種元件不適于進(jìn)一步使用。
[0012]在間接的工藝即具有隨后的硬化和保持成型的冷成型中，涂層中的微裂縫也可出現(xiàn)，其同樣是不期望的，但是遠(yuǎn)不是明顯的。
[0013]迄今為止一除了在亞洲生產(chǎn)的一個(gè)元件一鋅涂層的鋼尚未用于直接方法即熱成型中。采用這一方法時(shí)，偏愛使用具有鋁/硅涂層的鋼。[0014]在出版物“Corrosion resistance of different metallic coatings on presshardened steels for automotive”，Arcelor Mittal Maiziere Automotive ProductResearch Center F-57283 Maiziere-Les-Mez中給出了綜述。這一出版物說(shuō)明了對(duì)于熱成型工藝來(lái)說(shuō)，有可以Usibor 1500P的商標(biāo)購(gòu)買到的鋁化的硼鋼/錳鋼。此外，為了陰極腐蝕保護(hù)的目的預(yù)先用鋅涂層的鋼被出售用于熱成型方法，即鍍鋅的Usibor GI，其具有含有小百分比鋁的鋅涂層，和所謂的鍍鋅退火的、涂層的Usibor GA，其具有含有10%鐵的鋅涂層。
[0015]還注意到鋅/鐵相圖表明在782°C以上，只要鐵含量低，尤其是少于60%，就有其中存在液體鋅-鐵相的較大區(qū)域。但是，這同樣是奧氏體化的鋼被熱成型的溫度范圍。還應(yīng)注意到如果成型發(fā)生在高于782°C的溫度，那么存在歸因于假定滲入鋼基晶界中，在鋼基中生成宏觀裂縫的液體鋅的高的應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。而且，以涂層中少于30%的鐵含量，形成沒有宏觀裂縫的安全產(chǎn)品的最大溫度低于782°C。這是為什么直接成型方法不能用于這些鋼而是使用間接成型方法的原因。期望擺脫上文提及的問題。
[0016]擺脫這一問題的另一個(gè)可能性應(yīng)在于使用鍍鋅退火的、涂層的鋼，這是因?yàn)殚_始時(shí)已經(jīng)存在的10%的鐵含量和缺少Fe2Al5屏障層導(dǎo)致出自主要富鐵的相的涂層更均勻的形成。
[0017]“‘STUDY OF CRACKS PROPAGATION INSIDE THE STEEL ON PRESS HARDENED STEELZINC BASED COATINGS’ , Pascal Drillet, Raisa Grigorieva, Gregory Leui11ier, ThomasVietoris, 8th International Conference on Zinc and Zinc Alloy Coated SteelSheet, GALVATECH 2011 -會(huì)議論文，Genova (Italy)，2011”表明間接方法中不能處理鍍鋅的板。
[0018]EP I 439 240 BI已經(jīng)公開將涂層的鋼產(chǎn)品熱成型的方法；所述鋼材料具有鋼材料表面上的鋅或鋅合金涂層并且具有涂層的鋼基材料被加熱至700°C至1000°C的溫度并且被熱成型；在具有鋅或鋅合金涂 層的鋼基材料被加熱之前，涂層具有主要由氧化鋅組成的氧化物層以便避免鋅在加熱期間被蒸發(fā)。為這一目的提供了特殊的工藝順序。
[0019]EP I 642 991 BI已經(jīng)公開了用于熱成型鋼的方法，其中由硼鋼/錳鋼組成的元件被加熱至Ac3點(diǎn)或更高的溫度，被保持在這一溫度并且之后加熱的鋼板被成型為成品元件；在成型期間或成型之后以MS點(diǎn)的冷卻速率至少相當(dāng)于臨界冷卻速度的方式將所成型的元件通過(guò)冷卻淬火并且所成型的元件從MS點(diǎn)至200°C的平均冷卻速度在25°C /s至150。。/s的范圍內(nèi)。
[0020]發(fā)明人的專利EP I 651 789 BI已經(jīng)公開了從鋼板制造硬化元件的方法；根據(jù)這一方法，由連同陰極腐蝕保護(hù)層一起提供的鋼板組成的所成型的部分被冷卻成型并且為了奧氏體化的目的經(jīng)歷熱處理；在所成型的部分的冷卻成型之前、期間或之后，可進(jìn)行所成型的部分的最終修整和穿孔圖案的所需要的沖孔程序或生產(chǎn)并且比最終硬化的元件應(yīng)當(dāng)具有的尺寸小0.5%至2%來(lái)進(jìn)行所述冷卻成型以及元件上的所述穿孔圖案的修整和沖孔和排布；已經(jīng)被冷卻成型用于熱處理的所成型的部分之后至少某些區(qū)域與大氣氧氣接觸加熱至允許鋼材料的奧氏體化的溫度并且所加熱的元件之后被轉(zhuǎn)移至模具，并且在這一模具中進(jìn)行所謂的成型硬化，其中元件經(jīng)由成型硬化模具的對(duì)元件的接觸和加壓(保溫)導(dǎo)致元件被冷卻并且由此硬化，并且陰極腐蝕保護(hù)涂層由主要是鋅以及另外地一種或多種氧族(oxygen-affine )元素的混合物組成。作為結(jié)果，在腐蝕保護(hù)涂層的表面上，加熱期間氧化物表層由氧族元素形式組成，其保護(hù)陰極腐蝕保護(hù)曾，尤其是鋅層。此外，在所述方法中，就元件最終的幾何形狀而言，元件的比例減少考慮到元件的熱膨脹以使得在成型硬化期間既不需要定標(biāo)也不需要成型。
[0021]發(fā)明人的專利WO 2010/109012 Al已經(jīng)公開了用于制造部分硬化的鋼元件的方法，其中由可硬化的鋼片組成的坯經(jīng)歷了足以淬火硬化的溫度升高并且在達(dá)到所期望的溫度之后并且如果需要在所期望的保溫時(shí)間之后，將坯轉(zhuǎn)移至將坯成型為元件的成型模具并同時(shí)淬火硬化或者將坯冷卻成型并且之后從冷卻成型得到的元件經(jīng)歷溫度升高，進(jìn)行溫度升高以便達(dá)到淬火硬化所期望的元件溫度并且之后將元件轉(zhuǎn)移至模具中，其中被加熱的元件被冷卻并且由此淬火硬化；在為了將溫度升高至硬化所需要的溫度而加熱坯或元件期間，在應(yīng)當(dāng)具有較低的硬度和/或較高的延展性的區(qū)域中，放置吸收?qǐng)F(tuán)或者通過(guò)窄縫將這些區(qū)域間隔開；就它們的膨脹和厚度、它們的導(dǎo)熱性以及它們的熱容而言和/或就它們的發(fā)射率而言，吸收?qǐng)F(tuán)是特定尺寸的以使在元件保持延展性的區(qū)域內(nèi)作用在元件上的熱能量通過(guò)元件流入吸收?qǐng)F(tuán)中，以使得這些區(qū)域保持較冷并且特別地未達(dá)到或部分達(dá)到硬化所需要的溫度，使得這些區(qū)域不能硬化或僅被部分硬化。
[0022]DE 10 2005 003 551 Al已經(jīng)公開了用于熱成型和硬化鋼板的方法，其中將鋼板加熱至Ac3點(diǎn)以上的溫度，之后經(jīng)歷冷卻至400°C至600°C范圍內(nèi)的溫度，并且僅在達(dá)到這一溫度范圍后成型。然而，這一參考文獻(xiàn)沒有提及裂縫問題或者涂層并且也沒有描述馬氏體形成。發(fā)明目的在于中間結(jié)構(gòu)所謂貝氏體的形成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]本發(fā)明的目的在于產(chǎn)生用于制造具有腐蝕保護(hù)層的鋼板元件的方法，其中減少或消除裂縫形成并且仍然獲得 足夠的腐蝕保護(hù)。
[0024]采用權(quán)利要求1的特征達(dá)到這一目的。
[0025]在從屬權(quán)利要求中公開了有利的修改。
[0026]歸因于滲入晶界區(qū)域中的鋼的液體鋅的上文描述的裂縫形成作用也已知稱為“液體金屬脆化”或“液體金屬相關(guān)開裂”。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)中采用的歸因于“液體金屬脆化”而即使具有的簡(jiǎn)單的幾何形狀時(shí)也使用間接方法的過(guò)程相反，本發(fā)明通過(guò)使用其中用鋅或鋅合金涂層的坯被加熱、在加熱之后被成型并且被淬火硬化的直接方法而采用了更有利的過(guò)程。
[0028]根據(jù)本發(fā)明所基于的發(fā)現(xiàn)，在成型階段必須使盡可能少熔化的鋅與奧氏體接觸，即引入應(yīng)力。因此，根據(jù)本發(fā)明，必須在低于鐵/鋅系統(tǒng)的轉(zhuǎn)熔溫度(熔化的，鐵素體，Y相)進(jìn)行所述成型。為了在這一情況下仍舊可以確保淬火硬化，調(diào)整作為錳/硼鋼(22° MnB5)的傳統(tǒng)組分的一部分的鋼合金的組成以使得在這么做時(shí)通過(guò)延遲將奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體的方式進(jìn)行淬火硬化，奧氏體甚至在780°C或更低的以下較低的溫度存在以使得通過(guò)成型將機(jī)械應(yīng)力引入與奧氏體接觸的鋼并且熔化的鋅將導(dǎo)致“液體金屬脆化”時(shí)，不存在液體鋅相或存在非常少的液體鋅相。因此，通過(guò)根據(jù)合金元素調(diào)整的硼/錳鋼的方式，其在獲得足夠的淬火硬化而沒有過(guò)量或損害性裂縫形成的風(fēng)險(xiǎn)上獲得成功。
[0029]特別地，采用空氣噴嘴進(jìn)行冷卻，空氣噴嘴的吹風(fēng)可通過(guò)高溫計(jì)來(lái)控制，其在例如加壓器和熔爐之外以與相應(yīng)的噴嘴相同的方式以單獨(dú)件裝置提供。在這一情況下適合冷卻的不限于空氣噴嘴；使用將坯對(duì)應(yīng)放置在其上以使坯位于其冷區(qū)上并且例如通過(guò)加壓或抽吸的方式開始導(dǎo)熱接觸的冷卻桌也是可能的。
[0030]也可以想到使用冷壓器，其中展開的坯據(jù)信允許所述冷壓器幾何形狀簡(jiǎn)單并且有利，坯在其中被冷卻的模具的區(qū)被相應(yīng)地液體冷卻。被整體加熱的坯隨后在相應(yīng)的設(shè)備中被整體冷卻；整體冷卻可通過(guò)上文描述的桌的方式和通過(guò)中間加壓的方式以及同樣通過(guò)簡(jiǎn)單的噴霧、吹風(fēng)或浸沒的方式來(lái)提供。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]下文將結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。
[0032]圖1:顯示熔爐和成型程序之間冷卻中的時(shí)間/溫度曲線；
[0033]圖2:顯示鋅/鐵相圖；
[0034]圖3:顯不具有或沒有中間冷卻時(shí),對(duì)樣本的表面的拋光的橫截面的描述； [0035]圖4:是具有對(duì)冷卻曲線的簡(jiǎn)單描述的時(shí)間溫度轉(zhuǎn)化相圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]根據(jù)本發(fā)明，就奧氏體向其他相的轉(zhuǎn)化調(diào)整用作壓力硬化鋼材料的傳統(tǒng)的硼/錳鋼(例如22MnB5)，以使得轉(zhuǎn)化移至較深的區(qū)域并且可以產(chǎn)生馬氏體。
[0037]因此，具有下列的合金組成(所有數(shù)據(jù)以質(zhì)量％計(jì))的鋼適于本發(fā)明:
[0038]C Si Mn P S Al Cr Ti B N [%] [%] [%] [%][%] [%] [%] [%] [%] [%] 0.22 0.19 1.22 0.0066 0.001 0.053 0.26 0.0310.0025 0.0042其余由鐵和不可避免的冶金相關(guān)的雜質(zhì)組成。
[0039]這一類型的鋼，尤其是合金元素硼、錳、碳和任選地鉻，并且鑰被用作轉(zhuǎn)化抑制劑。
[0040]具有下列的合金組成(所有數(shù)據(jù)以質(zhì)量％計(jì))的鋼也適于本發(fā)明:
[0041]碳(C)0.08-0.6
錳(Mn)0.8-3.0
鋁(Al)0.01-0.07
硅(Si)0.01-0.5
鉻(Cr)0.02-0.6
鈦(Ti)0.01-0.08
氮(N)<0.02
硼(B)0.002-0.02
磷(P)< 0.01
硫(S)< 0.01
鉬(Mo)< I
[0042]其余由鐵和不可避免的冶金相關(guān)的雜質(zhì)組成。
[0043]具有下列組成的鋼已經(jīng)被證明是特別適用的(所有數(shù)據(jù)以質(zhì)量％計(jì)):
[0044]
碳(C)0.08-0.30
錳(Mn)1.00-3.00
鋁(Al)0.03-0.06
硅(Si)0.01-0.20
鉻(Cr)0.02-0.3
鈦(Ti)0.03-0.04
氮(N)< 0.007
硼(B)0.002-0.006
磷(P)<0.01
硫(S)<0.01
鉬(Mo)< I
[0045]其余由鐵和不可避免的冶金相關(guān)的雜質(zhì)組成。
[0046]調(diào)整作為轉(zhuǎn)化抑制劑起作用的合金元素以可靠地實(shí)現(xiàn)淬火硬化，即以甚至在
780°C以下以高于臨界硬化速度的冷卻速度迅速冷卻。這意味著在這樣的情況下是在鋅/
鐵系統(tǒng)的轉(zhuǎn)熔點(diǎn)之下進(jìn)行工作的，即僅在轉(zhuǎn)熔點(diǎn)以下施加機(jī)械應(yīng)力。這同樣意味著在施加
機(jī)械應(yīng)力時(shí)，可與奧氏體接觸的液體鋅相不再存在。[0047]此外，在加熱坯之后，可根據(jù)本發(fā)明提供在轉(zhuǎn)熔點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)的保持相以使得在進(jìn)行隨后的成型程序之前加速并且提高鋅涂層的凝固。
[0048]圖1顯示奧氏體化鋼板有利的溫度曲線；清楚的是加熱至高于奧氏體化溫度的溫度之后，在冷卻設(shè)備中經(jīng)過(guò)相當(dāng)量的時(shí)間已經(jīng)達(dá)到了一定量的冷卻。這之后是迅速的中間冷卻步驟。采用至少15K/s，優(yōu)選至少30K/s，甚至更優(yōu)選至少50K/s的冷卻速度進(jìn)行中間冷卻步驟。之后將坯轉(zhuǎn)移至加壓器并且進(jìn)行成型和硬化。
[0049]圖3顯示裂縫形成上的差異。沒有中間冷卻時(shí)，形成延伸至鋼材料中的裂縫；具有中間冷卻時(shí)，僅在涂層中存在表面裂縫；然而這些不是關(guān)鍵的。
[0050]對(duì)于本發(fā)明，可靠地獲得用于用鋅或鋅合金涂覆的鋼板的便宜的熱成型方法因此是可能的，其一方面導(dǎo)致淬火硬化而另一方面減少或消除導(dǎo)致元件損傷的微裂縫和宏觀裂縫形成。
【權(quán)利要求】
1.一種生產(chǎn)具有由鋅或鋅合金組成的涂層的硬化鋼元件的方法；將坯從所述用鋅層或鋅合金層涂覆的板沖壓成型，將沖壓成型的坯加熱至> AC3的溫度并且如果需要保持在這一溫度預(yù)定的一段時(shí)間以便促使奧氏體的形成，并且之后被加熱的坯被轉(zhuǎn)移至成型模具，在所述成型模具中成型并且在所述成型模具中以高于臨界硬化速度的速度冷卻并由此硬化， 其特征在于， 以延遲轉(zhuǎn)化的方式調(diào)整所述鋼材料以使通過(guò)將奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體的淬火硬化在450°C至700°C的范圍內(nèi)；所述加熱之后和所述成型之前，發(fā)生有效的冷卻，其中所述坯或坯的部分以>15K/s的速度被冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鋼材料含有元素硼、錳、碳以及任選地作為轉(zhuǎn)化抑制劑的鉻和鑰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用具有下列組成的鋼材料(所有數(shù)據(jù)以質(zhì)量％計(jì)):
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用具有下列組成的鋼材料(所有數(shù)據(jù)以質(zhì)量％計(jì)):碳(C)0.08-0.30錳(Mn)1.00-3.00鋁(Al)0.03-0.06硅(Si)0.01-0.20
鉻(Cr)0.02-0.3鈦(Ti)0.03-0.04 氮(N)< 0.007(B)0.002-0.006 磷(P)< 0.01 硫(S)< 0.01 鉬(Mo)< I 其余由鐵和不可避免的冶金相關(guān)的雜質(zhì)組成。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，將所述坯在熔爐中加熱至>Ac3的溫度并保持在這一溫度一段預(yù)定時(shí)間，并且之后使得所述坯冷卻至500°C至600°C之間的溫度以便獲得所述鋅層的凝固，并且之后被轉(zhuǎn)移至所述成型模具并且在其中成型。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，進(jìn)行所述有效冷卻以使所述冷卻速度為>30K/s。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，進(jìn)行所述有效冷卻以使所述冷卻以大于50K/s發(fā)生。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，進(jìn)行所述有效冷卻通過(guò)用空氣或者氣體吹風(fēng)、用水或其他冷卻液體噴霧、浸沒在水或其他冷卻液體中的方式產(chǎn)生，或者所述有效冷卻通過(guò)將較冷的固體元件靠著所述坯放置的方式產(chǎn)生。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述冷卻工藝和/或?qū)囟戎糜谒龀尚湍＞邇?nèi)通過(guò)感應(yīng)器，特別地高溫計(jì)，的方式來(lái)監(jiān)測(cè)，并且所述冷卻因此是受控的。
【文檔編號(hào)】C23C2/06GK103547686SQ201180068492
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2010年12月24日
【發(fā)明者】安德烈亞斯·佐默, 哈拉爾德·施溫哈默, 西格弗里德·克倫貝格爾, 托馬斯·庫(kù)爾茨, 馬丁·羅斯納 申請(qǐng)人:沃斯特阿爾派因鋼鐵有限責(zé)任公司