專利名稱：用于加壓硬化鋼的快速感應(yīng)加熱的預(yù)擴(kuò)散Al-Si涂層的制作方法
用于加壓硬化鋼的快速感應(yīng)加熱的預(yù)擴(kuò)散Al-Si涂層
本申請要求2011年8月12日提交的美國臨時(shí)申請61/522887的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及制備預(yù)涂覆的加壓硬化鋼(press-hardened steel)的方法,并更具體地涉及，具有鐵基基材的涂層的預(yù)擴(kuò)散(pre-diffusing)或與預(yù)合金化(pre-alloying),以使緊接在熱壓成型之前能快速加熱坯體(blank)。用于汽車制造的鋼及相關(guān)結(jié)構(gòu)材料越來越需要同時(shí)具有降低的重量和改善的抗撞性(crash-worthiness)性能。一種生產(chǎn)能夠最大化這些迄今是相互沖突的目標(biāo)的鋼材的方法是，使用高強(qiáng)度的加壓硬化鋼，其中構(gòu)件的成型和硬化操作在同一步驟中進(jìn)行。該方法可得到所需的性能，例如提供具有顯著增加的強(qiáng)度重量比的結(jié)構(gòu)鋼部件。在加壓硬化時(shí)，鋼帶、卷(roll)、剪切件(cut pieces)、還料或相關(guān)的工件被加熱至奧氏體化溫度,然后成型為最終(或近最終)形狀，同時(shí)被冷卻成最終馬氏體顯微組織。用于加壓硬化鋼的電流加熱方法包括使用隧道式(輻射管)爐或立式箱型(電或輻射管)爐。在一種形式中，鋼材工件可預(yù)涂覆，其中涂層例如鋁基的涂層可用于為下面的鋼材工件提供保護(hù)層。這種涂層的使用使得更簡化的生產(chǎn)工藝成為可能，這是因?yàn)橛捎谙搜趸?scale)形成，從而不再需要惰性爐氣氛和成型后的清理作業(yè)。此外，這種涂層改善了下面鐵基工件的腐蝕抑制(barrier corrosion)性能。這種涂層的一種具體形式為招硅合金(Al-Si)，當(dāng)置于鐵基基材上并施加高溫時(shí)，其允許鐵從基材擴(kuò)散到涂層中。不幸的是，在傳統(tǒng)的加壓硬化中的奧氏體化步驟中采用的緩慢加熱速度，需要很大的爐容量和巨大的生產(chǎn)車間面積。此外，快速將鋼坯加熱至用于加壓硬化的相對高溫(通常超過880°C)的能力，被認(rèn)為與低熔點(diǎn)涂層(其中，例如對于純鋁為大約660°C，或?qū)τ贏l-Si共晶為大約577°C )優(yōu)選的緩慢加熱速度是不相容的，后者用于促進(jìn)鐵擴(kuò)散進(jìn)入涂層中作為避免有害的涂層局部融化的方式。同樣，大體積汽車生產(chǎn)和相關(guān)的高強(qiáng)度重量比構(gòu)件所需要的加壓硬化中的 坯體奧氏體化步驟期間的高加熱速度將破壞用于提供對鐵基基材的保護(hù)的涂層。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了制備可加壓硬化鋼構(gòu)件的方法。該方法包括:通過將保護(hù)涂層結(jié)合至鋼基材來形成涂覆的鋼坯；在第一條件下加熱所述涂覆鋼坯以使至少一部分基材中存在的鐵擴(kuò)散進(jìn)入所述涂層中，此后在第二條件下加熱所述涂覆鋼坯，所述第二條件經(jīng)設(shè)計(jì)以使所述涂覆鋼坯升溫至奧氏體化溫度，以及將所述涂覆鋼坯成型為構(gòu)件，同時(shí)在該過程中將其冷卻或淬火，形成為硬化構(gòu)件。在本發(fā)明中，第一和第二條件總體上對應(yīng)于特定的加熱參數(shù)，和尤其加熱速度和溫度。這樣，有效的加熱速度可由加熱設(shè)備的性質(zhì)(例如，感應(yīng)，爐，激光或相關(guān)配置)以及控制溫度來確定，從而建立適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合以避免涂層的熔化和破壞。例如，相應(yīng)于第二條件的典型較慢加熱速度的爐加熱方法，可使工件經(jīng)歷至少2-3分鐘達(dá)到大約900°C的溫度，其平均加熱速度為大約5°C /s至大約8°C /s(其中從約室溫開始的初始加熱速度趨于更快，例如為大約20°C /s，這是由于熱量所帶來的滯后作用)。在本發(fā)明中，平均加熱速度考慮了可在過渡期期間發(fā)生的加熱速度的變化；由此，它代表了與特定加熱方法相關(guān)的標(biāo)稱值，例如基于爐，基于感應(yīng)等的加熱方法。相對而言，本發(fā)明相應(yīng)于第二條件的加熱方法包括更高得多的加熱速度(例如，在大約50°C /s和優(yōu)選更高，例如高達(dá)大約500°C /s(或更高)之間)，同時(shí)輸入功率設(shè)定將決定奧氏體化的最高溫度。優(yōu)選地，該第二條件的加熱方法通過使用基于感應(yīng)的方法實(shí)現(xiàn)。因此在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施形式中，第一條件(其優(yōu)選對應(yīng)于涂覆鋼坯的預(yù)擴(kuò)散)的爐加熱方法可使用不同溫度和時(shí)間，以使涂層充分的預(yù)擴(kuò)散。在另一優(yōu)選的實(shí)施形式中，與第一條件相關(guān)的感應(yīng)加熱方法可在一個(gè)或多個(gè)步驟中使用不同的輸入功率設(shè)定，以在給定的高加熱速度下控制溫度來充分預(yù)擴(kuò)散涂層。其他方法例如激光或電阻加熱也可使用類似方法來提供充分的涂層預(yù)擴(kuò)散。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了由鐵基基材制成的坯體制備可加壓硬化鋼構(gòu)件的方法，該鐵基基材已經(jīng)至少部分預(yù)擴(kuò)散進(jìn)入保護(hù)涂層中。該方法包括在一定加熱速度下加熱坯體，直至坯體達(dá)到奧氏體化溫度。此后，該坯體成型為構(gòu)件，同時(shí)將其冷卻成為硬化構(gòu)件。值得注意的是，為了達(dá)到奧氏體化溫度而施加于該坯體的高加熱速度是足夠大的，使得如果其被施加于尚未預(yù)擴(kuò)散的坯體時(shí)，將導(dǎo)致保護(hù)涂層的至少部分熔化(例如前述的局部熔化)。與先前的方面相同，作為以優(yōu)選的、可控的方式向涂覆坯體施加熱能的方法，可以調(diào)節(jié)加熱速度和溫度中之一或兩者。在本發(fā)明中，高加熱速度是明顯高于前述的加熱速度。例如，作為加熱坯體至奧氏體化溫度(其用于隨后的加壓硬化操作)的方法，該高加熱速度可在大約50°C /s-500°C /s之間。盡管本發(fā)明人已經(jīng)驗(yàn)證了加熱速度僅高至500°C /s，但能夠相信的是，高至700°C /s的速度在本方法中也是可行的；由此，在充分的事先預(yù)擴(kuò)散的情況下，即使更高的加熱速度也應(yīng)認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，公開了制備可加壓硬化鋼構(gòu)件的方法。該方法包括在第一條件下加熱包含結(jié)合至鋼基材的保護(hù)涂層的工件，以使至少一部分存在于所述基材中的鐵擴(kuò)散進(jìn)入所述涂層；在足以使所述 工件升溫至奧氏體化溫度的第二條件下加熱所述工件，該奧氏體化溫度對應(yīng)于這樣的加熱速度，該加熱速度使得源自所述第一條件的所述擴(kuò)散避免了在所述第二條件過程中對所述保護(hù)涂層的熔融-相關(guān)的破壞；以及將所述工件成型為所述構(gòu)件。該方法另外可包括冷卻該構(gòu)件至低于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的溫度，并更具體以超過所述馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度的冷卻速度冷卻。本發(fā)明的涉及如下方面:
1、制備可加壓硬化鋼構(gòu)件的方法，所述方法包括:
通過將保護(hù)涂層結(jié)合到鋼基材來形成涂覆的鋼坯；
在第一條件下加熱所述涂覆鋼坯以使至少一部分存在于所述基材中的鐵擴(kuò)散進(jìn)入所述涂層中；
然后在第二條件下加熱所述涂覆鋼坯，所述第二條件經(jīng)設(shè)計(jì)以使所述涂覆鋼坯升溫至奧氏體化溫度；以及
將所述涂覆鋼坯成型為所述構(gòu)件，并基本上同時(shí)冷卻所述涂覆鋼坯。
2、方面I所述的方法，其中所述第二條件對應(yīng)于高于所述第一條件的溫度的溫度。
3、方面I所述的方法，其中所述第二條件對應(yīng)于高于所述第一條件的加熱速度的加熱速度。
4、方面I所述的方法，其中所述第二條件通過感應(yīng)加熱實(shí)現(xiàn)。
5、方面3所述的方法，其中所述第二條件對應(yīng)于達(dá)到大約500°C/s的加熱速度。
6、方面I所述的方法，其中所述保護(hù)涂層含有鋁。
7、方面6所述的方法，其中所述保護(hù)涂層為鋁硅。
8、方面6所述的方法，其中所述第一條件導(dǎo)致，當(dāng)所述擴(kuò)散通過爐加熱實(shí)施時(shí)，所述保護(hù)涂層中的溫度不超過大約950°C的溫度，且加熱速度等于或低于20°C /s，或當(dāng)所述擴(kuò)散通過感應(yīng)加熱實(shí)施時(shí)，所述保護(hù)涂層中的溫度不超過大約577°C的初始溫度，且初始加熱速度高于大約25°C /s。
9、方面I所述的方法，其中所述奧氏體化溫度為至少大約880°C。
10、方面I所述的方法，進(jìn)一步包括在成型模具中保持所述成型構(gòu)件，直至對所述構(gòu)件完成充分冷卻。
11、方面10所述的方法，其中冷卻是達(dá)到低于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的溫度。
12、方面10所述的方法，其中與所述冷卻相關(guān)的冷卻速度超過馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度。
13、方面1所述的方法，其中至少一部分在所述第一條件下的所述加熱是通過感應(yīng)加熱、電阻加熱、激光加熱和爐加熱。
14、方面I所述的方法，其中所述構(gòu)件為汽車構(gòu)件。
15、由已經(jīng)至少部分預(yù)擴(kuò)散進(jìn)入保護(hù)涂層中的鐵基基材構(gòu)成的坯體制造可加壓硬化鋼構(gòu)件的方法，所述方法包括:
在高加熱速度下加熱所述坯體，直至所述坯體達(dá)到奧氏體化溫度；
將所述坯體成型為所述構(gòu)件，并基本上同時(shí)將所述坯體由所述奧氏體化溫度冷卻；以
及
在模具中冷卻所述成型構(gòu)件至少一部分實(shí)現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變所需的時(shí)間。
16、方面15所述的方法，其中所述鐵基基材包含鋼，和所述保護(hù)涂層選自鋁基涂層或招娃涂層。
17、方面16所述的方法，其中所述高加熱速度高于大約50°C/s，且達(dá)到大約500°C /s。
18、方面15所述的方法，其中至少部分所述加熱是通過感應(yīng)。
19、制備可加壓硬化鋼構(gòu)件的方法，所述方法包括:
在第一條件下加熱包含結(jié)合至鋼基材的保護(hù)涂層的工件，以使至少一部分存在于所述基材中的鐵擴(kuò)散進(jìn)入所述涂層；
在足以使所述工件升溫至奧氏體化溫度的第二條件下加熱所述工件，該奧氏體化溫度對應(yīng)于這樣的加熱速度，該加熱速度使得源自所述第一條件的所述擴(kuò)散避免了在所述第二條件過程中對所述保護(hù)涂層的熔融-相關(guān)的破壞；以及將所述工件成型為所述構(gòu)件。
20、方面19所述的方法，進(jìn)一步包括將所述構(gòu)件冷卻至低于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的溫度。


當(dāng)結(jié)合附圖時(shí)，可使下文中，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)說明得到最好的理解，其中類似結(jié)構(gòu)使用類似附圖標(biāo)記表示，其中:
圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面制造的代表性汽車A-柱(pillar)；
圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面制造的代表性汽車B-柱；
圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的示意圖，圖示了通過爐加熱(左邊)實(shí)現(xiàn)預(yù)擴(kuò)散與通過感應(yīng)實(shí)現(xiàn)奧氏體化加熱(右邊)相結(jié)合的方式；
圖4為根據(jù)本發(fā)明另一方面的示意圖，圖示了作為獲得基于感應(yīng)器的的預(yù)擴(kuò)散(左邊)以及奧氏體化加熱(右邊)的方式，感應(yīng)器功率輸入與時(shí)間的關(guān)系；
圖5圖示了現(xiàn)有技術(shù)使用的爐加熱Al-Si涂覆的鐵基基材坯體的通常方式，其中未使用預(yù)擴(kuò)散；
圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的第一方式，其能夠在緊鄰熱壓成形之前高速加熱預(yù)擴(kuò)散或預(yù)合金化的鐵基基材坯體；
圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的第二方式，其能夠在緊鄰熱壓成形之前高速加熱預(yù)擴(kuò)散或預(yù)合金化的鐵基基材坯體；
圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的第三方式，其能夠在緊鄰熱壓成形之前高速加熱預(yù)擴(kuò)散或預(yù)合金化的鐵基基材坯體；
圖9圖示了一個(gè)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的Al-Si涂覆鋼工件的實(shí)施例，其不能以高速度加熱； 圖10圖示了一個(gè)圖9涂層的實(shí)施例，其在加熱之前沒有充分的預(yù)擴(kuò)散；
圖1lA和IlB圖示了圖10涂層嚴(yán) 重熔化和起泡(beading)的證據(jù)；
圖12A、13A和14A圖示了本發(fā)明的預(yù)擴(kuò)散涂層條件的代表性實(shí)施例，其能夠隨后以高速度加熱；
圖12B、13B和14B圖示了圖12A、13A和14A各自隨后高速加熱后的涂層；以及圖12C、13C和14C圖示了圖12B、13B和14B各自涂層的代表性成分圖；以及圖15A-15C圖示了本發(fā)明其他代表性的充分預(yù)擴(kuò)散涂層及隨后在高速度下加熱的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式首先參照圖1和2，圖示了汽車結(jié)構(gòu)構(gòu)件，例如A-柱10 (圖1)和B-柱20 (圖2)，它們可由預(yù)擴(kuò)散進(jìn)入Al-Si保護(hù)涂層的鋼坯或相關(guān)工件制得。所述領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，通過本發(fā)明也可生產(chǎn)大量的其他構(gòu)件，這些其他構(gòu)件也應(yīng)視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。如前所述，在加壓硬化鋼上使用這種涂層相對于未涂覆鋼具有許多的優(yōu)點(diǎn)。除了能夠作為屏障涂層提供耐腐蝕益處的額外措施外，還能夠省略熱壓成型后從模具表面和部件上除去氧化皮的隨后清理作業(yè)。另外，得到的最終部件的尺寸性能可保持在更小的標(biāo)稱公差之內(nèi)。此夕卜，具有預(yù)涂層基材的加壓硬化鋼逐漸增多的使用結(jié)合高速感應(yīng)加熱工藝能夠降低新建爐的成本開支；這反過來能夠更快速的周轉(zhuǎn)，從而滿足加壓硬化鋼需求上的變化。感應(yīng)加熱坯體也可通過減少燃燒氣體的使用或提高電效率(在電爐仍被使用的情況下)提供更低的運(yùn)行成本。接下來參照圖3和4，其圖示了根據(jù)本發(fā)明的兩種方法，其中加壓硬化鋼的加熱用于實(shí)現(xiàn)鋼基材與保護(hù)涂層之間的預(yù)擴(kuò)散，以及實(shí)現(xiàn)必須的顯微組織轉(zhuǎn)變，該顯微組織轉(zhuǎn)變之后是隨后的在加壓硬化以形成部件(例如前述的A-柱10和B-柱20)的過程中的高速加熱。這樣，這兩種方法形成了整個(gè)加壓硬化作業(yè)的一部分(下面將詳細(xì)論述)。在圖3所述的第一種方法100中，爐加熱工藝或傳統(tǒng)的鍍鋅層擴(kuò)散處理(galvannealing)型低功率加熱可用于確立所需的工件、坯體等的預(yù)擴(kuò)散步驟110。這之后為部件制造時(shí)的更高加熱功率的奧氏體化步驟120。在優(yōu)選實(shí)施方式中，該加熱通過加熱裝置實(shí)現(xiàn)，而在更特別的實(shí)施方式中，該加熱裝置為基于感應(yīng)的裝置?；诟袘?yīng)的方法特別適合于在鋼鐵生產(chǎn)設(shè)施中以類似于傳統(tǒng)鍍鋅層擴(kuò)散處理加工的方式在線生產(chǎn)。如所示，可以允許坯體的溫度回到介于預(yù)擴(kuò)散步驟110和奧氏體化步驟120之間的較低(例如，環(huán)境)溫度。這種方法可用于下面的情況:其中在加壓硬化之前的一段時(shí)期(例如，在生產(chǎn)線外工序(offline process)中)內(nèi)實(shí)施預(yù)擴(kuò)散。在圖4所示的第二種方法200中，在坯體加熱過程中施加脈沖加熱以將低功率脈沖(或具有增加的(increasing)輸入功率的多脈沖)傳輸用于預(yù)擴(kuò)散步驟210 ；隨后進(jìn)行高功率加熱用于整個(gè)坯體加熱和進(jìn)行奧氏體化步驟220。如清晰示出的，第一步驟210可由多個(gè)對應(yīng)于不同功率輸出水平(和伴隨的加熱速度、溫度或兩者)的子步驟構(gòu)成。該子步驟方法可用于控制加熱速度和溫度作為避免涂層熔化的方法，包括在工件的隨后奧氏體化之前返回較低或環(huán)境溫度的過程。與方法100相同，方法200的高功率部分可使用高效率加熱規(guī)程，例如感應(yīng)加熱。由于有可能使用相同的感應(yīng)設(shè)備實(shí)施第一(預(yù)擴(kuò)散)和第二(奧氏體化)條件，因此沒有中間的返回環(huán)境(或相對低的溫度)條件是可能的，如圖3所示。然而即使在在兩種條件都使用相同感應(yīng)設(shè)備的配置中，該工藝可選擇包括這種返回(未示出)；此外，該返回可在任何步驟過程中，以及在第一和第二條件之間應(yīng)用。感應(yīng)加熱是通過利用由交變磁場在鋼中感應(yīng)產(chǎn)生的潤流和滯后損耗(hysteresislosses)常用于鋼材的表面硬化、整體硬化和回火中的技術(shù)。感應(yīng)加熱的兩個(gè)基本機(jī)理包括通過焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的能量耗散和伴隨磁滯產(chǎn)生的能量損失，其中第一種機(jī)理是碳鋼加熱的主要方式。通常，通過使部件與高頻交流電流通過的感應(yīng)線圈耦合，從而以第一種機(jī)理加熱鋼材。線圈周圍產(chǎn)生的電磁場在試樣表面層感應(yīng)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致通過焦耳效應(yīng)其被加熱:
H = I2R
其中H為每單位時(shí)間的熱量，I為感應(yīng)電流，R為電阻。工件與感應(yīng)線圈之間無接觸，且施加的熱量被限制在與線圈鄰近的局部區(qū)域。第二種機(jī)理涉及在低于它們的居里溫度下加熱鐵磁性鋼材。當(dāng)磁偶極子被交流頻率逆轉(zhuǎn)時(shí)，誘發(fā)分子摩擦，導(dǎo)致一定的滯后量。逆轉(zhuǎn)偶極子所需的能量作為熱耗散，隨后加熱工件。產(chǎn)生的熱量因此與逆轉(zhuǎn)的速度(the rate ofreversal)或交流電的頻率成比例。當(dāng)達(dá)到居里溫度時(shí)，該機(jī)理將不再起加熱工件的作用。通常，第二種機(jī)理對感應(yīng)加熱的貢獻(xiàn)不如上述焦耳效應(yīng)的貢獻(xiàn)那樣多。所述領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，感應(yīng)加熱可用于多個(gè)預(yù)擴(kuò)散步驟110、210以及奧氏體化步驟120和220，分別如圖3和4所示。例如預(yù) 擴(kuò)散步驟110可在應(yīng)用鍍鋅層擴(kuò)散處理型工藝處原位引入感應(yīng)。除感應(yīng)加熱之外，電阻加熱、激光加熱或傳統(tǒng)的爐加熱也可用于間歇法(當(dāng)工件為不連續(xù)坯體時(shí))或連續(xù)法(當(dāng)工件為連續(xù)卷形式時(shí))，以實(shí)現(xiàn)圖3和4所需的預(yù)擴(kuò)散步驟110、210。無論使用這些方法的哪種，其共同的特點(diǎn)是預(yù)擴(kuò)散保護(hù)涂層(例如Al-Si涂層)，使得在緊鄰熱壓成形之前的奧氏體化步驟120、220可使用高速度加熱，而沒有破壞涂層的風(fēng)險(xiǎn)。如前所述，對于坯體或工件加熱的第二部分，使用高速度加熱方法是有益的，并且已經(jīng)證實(shí)感應(yīng)加熱對此特別有用，因?yàn)槠淇衫贸^傳統(tǒng)已知爐加熱的加熱速度的加熱速度。
接下來參照圖5，圖示了表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)加壓硬化方法300的步驟的流程圖。其中，首先制成涂覆Al-Si的鐵基基材坯體310，然后進(jìn)行爐加熱320至奧氏體化溫度。此后進(jìn)行熱壓成形330，然后對制得的構(gòu)件實(shí)施修整(trimming) 340和任選的清理350，此后將其發(fā)送進(jìn)行隨后的組裝360。接下來參照圖6-8，圖示了顯示本發(fā)明各種實(shí)施方式的步驟的流程圖。不同于圖5的傳統(tǒng)加壓硬化方法300，圖6-8所示的方法圖示出了使用加熱(在此也稱為“第一加熱條件”，或更簡單“第一條件”)作為在奧氏體化(在此也稱為“第二加熱條件”，或更簡單“第二條件”)和熱成形之前實(shí)現(xiàn)鐵從基材擴(kuò)散進(jìn)入保護(hù)涂層的方法。如前所述，通過使部分鐵從工件預(yù)擴(kuò)散進(jìn)入Al-Si (或相關(guān))涂層，涂層的熔點(diǎn)升高，使其能夠更適合于奧氏體化加熱段或其他第二條件的高加熱速度，否則這可能會引起涂層的熔化或相關(guān)的破壞。這反過來可用于提高整個(gè)加熱過程的速度，因此最小化所需的爐容量及相應(yīng)的生產(chǎn)車間面積。具體參見圖6，在一種實(shí)施形式中，在線加熱工藝100可這樣使用，使Al-Si涂層的涂覆(例如，通過熱浸，在之后立即進(jìn)行鋼帶加熱)可以引入在鋼鐵廠的構(gòu)件成型作業(yè)中。通過實(shí)施例，與傳統(tǒng)Zn-Fe合金化以制備的鍍鋅層擴(kuò)散處理的鋼一樣，在類似于圖3所示的預(yù)擴(kuò)散步驟HO中，鋼帶在第一條件下連續(xù)通過一系列的感應(yīng)線圈以加熱鋼帶。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施形式中，Al-Si或相關(guān)涂層暴露于第一條件的的溫度保持低于其熔點(diǎn)以避免嚴(yán)重的熔化、起泡或涂層完整性的缺失。在預(yù)擴(kuò)散步驟110中的在線加熱之后，工件成坯115，然后進(jìn)行奧氏體化步驟120，后一步驟類似于圖3所示的奧氏體化步驟。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施形式中，后一步驟通過感應(yīng)加熱至在第二條件下足夠的溫度，以確保坯料奧氏體化。此后，進(jìn)行熱壓成型130，然后在送去組裝150之前進(jìn)行修整140。明顯地，不再需要單獨(dú)的清理步驟，這是因?yàn)闊釅撼尚湍＞弑砻鏆埩舻难趸せ旧媳幌?。具體參照圖7，在圖4所示的加熱方法的基礎(chǔ)上，方法200圖示出了另外的步驟，其中可在成坯205后進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散步驟210。在這種實(shí)施形式中，包含尚未進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散的涂層的工件，可被送入部件制造廠以一種連 續(xù)作業(yè)方式進(jìn)行隨后的預(yù)擴(kuò)散、奧氏體化和熱壓成型。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施形式中，預(yù)擴(kuò)散210和奧氏體化220步驟利用可控的加熱設(shè)備，例如利用感應(yīng)加熱的設(shè)備，以有效地預(yù)擴(kuò)散涂層，從而防止在后序的奧氏體化220和熱壓成型230之前發(fā)生熔化。在一種具體的實(shí)施形式中，奧氏體化在大約880°C或更高的溫度下進(jìn)行。與圖6所示的方法100相同，圖7的方法200包括(除前述的熱壓成型230之外)修整240和組裝250步驟。具體參照圖8，如前所述，可以采用用于彌補(bǔ)方法400的其他加熱方式。例如，可使用爐加熱，激光加熱等(均作為預(yù)擴(kuò)散步驟410示出)，其中(在爐加熱實(shí)施例中)溫度超過600°C (較慢爐加熱速度)保持最少10分鐘將產(chǎn)生對于后序的高加熱速度來說足夠的擴(kuò)散層。在超過800°C的溫度下，對于足夠預(yù)擴(kuò)散的最小熱處理時(shí)間為2分鐘。因此，其總體而言類似于之前結(jié)合圖3和6(方法100)討論的方法100，在方法100中進(jìn)行了預(yù)擴(kuò)散步驟410。如前所述，避免使用將會使保護(hù)涂層經(jīng)受熔化、起泡或相關(guān)的破壞情況的預(yù)擴(kuò)散溫度是重要的。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到時(shí)間和暴露溫度的結(jié)合應(yīng)當(dāng)這樣應(yīng)用，以使得即使加熱參數(shù)(例如加熱速度或溫度)之一超出，它們的共同使用也可避免熔化相關(guān)的破壞，并且這種時(shí)間和溫度的控制應(yīng)認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。接下來參照圖9、10、IlA和11B，光學(xué)顯微圖像(LOM)圖示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制備的樣品工件1000的涂覆鋼，其中在后序的熱壓成型工藝中，使用了具有共晶熔點(diǎn)大約577°C的Al-Si涂層成分。未進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散處理的涂層，不能在高加熱速度下加熱至通常的奧氏體化溫度(例如，大約880°C -950°C )以與熱壓成型結(jié)合用于加壓硬化鋼應(yīng)用中。LOM顯示，由下向上，為基材層1100和涂層層1200。還示出了安裝的環(huán)氧樹脂(mounting epoxy) 1300,盡管這項(xiàng)最后的特征僅用作用于形成樣品的安裝表面，而不構(gòu)成最終樣品工件1000的一部分。具體參照圖10、11A和11B，圖9的預(yù)擴(kuò)散樣品工件1000通過700°C爐熱處理2分鐘獲得。此后，在Gleebl濟(jì)3500熱力學(xué)模擬器中以500°c /s加熱樣品工件1000至950°C并保持10秒，以模擬待用于熱壓成型工藝中的高速度加熱過程(例如感應(yīng)硬化)。在高速度加熱后，使用20psi的壓縮空氣，以100°C /s-350°c /s的速度將樣品工件1000從950°C冷卻至400°C。盡管所述領(lǐng)域的技術(shù)人員可認(rèn)識到，在實(shí)際熱壓成型作業(yè)中冷卻速度更慢(通常大約60°C /s)，但發(fā)明人進(jìn)行的本模擬不用于量化實(shí)際冷卻速度的效果，而相反是用于確定這種涂層是否可經(jīng)受加熱工藝而不產(chǎn)生明顯的熔化相關(guān)的破壞。如圖1lA中的LOM圖像中所示，基于樣品工件1000表面上的表面外觀和不均勻涂層，表面涂層1200的嚴(yán)重熔化和起泡十分明顯；本發(fā)明人由此得到結(jié)論，這代表了在高速度加熱之前缺少足夠的預(yù)擴(kuò)散。具體參照圖11B，顯示了由IlA后序固化的涂層內(nèi)得到的截面背散射二次電子(BSE)圖像(backscattered secondary electron (BSE) image)。另外，在不期望的柱狀結(jié)構(gòu)的 BSE 中給出了證據(jù)，如交替亮暗區(qū)域1210和1220所示；這種結(jié)構(gòu)代表了不同化學(xué)組成的熔化及再凝固。此外,這種結(jié)構(gòu)伴隨著在涂層1200和基材1100之間界面處的涂層完整性的缺失，如區(qū)域1150所示。本發(fā)明人認(rèn)為這種起泡也將產(chǎn)生由圖1lA代表性截面所示的不均勻涂層。在圖9和10中，Al-Si共晶體系中相的可視證據(jù)可同樣地由本圖中找到，本圖針對下述情況:其中形成了非預(yù)擴(kuò)散(或不充分預(yù)擴(kuò)散)的Al-Si涂層的情況，其中混合的成分將包括冷卻時(shí)最后凝固和在共晶溫度下加熱時(shí)首先熔化的部分的情況；這在圖9中通過明顯呈現(xiàn)的涂層1200顯示(在任何熱處理或預(yù)擴(kuò)散之前)。以另一方式表述，圖9中的涂層1200顯示了 Al-Si共晶體系(其具有577°C的低熔點(diǎn))中固有的相分類(sort of phases)的證據(jù)，這是本發(fā)明人試圖避免的。參照圖12A-12C，圖示了本發(fā)明`預(yù)擴(kuò)散工藝的結(jié)果，其中預(yù)擴(kuò)散參數(shù)包括在600°C下爐加熱10分鐘。具體參照圖12A，圖示了具有預(yù)擴(kuò)散涂層2200的樣品工件2000的代表性LOM截面，其中不同的合金層全部呈現(xiàn)。中間層2150為基材2100和涂層2200之間的第一互擴(kuò)散層(interdiffusion layer),并包含非常高的Fe含量。這樣,該中間層2150構(gòu)成了工件2000層狀結(jié)構(gòu)的一部分。該預(yù)擴(kuò)散處理后，在Gleebl濟(jì)3500熱力學(xué)模擬器中以5000C /s加熱樣品工件2000至950°C并保持10秒以模擬高速度加熱過程，從而可使工件2000隨后在熱成型工藝中成型。高速度加熱后，使用壓縮空氣以之前所述的方式冷卻樣品工件2000。具體參照圖12B，得到的截面BSE圖像示出了涂層2200的相對均勻的成分。該成分的均勻性通過使用具有EDAX Genesis檢測儀和EDAX光譜軟件6.32版的能量色散譜儀(EDS)的半定量分析得到驗(yàn)證，圖12C中以線掃描2400顯示以產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)果。圖12B中的白色掃描線對應(yīng)于圖12C指示的位置和距離。使用軟件的自動定量程序，得到的成分為大約46% Fe, 50% Al和4% Si (可能為Fe2Al5)。沒有觀察到涂層2200中嚴(yán)重熔化或起泡的跡象。與之前一樣，安裝的環(huán)氧樹脂2300也被示出。接下來參照圖13A-13C，圖示了具有充分預(yù)擴(kuò)散工藝參數(shù)的另一樣品工件3000。其中，通過600°C下爐加熱30分鐘進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散。圖13A中特別展示了位于基材3100之上的預(yù)擴(kuò)散涂層3200的代表性LOM截面，其中殘留有非常少量的Al-Si共晶(即，Al-Si 二元體系中的最低熔點(diǎn))，且涂層3200充分合金化以Fe。當(dāng)與圖9和10中采用少量或沒有預(yù)擴(kuò)散的LOM截面中出現(xiàn)的大量Al-Si共晶結(jié)構(gòu)對比時(shí)，共晶的缺乏是十分明顯的。預(yù)擴(kuò)散處理后，在Gleebfe 3500熱力學(xué)模擬器中以500°C /s加熱樣品工件3000至950°C并保持10秒，以模擬用作熱壓成型工藝一部分的高速度加熱過程(例如之前提及的感應(yīng)硬化)。高速度加熱后，使用20psi的壓縮空氣，以100°C /s-350°c /s的速度將樣品工件從950°C冷卻至400°C。在圖13B中，得到的截面BSE圖像示出了相對均勻的涂層成分3210，其中少量區(qū)域由不同的成分3220構(gòu)成。明顯地，涂層3200可經(jīng)受這種處理?xiàng)l件。與圖12A-12C中取樣的樣品相同，該樣品工件3000也通過使用具有EDAX Genesis檢測儀和前述EDAX光譜軟件的的EDS半定量分析以產(chǎn)生線掃描3400 (其通常類似于之前結(jié)合圖12B和12C討論的線掃描2400)來驗(yàn)證，成分結(jié)果如圖13C所示。使用光譜軟件中的自動定量程序，區(qū)域3210中得到的成分為大約46% Fe，50% Al和4% Si (可能為Fe2Al5)，出現(xiàn)在圖12B中顯示顏色更亮的較小區(qū)域3220中的成分為大約61% Fe，26% Al和1% Si。沒有觀察到涂層的嚴(yán)重熔化或起泡的跡象，因?yàn)橥繉釉跈M跨表面的厚度方向是均勻的，具有圖13B中所示的相似的截面外觀。此外，涂層3200顯示沒有圖10中的柱狀結(jié)構(gòu)，因此表示沒有熔化或再凝固。與之前一樣，安裝的環(huán)氧樹脂3300也被示出。接下來參照圖14A和14C，圖示了本發(fā)明人已經(jīng)建立的充分預(yù)擴(kuò)散工藝參數(shù)的證據(jù)，其通過在700°C下爐加熱10分鐘，對又另一樣品工件4000預(yù)擴(kuò)散來進(jìn)行。圖14A中示出了預(yù)擴(kuò)散涂層4200的代表性LOM截面，其中預(yù)擴(kuò)散處理后沒有Al-Si共晶殘留的跡象，表示該涂層充分合金化以下面的基材4100中的Fe。預(yù)擴(kuò)散處理后，如之前結(jié)合工件3000所討論的，在Gleebl濟(jì)3500熱力學(xué)模擬器中以500°C /s加熱樣品工件4000至950°C并保持10秒。作為實(shí)施例，這種高加熱速度處理可包括作為熱壓成型工藝一部分的感應(yīng)硬化。高速度加熱后，使用20磅/平方英寸(PSi)的壓縮空氣，以100°C /s-350°c /s的速度將樣品工件4000從950°C冷卻至400°C。在圖14B中，得到的截面背散射電子圖像示出了三個(gè)值得關(guān)注的具有不同成分的不同區(qū)域(由區(qū)域4150、4250和4270表示)。這通過使用前述的具有包括EDAX Genesis檢測儀和光譜軟件的EDS半定量分析來驗(yàn)證，基于圖14B中的線掃描4400在圖14C中示出 了其結(jié)果，其中線掃描4400與前述的線掃描2400和3400類似。剖面顯示出富鐵互擴(kuò)散層4150向富鋁區(qū)域4250的變化，其中，富鐵互擴(kuò)散層由于涂層4200生長進(jìn)入基材4100，轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域4250，該區(qū)域4250是富鐵的并具有大約46% Fe，50% Al和4% Si (很可能為Fe2Al5的形式)的組成。區(qū)域4270中顏色較亮區(qū)域富含F(xiàn)e和Si，大致組成為61% Fe，26% Al和13% Si?；谕繉拥暮穸壬系木鶆蛐郧覜]有表示熔化或再凝固的柱狀結(jié)構(gòu)，沒有觀察到涂層4200中嚴(yán)重熔化或起泡的跡象。接下來參照圖15A-15C，圖示了對于又再一樣品工件5000分別進(jìn)行了預(yù)擴(kuò)散條件8000C (2和10分鐘)和900°C (2分鐘)和隨后的高速度加熱后得到的背散射電子圖像。其中，顯示出在基材5100和涂層5200界面處形成相對寬的擴(kuò)散層5150 (大約3_4微米厚)，其中基質(zhì)為46% Fe, 50% Al和4% Si (可能為Fe2Al5)，而組成類似61 % Fe, 26% Al和13%Si的富Fe和Si的帶5250也出現(xiàn)。一旦Fe和Si的溶解度在基質(zhì)中超出，依據(jù)預(yù)擴(kuò)散和隨后高速度加熱過程中鐵的富集量，可能形成各種尺寸的Fe和Si析出物(precipitates)。預(yù)擴(kuò)散爐加熱處理?xiàng)l件800°C (2和10分鐘)和900°C (2分鐘)產(chǎn)生與之前類似的的結(jié)果，即基于涂層的厚度上的均勻性且沒有出現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)，沒有觀察到涂層的嚴(yán)重熔化或起泡的跡象。在此，之前的詳細(xì)描述和優(yōu)選實(shí)施方式僅以說明和示例的方式給出；本領(lǐng)域技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明精神的情況下，很容易由它們自身得到另外的各種形式或細(xì)節(jié)。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)被認(rèn)為不僅限于 附屬的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.備可加壓硬化鋼構(gòu)件的方法，所述方法包括: 通過將保護(hù)涂層結(jié)合到鋼基材來形成涂覆的鋼坯； 在第一條件下加熱所述涂覆鋼坯以使至少一部分存在于所述基材中的鐵擴(kuò)散進(jìn)入所述涂層中； 然后在第二條件下加熱所述涂覆鋼坯，所述第二條件經(jīng)設(shè)計(jì)以使所述涂覆鋼坯升溫至奧氏體化溫度；以及 將所述涂覆鋼坯成型為所述構(gòu)件，并基本上同時(shí)冷卻所述涂覆鋼坯。
2.權(quán)利要求1所述的方 法，其中所述第二條件對應(yīng)的溫度高于所述第一條件的溫度。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二條件對應(yīng)的加熱速度高于所述第一條件的加熱速度。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二條件通過感應(yīng)加熱實(shí)現(xiàn)。
5.權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第二條件對應(yīng)的加熱速度達(dá)到大約500°C/S。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述保護(hù)涂層含有鋁。
7.權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一條件導(dǎo)致，當(dāng)所述擴(kuò)散經(jīng)爐腔加熱實(shí)施時(shí)，所述保護(hù)涂層中的溫度不超過大約950°C的溫度，且加熱速度等于或低于20°C /s，或當(dāng)所述擴(kuò)散經(jīng)感應(yīng)加熱實(shí)施時(shí)，所述保護(hù)涂層中的溫度不超過大約577°C的初始溫度，且初始加熱速度高于大約25°C /s。
8.權(quán)利要求1所述的方法，其中至少一部分在所述第一條件下的所述加熱是通過感應(yīng)加熱、電阻加熱、激光加熱和爐加熱。
9.已經(jīng)至少部分預(yù)擴(kuò)散進(jìn)入保護(hù)涂層中的鐵基基材構(gòu)成的坯體制備可加壓硬化鋼構(gòu)件的方法，所述方法包括: 在高加熱速度下加熱所述坯體，直至所述坯體達(dá)到奧氏體化溫度； 將所述坯體成型為所述構(gòu)件，并基本上同時(shí)將所述坯體由所述奧氏體化溫度冷卻；以及 在模具中冷卻所述成型構(gòu)件至少一部分的實(shí)現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變所需的時(shí)間。
10.備可加壓硬化鋼構(gòu)件的方法，所述方法包括: 在第一條件下加熱包含結(jié)合至鋼基材的保護(hù)涂層的工件，以使至少一部分存在于所述基材中的鐵擴(kuò)散進(jìn)入所述涂層； 在足以使所述工件升溫至奧氏體化溫度的第二條件下加熱所述工件，該奧氏體化溫度對應(yīng)于這樣的加熱速度，該加熱速度使得源自所述第一條件的所述擴(kuò)散避免了在所述第二條件過程中對所述保護(hù)涂層的熔融-相關(guān)的破壞；以及將所述工件成型為所述構(gòu)件。
全文摘要
加壓硬化鋼構(gòu)件及其生產(chǎn)方法。在一種實(shí)施形式中，將被成型為構(gòu)件的工件包括涂層，該涂層預(yù)擴(kuò)散以來自工件基材中的金屬。該保護(hù)涂層的實(shí)例可以包括鋁基涂層，以及鋁硅組合。工件的預(yù)擴(kuò)散允許其經(jīng)受隨后的加壓硬化作業(yè)的高加熱速度，而不會導(dǎo)致保護(hù)涂層的局部熔化或蒸發(fā)。
文檔編號C21D1/68GK103088194SQ20121058556
公開日2013年5月8日 申請日期2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者J·J·科里爾, P·J·貝朗格 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司