由涂覆有非金屬涂層的金屬板形成的機(jī)動(dòng)車(chē)部件的制作方法
【專利摘要】機(jī)動(dòng)車(chē)部件(20)通過(guò)在熱沖壓鋼坯(26)之前將非金屬涂層(24)沉積在鋼坯(26)的表面上制造而成。非金屬涂層(24)通常通過(guò)物理氣相沉積施加。非金屬涂層(24)由均具有不同組成的一至三個(gè)層(32)形成。非金屬涂層(24)包括硅和碳中至少之一，并且還可以包括氧、氮、陶瓷復(fù)合物和碳化物。非金屬涂層(24)的總厚度小于300nm?？梢栽诜墙饘偻繉?24)之前向鋼坯施加金屬涂層(30)。非金屬涂層(24)提供了許多優(yōu)點(diǎn)，包括在熱沖壓過(guò)程中減少起氧化皮。
【專利說(shuō)明】由涂覆有非金屬涂層的金屬板形成的機(jī)動(dòng)車(chē)部件
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]該P(yáng)CT專利申請(qǐng)要求2012年5月3日提交的題為“由涂覆有非金屬涂層的金屬板形成的機(jī)動(dòng)車(chē)部件(Automotive Component Formed Of Sheet Metal Coated With ANon-Metallic Coating) ”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列第61/642113號(hào)的權(quán)益,認(rèn)為該申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容是本申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容的一部分，并且在此通過(guò)引用并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及包含熱成型鋼的機(jī)動(dòng)車(chē)部件及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0004]機(jī)動(dòng)車(chē)輛部件經(jīng)常由熱成型鋼坯，例如冷軋或熱軋鋼板制成。這樣的機(jī)動(dòng)車(chē)部件的實(shí)例包括A柱、B柱、D柱、門(mén)梁、保險(xiǎn)杠梁、底框梁(sill)、搖桿、油箱護(hù)板、防滑板、前縱梁、中縱梁、后縱梁、門(mén)框、門(mén)內(nèi)側(cè)加強(qiáng)部件、前管道以及如沿機(jī)動(dòng)車(chē)輛底板的零件的濕區(qū)部件(wet area component)。熱成型過(guò)程在溫度大于700°C下進(jìn)行,并且時(shí)常包括熱沖壓鋼板。熱成型工藝增加鋼板的機(jī)械強(qiáng)度并且可以提高鋼板的其他物理性能。然而，由于在熱成型過(guò)程期間所采用的高溫，在鋼板的表面經(jīng)常發(fā)生形成白色氧化物、起氧化皮(scaling)、腐蝕結(jié)垢或脫碳，這降低了機(jī)械強(qiáng)度并且磨損了在熱成型過(guò)程期間所使用的制造工具。表面的形成白色氧化物、起氧化皮、腐蝕結(jié)垢和脫碳還導(dǎo)致粘附力差并且使得難以給零件的表面涂涂料。盡管熱成型鋼零件可以進(jìn)行噴丸處理以除去白色氧化物、氧化皮和其他表面缺陷，但是噴丸過(guò)程需要大量的能量，并且可以使鋼零件變形以及增加成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種機(jī)動(dòng)車(chē)部件，該機(jī)動(dòng)車(chē)部件包括熱成型鋼零件，以及布置在熱成型鋼零件的表面上的非金屬涂層。該非金屬涂層包含硅和碳中至少之一并且具有不大于300nm的厚度。
[0006]本發(fā)明的另一方面提供了一種形成機(jī)動(dòng)車(chē)部件的方法。該方法包括:提供由鋼材料形成的坯；以及對(duì)坯進(jìn)行熱成型來(lái)提供熱成型零件。該方法還包括在熱成型步驟之前在坯的表面上布置非金屬涂層。該非金屬涂層包含硅和碳中至少之一并且具有不大于300nm的厚度。
[0007]在熱成型過(guò)程期間，非金屬涂層防止或減少鋼坯表面的起氧化皮、結(jié)垢、氧化和脫碳。非金屬涂層還潤(rùn)滑該表面并且從而提高可成形性。與未涂覆的鋼零件或具有不同涂層的零件相比，非金屬涂層還可以具有使得能夠更快速加熱鋼坯的顏色和反射系數(shù)。非金屬涂層還可以提高熱成型零件與施加到零件的涂料或另一材料之間的粘附力。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]因?yàn)榻Y(jié)合附圖考慮時(shí)，通過(guò)參照以下【具體實(shí)施方式】，本發(fā)明變得更好理解，所以可容易地理解本發(fā)明的其他優(yōu)勢(shì)，附圖中:
[0009]圖1示出了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案的形成機(jī)動(dòng)車(chē)輛部件的方法；
[0010]圖2是根據(jù)另一示例性實(shí)施方案的機(jī)動(dòng)車(chē)輛部件的一部分的截面圖；以及
[0011]圖3是通過(guò)本發(fā)明的方法形成的其他示例性機(jī)動(dòng)車(chē)部件的透視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012]在圖1中一般性地示出了形成包括涂覆有非金屬涂層24的鋼零件22的機(jī)動(dòng)車(chē)輛部件20的方法。經(jīng)涂覆機(jī)動(dòng)車(chē)部件20是在熱成型鋼坯26之前，優(yōu)選地通過(guò)物理氣相沉積(PVD)或反應(yīng)濺射向由鋼材料形成的坯26施加非金屬涂層24而形成。在熱成型過(guò)程期間，非金屬涂層24防止鋼坯26起氧化皮、結(jié)垢、腐蝕、氧化和脫碳。非金屬涂層24還可以潤(rùn)滑，并且從而提高鋼坯26的可成形性；調(diào)節(jié)表面顏色和反射系數(shù)以提供鋼坯26的更快速加熱；以及提高涂料和粘合劑的粘附力。此外，向鋼坯26施加非金屬涂層24的過(guò)程是環(huán)保的并且需要很少的能量。
[0013]形成機(jī)動(dòng)車(chē)部件20的方法首先包括提供由鋼材料形成的未涂覆坯26。用于形成坯26的鋼材料可以是純鋼或任何類型的鋼合金。坯26優(yōu)選地是通過(guò)熱軋、冷軋或本領(lǐng)域中已知的另外工藝形成的如圖1中所示的鋼材料的板。熱軋可以包括在高于鋼的再結(jié)晶溫度的溫度下使如板坯、大方坯或小方坯的鋼原料通過(guò)成對(duì)的輥來(lái)形成鋼的板。冷軋包括在低于鋼原料的再結(jié)晶溫度的溫度下使鋼原材料通過(guò)成對(duì)的輥來(lái)形成鋼板。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，鋼坯26是冷軋硼鋼，被稱為22MnB5，并且具有包括鐵素體和珠光體的顯微組織。
[0014]在非金屬涂層24之前也可以將金屬涂層30，或另一類型的涂層，布置在坯26上以提高可成形性并且使得能夠更快速地加熱。例如，在施加非金屬涂層24之前可以向鋼坯26施加包含鋅的金屬涂層30。圖2是根據(jù)不同于圖1的實(shí)施方案的另一示例性實(shí)施方案的機(jī)動(dòng)車(chē)輛部件20的一部分的截面圖。在圖2的實(shí)施方案中，金屬涂層30布置在鋼零件22與非金屬涂層24之間。另外，可以向坯26施加防腐蝕層來(lái)防止腐蝕和生銹。
[0015]在提供鋼坯26之后，該方法包括:在鋼坯26的表面上或在金屬涂層30上直接施加非金屬涂層24。在施加涂層之前鋼坯26經(jīng)清洗和干燥或以其他方式制備。通常使用物理氣相沉積(PVD)或反應(yīng)濺射來(lái)施加非金屬涂層24。在一個(gè)實(shí)施方案中，向鋼坯26施加鋅形成的金屬涂層30，接著是PVD表面涂層，其中PVD表面涂層是非金屬涂層24。鋅涂層和PVD表面涂層在熱成型步驟期間防止白色氧化物的形成。因此，能夠取消為了去除白色氧化物的噴丸處理。
[0016]非金屬涂層24包含硅和碳中至少之一。優(yōu)選地，非金屬涂層24包含硅或碳兩者之一，但是非金屬涂層24可以同時(shí)包含硅和碳。基于非金屬涂層24的總重量，硅通常以40重量百分?jǐn)?shù)至70重量百分?jǐn)?shù)(wt%)的量存在，碳以最高達(dá)15wt%的量存在。非金屬涂層24也可以包含氧和氮中至少之一，并且通常同時(shí)包含氧和氮?；诜墙饘偻繉?4的總重量，氧和氮的總含量不大于50wt%。此外，非金屬涂層24可以包含陶瓷復(fù)合物和碳化物中至少之一以提高抗高溫起氧化皮和抗腐蝕性。陶瓷復(fù)合物可以是S1xNy，碳化物可以是CNX，其中x，y和z為正整數(shù)或正分?jǐn)?shù)。非金屬涂層24還可以包含SiCx0yNz。非金屬涂層24不含金屬和包含如A1203、T12和CrNx的組成的金屬。
[0017]非金屬涂層24包括多個(gè)獨(dú)立的層32，優(yōu)選一至三個(gè)獨(dú)立的層32，并且更優(yōu)選如圖2中所示出的兩個(gè)獨(dú)立的層32。層32共同具有不大于300nm的總厚度，并且優(yōu)選不大于10nm的總厚度。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，層32共同具有不大于50nm的總厚度。在另一實(shí)施方案中，層32共同具有不大于30nm的總厚度。小厚度的非金屬涂層24在每一個(gè)層32上提供較小的內(nèi)應(yīng)力與低的生產(chǎn)成本。厚度小的非金屬涂層24也有助于卓越的行為(except1nal behav1r)、可成形性、以及在熱成型過(guò)程期間改善性能。
[0018]非金屬涂層24的各個(gè)層32包含硅和碳中至少之一。各個(gè)層32也可以包含氧和氮中至少之一，以及包含陶瓷復(fù)合物和碳化物中至少之一。然而，非金屬涂層24的各個(gè)層32優(yōu)選具有不同于其他層32的組成或化學(xué)計(jì)量。形成具有不同組成或化學(xué)計(jì)量的層32降低任何針孔的長(zhǎng)度，增加層32的疊層的密度，并且有助于提高抗腐蝕性。此外，各個(gè)層32可以包括梯度，其中隨著層32的厚度增加，一種或更多種組分的量增加或減少以提供更密集的柱狀生長(zhǎng)(denser columnar growth)。
[0019]直接布置在鋼坯26的表面上或在金屬涂層30上的第一層32可以具有小于，大于，或等于其他層32厚度的厚度。優(yōu)選地，第一層32的厚度不大于3納米，這在鋼表面與非金屬涂層24的其他層32之間提供卓越的粘附力。第二層32直接布置在第一層32上并且通常具有比第一層32更大的厚度，例如大于3納米。然而，第二層32也可以具有小于或等于第一層32的厚度。
[0020]可以根據(jù)本領(lǐng)域已知的多種方法來(lái)提供或者制備非金屬涂層24。通過(guò)能夠提供非常薄的層32的工藝，例如物理氣相沉積(PVD)或反應(yīng)濺射向鋼坯26施加非金屬涂層24。向鋼坯26施加非金屬涂層24的工藝也是環(huán)保的，需要很少的能量，并且不使用氫。
[0021]可以使用多種不同的PVD過(guò)程來(lái)向鋼坯26施加非金屬涂層24。如圖1中所示，PVD過(guò)程通常包括:將鋼坯26連同由非金屬材料組成的用于形成非金屬涂層24的源材料44 一起放置在真空室42中。該方法接下來(lái)包括利用如電子束或離子束的高能源轟擊源材料44來(lái)使源材料44汽化。源材料的所蒸發(fā)的原子46移動(dòng)通過(guò)真空室42并且在鋼坯26上沉積以形成非金屬涂層24。
[0022]反應(yīng)濺射包括將源材料44和鋼坯26放置在真空室42中并將氣體引入到真空室42中，該氣體通常是反應(yīng)性氣體和惰性氣體。源材料44與反應(yīng)性氣體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這使得源材料44在鋼坯26上沉積并形成非金屬涂層24。非金屬涂層24的組成、化學(xué)計(jì)量或性質(zhì)可以通過(guò)改變惰性氣體與反應(yīng)性氣體的相對(duì)壓力來(lái)控制。
[0023]可單獨(dú)涂覆鋼坯26以使得坯的所有表面和邊緣都被涂覆。根據(jù)另一實(shí)施方案，非金屬涂層24以卷的形式施加到鋼材料的板，并且在施加非金屬涂層24之后，沖壓經(jīng)涂覆的板來(lái)提供經(jīng)涂覆的鋼坯26。在該實(shí)施方案中，非金屬涂層24將僅布置在鋼坯26的頂部和底部，而不是沿著鋼坯26的邊緣布置。
[0024]一旦將非金屬涂層24施用到鋼坯26的表面，形成機(jī)動(dòng)車(chē)部件20的方法包括制備用于熱成型過(guò)程的經(jīng)涂覆的鋼坯26。熱成型過(guò)程采用高溫并且通常為至少700°C的溫度。
[0025]用于形成機(jī)動(dòng)車(chē)部件20的熱成型過(guò)程通常包括熱沖壓經(jīng)涂覆的鋼坯26。如圖1中所示，熱沖壓可以包括將經(jīng)涂覆的鋼坯26布置在爐或烘箱34中，并且將該經(jīng)涂覆的鋼坯26加熱至足以在鋼材料中形成奧氏體相的溫度。在一個(gè)實(shí)施方案中，將經(jīng)涂覆的鋼坯26加熱到至少700°C，并且優(yōu)選為700°C至950°C的溫度。在另一實(shí)施方案中，將經(jīng)涂覆的鋼坯26加熱到900°C的溫度。與未涂覆的鋼坯或具有不同類型的涂層的鋼坯相比，非金屬涂層24可以具有使得能夠更快速加熱爐中的鋼坯26的顏色和反射系數(shù)。
[0026]其次，如圖1所示，將經(jīng)加熱坯26迅速轉(zhuǎn)移到壓制機(jī)(press)并布置在成對(duì)的沖模36之間。該方法通常包括,在還26仍是熱的同時(shí)在沖模36之間沖壓還26以使還26形成為具有預(yù)定的形狀與尺寸的零件22。然后將熱沖壓零件22進(jìn)行淬火或在沖模36之間進(jìn)行冷卻。沖模36通常包括用于淬火步驟的冷卻通道38。熱沖壓零件22的鋼材料通常具有在淬火步驟之后的馬氏體顯微組織。
[0027]在熱成型過(guò)程中，非金屬涂層24防止或減少零件22表面的起氧化皮、結(jié)垢、腐蝕、氧化和脫碳。非金屬涂層24還潤(rùn)滑該表面并且從而提高可成形性。
[0028]一旦具有非金屬涂層24的熱成型零件22冷卻下來(lái)，經(jīng)涂覆零件22可以被用作機(jī)動(dòng)車(chē)輛部件20。在圖1的實(shí)施方案中，可以向經(jīng)涂覆鋼零件22施加例如粘合劑或涂料48的另一種材料。與未涂覆零件或具有其他類型的涂層的零件相比，非金屬涂層24提供了涂料48或粘合劑對(duì)鋼零件22的提高的粘附力。另外，非金屬涂層24可以提供改善的釬焊。因此，如圖1所示，可將熱成型零件22釬焊到另一零件40以提供最終的機(jī)動(dòng)車(chē)輛部件20。
[0029]包括布置在熱成型零件22上的非金屬涂層24的機(jī)動(dòng)車(chē)輛部件20可以是A柱、B柱、D柱、門(mén)梁、保險(xiǎn)杠梁、底框梁、搖桿、油箱護(hù)板、防滑板、前縱梁、中縱梁、后縱梁、門(mén)框、門(mén)內(nèi)側(cè)加強(qiáng)件、前管道或濕區(qū)部件。圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明形成的機(jī)動(dòng)車(chē)輛部件20的實(shí)例。在圖3中示出的其他部件是未涂覆的，但是也可以利用非金屬涂層24涂覆。
[0030]顯然，鑒于上述教導(dǎo)，除了如所具體描述的之外，本發(fā)明的許多修改方案和變化方案是可能的并且可以被實(shí)施，同時(shí)包括在所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種機(jī)動(dòng)車(chē)部件，包括: 由鋼材料形成的熱成型零件，以及 布置在所述零件的表面上的非金屬涂層，其中所述非金屬涂層包含硅和碳中至少之一并且具有不大于300nm的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動(dòng)車(chē)部件，其中所述非金屬涂層不含金屬并且包含:40重量百分?jǐn)?shù)至70重量百分?jǐn)?shù)(wt% )的量的娃；最高達(dá)15?1:%的量的碳；以及低于5(^1:%的總量的氧與氮中至少之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動(dòng)車(chē)部件，其中所述非金屬涂層包含陶瓷和碳化物中至少之一 O
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動(dòng)車(chē)部件，其中所述非金屬涂層調(diào)節(jié)所述零件的所述表面的反射系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動(dòng)車(chē)部件，其中所述非金屬涂層包括一至三個(gè)獨(dú)立層，所述層中的每一個(gè)均包含硅和碳中至少之一，并且所述層中的每一個(gè)均包含不同于其他層的組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動(dòng)車(chē)部件，包括布置在所述零件與所述非金屬涂層之間的金屬涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)動(dòng)車(chē)部件，其中所述金屬涂層包含鋅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動(dòng)車(chē)部件，其中所述零件的所述鋼材料是22MnB5。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動(dòng)車(chē)部件，其中所述部件是A柱、B柱、D柱、門(mén)梁、保險(xiǎn)杠梁、底框梁、搖桿、油箱護(hù)板、防滑板、前縱梁、中縱梁、后縱梁、門(mén)框、門(mén)內(nèi)側(cè)加強(qiáng)件、前管道或濕區(qū)部件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動(dòng)車(chē)部件，其中所述熱成型零件通過(guò)對(duì)鋼坯進(jìn)行熱成型而形成，并且在所述熱成型的步驟之前將所述非金屬涂層施用到所述鋼坯。
11.一種形成機(jī)動(dòng)車(chē)部件的方法，包括以下步驟: 提供由鋼材料形成的坯； 對(duì)所述坯進(jìn)行熱成型以提供零件；以及 在所述熱成型之前在所述坯的表面上布置非金屬涂層，其中所述非金屬涂層包含硅和碳中至少之一并且具有不大于300nm的厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述非金屬涂層不含金屬并且包含:40重量百分?jǐn)?shù)至70重量百分?jǐn)?shù))的量的硅；最高達(dá)15wt%的量的碳；以及任選的陶瓷和碳化物中至少之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在所述坯上布置所述非金屬涂層的步驟包括物理氣相沉積(PVD)過(guò)程。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在所述坯上布置所述非金屬涂層的步驟包括反應(yīng)濺射。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在所述坯上布置所述非金屬涂層的步驟包括在所述坯上布置一至三個(gè)層，其中所述層中的每一個(gè)均包含硅和碳中至少之一，并且所述層的每一個(gè)均具有不同于其他層的組成。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在所述坯上布置所述非金屬涂層的步驟包括施加所述非金屬涂層直到所述非金屬涂層具有不大于300nm的厚度為止。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括在施加所述非金屬涂層之前向所述坯施加金屬涂層。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述熱成型的步驟包括將所述坯加熱到至少700°C的溫度。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述熱成型的步驟包括熱沖壓。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述熱沖壓的步驟包括:對(duì)經(jīng)涂覆的坯進(jìn)行加熱；對(duì)經(jīng)加熱坯進(jìn)行成型以提供具有預(yù)定尺寸的所述零件；以及對(duì)所述零件進(jìn)行冷卻。
【文檔編號(hào)】C21D9/00GK104379775SQ201380022860
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月3日
【發(fā)明者】愛(ài)德華·威廉·施萊歇特, 亞歷山大·扎克 申請(qǐng)人:麥格納國(guó)際公司