CN102257166A - 使用热成形工艺制备涂覆部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用热成形技术生产具有非常高机械性能的涂覆部件的方法。根据本发明，该方法包括如下步骤：1-提供钢带材；2-用锌或锌合金层涂覆钢带材；3-将涂覆的钢加热到300℃至钢的Ac1温度之间的温度；4-将涂覆的钢冷却；5-在步骤1、2、3或4之后从钢带材切割坯料；6-将坯料加热到高于钢的Ac1温度的温度；7-将坯料热成形为部件；8-将热成形部件硬化。本发明也可不进行步骤4。本发明也可用于间接热成形方法。本发明还涉及制备涂覆钢带材的方法，以及涂覆钢带材、坯料或部件和热成形部件。

Description

使用热成形工艺制备涂覆部件的方法
本发明涉及一种使用热成形技术制备涂覆部件的方法。本发明还涉及一种制备涂覆钢带材的方法，以及涉及涂覆钢带材、坯料或部件和热成形部件。
用于部件成形的热成形工艺的应用是众所周知的，特别是对于汽车用途。从可易于成形的片材开始，热成形技术提供了具有非常高机械性能，例如大于1200MPa的拉伸强度的成形部件。
通常热成形按如下方式进行：提供坯料，将坯料加热到900°-1000℃的温度，将加热的坯料放入热成形装置，在热成形装置中使坯料成形为部件，以及对热成形部件进行硬化。
当使用未涂覆的钢时，可在防护气氛下进行热成形，以防止钢的氧化和脱碳，并且热成形之后必须对热成形部件清除氧化皮。为了克服这些缺点，最近十年提出了使用涂覆钢片材，该片材被加热到高于Ac1温度的温度。在加热过程中，由于涂层和钢片材的热处理，形成了扩散层，其提供了抗氧化防护和涂层与钢片材的良好粘附性，同样在用于热成形的升高的温度下。
尽管当使用涂覆钢片材时防护气氛不是必要的，但已知的方法仍有一些缺点。一个主要问题是，已经发现涂覆钢片材的加热速度是关键的。这使整个过程更加难以控制。这还导致钢片材的加热占用相当多的时间，例如5分钟，而热成形装置中的热成形和随后的硬化可在少于1分钟内进行。以热成形装置可能达到的高生产率的生产可通过在炉中加热多个涂覆钢片材而进行。但是，当热成形装置处存在延迟时，涂覆钢片材在炉中保留的时间过长，这意味着其不得不报废。这对热成形过程的成本有相当大的影响。此外，炉必须非常长。
本发明的一个目的是提供使用热成形技术生产涂覆部件的方法，其使得以更灵活和耐用(robust)的方式控制该工艺成为可能。
本发明的另一目的是提供使用热成形技术生产涂覆部件的方法，其使得容易和高效地生产热成形部件成为可能。
本发明的又一目的是提供使用热成形技术生产涂覆部件的方法，其与已知方法相比更具成本有效。
此外，本发明的一个目的是提供涂覆钢带材、涂覆钢片材及生产它们的方法，其可用于本发明的方法中。
根据本发明，这些目的的一个或多个通过提供使用热成形技术生产具有非常高机械性能的涂覆部件的方法而实现，该方法包括如下步骤：
1-提供钢带材
2-用锌或锌合金层涂覆该钢
3-加热该涂覆的钢到300℃至钢的Ac1温度之间的温度
4-冷却该涂覆的钢
5-在步骤1、2、3或4之后从该带材切割坯料
6-加热该坯料到高于钢的Ac1温度的温度
7-将该坯料热成形为部件
8-硬化该热成形部件
发明人已经发现，本方法具有大的优点，即在该方法的步骤3中实现了扩散层的形成，在步骤3中将涂覆的钢加热到300℃与Ac1温度之间的温度。由于在步骤3中形成了扩散层，所以在热成形装置中热成形之前的加热步骤可以以非常高的生产率进行，使得可以在一定的时间间隔内加热涂覆钢片材到高于Ac1温度的温度，该时间间隔等于或小于热成形装置中使加热的钢片材热成形所需的时间。因此，将在钢片材上防护涂层的形成与步骤6中钢的奥氏体化所需的热处理分离，所述钢片材可经受高于钢Ac1温度的温度。该分离使在热成形工艺本身的重要步骤之前的阶段中控制防护涂层的形成成为可能，因为可单独的控制扩散过程。另外，具有扩散层的钢片材可更适合于步骤6中的钢的奥氏体化。因此，该工艺在总体上更易于控制，且更成本有效，因为其最优化了设备的使用。
根据如上阐述的本发明的方法也可以在不具有步骤4的情况下进行，即不具有涂覆钢的中间冷却。这意味着形成扩散层的加热步骤之后直接为奥氏体化步骤。
按照使用热成形技术生产具有非常高机械性能的涂覆部件的如下方法，本发明也可用于间接热成形过程，包括如下步骤：
1-提供钢带材
2-用锌或锌合金层涂覆该钢
3-加热该涂覆的钢到300℃至钢的Ac1之间的温度
4-冷却该涂覆的钢
5-在步骤1、2、3或4之后从该带材切割坯料，并使该坯料成形为部件
6-加热该部件到高于钢的Ac1温度的温度
7-硬化该部件
在此，还将扩散锌或锌合金层的步骤与奥氏体化步骤分离，具有如上阐述的优点。通常在硬化步骤过程中，将成形的部件保持在压机或其它设备中以防止回弹。
间接热成形过程也可不具有步骤4。这具有与直接成形过程相同的结果。
根据优选实施方案，将涂覆的钢在步骤3加热到440℃至钢的Ac1温度之间的温度，优选440℃至800℃之间。在这些温度下可提供锌或锌合金的扩散层，这在440℃至800℃之间的温度间隔和合理短的时间段内特别可能。
优选将涂覆的钢加热到440℃至600℃之间，更优选460℃至560℃之间。这些是相对低的温度，其使利用已有生产线成为可能。
还可将涂覆的钢加热到600℃至700℃之间，优选625℃至675℃之间的温度。在这些温度下，更快的扩散成为可能。
此外，可将涂覆的钢加热到700℃至Ac1温度之间的温度，优选700℃至800℃。这样的高温度需要特别的设备，但为扩散步骤提供了高生产率。
根据优选的实施方案，该钢按重量百分比计具有如下组成：
0.15＜C＜0.5
0.5＜Mn＜3.0
0.1＜Si＜0.5
Cr＜1.0
Ti＜0.2
Al＜0.1
P＜0.1
S＜0.05
0.0005＜B＜0.08
任选地：
Nb＜0.1
V＜0.1
不可避免的杂质
余量为铁。
尽管其它金属组成也是可能的，但是发现如上给出的钢组成在大多数情况下将产生非常好的结果。
优选地，在热成形步骤之前，就将坯料加热到钢的Ac1温度至1000℃之间的温度，更优选900℃至1000℃之间的温度。当在热成形装置中成形涂覆钢片材时，这些温度产生了最好的结果。
根据其中进行冷却步骤的方法的优选实施方案，在步骤4中将钢冷却至少50℃，且优选在步骤4中将钢冷却到低于100℃的温度，更优选将钢冷却到室温。该冷却步骤是为了显著减慢扩散。尽管在步骤4通过冷却到低温，优选室温，少量冷却步骤是可能的，但在进行热成形方法以提供热成形部件之前，可将涂覆的钢进行处理以形成扩散层，此后进行存储和/或运送。因此，这样，在钢带材或钢片材上形成具有扩散层的涂层在空间和时间上与热成形过程中分离。其具有这样的优点，即热成形部件的制造商可以以高生产率生产，并且不必参与具有扩散层的涂覆钢带材或片材的生产。
根据优选实施方案，当进行冷却步骤时，在步骤2或步骤4之后向涂覆的钢提供附加涂覆层，该附加涂覆层提供抗腐蚀防护。该附加涂覆层提供了额外的抗腐蚀防护，特别是在存储和运输过程中，但是也经常在热成形过程中。该附加层可为油或润滑剂或其它常规使用的防护层，但是也可为特殊目的层，例如带有金属颗粒如锌颗粒的有机粘结剂，应当将其固化以获得所需的防护性能。优选地，该特殊目的层提供在涂覆钢带材上。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于部件热成形的涂覆钢带材的生产方法，包括如下步骤：
1-提供钢带材
2-用锌或锌合金层涂覆该钢
3-加热该涂覆的钢至600℃至Ac1温度之间的温度
4-冷却该涂覆的钢
这样，独立于这样的热成形工艺进行生产涂覆钢带材的这种方法。对于600℃至Ac1温度之间的高扩散温度的选择意味着获得了相对较短的形成扩散层的生产时间。
优选地，在该方法中，切割钢带材以形成坯料，并任选地在步骤1、2、3或4之后由坯料形成部件。由于坯料用于热成形过程，因此优选对可直接用于热成形过程的坯料进行存储和运输。在间接成形过程中，在从钢带材切割坯料后可由该坯料形成部件。
根据本发明的第一方面的方法的其它特征也可用于根据本发明第二方面的方法中。
根据本发明的第三方面，提供带有锌或锌合金涂层的涂覆钢带材、坯料或部件，其中涂层的外层在3μm的深度中平均含有超过5重量％的Fe。可将已提供有这种涂层的涂覆的钢用于热成形工艺本身。
优选地，涂层的外层在3μm的深度中平均含有超过10重量％的Fe，更优选超过20重量％的Fe，甚至更优选超过30重量％的Fe，还更优选超过40重量％。涂层外层中更高的Fe量意味着涂层和来自钢的Fe更好地扩散。
根据优选实施方案，涂覆钢带材、坯料或部件的钢具有本发明第一方面所指定的组成。
根据另一优选实施方案，向涂覆的钢提供附加涂覆层，从而提供抗腐蚀防护，如本发明的第一方面所阐述的。
根据本发明，提供了利用根据本发明第一方面的方法生产的热成形涂覆部件。
下面将参照一些背景信息和多个实验对本发明进行阐述。
由于纯锌的低熔化(420℃)温度和低蒸发(907℃)温度，将锌涂覆的材料用于热成形构成了挑战。发明人已经发现，熔融锌的存在使基材易于液体金属辅助开裂(LMAC)，并且在含氧气氛下气态锌的氧化得非常快，因此产生有毒的ZnO粉尘。根据发明人目前的解释，在锌涂覆的钢的加热期间，该涂层与来自基材的铁原子合金化。随着更多的铁存在于涂层中，成形过程中液体的量得到最小化，Zn蒸发的敏感性变低。因此，发明人的观点是，当锌涂层中存在更多铁时，可更快地加热锌涂覆的钢坯料，因为钢基材上存在更少的液体锌，所以LMAC和Zn蒸发得到减少。
对于热成形，通常使用硼类钢。在下述的实验中，钢基材为22MnB5钢，其具有约720℃的Ac1温度。使用的22MnB5钢具有如下组成：
C＝0.21重量％
Mn＝1.17重量％
Si＝0.18重量％
Cr＝0.25重量％
Ti＝0.033重量％
B＝0.0026重量％
不可避免的杂质(包括Al、P和S)
余量为铁。
进行了实验，其中将含有每侧65g/m2的涂覆重量的22MnB5钢基材进行镀锌层退火。将涂覆基材加热和保持在最高温度T1数秒t1，此后将基材冷却至室温。
表1：对于不同热处理，距涂层表面3μm处的Fe含量
Figure BPA00001415030000061
实验1-3显示出，对于每侧65g/m2的镀锌层退火的锌层，应当选择相对高的温度T1和相对长的保持时间，以在涂层中提供Fe含量，这在热变形温度下显著减少了涂层中液体锌的量。
在另外实验中，首先将具有每侧65g/m2的涂覆重量的镀锌层退火的坯料加热并保持在最高温度T1数秒t1，此后将其冷却至室温。然后将这些坯料再加热并保持在最高温度T2下10秒，此后将其热成形和淬火。
表2：不同热处理的结果
  实验   T1[℃]   t1[s]   T2[℃] 白色粉末？ 微裂纹？   本发明
  4   0   0   870 是 是
  5   650   0   870 是 是
  6   700   300   870 否 否   √
实验4-6显示出，加热到870℃的热成形温度并随后在热压机中热成形的实验3的坯料未显示出白色粉末，其为锌氧化物的信号，同时也未显示出微裂纹。
此外还进行了实验，其中未使用中间冷却步骤。使用具有每侧65g/m2的涂覆重量的镀锌层退火的坯料。在一个实验中，使用非最高温度T1，在此温度保持不变数秒t1；在第二实验中温度在1000秒内保持在650℃不变。
表3：不同热处理的结果
  实验   T1[℃]   t1[s]   T2[℃] 白色粉末？ 微裂纹？   本发明
  7   0   0   900 是 是
  8   650   1000   900 否 否   √
实验7和8显示出，将镀锌层退火的坯料保持在低于基材的Ac1温度的温度下相当长的一段时间，从而防止白色粉末和微裂纹的形成。

Claims (20)

1.使用热成形技术生产具有非常高机械性能的涂覆部件的方法，包括如下步骤：
1-提供钢带材
2-用锌或锌合金层涂覆该钢
3-将涂覆的钢加热到300℃至钢的Ac1温度之间的温度
4-将涂覆的钢冷却
5-在步骤1、2、3或4之后从该带切割坯料
6-将坯料加热到高于钢的Ac1温度的温度
7-将坯料热成形为部件
8-将热成形部件硬化。
2.使用热成形技术生产具有非常高机械性能的涂覆部件的方法，包括如下步骤：
1-提供钢带材
2-用锌或锌合金层涂覆该钢
3-将涂覆的钢加热到300℃至钢的Ac1温度之间的温度
4-在步骤1、2或3之后从该带材切割坯料
5-将坯料加热到高于钢的Ac1温度的温度
6-将坯料热成形为部件
7-将热成形部件硬化。
3.使用热成形工艺生产具有非常高机械性能的涂覆部件的方法，包括如下步骤：
1-提供钢带材
2-用锌或锌合金层涂覆该钢
3-将涂覆的钢加热到300℃至钢的Ac1温度之间的温度
4-将涂覆的钢冷却
5-在步骤1、2、3或4之后从该带材切割坯料，并使坯料成形为部件
6-将部件加热到高于钢的Ac1温度的温度
7-将部件硬化。
4.使用热成形工艺生产具有非常高机械性能的涂覆部件的方法，包括如下步骤：
1-提供钢带材
2-用锌或锌合金层涂覆该钢
3-将涂覆的钢加热到300℃至钢的Ac1温度之间的温度
4-在步骤1、2或3之后从该带材切割坯料，并使坯料成形为部件
5-将部件加热到高于钢的Ac1温度的温度
6-将部件硬化。
5.根据权利要求1、2、3或4的方法，其中在步骤3中将涂覆的钢加热到440℃至钢的Ac1温度之间的温度，优选440℃至800℃之间。
6.根据权利要求5的方法，其中将涂覆的钢加热到440℃至600℃之间，优选460℃至560℃之间的温度。
7.根据权利要求5的方法，其中将涂覆的钢加热到600℃至700℃之间，优选625℃至675℃之间的温度。
8.根据权利要求5的方法，其中将涂覆的钢加热到700℃至Ac1温度之间的温度，优选700℃至800℃之间。
9.根据前述权利要求的任一项的方法，其中该钢按重量百分比计具有如下组成：
0.15＜C＜0.5
0.5＜Mn＜3.0
0.1＜Si＜0.5
Cr＜1.0
Ti＜0.2
Al＜0.1
P＜0.1
S＜0.05
0.0005＜B＜0.08
任选地：
Nb＜0.1
V＜0.1
不可避免的杂质
余量为铁。
10.根据前述权利要求任一项的方法，其中在权利要求2或4的步骤5，或权利要求1或3的步骤6中，将坯料加热到钢的Ac1温度至1000℃之间，优选900℃至1000℃之间的温度。
11.根据权利要求1和3及5-10的方法，其中在步骤4中，将钢冷却至少50℃，且优选将该钢冷却到低于100℃的温度，更优选将该钢冷却到室温。
12.根据前述权利要求任一项的方法，其中在步骤2或步骤4之后向涂覆的钢提供附加涂覆层，该附加涂覆层提供抗腐蚀防护。
13.涂覆钢带材的生产方法，该涂覆钢带材用于部件的热成形，包括如下步骤：
1-提供钢带材
2-用锌或锌合金层涂覆该钢
3-将涂覆的钢加热至600℃至钢的Ac1温度之间的温度
4-冷却涂覆的钢。
14.根据权利要求13的方法，其中将钢带材进行切割从而由带材形成坯料，并任选地在步骤1、2、3或4之后由坯料形成部件。
15.根据权利要求13或14的方法，其中应用权利要求5、7、8、9、10、11和/或12的任一个特征。
16.具有锌或锌合金涂层的涂覆钢带材、坯料或部件，其中涂层的外层在3μm的深度中平均含有超过5重量％的Fe。
17.根据权利要求16的涂覆钢带材、坯料或部件，其中涂层的外层在3μm的深度中平均含有超过10重量％的Fe，优选超过20重量％的Fe，更优选超过30重量％的Fe，还更优选超过40重量％。
18.根据权利要求16或17的涂覆钢带材、坯料或部件，其中钢该具有权利要求9所指定的组成。
19.根据权利要求16、17或18的涂覆钢带材、坯料或部件，其中向涂覆的钢提供附加涂覆层，该附加涂覆层提供抗腐蚀防护。
20.部件，由实施根据权利要求1-12中任一项所述的方法所提供。
CN2009801513327A 2008-12-19 2009-12-18 使用热成形工艺制备涂覆部件的方法 Pending CN102257166A (zh)

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