CN103108964A - 热成形涂覆的金属部件的方法和成形的部件 - Google Patents

热成形涂覆的金属部件的方法和成形的部件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用热成形技术制造具有非常高的机械性能的涂覆部件的方法。根据本发明，该方法包括以下步骤：－提供退火的钢带材或坯料或预成型部件，其在退火前已涂有金属或金属合金－如果提供带材，那么在退火之前或之后从带材切割坯料－任选从坯料形成预成型部件－以16℃/秒或更高的平均加热速度将坯料或预成型部件加热到500℃的温度－进一步将坯料或预成型部件加热到700－1000℃的温度－将坯料或预成型的部件热成形为热成形的部件－硬化该热成形的部件。

Description

热成形涂覆的金属部件的方法和成形的部件
本发明涉及使用热成形技术制造涂覆的部件的方法。本发明还涉及制造用于热成形方法的涂覆的钢带材、坯料或预成形部件的方法，并涉及涂覆的钢带材、坯料、部件或预成形部件和热成形部件。
成形部件的热成形技术的使用是众所周知的，尤其是对于汽车用途。从容易成形的片材开始，热成形技术提供了具有非常高的机械性能，如超过1200MPa的拉伸强度的成形部件。
通常，通过如下方式进行热成形：提供坯料，将坯料加热到700℃－1000℃，并保持该坯料在该温度下几分钟，将加热的坯料置于热成形装置中，在热成形装置中将坯料成形为部件，硬化该热成形部件。
当使用无涂层的钢时，可以在保护气氛下进行在热成形装置中的热成形之前的坯料的加热以防止钢的氧化和脱碳。然而，热成形本身和硬化发生在空气中，从而发生氧化；因此，在热成形后，必须将热成形的零件去除氧化皮。为了克服这个缺点，在过去的十年中，已经提出了使用涂覆的钢片材，将该片材加热到高于Acl的温度下。在加热过程中，在涂层和钢片材之间形成扩散层，提供免于氧化的保护和涂层对钢片材的良好粘附性，这也是在用于热成形的升高的温度下。
虽然使用涂覆的钢片材时，通过保护性气氛不再是必要的，但公知的方法有一些缺点。主要问题之一是，已经发现涂覆的钢片材的加热速度是重要的。这使得整个过程更加难以控制。这也导致在钢片材的加热中花费相当长的时间，例如5分钟，然而，可以在不到1分钟的时间内，在热成形装置中进行热成形和随后的硬化。通过在烘箱中加热多个涂覆的钢片材可以使通过热成形装置以高生产速率进行生产成为可能。然而，当在热成形装置存在延迟时，涂覆的钢片材在烘箱中保持时间太长，这意味着它们必须被刮擦。这对于热成形过程的成本具有相当大的影响。此外，烘箱是很长的。
本发明的目的是提供使用热成形技术制造涂覆的部件的方法，这使得以更灵活和更稳健的方式来控制工艺成为可能。
本发明的目的还是提供使用热成形技术制造涂覆的部件的方法，这使得容易地和有效地生产热成形的部件成为可能。
本发明的再一个目的是提供使用热成形技术制造涂覆的部件的方法，该方法比公知的方法更成本有效。
此外，本发明的一个目的是提供涂覆的钢带材，涂覆的钢坯料和涂覆的预成型部件，和来生产这些的方法，可以在根据本发明的方法中使用它们。
根据本发明，通过提供使用热成形技术制造具有非常高的机械性能的涂覆部件的方法实现这些目的中的一个或更多，该方法包括以下步骤：
1.提供退火的钢带材或坯料或预成型部件，其在退火前已涂有金属或金属合金
2.如果提供带材，在退火之前或之后，从带材切割坯料
3.任选从坯料形成预成型部件
4.以16℃/秒以上的平均加热速度将坯料或预成型部件加热到500℃的温度
5.进一步将坯料或预成型部件加热到700－1000℃的温度
6.将坯料或预成型的部件热成形为热成形的部件
7.硬化该热成形的部件。
本发明人发现，由于使用退火的涂覆的钢，可以以16℃/秒以上的平均加热速度将退火的钢带材或坯料或预成型部件加热到500℃的温度。以这种方式，可以在坯料或预成型部件的热成形之前对其进行加热。现在，可以在将坯料或预成型部件从烘箱中取出并放在热成形装置之前，在3分钟之内进行坯料或预成型部件的加热。使用坯料（在直接热成形工艺中使用它）或使用预成型部件(在间接热成形工艺中使用它)，根据本发明的这种快速加热是可能的。
根据一个优选的实施方案，以16℃/秒以上的平均加热速度在步骤4中将坯料或预成型部件加热至625℃的温度下，和在步骤5中在热成形该坯料或预成型之前进一步加热到700－1000℃的温度下。通过以16℃/秒以上的加热速度将坯料或预成型部件加热到700℃的温度下，可以在甚至更短的时间内进行坯料或预成型部件的加热。
根据进一步优选的实施方案，在步骤4中以16℃/秒以上的平均加热速度将坯料或预成型部件加热到700℃的温度，并且任选地在步骤5中在热成形该坯料或预成型部件之前进一步加热到700－1000℃的温度。通过以16℃/秒或更大的高加热速率将坯料或预成型部件加热到700℃的温度，可以在小于2分钟的甚至更短的时间内进行坯料或预成型部件的加热。
根据进一步优选的实施方案，在步骤4中以16℃/秒以上的平均加热速度将坯料或预成型部件加热到700℃－900℃的温度，并且任选地在步骤5中在热成形该坯料或预成型部件之前进一步加热到至多1000℃的温度。通过以16℃/秒或更大的高加热速率将坯料或预成型部件加热到700℃－900℃的温度，当将16℃/秒以上的平均加热速度用于高于Ac1温度的温度时，可以在小于90秒钟的很短的时间内进行坯料或预成型部件的加热。
优选的金属或金属合金是锌或锌合金。本发明人发现，退火的锌或锌合金涂层的使用，使得有可能使用非常高的加热速率。
根据一个优选的实施方案，坯料或预成型部件上的涂层在步骤4和步骤5期间保持固态。当然，这具有如下优点：涂层保持在坯料或预成型部件上，特别是对预成型部件保持均匀散布在预成型部件的非水平部分上且不流动。由于涂层保持固态，它不粘附于处理设备。此外，不需要能量将涂层从固体转化为液体状态。
优选地，加热速率为20℃/s以上，更优选为25℃/s以上。这些高的加热速率使得有可能在短于1分钟的时间内在热成形部件之前加热该涂覆的坯料或预成型部件。
优选地，在步骤4中以至多为50℃/秒的平均加热速率加热坯料或预成型部件。较高的加热速率使该坯料或预成型部件加热的最高温度难以控制。
根据一个优选的实施方案，该钢具有以下组成，以重量％计：
0.1<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。
虽然其它金属的组成也是可能的，但发现如上面给出的钢组成在大多数情况下将得到很好的结果。
根据一个优选的实施方案，该金属合金是具有下面的组成的锌合金，以重量％计：
1.0<Al<5.0，优选1.5<Al<2.0
1.0<Mg<5.0，优选为1.5<Mg<2.0
总计至多0.2的一种或多种标准的合金化元素
余量的锌和不可避免的杂质。
本发明人发现，使用具有该组成的锌合金，可以在高于16℃/秒的非常高加热速率下加热该坯料或预成型部件。标准的合金化元素是Pb、Sb、Ti、Ca、Mn、La、Ce、Cr、Ni、Zr和Bi。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于制造如在本发明的第一方面所提供的退火的钢带材或坯料或预成型部件的方法，其在退火之前已涂有金属或金属合金，该方法包括下面的步骤：
1-提供钢带材或坯料或预成型部件
2–用金属或金属合金，优选锌或锌合金的层涂覆钢
3–将涂覆的钢加热到在700℃和1000℃之间的温度下，并将带材或坯料或预成型部件保持在该温度下至多30分钟的时间段
4–将涂覆的钢进行冷却。
因此，这样独立于热成形过程进行这种用于制造涂覆和退火的钢带材或坯料或预成型部件的该方法。在700℃和1000℃之间的高扩散温度下选择意味着可以得到用于扩散层的形成的相对短的生产时间。
优选地，在根据本发明的第二方面所述的方法中，如果提供带材，则将钢带材进行切割以从带材形成坯料，且在步骤1，2，3或4之后由坯料形成预成型部件。由于在热成形过程中使用坯料或预成型部件，因此优选储存和运输可以直接在热成形过程中使用的坯料或预成型部件。
根据本发明的第三方面，对根据本发明的第二方面的方法生产的涂覆的钢带材，坯料，部件或预成型部件提供锌或锌合金的涂层，其中所述涂层的外层在3μm深度中平均含有超过5重量％的Fe。可以在坯料或预成型部件的热成形中使用在3μm深度中具有超过5重量％Fe的涂覆钢。
优选地，涂层的外层在3μm深度中平均包含超过10重量％的Fe，更优选超过20重量％的铁，还更优选为超过30重量％的Fe，最优选超过40重量％的Fe。涂层的外层中较高的Fe量意味着涂层和来自钢的Fe已更好地扩散。
根据本发明的第四方面，提供了热成形的涂覆的部件，其是使用根据本发明的第一方面的方法制造。
将参照下文的实验阐明本发明。
图1示出了覆盖有两个不同涂层的基材的加热曲线。
该基材是1.5毫米厚的22MnB5硼钢。
实施例1是覆盖有锌合金的坯料，该锌合金含有1.6重量％的Al和1.6重量％的Mg，余量为锌。该涂层具有的涂覆重量为140g/m2（70g/m2每侧）。
实施例2是覆盖有与实施例1中相同的涂层的坯料，但该坯料已在750℃下进行了退火。由于退火，涂层的平均铁含量大于20％。
将两个坯料一起放入烘箱。将烘箱的温度设置在920℃。将坯料加热到约850℃的温度;使用热电偶测量坯料的温度。
图1示出了坯料的加热曲线。横轴表示坯料在烘箱中的停留时间t，以秒计；竖轴表示坯料的温度T，以℃计。
坯料的检验表明，实施例1的涂层变成液体。
实施例2的涂层在充分加热至850℃过程中自始至终（through）保持为固体。
图1显示了以超过16℃/s的加热速率将实施例2的坯料加热500℃的温度，且以16℃的平均加热速度加热到约650℃的温度。与此不同，实施例1的该坯料的加热速率远低于16℃/秒。
达到Ac3温度的时间（钢在该温度下充分转化为奥氏体，且Ac3对于该基材是约850℃/秒），对于实施例2是约110秒，且对于实施例1是约180秒。
在坯料已达到Ac3温度之后，可给予它们一些额外的时间从而在可将它们放入热成形设备之前均化为奥氏体。

Claims (14)

1.使用热成形技术制造具有非常高的机械性能的涂覆部件的方法，该方法包括以下步骤：
1.提供退火的钢带材或坯料或预成型部件，其在退火前已涂有金属或金属合金
2.如果提供带材，那么在退火之前或之后从带材切割坯料
3.任选从坯料形成预成型部件
4.以16℃/秒或更高的平均加热速度将坯料或预成型部件加热到500℃的温度
5.进一步将坯料或预成型部件加热到700－1000℃的温度
6.将坯料或预成型的部件热成形为热成形的部件
7.硬化该热成形的部件。
2.根据权利要求1的制造涂覆部件的方法，其中在步骤4中以16℃/秒或更高的平均加热速度将坯料或预成型部件加热至625℃的温度，和在步骤5中在热成形该坯料或预成型部件之前进一步加热到700－1000℃的温度。
3.根据权利要求1的制造涂覆部件的方法，其中在步骤4中以16℃/秒或更高的平均加热速度将坯料或预成型部件加热到700℃的温度，和任选地在步骤5中在热成形该坯料或预成型部件之前进一步加热到700－1000℃的温度。
4.根据权利要求1的制造涂覆部件的方法，其中在步骤4中以16℃/秒或更高的平均加热速度将坯料或预成型部件加热到700℃－900℃的温度，并且任选地在步骤5中在热成形该坯料或预成型部件之前进一步加热到至多1000℃的温度。
5.根据任一之前权利要求的方法，其中金属或金属合金是锌或锌合金。
6.根据任一之前权利要求的方法，其中坯料或预成型部件上的涂层在步骤4和步骤5期间保持固态。
7.根据任一之前权利要求的方法，其中在步骤4中以至多为50℃/秒的平均加热速率加热坯料或预成型部件。
8.根据任一之前权利要求的制造涂覆部件的方法，其中该钢具有以下组成，以重量％计：
0.1<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。
9.根据任一之前权利要求的方法，其中该金属合金是具有下面的组成的锌合金，以重量％计：
1.0<Al<5.0，优选1.5<Al<2.0
1.0<Mg<5.0，优选为1.5<Mg<2.0
总计至多0.2的一种或多种标准的合金化元素
余量的锌和不可避免的杂质。
10.用于制造在退火之前已涂有金属或金属合金的经退火的钢带材或坯料或预成型部件的方法，该方法包括下面的步骤：
1-提供钢带材或坯料或预成型部件
2–用金属或金属合金，优选锌或锌合金的层涂覆钢
3–将涂覆的钢加热到在700℃和1000℃之间的温度，并将该带材或坯料或预成型部件保持在该温度下至多30分钟的时间段
4–将涂覆的钢进行冷却。
11.根据权利要求10的方法，其中如果提供带材，则将钢带材进行切割以从带材形成坯料，且在步骤1，2，3或4之后由坯料形成预成型部件。
12.提供有根据权利要求10或11的方法生产的锌或锌合金的涂层的经涂覆的钢带材、坯料、部件或预成型部件，其中所述涂层的外层在3μm深度中平均含有超过5重量％的Fe。
13.根据权利要求12的经涂覆的钢带材，坯料，部件或预成型部件，其中涂层的外层在3μm深度中平均包含超过10重量％的Fe，更优选超过20重量％的铁，还更优选为超过30重量％的Fe，最优选超过40重量％的Fe。
14.通过实施权利要求1-9中任一项的方法所提供的部件。
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