CN103384726B - 生产硬化的结构部件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生产具有由锌或锌合金组成的涂层的硬化钢元件的方法；将可硬化的钢材料用锌层或锌合金层涂层，将坯从所述可硬化的钢材料冲压成型，将所述坯加热至AC3点或更高的温度并且在期望的保温时间之后，在热状态在成型模具中成型；并且所成型的钢板坯以高于临界硬化速度的速度通过所述成型模具冷却并由此硬化；取决于所述成型之前锌层的厚度或锌合金层的厚度，将所述坯保持在高于782℃的温度一段所述钢和由锌或锌合金构成的所述涂层之间足以形成锌铁素体屏障层的时间并且正在形成的所述锌铁素体层消耗液体锌且在具有使得所述成型期间没有液体锌相与所述钢反应的厚度。
Description
技术领域
本发明涉及生产具有权利要求1的特征的硬化的、腐蚀保护的元件的方法。
背景技术
已知特别是在汽车中使用了由钢板组成的所谓的压力硬化元件。由钢板组成的这些压力硬化元件是特别用作车身区域中的安全元件的高强度元件。关于这一点，这些高强度钢元件的使用使得可以相对于正常强度的钢减少材料密度并且实现低车身重量。
在压力硬化中，对于制造这样的元件基本上有两种可能。它们被分为所谓的直接和间接的方法。
在直接的方法中，钢板坯被加热至比所谓的奥氏体化温度更高的温度，并且如果需要的话，保持在这一温度直到达到所期望的奥氏体化程度。之后，这一加热的坯被转移至成型模具并且在这一成型模具中以一步成型工艺成形为成品元件并且在进行这一步时借助于冷却的成型模具以比临界硬化速度更高的速度同时冷却。这样产生了硬化的元件。
在间接的方法中，首先，可能以多步骤成型工艺，将元件成型直到其几乎完全完成。这一所形成的元件之后同样加热至比奥氏体化温度更高的问题并且如果需要保持在这一温度一段所期望的、必需的时间。
之后将加热的元件转移并且插入已经具有元件尺寸或元件的最终尺寸的成型模具中，如果需要考虑到预先成型的元件的热膨胀。在具体的冷却模具结束后，预先成型的元件由此在这一模具中以比临界硬化速度更高的速度冷却并由此被硬化。
关于这一点，直接方法某种程度上更容易实现，但是仅允许实际上可通过一步成型工艺生产的形状，即相对简单的板形。
间接工艺某种程度上更复杂，但是同样能够产生更复杂的形状。
除了压力硬化元件的需要，同样产生了生产这样的不采用未涂层的钢板而是提供具有腐蚀保护层的这些元件的需要。
在汽车领域，腐蚀保护层可由相当少使用的铝或铝合金或明显更频繁使用的锌基涂层组成。关于这一点，锌具有不仅提供类似铝的屏蔽保护层还提供阴极腐蚀保护的优点。此外，锌涂层的压力硬化元件更适于车身的整体腐蚀保护概念，因为在制造技术中，它们通常被整体镀铝。就此而言，减少或消除接触腐蚀是可能的。
但是两种方法可包括已经在现有技术中讨论过的缺点。在直接的方法即具有锌涂层的压力硬化钢的热成型中，在材料中出现微裂缝（10μm至100μm）或者甚至宏观裂缝；微裂缝出现在涂层中而宏观裂缝甚至延伸通过板的整个横截面。具有宏观裂缝的这种元件不适于进一步使用。
在间接的工艺即具有随后的硬化和保持成型的冷成型中，涂层中的微裂缝也可出现，其同样是不期望的，但是远不是明显的。
迄今为止—除了在亚洲生产的一个元件—锌涂层的钢尚未用于直接方法即热成型中。采用这一方法时，偏爱使用具有铝/硅涂层的钢。
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中给出了综述。这一出版物说明了对于热成型工艺来说，有可以Usibor 1500P的商标购买到的铝化的硼钢/锰钢。此外，为了阴极腐蚀保护的目的预先用锌涂层的钢被出售用于热成型方法，即镀锌的Usibor GI，其具有含有小百分比铝的锌涂层，和所谓的镀锌退火的、涂层的Usibor GA，其具有含有10%铁的锌涂层。
还注意到锌/铁相图表明在782℃以上，只要铁含量少于60%，就存在含有液体锌的较大区域。但是，这同样是奥氏体化的钢被热成型的温度范围。还应注意到如果成型发生在高于782℃的温度，那么存在归因于渗入钢基晶界中，在钢基中生成宏观裂缝的液体锌的高的应力腐蚀风险。而且，以涂层中少于30%的铁含量，形成没有宏观裂缝的安全产品的最大温度低于782℃。这是为什么直接成型方法不能用于这些钢而是使用间接成型方法的原因。期望摆脱上文提及的问题。
摆脱这一问题的另一个可能性应在于使用镀锌退火的、涂层的钢，这是因为开始时已经存在的10%的铁含量和缺少Fe2Al5屏障层导致涂层中60%的铁的临界值在加热时被迅速超过，其避免了热成型工艺过程中液体铁的存在。
EP 1 439 240 B1已经公开将涂层的钢产品热成型的方法；所述钢材料具有钢材料表面上的锌或锌合金涂层并且具有涂层的钢基材料被加热至700℃至1000℃的温度并且被热成型；在具有锌或锌合金涂层的钢基材料被加热之前，涂层具有主要由氧化锌组成的氧化物层以便避免锌在加热期间被蒸发。为这一目的提供了特殊的工艺顺序。
EP 1 642 991 B1已经公开了用于热成型钢的方法，其中由硼钢/锰钢组成的元件被加热至Ac3点或更高的温度，被保持在这一温度并且之后加热的钢板被成型为成品元件；在成型期间或成型之后以MS点的冷却速率至少相当于临界冷却速度的方式将所成型的元件通过冷却淬火并且所成型的元件从MS点至200℃的平均冷却速度在25℃/s至150℃/s的范围内。
发明内容
本发明的目的在于产生用于制造具有腐蚀保护层的钢板元件的方法，其中减少或消除裂缝形成并且仍然获得足够的腐蚀保护。
采用权利要求1的特征达到这一目的。
在从属权利要求中公开了有利的修改。
归因于渗入晶粒边界区域中的钢的液体锌的上文描述的裂缝形成作用也已知称为“液体金属脆化”。
根据本发明，基于将奥氏体形式即处于高温的基底材料与这一状态下液体锌相的存在相结合的认识达到所述目的和必须避免在成型过程中引入应力以避免应力和因此由其引入的裂缝。
根据本发明这经由在奥氏体化的基底材料和液体锌相之间提供屏障层的事实来实现。在这一温度范围内基底材料（奥氏体）和液体锌相之间的屏障层一方面对微裂缝的形成进行缓冲；较厚的屏障层的产生消耗了另外的液体相。
这样的屏障层，例如，可以是通过锌和铁之间的反应生成的锌铁素体屏障层，其通过固相释放来释放纯锌；从其获得的逐渐扩展的层消耗锌并且形成稳定的混合锌铁素体的晶体。
这一作用在纯锌层、锌/铝合金层和锌/锰合金层中发生，因此其也是适合的。
根据本发明，将锌/镍层用作第一或唯一腐蚀保护层也是可能的，因为锌/镍层在这一工艺期间不产生液体锌相。
根据本发明，可包括液体锌的减少和/或有效屏障层的迅速积累以使屏障层的形成可通过减少可获得的锌的量并且由此避免剩余液相锌的存在来迅速终止。这可除了其他的之外通过减少锌层的厚度来实现。
然而，根据本发明，在这一实例中通过调整锌层的化学组成获得锌/铁反应的加速以及由此较快的成型和较大的层厚度也是可能的。在快速渗入镀锌工艺中使用的传统的锌层具有一方面形成的支撑材料（钢）和其他方面的锌层之间的抑制层的一定百分比的铝并由此防止基质和涂层之间的有力反应。铝的加入可以选择性减少以便特别地促进厚的锌/铁层的迅速形成。为了这一目的，减少液体锌涂层中的铝并且如果需要在成型之前，将涂层经历镀锌退火反应以形成锌/铁相以便将这一抑制层溶解。之后在直接成型中，这样的涂层不产生可与奥氏体消极反应的任何液体锌层。
甚至在生产期间，通过延长退火时间使具有低铝含量的常规的锌层经历比程序中通常的更长的热处理以产生在直接成型工艺期间保护材料的较厚的屏障层也是可能的。
附图说明
将结合附图仅以示例性方式来说明本发明。
图1：是所测试的钢样品的典型的化学组分的表格；
图2：是显示转化之前退火处理中裂缝深度和熔炉保温时间之间的关系的图表；
图3：是显示熔炉保温时间的临界间隔的图表；
图4：是显示熔炉保温时间的表格以及显示取决于熔炉保温时间的裂缝形成的图片；
图5：以横切面显示根据图4的实例，显示取决于熔炉保温时间的裂缝深度；
图6：显示归因于较长的熔炉保温时间的铁素体层形成；
图7：显示锌/铁相图。
具体实施方式
根据本发明，较长的熔炉保温时间和随附的对锌涂层的较长的退火处理可被用于产生有效避免“液体金属脆化”的锌/铁素体层，甚至是在奥氏体存在并且引入应力时。
根据本发明，这使得代替转换成更复杂的间接工艺而同样完成这一直接方法是可能的。
图1显示对用于根据本发明的方法的典型的钢的分析。本质上，材料的其余部分由铁以及不可避免的冶炼相关杂质组成。
图2显示熔炉保温时间、液相的存在以及裂缝深度之间的关系。
图表清楚地显示在不同曲线中，在一定的熔炉保温时间之后，曲线急速上升，其与液体锌相的产生有关。这同时导致逐渐增加的裂缝深度。在所有曲线中同样可以看到裂缝深度不再增加的拐点，相反，所观察到的裂缝深度在这一熔炉保温时间之后下降。之后随着熔炉保温时间逐渐增加是另一个相对急剧的弯曲以及降至较低裂缝深度的曲线斜率。本文中明显的是具有120g/m2的纯锌层时需要非常长的熔炉保温时间，而当具有120g/m2层的锌/铁层时绝对可获得的裂缝深度更小并且可以明显较短的熔炉保温时间观察到裂缝深度的急剧减少。
与120g/m2的锌/铁层相反，仅80g/m2的锌/铁层，可获得的裂缝深度与120g/m2的锌/铁层相比显著减少并且在观察到减少的裂缝深度之前的时间同样显著减少。
这些观察展示了所观察到的80g/m2的锌层时从约90s延伸至140s，100g/m2的锌层时从约100s延伸至155s和120g/m2的锌层时从约90s延伸至大于200s的熔炉保温时间的临界间隔。
相反，80g/m2、100g/m2和120g/m2的锌/铁层时，熔炉保温时间的临界间隔显著变短；特别是80g/m2的锌/铁层时，临界间隔在45s和70s之间，而120g/m2的锌/铁层时，它们为50s至105s，其显著变短。
这说明在已经预先反应的不存在铁铝酸盐屏障层的锌/铁层中，发生了如此迅速的另外的锌/铁反应以致仅少量液相可被液体金属脆化。
熔炉保温时间的直接影响在图4中是明显的；表格显示将三个相同的140g/m2锌涂层保持相似的870℃至最大910℃的温度185s、325s和475s。在这一测试中，已经以这种方式加热的元件以3s的转移时间被转移至成型模具并且在热状态直接成型。
取决于熔炉保温时间，产生了不同的裂缝深度，从最短熔炉保温时间时的最大值200μm低至最长熔炉保温时间时的20μm。
图片非常清楚地显示令人瞩目地显著差异。
这在图5中也是非常清楚的，其显示来自图4的不同样本的抛光的横截面。其清楚显示不仅是裂缝深度还有裂缝宽度也随着逐渐增加的熔炉保温时间而显著减少。同样很清楚的是在熔炉保温时间最长的样品中，裂缝仅在涂层中存在，然而在其他样品中，裂缝延伸至基底材料中。
因此可以证明采用根据本发明的方法，保留直接成型工艺并且在确信在成型期间以敏感温度范围内存在的液体锌尽可能的少时将其特别用于便宜地生产具有简单几何形状的元件是可以的。因此根据本发明维持特定的温度/时间参数使得可以继续使用现有的方法。
Claims (6)
1.一种生产具有由锌或锌合金组成的涂层的硬化钢元件的方法；将可硬化的钢材料用锌层或锌合金层涂层，将坯从所述可硬化的钢材料冲压成型，将所述坯加热至AC3点或更高的温度并且在期望的保温时间之后，在热状态在成型模具中成型；并且所成型的钢板坯以高于临界硬化速度的速度通过所述成型模具冷却并由此硬化，其特征在于，取决于所述成型之前锌层的厚度或锌合金层的厚度，将所述坯保持在高于782℃的温度一段所述钢和由锌或锌合金构成的所述涂层之间足以形成锌铁素体屏障层的时间并且正在形成的所述锌铁素体层消耗液体锌且在具有使得所述成型期间没有液体锌相与所述钢反应的厚度，其中，所述锌层为100g/m2时，熔炉保温时间不少于155s，所述锌层为120g/m2时，熔炉保温时间不少于200s，所述涂层中锌/铁层为120g/m2时，熔炉保温时间不少于105s，其中所述涂层中锌/铁是镀锌退火的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢上的所述涂层是锌涂层，其在为热成型被加热之前通过温度处理的方式转化为锌/铁涂层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢上的所述涂层是具有0.1％至5％铝含量的锌涂层。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述钢上的所述涂层是电解和/或通过热浸涂层的方式涂覆的。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述钢上的所述涂层包括薄的电解沉积的锌层和沉积在其上的锌层或锌/铝层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在热浸镀锌之前，所述电解沉积的锌层被转化为锌/铁素体层。
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