CN103547686A - 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；将坯从所述用锌层或锌合金层涂覆的板冲压成型，将冲压成型的坯加热至≥AC3的温度并且如果需要保持在这一温度预定的一段时间以便促使奥氏体的形成，并且之后被加热的坯被转移至成型模具，在所述成型模具中成型并且在所述成型模具中以高于临界硬化速度的速度冷却并由此硬化，以延迟转化的方式调整所述钢材料以使通过将奥氏体转化为马氏体的淬火硬化在450℃至700℃的范围内发生；所述加热之后和所述成型之前，发生有效的冷却，其中所述坯或坯的部分以>15K/s的速度被冷却。
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 press hardenedsteels for automotive”,Arcelor Mittal Maiziere Automotive Product Research CenterF-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，只要铁含量低，尤其是少于60%，就有其中存在液体锌-铁相的较大区域。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，那么存在归因于假定渗入钢基晶界中，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屏障层导致出自主要富铁的相的涂层更均匀的形成。
“‘STUDY OF CRACKS PROPAGATION INSIDE THE STEEL ON PRESSHARDENED STEEL ZINC BASED COATINGS’,Pascal Drillet,Raisa Grigorieva,Grégory Leuillier,Thomas Vietoris,8th International Conference on Zinc and ZincAlloy Coated Steel Sheet,GALVATECH 2011–会议论文,Genova(Italy),2011”表明间接方法中不能处理镀锌的板。
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。
发明人的专利EP 1 651 789 B1已经公开了从钢板制造硬化元件的方法；根据这一方法，由连同阴极腐蚀保护层一起提供的钢板组成的所成型的部分被冷却成型并且为了奥氏体化的目的经历热处理；在所成型的部分的冷却成型之前、期间或之后，可进行所成型的部分的最终修整和穿孔图案的所需要的冲孔程序或生产并且比最终硬化的元件应当具有的尺寸小0.5%至2%来进行所述冷却成型以及元件上的所述穿孔图案的修整和冲孔和排布；已经被冷却成型用于热处理的所成型的部分之后至少某些区域与大气氧气接触加热至允许钢材料的奥氏体化的温度并且所加热的元件之后被转移至模具，并且在这一模具中进行所谓的成型硬化，其中元件经由成型硬化模具的对元件的接触和加压（保温）导致元件被冷却并且由此硬化，并且阴极腐蚀保护涂层由主要是锌以及另外地一种或多种氧族（oxygen-affine）元素的混合物组成。作为结果，在腐蚀保护涂层的表面上，加热期间氧化物表层由氧族元素形式组成，其保护阴极腐蚀保护曾，尤其是锌层。此外，在所述方法中，就元件最终的几何形状而言，元件的比例减少考虑到元件的热膨胀以使得在成型硬化期间既不需要定标也不需要成型。
发明人的专利WO 2010/109012 A1已经公开了用于制造部分硬化的钢元件的方法，其中由可硬化的钢片组成的坯经历了足以淬火硬化的温度升高并且在达到所期望的温度之后并且如果需要在所期望的保温时间之后，将坯转移至将坯成型为元件的成型模具并同时淬火硬化或者将坯冷却成型并且之后从冷却成型得到的元件经历温度升高，进行温度升高以便达到淬火硬化所期望的元件温度并且之后将元件转移至模具中，其中被加热的元件被冷却并且由此淬火硬化；在为了将温度升高至硬化所需要的温度而加热坯或元件期间，在应当具有较低的硬度和/或较高的延展性的区域中，放置吸收团或者通过窄缝将这些区域间隔开；就它们的膨胀和厚度、它们的导热性以及它们的热容而言和/或就它们的发射率而言，吸收团是特定尺寸的以使在元件保持延展性的区域内作用在元件上的热能量通过元件流入吸收团中，以使得这些区域保持较冷并且特别地未达到或部分达到硬化所需要的温度，使得这些区域不能硬化或仅被部分硬化。
DE 10 2005 003 551 A1已经公开了用于热成型和硬化钢板的方法，其中将钢板加热至Ac3点以上的温度，之后经历冷却至400℃至600℃范围内的温度，并且仅在达到这一温度范围后成型。然而，这一参考文献没有提及裂缝问题或者涂层并且也没有描述马氏体形成。发明目的在于中间结构所谓贝氏体的形成。
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”或“液体金属相关开裂”。
与现有技术中采用的归因于“液体金属脆化”而即使具有的简单的几何形状时也使用间接方法的过程相反，本发明通过使用其中用锌或锌合金涂层的坯被加热、在加热之后被成型并且被淬火硬化的直接方法而采用了更有利的过程。
根据本发明所基于的发现，在成型阶段必须使尽可能少熔化的锌与奥氏体接触，即引入应力。因此，根据本发明，必须在低于铁/锌系统的转熔温度（熔化的，铁素体，γ相）进行所述成型。为了在这一情况下仍旧可以确保淬火硬化，调整作为锰/硼钢（22°MnB5）的传统组分的一部分的钢合金的组成以使得在这么做时通过延迟将奥氏体转化为马氏体的方式进行淬火硬化，奥氏体甚至在780℃或更低的以下较低的温度存在以使得通过成型将机械应力引入与奥氏体接触的钢并且熔化的锌将导致“液体金属脆化”时，不存在液体锌相或存在非常少的液体锌相。因此，通过根据合金元素调整的硼/锰钢的方式，其在获得足够的淬火硬化而没有过量或损害性裂缝形成的风险上获得成功。
特别地，采用空气喷嘴进行冷却，空气喷嘴的吹风可通过高温计来控制，其在例如加压器和熔炉之外以与相应的喷嘴相同的方式以单独件装置提供。在这一情况下适合冷却的不限于空气喷嘴；使用将坯对应放置在其上以使坯位于其冷区上并且例如通过加压或抽吸的方式开始导热接触的冷却桌也是可能的。
也可以想到使用冷压器，其中展开的坯据信允许所述冷压器几何形状简单并且有利，坯在其中被冷却的模具的区被相应地液体冷却。被整体加热的坯随后在相应的设备中被整体冷却；整体冷却可通过上文描述的桌的方式和通过中间加压的方式以及同样通过简单的喷雾、吹风或浸没的方式来提供。
附图说明
下文将结合附图来说明本发明。
图1：显示熔炉和成型程序之间冷却中的时间/温度曲线；
图2：显示锌/铁相图；
图3：显示具有或没有中间冷却时，对样本的表面的抛光的横截面的描述；
图4：是具有对冷却曲线的简单描述的时间温度转化相图。
具体实施方式
根据本发明，就奥氏体向其他相的转化调整用作压力硬化钢材料的传统的硼/锰钢（例如22MnB5），以使得转化移至较深的区域并且可以产生马氏体。
因此，具有下列的合金组成（所有数据以质量%计）的钢适于本发明：
C Si Mn P S Al Cr Ti B N[%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%]0.22 0.19 1.22 0.0066 0.001 0.053 0.26 0.031 0.0025 0.0042其余由铁和不可避免的冶金相关的杂质组成。
这一类型的钢，尤其是合金元素硼、锰、碳和任选地铬，并且钼被用作转化抑制剂。
具有下列的合金组成（所有数据以质量%计）的钢也适于本发明：
其余由铁和不可避免的冶金相关的杂质组成。
具有下列组成的钢已经被证明是特别适用的（所有数据以质量%计）：
其余由铁和不可避免的冶金相关的杂质组成。
调整作为转化抑制剂起作用的合金元素以可靠地实现淬火硬化，即以甚至在780℃以下以高于临界硬化速度的冷却速度迅速冷却。这意味着在这样的情况下是在锌/铁系统的转熔点之下进行工作的，即仅在转熔点以下施加机械应力。这同样意味着在施加机械应力时，可与奥氏体接触的液体锌相不再存在。
此外，在加热坯之后，可根据本发明提供在转熔点的温度范围内的保持相以使得在进行随后的成型程序之前加速并且提高锌涂层的凝固。
图1显示奥氏体化钢板有利的温度曲线；清楚的是加热至高于奥氏体化温度的温度之后，在冷却设备中经过相当量的时间已经达到了一定量的冷却。这之后是迅速的中间冷却步骤。采用至少15K/s，优选至少30K/s，甚至更优选至少50K/s的冷却速度进行中间冷却步骤。之后将坯转移至加压器并且进行成型和硬化。
图3显示裂缝形成上的差异。没有中间冷却时，形成延伸至钢材料中的裂缝；具有中间冷却时，仅在涂层中存在表面裂缝；然而这些不是关键的。
对于本发明，可靠地获得用于用锌或锌合金涂覆的钢板的便宜的热成型方法因此是可能的，其一方面导致淬火硬化而另一方面减少或消除导致元件损伤的微裂缝和宏观裂缝形成。
Claims (9)
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；将坯从所述用锌层或锌合金层涂覆的板冲压成型，将冲压成型的坯加热至≥AC3的温度并且如果需要保持在这一温度预定的一段时间以便促使奥氏体的形成，并且之后被加热的坯被转移至成型模具，在所述成型模具中成型并且在所述成型模具中以高于临界硬化速度的速度冷却并由此硬化，
其特征在于，
以延迟转化的方式调整所述钢材料以使通过将奥氏体转化为马氏体的淬火硬化在450℃至700℃的范围内；所述加热之后和所述成型之前，发生有效的冷却，其中所述坯或坯的部分以>15K/s的速度被冷却。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢材料含有元素硼、锰、碳以及任选地作为转化抑制剂的铬和钼。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用具有下列组成的钢材料（所有数据以质量%计）：
其余由铁和不可避免的冶金相关的杂质组成。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用具有下列组成的钢材料（所有数据以质量%计）：
其余由铁和不可避免的冶金相关的杂质组成。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将所述坯在熔炉中加热至>Ac3的温度并保持在这一温度一段预定时间，并且之后使得所述坯冷却至500℃至600℃之间的温度以便获得所述锌层的凝固，并且之后被转移至所述成型模具并且在其中成型。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，进行所述有效冷却以使所述冷却速度为>30K/s。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进行所述有效冷却以使所述冷却以大于50K/s发生。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，进行所述有效冷却通过用空气或者气体吹风、用水或其他冷却液体喷雾、浸没在水或其他冷却液体中的方式产生，或者所述有效冷却通过将较冷的固体元件靠着所述坯放置的方式产生。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述冷却工艺和/或将温度置于所述成型模具内通过感应器，特别地高温计，的方式来监测，并且所述冷却因此是受控的。
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