CN105518177A - 从铝-硅到钢板的向内扩散 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将铝-硅(Al-Si)扩散到铝-硅镀层的钢板表面中的装置与方法。钢板先被传送至可被加热到扩散温度的炉，然后非接触地穿过加热至扩散温度的炉。在这个过程中，钢板被加热至扩散温度，其中，Al-Si扩散至钢板表面中。Al-Si扩散至其表面中的钢板接着以小于大约25K/sec的速率被冷却。

Description

从铝-硅到钢板的向内扩散
技术领域
本发明涉及一种用于将铝-硅(Al-Si)扩散到铝-硅镀层的钢板表面中的装置与方法，在其中，通过扩散产生高熔点的铝-硅-铁合金。
背景技术
在现有技术中，在不同行业的许多应用中，存在对具有轻质量特性的高强度的金属板元件的需求。例如在汽车工业中，努力降低机动车燃料的消耗量及减少二氧化碳的排放量，并与此同时提高乘员的安全性。因此，对具有良好的强度质量比的车身部件的需求越来越多。特别是A柱和B柱、门里的侧面冲撞保护架、增音器、框架件、保险杆捕捉器、用于底板与顶盖的横梁、前部与后部纵梁属于这类部件。在现代机动车中，配有保护外壳的车身通常由具有强度为大约1.55Mpa的硬化钢板构成。
这可通过所谓的加压淬火的工艺来完成。在此，钢板件被加热到大约800-1000℃，接着在冷却的模具中成形并淬火。部件的硬度由此提高到大约三倍。
出于工艺安全性与经济性的考虑，需使用用于热处理的连续式加热炉。其中，待处理的金属部件被连续传送并穿过炉。替选地，还可使用箱式炉，其中，金属部件被成批地送入箱式炉中，并在此处加热，接着又被取出。
加压淬火基本上分为直接方法和间接方法。
在间接方法中，板坯由钢板带模压制成、冷却成形，随后这样预成形的部件被运送去热处理。在经过热处理之后，热的部件被运送去压床(Presse)，在间接冷却的模具中加压淬火。接着，部件再次被修整，并被喷砂从而除去可能存在的铁鳞(Verzunderungen)。
在直接方法中，板坯同样由钢板带模压制成，不过没有经过预成形，而是直接将板坯传送到炉中。在经过热处理之后，热的板坯被运送去压床，并在间接水冷却的模具中成形，同时加压淬火。接着，如必要则部件将再次被修整。
出于工艺安全性与经济性的考虑，针对这两种方法，使用所谓的滚平炉。被称为步进式加热炉，例如可作为替选的炉构造形式，其中，金属件借助于起重横梁运输通过炉。多层箱式炉也变得越来越重要。
由于部件在间接过程中被预成形，考虑到其结构的复杂性必须在承物载体上被传送通过炉或被置于炉腔中。此外，针对这种方法的连续式加热炉通常配备有进出口闸门，因为在间接方法中未镀层的部件必须进行热处理。为了避免部件表面铁鳞，必须使用带有保护气体的炉。进出口闸门用于避免气体进入炉。针对这种方法的箱式炉同样配备有闸门。然而，在该炉构造形式中也可以是，针对每个循环而交换炉式箱中的环境。针对这种方法的连续式加热炉必须配备有承物载体返回传送系统，从而保证货物的循环运输。在炉中采用陶瓷传送辊。只有进出料台及承物载体返回传送装置配备有金属传送辊。
在针对直接方法的连续式加热炉中不需要使用承物载体。因此，构造会比针对间接过程的连续式加热炉更简单。代替借助于承物载体传送，板坯在直接方法中直接被放置在陶瓷传送辊上并被传送通过炉。运行炉时，可以有保护气体也可没有。在此，炉外壳也是按照标准气密地被焊接。这种结构形式另一个优点是传送辊在均匀加热待处理的金属部件方面的积极影响：待处理的金属部件借由已加热的固定式辊穿过炉加热装置，通过辐射与热传导被加热，由于金属部件在辊上进行运输，因此与辊直接接触的金属部件进一步被加热。除此之外，炉在运行时能量消耗明显更低，因为没有承物载体，其在出了炉之后的回运过程中会冷却，所以在重新运入炉时必须再次被加热。因此优选地，采用直接方法时使用连续式加热炉。
在汽车构造中使用的板应尽可能不生锈。加工过程中的铁鳞也应避免，因为到了再加工过程时，最晚在焊接或涂漆过程之前，必须将铁鳞除掉，但十分费事且费用昂贵。但由于未处理的钢板在需要的高温下加压淬火时，因氧气的存在，生锈是不可避免的，所以通常使用镀层板，和/或热处理过程在没有氧气的情况下进行。
通常情况下，在汽车产业中，铝-硅(Al-Si)镀层板被用于固化成形的部件。镀层避免了板生锈，也避免了在热板在由炉到压床过程中产生的铁鳞。Al-Si涂层在将板坯加热到淬火温度时扩散至钢表面中，并保护母体金属避免生成铁鳞。使用硼合金调质钢作为母体金属，例如22MnB5(材料编号1.5528)或30MnB5(材料编号1.5531)。
在上述的辊式炉中的直接加压淬火工艺的一个显著缺点在于，Al-Si镀层板坯直接放置在陶瓷传送辊上，这将导致Al-Si镀层与陶瓷辊之间发生强烈的热化学反应。所述方法的另一个显著缺点在于周期时间，绝大部分炉时间将消耗在Al-Si在表面熔化的过程中和Al-Si在基材表面扩散的过程中，由此，达到理想的焊接、腐蚀与涂漆附着力的特性。
当前在辊式炉中所使用的辊为由烧结莫来石(3Al2O3·2SiO2)制成的空心辊及由石英制成的实心辊。石英辊由超过99％的SiO2构成，且使用限制为约1100℃，这将带来如下缺点：石英辊在大约700℃到800℃时由于自重而弯折。由烧结莫来石制成的辊在使用时可承受接近1350℃的温度，而不会导致明显的弯折。这两种材料的显著优点是对温度变化的高稳定性。不过，这两种材料都具有非常高的亲合性，可与熔融的铝反应生成不同的硅酸铝甚至是硅化物。在加热到扩散需要的大约930℃，通过Al-Si镀层导致经过在大约670℃时的镀层熔融阶段。镀层短暂的熔化导致炉辊上遭受极大的损害，且会在不利的情况下几天内被损坏。
发明内容
本发明的目的是提供可避免所述缺点的一种方法和一种装置，使铝-硅可扩散到钢板表面中，并通过经这样处理过的钢板制造出在加压淬火工艺中固化成形的钢板部件。
根据本发明，所述目的通过具有独立权利要求1中的特征的方法解决。从属权利要求2-8中为所述方法的有利的扩展方案。此外，所述目的可通过根据权利要求9的装置解决。从属权利要求10-16中为该装置的有利的实施例。
根据本发明的用于扩散Al-Si到Al-Si镀层的钢板表面中的方法，其特征在于下述步骤：
首先，钢板被运送至可加热到扩散温度的炉，随后，无接触地穿过所述加热到扩散温度的炉。在此，钢板被加热到扩散温度，其中，Al-Si扩散到钢板的表面中。同时，基体钢板中的铁也扩散到钢板的表面的Al-Si镀层中。在钢板表面上形成高熔点的铝-硅-铁合金。接着钢板以小于大约25K/sec的速率冷却，从而产生铁素体或珠光体结构。在此产生了经过处理的钢板，从中可制造出在之后的处理步骤中借助于加压淬火工艺固化成形的钢板部件。例如，首先可在模压过程中由已处理的软钢板切割成钢板坯，其针对加压淬火工艺例如在一般的辊式炉中可被加热至马氏体形成的温度，而无需经过Al-Si的液体状态，也就不会损坏辊式炉中的棍。
在所述方法的一个有利的实施例中，Al-Si扩散至两侧具有Al-Si镀层的钢板的两个表面中。
有利地，钢板直接从第一钢板卷中展开。在此，这种盘卷形式符合钢板通常的运输形式。
此外，有利的是，钢板在穿过炉并缓慢地冷却至铁素体或珠光体结构可形成的温度之后，缠绕在第二钢板卷上。通过缠绕使得Al-Si的扩散与下个工艺步骤分开，如板坯切边，使得循环工作时间不必彼此互相影响。然而替选地，在本发明的方法中预处理好的钢板也可马上进行进一步加工，其中，可以取消缠绕到第二钢板卷的过程。
在另一个有利的实施例中，钢板在第一炉部分中加热到扩散温度。在达到所需的扩散时间和达到可能的用于实现特定的期望的物理参数的最终退火之后，钢板在同一炉的第二炉部分中，在Al-Si扩散到钢板表面中之后，冷却到铁素体或珠光体结构可形成的温度。在此，冷却速度小于25K/sec。因此，随后在模压过程中进行单层板坯的切割加工成为可能。为了更好的处理，钢板可紧接着冷却到处理温度。
在一个特别有利的实施例中，钢板在热空气垫上无接触地穿过炉。在此，热空气同样具有扩散温度，使得Al-Si扩散到钢板的两侧中。钢板在穿过炉过程中浮在热空气垫上，使得熔融的Al-Si不会与如棍或起重横梁的载物设备发生有害反应。
在一个替选的实施例中，钢板通过施加拉力穿过炉。在此，拉力通过牵引装置实现，如被驱动的第二卷取机，在其上已处理的钢板缠绕成卷，与制动的第一卷取机(Haspel)相连，未处理的Al-Si镀层钢板从其中展开。在此，钢板随着绳线穿过炉，其中，绳线例如在第一卷取机的卷出点和第二卷取机的卷入点之间依靠施加的拉力和卷入卷出点垂下。在此，不需要用于产生热空气垫的装置。然而，这种绳索传动方法也可与热空气垫方法结合。这是特别有利的，例如，如果要快速穿过炉，这时需要同时保持扩散时间、可能的最终退火时间与缓慢冷却过程三者之间的稳定，其中，冷却过程以小于25K/sec的冷却速度冷却至铁素体或珠光体结构可形成的温度，选择更长的炉长度。当炉长度更长时，在钢板上施加的拉力就会变大。通过与热空气垫的结合，拉力反之会变小。
在另一个特别有利的实施例中，炉基本上是垂直放置的。在此，钢板非常有利地由上至下穿过炉。运输方向在涉及温度控制方面具有优点，因为扩散温度较高的第一炉区域位于温度较低第二炉区域之上，在较低温度下形成铁素体或珠光体结构。选择钢板的由下至上的运输方向也是可行的。
本发明的用于将Al-Si扩散至Al-Si镀层的钢板的表面中的装置，其特征在于，该装置包括炉，其中，所述炉具有可加热到扩散温度的第一区域，其中，Al-Si镀层的钢板无接触地穿过炉。可由这样处理过后的钢板在加压淬火过程中制造出固化成形的钢板部件。
在一个有利的实施例中，炉包括用于产生热空气垫的装置，在热空气垫上钢板可无接触地穿过炉。在此，热空气同样具有扩散温度，使得Al-Si可扩散到钢板两侧中。在此，钢板在穿过炉的过程中浮在热空气垫上，使得像辊或起重横梁的载物设备不会与熔融的Al-Si发生有害反应。
在另一个有利的实施例中，炉包括作为用于产生热空气垫的装置的热空气喷管。
在一个替选的实施例中，炉包括用于施加拉力到钢板上的装置，从而使钢板无接触地穿过炉。在此，钢板保持张力，使得其至少不会过度下垂以致于接触到炉。绳索传递装置也可与热空气垫方法相结合。这会特别有优势，当炉特别长时，尽管施加有拉力，钢板可能会过度下垂。在此，在热空气垫与绳索传递装置结合时，拉力也可以被减小，从而在钢板上不需要施加张力或只需要施加很小的张力。
在另一个特别有利的实施例中，炉基本上是垂直放置的。在此，Al-Si镀层的钢板由上至下无接触地穿过炉，而不需要热空气垫或绳索传递装置。尽管如此，这个实施例也可与施加拉力的方法和/或热空气垫方法相结合，其中，热空气垫可存在于钢板两侧。
此外，有利的是，当炉进一步包括在钢板的运输方向上位于第一炉区域之后的第二炉区域时，在此，钢板穿过第二炉区域时以小于25K/sec的速率冷却至可形成铁素体或珠光体结构的温度。通过设置第二炉区域，钢板可被冷却到这个温度，其中，冷却速率工艺可靠地保持小于25K/sec。在此，形成铁素体或珠光体结构，使得稍后的在模压过程中切割单层板坯成为可能。
在一个有利的实施例中，所述装置进一步包括：用于将运送钢板到炉的输入装置；用于从炉中拉出钢板的输出装置。输入装置与输出装置将张力施加到钢板上，使得其不至于太下垂，且使拉力不会超过绳的抗拉强度，即，当炉水平方向上布置时。
此外有利的是，输入装置具有第一卷取机且输出装置具有第二卷取机。在此，作为钢板带运输形式的卷在第一卷取机上绷紧。第二卷取机将已处理的钢板带缠绕成了卷。也可取消第二卷取机，即，当已处理的钢板带应立马进行进一步加工时，如进入模压装置中。为了减少可扩散的氢键，需要使用低露点的炉，如-70℃到10℃，特别是大约5℃到10℃。
附图说明
在从属权利要求和下文优选的基于附图的实施例的描述中给出本发明的其它优点，特点和与本发明目的相一致的扩展方案。附图中：
图1为水平方向上的根据本发明的装置；
图2为垂直方向上的根据本发明的装置。
具体实施方式
图1示出了在水平方向上的根据本发明的装置。所述装置包括第一卷取机210，带有位于其上的钢板卷310。第一钢板卷310由缠绕的带状的Al-Si镀层的钢板300构成。钢板300通过顺时针转动第一卷取机210被展开并送入炉100中。在此，输入设备除了第一卷取机还具有输送辊(未示出)。炉100具有第一炉部分，其可加热到Al-Si镀层可扩散到钢板300表面中的温度。同时，基体钢板中的铁也会扩散到Al-Si中。在钢板表面上产生高熔点的铝-硅-铁-合金。在此，炉通过加热装置150及热空气垫165被加热，热空气垫通过热空气喷嘴160在钢板下方形成。钢板300在穿过炉100时无触碰地浮在热空气垫165上。在此不需要其它的承载或运送部件，如辊等。由此，熔融的Al-Si不与承载或运送零件发生有害反应。加热装置160为煤气灯。也可以考虑电红外线加热或热空气加热。第一炉区域的长度取决于钢板300的传送速率，使得钢板被加热至如930℃到950℃的扩散温度，且留出所需的扩散时间。同样要考虑到在确定第一炉区域110长度时可能的最终退火时间。在钢板传送方向上，紧接着第一炉区域110是第二炉区域120。确定第二炉区域的温度控制(Temperaturführung)与第二炉区域的长度，使得钢板以小于25K/sec的冷却速率冷却至可产生铁素体或珠光体结构时的温度，紧接着可将由钢板组成的板坯进行模压。
接着在第二炉区域120为具有第二卷取机220的牵引装置。第二卷取机220同样顺时针转动，由此，已处理的钢板又被缠绕成第二卷320。除了第二卷取机220，牵引装置还包括输送辊(未示出)。
图2示出了垂直方向上的根据本发明的装置。炉100作为塔在垂直方向上放置。钢板300由上至下穿过炉100。通过垂直的构造形式，不需要采用热空气垫或绳索传递装置就可以使钢板无接触地穿过炉100。由上至下的传送方向简化炉中的温度控制，因为低温的第二炉区域120位于被加热的第一区域100炉之下。因为不需要热空气垫，炉100两侧设置加热装置150，从而均匀地加热钢板带300的两侧。和水平放置的情况下一样，可以选择如煤气灯或者热空气加热装置或者电辐射加热。
钢板300的输入牵引装置与水平的实施例的构造类似。
在此示出的实施例仅为本发明的例子并且不应限制性地被理解。本领域技术人员所考虑的其它实施例也同样包括在本发明的保护范围之内。
附图标记说明
100炉
110第一炉区域
120第二炉区域
150加热装置
160热空气喷管
165热空气垫
210第一卷取机
220第二卷取机
300钢板
310第一钢板卷
320第二钢板卷

Claims (16)

1.一种用于将铝-硅(Al-Si)扩散到铝-硅镀层的钢板(300)表面中的方法，其中，固化成形的钢板部件可由经过处理的钢板(300)通过加压淬火工艺制造，其特征在于，包括下述步骤：
a.输送钢板(300)至可被加热至扩散温度的炉(100)；
b.Al-Si镀层的钢板(300)无接触地穿过被加热至扩散温度的炉(100)，在此过程中，钢板(300)被加热到扩散温度，且Al-Si扩散至钢板(300)的表面中；
c.Al-Si已扩散至表面中的钢板(300)以小于大约25K/sec的速率冷却至马氏体温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
钢板(300)两侧镀有Al-Si，且Al-Si扩散至两侧中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
钢板(300)从第一钢板卷(310)中抽出。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
钢板(300)在穿过炉(100)并冷却至可产生铁素体或珠光体结构的温度之后，缠绕到第二卷取机(320)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
钢板(300)在第一炉部分(110)中加热至扩散温度，并在同一炉的第二炉部分中在Al-Si扩散至钢板(300)表面中之后以小于25K/sec的冷却速率冷却至可产生铁素体或珠光体结构的温度范围。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
钢板(300)在热空气垫(165)上无接触地穿过炉(100)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
钢板(300)借助于施加拉力被引导穿过炉(100)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
炉(100)基本上是垂直放置的，且钢板(300)由上至下穿过炉(100)。
9.一种用于将铝-硅(Al-Si)扩散到铝-硅镀层的钢板(300)表面中的装置，其中，由已处理过的钢板(300)可制造出在加压淬火工艺中固化成形的钢板部件，其特征在于，
所述装置包括炉(100)，其中，炉(100)具有可被加热至扩散温度的第一区域(110)，其中，Al-Si镀层的钢板(300)可无接触地穿过炉(100)。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，
炉(100)具有用于产生热空气垫(165)的装置，在其上钢板(300)可无接触地穿过炉(100)。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，
炉(100)具有用于产生热空气垫(165)的热空气喷管(160)。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的装置，其特征在于，
炉(100)包括用于将拉力施加到钢板(300)上的装置，从而无接触地传送钢板(300)穿过炉(100)。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的装置，其特征在于，
炉(100)基本上是垂直放置的，其中，Al-Si镀层的钢板(300)可无接触地由上至下穿过炉(100)。
14.根据权利要求9-13中任一项所述的装置，其特征在于，
炉(100)进一步包括在钢板(300)的穿过方向上位于第一炉区域(110)之后的第二炉区域(120)，其中，钢板(300)穿过第二炉区域(120)时以小于25K/sec的速率冷却至可形成铁素体或珠光体结构的温度范围。
15.根据权利要求9-14中任一项所述的装置，其特征在于，
所述装置进一步包括：传送钢板(300)至炉(100)的输入装置；和用于从炉(100)中拉出钢板(300)的牵引装置。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，
输入装置可包括第一卷取机(210)，牵引装置(220)包括第一卷取机(220)。
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