CN106794671B - 多层扁钢产品及由其制造的部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由多个互相连接的钢合金层(2，3a，3b，4a，4b)组成的多层扁钢产品(1)，其中在钢合金层(2，3a，3b，4a，4b)的至少一个中设置第一钢合金的钢并且在钢合金层(2，3a，3b，4a，4b)的至少另一个中设置与第一钢合金不同的第二钢合金的钢，其中第一钢合金的钢是高强度的钢并且第二钢合金的钢是较低强度和较低碳含量的钢。为了实现对所有方向上的局部材料性能的功能优化的建模，本发明提出至少在一个层(板材平面)内设置至少一个第一钢合金的钢和至少一个第二钢合金的钢。本发明还涉及一种特别用于机动车车身的由相应的扁钢产品(1)制成的部件(5)。

Description

多层扁钢产品及由其制造的部件
技术领域
本发明涉及一种由多个互相连接的钢合金层组成的多层扁钢产品，其中在钢合金层的至少一个中设置第一钢合金的钢并且在钢合金层的至少另一个中设置与第一钢合金不同的第二钢合金的钢，其中第一钢合金的钢是高强度的钢，并且第二钢合金的钢是具有(相比于第一钢合金的钢)较低强度和较低碳含量的钢。
本发明还涉及一种特别用于机动车车身的部件，该部件由相应的扁钢产品制成。
背景技术
术语“扁钢产品”在此理解为通过轧制工艺生产的钢板或钢带以及从其分割的扁坯等。
汽车制造领域中在碰撞事故中对乘客安全性的所提出的要求不断提高。同时，轻型结构是遵守法律规定的CO2极限值和使驾驶车辆所需的能量使用最小化的重要先决条件。同样地，对车辆使用者的舒适性提出了更高的要求，这导致车辆中的电子部件的比例提高并且由此导致车辆重量的增加。为了同时满足这些矛盾的要求，长期以来一直聚焦于汽车结构的车身结构的制造中的轻型设计上。
对于与碰撞安全性相关的汽车部件，这里特别使用这样的部件，其通过由锰-硼钢组成的扁钢产品的热成型以及随后的硬化制造。通过这个在专业用语中也称为加压硬化的制造方法可以产生部件，这些部件尽管具有最佳的薄的壁厚和因此伴随的最小重量但鉴于在碰撞的情况下的性能仍可以在车身中的特别敏感的点上使用。
应当指出，本发明不仅限于汽车结构，而是通常可以用于工业应用领域。在所有领域中，但特别是在汽车应用领域中，对部件关于其材料性能提出局部的不同的要求。材料特性例如是强度和延展性。“局部”表示在部件的第一区段上提出与第二区段不同的要求。由于这些要求甚至可以是相反的，具有单一构造材料，即，通常具有相同材料特性的解决方案最多是对所有提出的单独要求的折衷。因此，不仅在努力实现汽车结构中的轻型结构的过程中越来越多地使用定制材料，这些材料通过局部不同的材料性能能够例如通过减小板材厚度在其重量方面优化部件。然而，由此形成的轻型结构的实现还需要在单个部件区段内实现部分相反的材料性能。这意味着，为了前后一致的追求轻质结构，不仅在板材平面中，也即在纵向方向上(条带长度方向)和横向方向(条带宽度方向)上，而且在与之垂直的方向上(板材厚度方向)需要局部的不同的材料特性。
纵向方向在下文中还将称为X方向，横向方向也将称为Y方向并且板材厚度方向也将称为Z方向。
现有技术中已知，在部件的批量制造中通过例如定制坯料(冷成形或热成形)或定制回火(热成形)的方法在板材平面内能够调整局部的不同的材料性能。通过使用多层扁钢产品可以实现在板材厚度方向(Z方向)上的材料性能的功能优化的建模。
例如，DE 10 2007 022 453 A1描述了由多个相互连接的钢合金层与至少一个芯层组成的多层扁钢产品。在此，芯层应该由软的、能够良好变形的钢合金组成，然而扁钢产品的外层应该由最高强度的钢合金组成。
在2014年5月27日链接www.thyssenkrupp-steel-europe.com/en/presse/pressrelease.jsp？cid＝2778030下的新闻报道中，申请人公开了名为
Figure BDA0001261226190000021
的新产品-“用于热成形的三层复合钢”，它是具有相对高的碳含量的芯层和相对低的碳含量的外层的多层扁钢产品。扁钢产品用来制造用于机动车车身的部件，该部件经热成型和硬化。
发明内容
由此出发，本发明的目的在于，在扁钢产品中实现对局部材料性能，特别是在所有方向(板材平面，板材厚度)上的功能优化的建模。
在由多个互相连接的钢合金层组成的多层扁钢产品(扁钢复合材料)中，其中在钢合金层的至少一个中设置第一钢合金的钢并且在钢合金层的至少另一个中设置与第一钢合金不同的第二钢合金的钢，其中第一钢合金的钢是高强度的钢并且第二钢合金的钢是具有(相比于第一钢合金的钢)较低强度和较低碳含量的钢，之前引入和指出的目的这样实现，即，至少在一个层(板材平面)内设置至少一个第一钢合金的钢和至少一个第二钢合金的钢。
在最简单的情况下，在根据本发明的扁钢产品中，高强度的钢组成的层(即相对高碳含量的层)与具有相对较低强度和较低碳含量的钢组成的层交替，特别是在单个的层内，例如在芯层和分别一个外层(覆盖层)之间的中间层中交替，其中由具有高强度的钢组成的区段和由较低强度和较低碳含量的钢组成的区段互相交替。具有这种不同的钢合金或不同的碳含量的区段可以在纵向(X方向)和/或在横向(Y方向)和/或层结构方向(Z方向)上互相直接相邻地设置，也即可以互相邻接和/或交替。通过这种扁钢产品的热成型/加压硬化可以制造部件，该部件在不同的区段中具有例如关于强度和弯曲角度的不同的材料特性。
在本发明意义上，高强度的钢是由碳含量为至少0.2重量％，特别是最多0.65重量％的钢合金组成的钢，这些合金在最终(硬化)状态下具有至少1200MPa，特别是至少1350MPa，优选至少1450MPa的抗拉强度。在DIN EN 10083中例如定义为锰-硼钢。
根据本发明，以这种方式实现了在薄板坯的所有方向(板材平面，板材厚度)上的局部材料特性的功能优化的建模。在复合材料中调节的材料性能通过相互组合的复合配对物的选择以及其在板材平面和/或板材厚度方向上的比例和分布的选择来确定。为了制造这些复合材料，将具有恒定横截面的相关复合配合物的板坯、钢锭、钢坯、或板材(扁钢产品)互相堆叠并且特别是通过滚压包层互相连接。在板材平面中变化的复合特性的设定特别通过相关的复合配合物的不均匀分布来实现。
现在对本发明的扁钢产品的各种构造进行描述，这也是从属权利要求的主题。
在根据本发明的扁钢产品的一个设计方案中，具有高强度(即具有较高碳含量)的第一钢合金的钢的碳含量具有在0.20重量％-0.65重量％范围内，优选在0.20重量％-0.50重量％的范围内，特别优选在0.20重量％-0.45重量％的范围内的值，和/或具有低强度(即具有较低的碳含量)的第二钢合金的钢的碳含量具有低于0.20重量％的范围内，优选在0.02重量％-0.15重量％的范围内，特别优选在0.02重量％-0.11重量％的范围内的值。例如，第一钢合金的钢的碳含量可以为0.22重量％并且第二钢合金的钢的碳含量为0.10重量％。
在根据本发明的扁钢产品的另一设计方案中，其由奇数个钢合金层组成。优选地，根据本发明的扁钢产品由五个钢合金层组成。在后一种情况下，扁钢产品具有芯层，两个侧面上直接邻接的中间层以及每个中间层向外邻接的外层(覆盖层)。
优选地，扁钢产品具有由具有高强度(具有较高碳含量)的第一钢合金的钢的钢合金层组成的芯层。进一步优选地，在芯层的两侧上设置至少一个钢合金层，该钢合金层由至少一个具有低强度(具有较低碳含量)的第二钢合金的钢的钢合金层组成。例如，芯层可以完全由具有高强度(具有较高碳含量)的第一钢合金组成和/或外层(指两个组成外侧的覆盖层)可以完全由具有低强度(具有较低的碳含量)的第二钢合金组成。
在芯层和各个覆盖层之间的一个中间层或两个中间层中，由第一钢合金组成的区段和由第二钢合金组成的区段可以也即在X方向上和/或在Y方向上和/或在Z方向上互相交替或相邻设置，其中原则上在中间层中也可以完全只设置一种相同的钢合金。
如果这种扁钢产品在后来例如在制造部件例如机动车车身部件的过程中硬化，由不同钢合金组成的单个区段将这样获得不同的材料特性，即，单个的区段具有高的强度并且另外的区段具有较低的强度。如果使用具有较低强度的钢作为第二钢合金，在加压硬化过程中，在该区段中不具有或者仅存在轻微的硬化，相反，只有扁钢产品中的由可硬化钢组成的区段硬化。
如上所述，根据另一设计方案设置，具有高强度的第一钢合金的钢的至少一个钢合金层、特别是芯层和/或具有低强度的第二钢合金的钢的至少一个钢合金层、特别是至少一个外层完全由相同的钢组成。此外设置，包括第一钢合金的钢的至少一个钢合金层和包括第二钢合金的钢的至少一个钢合金层具有至少一个由各个其它钢合金的钢组成的区段。在此可以设想，由第一钢合金的钢组成的区段在纵向方向和/或横向方向上和/或在层结构的方向上邻接由第二钢合金的钢组成的区段。
在根据本发明的扁钢产品的另一设计方案中设置，芯层占扁钢产品厚度的30％-90％，特别是50％-80％。由根据本发明的扁钢产品制造的热成型/加压硬化的部件中优选芯层占部件钢板总厚度的30％-90％，特别是50％-80％。覆盖层与芯层的厚度比可以根据要优先考虑的本发明的扁钢产品的性能来确定。芯层优选原则上比任何其它单个层更厚。例如，在五层结构的情况下，芯层占50％，并且四个其它层中的每一个分别为部件的扁钢产品或钢板的总厚度的12.5％。相应的扁钢产品例如适合于汽车结构中的纵梁的半成品。芯层的厚度甚至可以选择为更大并且可以例如占部件的扁钢产品或钢板的总厚度的70％，其中于是其余四层例如分别占总厚度的7.5％。相应的扁钢产品例如可以用作汽车结构中的B柱的半成品。
在根据本发明的扁钢产品的另一设计方案中，所有钢合金层通过热轧或滚压包层分别与相应的一个或多个相邻的钢合金层材料结合地连接。
特别是实践中可用于芯层的钢或者第一钢合金的钢，除了铁和生产中不可避免的杂质外，通常由(以重量％计)
C：0.2％-0.5％，特别是0.2％-0.45％
Si：0.15％-0.8％，特别是0.2％-0.6％
Mn：1.0％-1.9％，特别是1.15％-1.7％
Al：0.002％-0.05％，特别是0.01％-0.04％
Cr：0.01％-0.5％，特别是0.02％-0.4％
Ti：0.01％-0.5％，特别是0.02％-0.3％
B：0.0002％-0.05％，特别是0.001％-0.02％组成。
杂质在此包括：P：最多0.03％，S：最多0.03％，Cu：最多0.1％，Mo：最多0.05％，N：最多0.02％，Ni：最多0.1％，Nb：最多0.2％，V：最多0.01％，Sn：最多0.03％，Ca：最多0.01％。
相反，本发明的扁钢产品的一个外层或两个外层或一个或两个中间层或者第二钢合金的钢通常由钢制成，该钢除了铁和生产中不可避免的杂质外，含有(以重量％计)
C：最多0.15％，特别是0.02％-0.11％
Si：最多0.7％，特别是0.01％-0.6％
Mn：0.10％-1.9％，特别是0.13％-1.8％
Al：最多0.6％，特别是0.001％-0.2％
Cr：最多0.6％，特别是0.025％-0.5％
Nb：最多0.5％，特别是0.002％-0.2％
Ti：最多0.5％，特别是0.02％-0.3％。
杂质在此包括：P：最多0.25％，S：最多0.15％，Cu：最多0.15％，Mo：最多0.05％，N：最多0.06％，Ni：最多0.15％，V：最多0.02％，B：最多0.01％，Sn：最多0.04％，Ca：最多0.03％。
该目的还通过一种特别是用于机动车车身的部件实现，该部件通过如上所述的扁钢产品的热成型/加压硬化制成。在热成型/加压硬化过程中，至少具有相对高碳含量的钢(即，第一钢合金的钢)硬化并且获得其高强度(在最终状态下)，例如至少1200MPa，特别是至少1350MPa，优选至少1450MPa的抗拉强度。这样的部件可以例如是机动车辆的纵梁或B柱。
因此，本发明的芯是优选至少五层的钢复合材料，其特别是包括由可硬化的钢材料组成的芯层。根据待制造的部件的实施方式并考虑在碰撞情况下要吸收的径向和/或轴向力，板组合/板坯组合根据需要组装并且热轧、如有必要冷轧、退火和/或表面处理到所需(最终)厚度。通过具有高和低强度，特别是具有不同碳含量的钢材料的组合，可以提供具有局部不同强度和弯曲角度的部件，这些部件可以在常规热成型生产线中制造，也即半成品完全奥氏体化和在冷却的工具中热成形和/或加压硬化。在(压制)硬化之后可以进行另外的退火。通过半成品中的材料组合，可以以有目的的方式设置具有不同性质的区域，而不必在热成型之前、期间或之后进行定制的回火。
附图说明
存在多种设计和扩展根据本发明的多层扁钢产品和根据本发明的部件的方式。在此，一方面参考权利要求1的从属权利要求，另一方面结合附图参考实施例的描述。附图中示出了：
图1a)和b)以剖面图示出了根据本发明的部件的实施例，
图1c)和d)示出了根据本发明的扁钢产品的实施例并且
图2以剖面图示出了根据本发明的扁钢产品的其他实施例。
具体实施方式
图1a)示意性地示出了用于机动车车身的部件5(例如B柱)的横截面，该部件通过相应的扁钢产品1的热成型/加压硬化制造。扁钢产品1例如在图1c)和d)以及2中示出。
图1b)示意性地示出了用于机动车车身的另一部件5，例如汽车纵梁。该部件5同样以已描述的方式由根据本发明的扁钢产品1制造。
部件5和基础的扁钢产品1由多个互相连接的钢合金层组成：芯层2，两个外部的覆盖层3a和3b以及分别设置在覆盖层3a和3b与芯层2之间的中间层4a和4b。因此，这里的部件5具有五层结构。
这里，芯层2由具有高强度(在最终状态下)与相对高的碳含量的可硬化钢组成，然而外层3a和3b不由可硬化钢组成或者由具有较低强度的仅能小幅硬化的钢组成，这些层具有比芯层2更低的碳含量。中间层4a和4b分别具有由具有相对低的碳含量的钢组成的区段4a.1和4b.1以及由具有相对高碳含量的钢组成的区段4a.2和4b.2。在芯层2以及中间层4a和4b的区段4a.2和4b.2中，碳含量具有例如在0.20重量％至0.65重量％的范围内的值并且特别为0.22重量％。在外层3a和3b以及中间层4a和4b的区段4a.1和4b.1中，碳含量具有例如小于0.20重量％的范围内的值并且特别小于0.15重量％。
在图1a)中的部件5中可以看到，下部区域中仅芯层2由具有高碳含量的可硬化钢组成，而下部区域中的其它层3a，3b，4a和4b由具有较低强度和较低的碳含量的钢组成。相应地适用于图1b)中的部件5的左边区域。各个部件5的其余的区域(图1a中部件5的上部区域)和图1b)中部件5的右边区域)这样构造，即，芯层2和中间层4a和4b在此由具有相对高碳含量的可硬化钢组成，而仅外层3a和3b由具有较低强度和低碳含量的钢组成。
此外可以看到，在图1a)中的部件5中，芯层2比图1b)中的部件5中更厚。图1a)中的厚度比(从左边的外层到右边的外层)为例如10：10：60：10：10。图1b)中的厚度比(从上面的外层到下面的外层)例如为12.5:12.5:50:12.5:12.5。
在两个实施例中，两个外层3a和3b的层厚相同。两个中间层4a和4b的层厚度在此也相同。特别地，外层3a和3b的层厚度与中间层4a和4b的层厚度相同。以上关于各个部件5的层厚度的陈述根据本发明同样适用于基础的多层扁平钢产品1的层厚度。这里，外层3a和3b和/或中间层4a和4b能够具有相等的厚度并且特别是比芯层2薄。
在图1c)中以立体图示出了扁钢产品1的示意图。图1d)示出了部件1的沿图1c)所示的切割线Id-Id的剖面的示意图(图1d)中的视图因此是从轧制方向或沿X方向观察的)。
在图1c)和1d)中的扁钢产品1中可以看到，在横向方向Y上，由具有高强度(在最终状态)的第一钢合金的钢组成的区段4a.1也邻接具有较低强度的第二钢合金的钢的区段4a.2并且该区段4a.2甚至又邻接由第一钢合金的钢组成的另一区段4a.1。相应地，这也适用于相应的另一个中间层4b。
在图1c中此外可以看到，在上部的层3a中，在这里例如不对称的区域中可以设置由不同钢合金组成的区段。这些对称或不对称的区段也可以设置在一个或多个其它层中，例如在下层3b中。
最后，图2示意性地示出了扁钢产品1的其它变体，其中可以看到，芯层和每个中间层分别可以由不同的钢合金的区段组成。在此，其中一些区段具有相对高碳含量的可硬化钢，而其它区段具有相对低碳含量的钢。芯层的单个区段用“K0...K9”标记，中间层的各个部分用“Z1.0...Z1.9”和“Z2.0...Z2.9”标记。覆盖层在这里由“D1”和“D2”标记并且总是完全地由相同的钢合金组成。

Claims (20)

1.一种由多个互相连接的钢合金层(2，3a，3b，4a，4b)组成的多层扁钢产品(1)，其中在钢合金层(2，3a，3b，4a，4b)的至少一个中设置第一钢合金的钢并且在钢合金层(2，3a，3b，4a，4b)的至少另一个中设置与第一钢合金不同的第二钢合金的钢，其中第二钢合金的钢比第一钢合金的钢强度低且碳含量低，其特征在于，至少在一个层内设置至少一个第一钢合金的钢和至少一个第二钢合金的钢，其中由所述第一钢合金的钢组成的区段在纵向方向和/或横向方向上邻接由第二钢合金组成的区段。
2.根据权利要求1所述的扁钢产品(1)，其特征在于，所述第一钢合金的钢的碳含量具有在0.20重量％-0.65重量％范围内的值，和/或第二钢合金的钢的碳含量具有＜0.20重量％的范围内的值。
3.根据权利要求1所述的扁钢产品(1)，其特征在于，所述第一钢合金的钢的碳含量具有在0.20重量％-0.50重量％的值，和/或第二钢合金的钢的碳含量具有0.02重量％-0.15重量％的值。
4.根据权利要求1所述的扁钢产品(1)，其特征在于，所述第一钢合金的钢的碳含量具有在0.20重量％-0.45重量％的值，和/或第二钢合金的钢的碳含量具有0.02％-0.11％重量的值。
5.根据权利要求1-4之一所述的扁钢产品(1)，其特征在于，所述扁钢产品(1)由奇数个钢合金层(2，3a，3b，4a，4b)组成。
6.根据权利要求1-4之一所述的扁钢产品(1)，其特征在于，所述扁钢产品(1)由五个钢合金层(2，3a，3b，4a，4b)组成。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的扁钢产品(1)，其特征在于，所述扁钢产品(1)具有由具有第一钢合金的钢的钢合金层组成的芯层(2)。
8.根据权利要求7所述的扁钢产品(1)，其特征在于，至少一个钢合金层(3a，3b，4a，4b)设置在所述芯层(2)的两侧，所述至少一个钢合金层由至少一个具有第二钢合金的钢的钢合金层(3a，3b，4a.1，4b.1)组成。
9.根据前述权利要求1-4中任一项所述的扁钢产品(1)，其特征在于，至少一个具有第一钢合金的钢的钢合金层(2，4a，4b)和/或至少一个具有第二钢合金的钢的钢合金层(3a，3b，4a，4b)完全由相同的钢组成。
10.根据前述权利要求7所述的扁钢产品(1)，其特征在于，芯层(2)和/或至少一个外层(3a，3b)完全由相同的钢组成。
11.根据前述权利要求1-4中任一项所述的扁钢产品(1)，其特征在于，至少一个具有第一钢合金的钢的钢合金层(2，4a，4b)和/或至少一个具有第二钢合金的钢的钢合金层(3a，3b，4a，4b)具有至少一个由各个其他钢合金的钢组成的区段(4a.1，4a.2，4b.1，4b.2)。
12.根据权利要求11所述的扁钢产品(1)，其特征在于，由第一钢合金的钢组成的区段(4a.2，4b.2)在纵向方向(X)和/或横向方向(Y)和/或板材厚度方向(Z)上邻接由第二钢合金的钢组成的区段(4a.1，4b.2)。
13.根据权利要求7所述的扁钢产品(1)，其特征在于，所述芯层(2)占所述扁钢产品(1)的厚度的30％-90％。
14.根据权利要求13所述的扁钢产品(1)，其特征在于，所述芯层(2)占所述扁钢产品(1)的厚度的50％-80％。
15.根据前述权利要求1-4中任一项所述的扁钢产品(1)，其特征在于，所有钢合金层(2，3a，3b，4a，4b)通过热轧互相材料配合地连接。
16.根据前述权利要求1-4中任一项所述的扁钢产品，其特征在于，所述第一钢合金由钢制成，所述钢除了铁和生产中不可避免的杂质之外含有以重量％计的：
C：0.2％～0.5％，
Si：0.15％～0.8％，
Mn：1.0％～1.9％，
Al：0.002％～0.05％，
Cr：0.01％～0.5％，
Ti：0.0020％-0.5％和
B：0.0002％～0.05％。
17.根据权利要求7所述的扁钢产品，其特征在于，所述芯层(2)由钢制成，所述钢除了铁和生产中不可避免的杂质之外含有以重量％计的
C：0.2％～0.45％，
Si：0.3％～0.6％，
Mn：1.1％～1.5％，
Al：0.001％-0.04％，
Cr：0.01％～0.45％，
Ti：0.002％-0.2％和
B：0.002％-0.01％。
18.根据前述权利要求1-4中任一项所述的扁钢产品，其特征在于，所述第二钢合金由钢制成，所述钢除了铁和生产中不可避免的杂质之外还含有以重量％计的：
C：最多0.15％，
Si：最多0.7％，
Mn：0.10％～1.9％
Al：最多0.6％，
Cr：最多0.6％，
Nb：最多0.5％和
Ti：最多0.5％。
19.根据权利要求18所述的扁钢产品，其特征在于，一个或两个外层(3a，3b)由钢组成，所述钢除了铁和生产中不可避免的杂质之外还含有以重量％计的
C：0.02％～0.11％，
Si：0.01％～0.6％，
Mn：0.13％～1.8％，
Al：0.001％～0.2％，
Cr：0.025％～0.5％，
Nb：0.002％-0.2％和
Ti：0.02％～0.3％。
20.一种用于机动车车身的部件(5)，所述部件通过前述权利要求中任一项所述的扁钢产品(1)进行热成型/加压硬化制造。
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