CN109996899B - 用于承载材料的涂层、用于制造复合部件的核心部分、复合部件和用于制造复合部件的方法 - Google Patents

用于承载材料的涂层、用于制造复合部件的核心部分、复合部件和用于制造复合部件的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于由钢材料构成的承载材料的涂层(104)，用来与铝材料连接，所述涂层(104)具有核心部分侧的第一子层(106)和外侧的第二子层(108)，其中，所述涂层(104)具有平均大约1重量％至大约10重量％的硅(Si)、铁(Fe)和余下的铝(Al)；所述第一子层(106)具有至少大约42重量％的铁(Fe)、至少大约11重量％的硅(Si)和至多大约45重量％的余下的铝(Al)；所述第一子层(106)具有至多大约3.5μm、特别是至多大约3μm的厚度；所述第二子层(108)具有大约1重量％至大约10重量％的硅(Si)、特别是大约7重量％至大约10重量％的硅(Si)和余下的铝(Al)；所述第二子层(108)具有大约5mm至大约95mm的厚度。一种用于制造复合部件的核心部分(100)，所述核心部分(100)具有钢材料的承载材料(102)和这种涂层(104)。一种复合部件，其中，所述复合部件具有根据这种核心部分(100)和铝材料构成的与所述核心部分(100)连接的外部部分。一种用于制造这种复合部件的方法。

Description

用于承载材料的涂层、用于制造复合部件的核心部分、复合部 件和用于制造复合部件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于由钢材料构成的承载材料的涂层，用来与铝材料连接，该涂层具有核心部分侧的第一子层和外侧的第二子层。本发明还涉及一种用于制造复合部件的核心部分。此外，本发明涉及一种复合部件。另外，本发明涉及用于制造复合部件的方法。
背景技术
由DE 10 2004 031 164 A1已知一种用来由浇铸体和铸造材料制造复合体的方法。这里提出了一种由两个层构成的涂层系统。这两个层具有不同的组分和熔点温度。两个层采用喷涂法以液滴形式涂覆，其中，可以通过两个层的组分的独立的凝固来产生一种接合的或混合的层结构。大多靠近构件的第一层通过喷涂液态金属合金予以涂覆，该金属合金优选由Fe构成，或者由含有2～99重量％Fe的Fe合金比如FeCr构成。该第一层具有较高的熔点温度。连接是纯粹的金属化合。第二层大多在第一层以上，但也可位于第一层内部，该第二层同样通过喷涂低熔点的金属合金予以涂覆。该合金可以是Al、AlSi12、Al+Cu、特别是AlCu25-45，或者是Al+Mg、特别是AlMg20-80，或者是Al+Zn、特别是AlZn>60。这种双组分的涂层如下起作用：在用铸造金属比如Al铸造合金重铸浇铸体时，低熔点的第二合金层熔化，并与Al铸件混合和连接。由于这两个层从构造上相互接合和混合，在第二层已熔化并且第一层仍在那里之后，在铸造金属与第一涂层之间产生了一种微观的形状配合，该第一层也与基底金属/浇铸体连接。
在热成型技术领域中，已知使用Al-Si涂层。Al-Si涂层在此一方面应防止奥氏体化(大约900℃)时钢起皮，另一方面要保护钢在日常使用中免于腐蚀。该涂层基于由FR 2758 571 A1已知的涂层。在FR 2 758 571 A1中提出，在两侧给钢板各涂上一个层。在此，在第二子层上面产生第一子层，第一子层含有95～98重量％的Al和不到4重量％的铁。第二子层具有40～65重量％的Al、30～50重量％的Fe和3～12重量％的一种或多种元素，这些元素的原子直径处于Fe的原子直径的15％以内。此外介绍了一种方法，在该方法中，把钢板浸入到含有88～95重量％的Al和7～12重量％的其它元素的熔体中，以便产生第二子层。在去除多余的合金之后，剩下了3-7μm厚的第二子层。随后把钢板浸入到Al熔体中，以便产生第一子层。因而执行了两个单独的处理步骤。
由EP 1 013 785 A1已知一种涂层，其可以用于钢板材料的热成型，以避免氧化、脱碳和腐蚀。该涂层是Al或Al合金，且可以形成基于Al、Fe和Si的金属间的化合物。该涂层由9～10重量％的Si；2～3.5重量％的Fe和余下的Al及杂质构成，并且厚为5-100μm。该层也可以含有2～4重量％的Fe和余下的Al及杂质，并且厚度在15-100μm之间。还要通过700℃以上的热处理来产生最终的涂层，其中，在钢表面上产生基于Al、Si和Fe的金属间的合金化的连接部，其保证了防护，以免钢的腐蚀、脱碳。该层可以含有各种不同的相，这些相与热处理有关，并且具有可以超过600HV的大的硬度。此外，该层在高温情况下可以具有有利于钢板热成型的润滑功能。700℃以上的所述热处理通过钢板的热成型处理条件得以实现。该涂层用于在钢板热成型或热处理时使用。
已知的这些涂层在产生可热成型的钢板时使用，并且由ArcelorMittal公司称为
Figure GDA0003162528180000021
1500，或者由thyssenkrupp公司称为
Figure GDA0003162528180000022
1500。在此采用了大约20-30μm的层厚度及7～11％的Si和余下的铝。靠近钢的第一层的层厚度通常为5-7μm，而第二层的厚度约为25μm。在带有涂层过程的制钢之后，才通过后续的热处理将该涂层转变为金属间的基于Al-Fe-Si的连接部。
在950℃的热处理之后，涂层的外表面具有7～11重量％的Si，Al-含量从大约50重量％首先减小至大约30重量％，随后又增加至50重量％，并且朝向钢界面又减小。
基础科学研究表明，在把钢置入件浸入到Al熔体中时，在钢与铝之间的在这种情况下产生的连接以多种多样的金属间的相(IMP)进行。基于钢(α-Fe)，可以按η-Al5Fe2，Θ-Al3Fe，α-Al或者α-Fe，η-Al5Fe2，Θ-Al3，Fe，αc-AlFeSi顺序产生，这在Al熔体(α-Al)凝固时结束。在此，几乎全部的层都因晶格对称性低而非常脆。仅仅相αc-AlFeSi由于立体的晶格结构而可以延展。
由出版物“H.Springer,A.Kostka,E.J.Payton,D.Raabe,A.Kaysser-Pyzalla,G.Eggeler,On the formation growth of intermetallic phases duringinterduffsion between low-carbon steel and aluminium alloys.Acta Materialia59,2010,p 1586-1660”已知，在把钢浸入到Al熔体中时，由于过程的动态性，始终都首先形成脆的Al富集的金属间的相。更具延展性的IMP很难产生，并且如果还可能的话也在最后才产生。
Al合金的组分在IMP层的生长中、进而对于IMP层的厚度起到关键作用。而科学出版物的论断却并不一致。Springer发现，Al熔体中的Si会减缓IMP层的生长，而在钢和Al之间的扩散退火情况下会加速IMP-层的生长，然而由出版物“M.Suehiro,K.Kusumi,T.Miyakoshi,J.Maki,and M.Ohgami,Nippon Steel Report No.88,Nippon Steel,Tokyo,Japan,2003.”和“F.Jenner,M.E.Walter,R.lyenger and R.Hughes,Evolution ofPhases,Microstructure,and Surface Roughness during Heat Treatment ofAluminized Low Carbon Steel,Metallurgical and Materials Transactions A,41A,June 2010,p.1554-1563”已知，Si通常会减缓IMP的层生长。
发明内容
本发明的目的在于，对开篇所述的核心部分在构造上和/或功能上加以改善。此外，本发明的目的在于，对开篇所述的复合部件在构造上和/或功能上加以改善。另外，本发明的目的在于，对开篇所述的方法加以改善。特别地，本发明的目的在于，提出方法和涂层，借此对于钢-铝复合铸件能在钢与铝之间在强度足够的情况下产生可延展的材料配合的连接，这种连接也很少附带散差，并且能经受住动态的负荷，从而可以在汽车制造和类似领域中实现真正的应用。在此，该涂层于是也应可以类似的方法比如钎焊和焊接中用于连接钢和铝。在此利用了近50年来的基础科学研究，并且首创性地提出了如下构思：通过相应的涂层工艺由Fe、Al和Si产生一种多层系统，其尤其具有很薄的可延展的层。在此，尤其要产生一种Fe-Al-Si层，其具有优异的晶格结构，即尽可能高的晶格对称性，因为其具有更多的位错滑移系统(Versetzungsgleitsysteme)，因此能够可延展地变形。
该目的通过一种具有权利要求1的特征的涂层得以实现。此外，该目的通过一种具有权利要求3的特征的核心部分得以实现。另外，该目的通过一种具有权利要求6的特征的复合部件得以实现。该目的还通过一种具有权利要求11的特征的方法得以实现。此外，该目的通过一种具有权利要求13的特征的方法得以实现。特别有利的设计和改进是从属权利要求的主题。
核心部分可以用于接纳铝材料的外部部分。核心可以具有表面。涂层可以布置在该表面上。核心可以部分地或完全地用涂层覆层。涂层可以用来通过连接工艺与待同核心部分连接的铝材料形成连接区。涂层可以具有至少两个子层。第一子层可以直接设置在钢材料的核心上。第一子层可以设置在核心与第二子层之间。第二子层可以设置在第一子层上。涂层的合金元素可以逐层地不同地分布。合金元素的平均丰度可以与在第一子层和第二子层上的涂层的总厚度相关。第一子层的合金元素可以至少近乎均匀地或者非均匀地分布。第二子层的合金元素可以至少近乎均匀地或者非均匀地分布。核心、涂层、第一子层和/或第二子层可以具有通常的杂质。
第二子层可以具有第一子层的多倍厚度。涂层可以利用熔融的铝材料在钢材料与铝材料之间产生可延展的材料配合的连接。承载材料可以是钢板。承载材料可以是钢构件。承载材料的钢材料可以是低合金的。承载材料的钢材料可以是高合金的。
复合部件可以具有这种核心部分和与核心部分连接的铝材料构成的外部部分。钢材料与核心部分的涂层在连接过程之后主要经由连接区通过可延展的材料配合的连接而连接。这些连接可以部分地/局部地通过微观的形状配合连接予以补充。外部部分的铝材料可以具有至少大约5重量％和至多大约14重量％的硅(Si)。外部部分的铝材料可以具有常规量的其它合金元素，特别是镁(Mg)、锰(Mn)、铁(Fe)和/或铜(Cu)。外部部分的铝材料可以具有常见的杂质。
复合部件可以在核心部分与外部部分之间具有连接区，其具有至少10MPa的抗剪拉强度。连接区的断裂面可以表现出典型地可延展的外观，例如蜂窝结构。
复合部件可以是车辆构件。复合部件可以是车身构件。复合部件可以是底盘构件。复合部件可以是结构构件。复合部件可以形成节点。复合部件可以形成利用Al肋条或附加增强物予以增强的构件。复合部件可以是电子技术的构件。
复合部件可以采用复合铸造工艺制得。复合部件可以采用压铸法制得。复合部件可以采用砂型铸造工艺或冷硬铸造法制得。复合部件可以采用焊接法或钎焊法制得。在采用压铸法重铸核心部分时，外部部分的铝材料可以具有至多大约720℃的温度。核心部分和外部部分可以采用焊接法或钎焊法相互连接。
总之，换句话说，由此通过本发明尤其产生了用于在钢与铝之间实现可延展的材料配合的连接的涂层。
可以产生具有Fe、Al和Si构成的层的多层系统。该层可以很薄，且可延展。该层可以通过相应的涂层工艺产生。在此尤其要产生一种Fe-Al-Si层，其具有优异的晶格结构，即尽可能高的晶格对称性，因为其具有更多的位错滑移系统，因此能够可延展地变形。
该目的例如利用一种层系统来实现，该层系统在化学上由纯Al构成，其含有平均1-10％的Si添加剂，带有两个不同的子层。靠近Fe或钢的第一层可以含有至少42重量％的Fe和至少11重量％的Si以及余下的不到45重量％的Al，从而形成了金属间的相，其化学计量至少近乎为Al57Fe27Sil5，也可以称为α2+Fe2Al5混合物。该材料或该材料混合物具有按照惯用的Fe-Al-Si相图的立体的或有序的几乎立体的晶格结构。这种晶格结构具有提高的晶体对称性，进而具有很多的位错滑移系统。由此，该金属间的相可变形且可延展。通过更具延展性的该薄层，在Al-Si合金层与钢之间产生了可靠的更具延展性的材料配合的连接，其超出了通常的金属键合。
按照Fe-Al-Si相图的上述组分位于脆的可延展的各相的边界处。相图本身通常经受明显的模糊，这种模糊是由合金系统的复杂性和测量的不精确性产生的。此外，相图中的相曲线的边界与合金的冷却速度有关。对于常见的相图，相边界通常在平衡状态下给出，即以无限缓慢的冷却速度来给出。但实际上，冷却速度更快，因而相边界随之移动。
因而完全可行的是，第一子层中的金属间的相(IMP)的晶格结构却仍然完全地或部分地具有减小的晶格对称性。因此，可以把该层的层厚度调节得很薄，至多3.5μm。由此，即使化学组分与上述值略有偏差(晶格结构由此会转变为更低的对称性)，也可以得到层的可延展性。
在该薄的第一IMP层之后可以跟随着一个较厚的层，其平均Si含量在1-10重量％之间，特别是在7-10重量％之间，其中，撇开常见的杂质不看，余下的组分只由Al构成。在该层中，除了杂质外，可以不存在Fe元素。层厚度可以有益地处于5μm和15μm之间。该层也可以明显更厚。
无论砂型铸造或者是类似于砂型铸造的方法比如石膏铸造和压铸，都可以在复合铸造时采用，以便在此产生材料配合的连接。在此可以针对铸造使用常见的Al合金。因为这些合金通常含有Si，所以有利于形成薄的IMP层。例如可以使用Al-9～11重量％的Si-铸造合金。
此外，该涂层可以在钢与Al之间的熔焊或钎焊时使用，其中，涂层的层厚度在这些情况下可以更厚，例如厚至100μm。
“可以”尤其表示本发明的任选的特征。因此，分别得到了本发明的具有相应特征或相应的多个特征的实施例。
采用本发明提高了动态的负载能力。提高了防碎性。提高了防撞性。实现了或者方便了批量制造。在钢材料与铝材料之间提供了可延展的材料配合的连接，且具有特殊的强度。减小了散差错误。能实现在车辆制造和/或类似领域中应用。
附图说明
下面参照附图详述本发明的实施例。由该说明书可知其它特征和优点。这些实施例的具体特征可以形成本发明的通用特征。这些实施例的与其它特征相关联的特征也可以形成本发明的各个特征。
在示意性的和示范性的附图中：
图1为核心部分的显微图，其带有钢材料构成的核心且带有Fe-Al-Si涂层，该涂层带有第一子层和第二子层；
图2为复合部件的显微照片，其带有Fe-Al-Si涂层的核心部分且带有铝材料的外部部分；
图3为样品的剪拉试验结果曲线图，所述样品带有Fe-Al-Si涂层的核心部分且带有铝材料构成的外部部分；
图4示出在钢材料与铝材料之间的可延展的材料配合的连接；
图5示出在剪拉样品上的稳定的裂纹扩展；
图6示出在核心部分与外部部分之间的连接区的断裂面。
具体实施方式
图1所示为核心部分100的显微图，其带有钢材料构成的核心102且带有Fe-Al-Si-涂层104，该涂层带有第一子层106和第二子层108。
核心102在当前是钢板。涂层104用来与铝材料连接。涂层104具有平均大约1重量％至大约10重量％的硅(Si)、铁(Fe)和余下的铝(Al)。第一子层106位于核心部分100与第二子层108之间。第一子层106具有至少大约42重量％的铁(Fe)、至少大约11重量％的硅(Si)和至多大约45重量％的余下的铝(Al)。涂层104可以采用PVD方法涂覆，或者也可以借助其它方法比如热浸法等。第一子层106具有至多大约3.5μm、特别是至多大约3μm的厚度。第二子层108设置在第一子层106上，且形成了核心部分100的外侧面。第二子层108具有大约1重量％至大约10重量％的硅(Si)、特别是大约7重量％至大约10重量％的硅(Si)和余下的铝(Al)。除了痕量/杂质外，不存在铁(Fe)。第二子层108具有大约5μm至大约95μm的厚度。
图2所示为在连接过程之后的复合部件200的显微图，其带有Fe-Al-Si涂层的核心部分202如根据图1的核心部分100，且带有铝材料构成的外部部分204。外部部分204的铝材料具有至少大约5重量％和至多大约14重量％的硅(Si)，以及必要时具有其它的合金元素，特别是镁(Mg)、锰(Mn)、铁(Fe)和/或铜(Cu)以及在Al铸件或Al锻造合金中的其它常见的合金元素。
为了制造复合部件200，用形成外部部分204的铝材料包封被涂层的核心部分202。在此，熔融的铝材料在压铸方法中具有至多大约720℃的温度。替代地，形成外部部分204的铝材料也可以采用焊接或钎焊方法涂覆。
在涂覆外部部分204之后，材料配合地把钢材料与核心部分的涂层相互连接起来，补充以局部的微观的形状配合部208。在核心部分202与外部部分204之间形成连接区206，其具有至少10MPa的抗剪拉强度。
此外，补充地特别是参见图1及相关说明。
图3所示为剪拉样品的剪拉试验结果曲线图300，所述样品带有Fe-Al-Si涂层的核心部分比如根据图1的核心部分100和根据图2的核心部分202，且带有铝材料构成的外部部分比如根据图2的外部部分204。
在该曲线图300中，在x轴上绘出了行程，在y轴上绘出了力。在剪拉试验中，针对所述样品产生了力-行程曲线302。显然的是，力在经过起初的弹性的线性增大之后在达到最大值或拐点304以后保持恒定很长时间或者略微增大。该拐点可以视为开始形成裂纹。被涂层的核心部分与外部部分之间的材料配合的连接因而既具有高强度，又具有高的延展性。曲线302是由各种不同的系列试验构成的，可见，散差很小。
此外补充地特别是参见图1和图2以及相关说明。
图4示出了用于在涂层过程期间在钢材料400与铝材料402之间形成延展性的材料配合的连接的机制。Fe由钢材料400扩散到第一子层404中，产生了金属间的相，其化学计量近乎为Al57Fe21Sil5。第二子层406具有Si富集部408和Si离析部410。Si和Al由第二子层406扩散到第一子层404中。
在由复合铸件200或500构成的样品的剪拉试验中，产生了裂纹曲线412，在涂层的先前的第二子层中，裂纹稳定地扩展，连接是可延展的，从而连接不会突然损毁。此外补充地特别是参见图1、图2和图3以及相关说明。
图5示出在剪拉样品500上的裂纹稳定地扩展。剪拉样品500具有钢材料构成的核心部分502和铝材料构成的外部部分504。在核心部分502和外部部分504之间，已借助核心部分502的Fe-Al-Si涂层产生可延展的材料配合的连接。图中用箭头表示形成裂纹的进展。此外补充地特别是参见图1、图2、图3和图4以及相关说明。
图6示出在核心部分502和外部部分504之间的连接区的断裂面600。该断裂面600表现出具有蜂窝结构的典型延展的外观。此外补充地特别是参见图1、图2、图3、图4和图5以及相关说明。
附图标记列表
100 核心部分
102 核心
104 涂层
106 第一子层
108 第二子层
200 复合部件
202 核心部分
204 外部部分
206 连接区
208 微观的形状配合部
300 曲线
302 力-行程-曲线
304 最大值、拐点
400 钢材料
402 铝材料
404 第一子层
406 第二子层
408 Si富集部
410 Si离析部
412 裂纹曲线
500 剪拉样品
502 核心部分
504 外部部分
600 断裂面

Claims (16)

1.一种用于由钢材料构成的承载材料（102）的涂层（104），用来与铝材料连接，所述涂层（104）具有核心部分侧的第一子层（106）和外侧的第二子层（108），其特征在于，
- 所述第一子层（106）具有至少42重量%的铁Fe、至少11重量%的硅Si和至多45重量%的余下的铝Al；
- 所述第一子层（106）具有至多3.5μm的厚度；
- 所述第二子层（108）具有1重量%至10重量%的硅Si和余下的铝Al；
- 所述第二子层（108）具有5μm至95μm的厚度。
2.如权利要求1所述的涂层（104），其特征在于，所述第一子层（106）具有至多3μm的厚度。
3.如权利要求1所述的涂层（104），其特征在于，所述第二子层（108）具有7重量%至10重量%的硅Si和余下的铝Al。
4.如权利要求1所述的涂层（104），其特征在于，所述涂层（104）利用熔融的铝材料在所述钢材料与所述铝材料之间产生可延展的材料配合的连接。
5.一种用于制造复合部件（200）的核心部分（100、202），所述核心部分（100、202）具有钢材料构成的承载材料（102）和根据权利要求1~4中的任一项所述的涂层（104）。
6.如权利要求5所述的核心部分（100、202），其特征在于，所述承载材料（102）是钢板或钢构件。
7.如权利要求5~6中的任一项所述的核心部分（100、202），其特征在于，所述承载材料（102）的钢材料是低合金的，或者是高合金的。
8.一种复合部件（200），其特征在于，所述复合部件（200）具有根据权利要求5~7中的任一项所述的核心部分（100、202）和铝材料构成的与所述核心部分（100、202）连接的外部部分（204）。
9.如权利要求8所述的复合部件（200），其特征在于，所述钢材料和所述核心部分（100、202）的涂层（104）在连接过程之后微观地形状配合地相互连接（208）。
10.如权利要求8~9中的任一项所述的复合部件（200），其特征在于，所述外部部分（204）的铝材料具有至少5重量%和至多14重量%的硅Si。
11.如权利要求10所述的复合部件（200），其特征在于，所述外部部分（204）的铝材料具有常规量的其它合金元素。
12.如权利要求11所述的复合部件（200），其特征在于，所述其它合金元素包括镁Mg、锰Mn、铁Fe和/或铜Cu。
13.如权利要求8~9中的任一项所述的复合部件（200），其特征在于，所述复合部件在所述核心部分（100、202）与所述外部部分（204）之间具有连接区（206），该连接区具有至少10MPa的抗剪拉强度。
14.一种用于制造根据权利要求8~13中的任一项所述的复合部件（200）的方法，其特征在于，所述复合部件（200）采用复合铸造工艺制得。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在采用压铸法重铸所述核心部分（100、202）时，所述外部部分（204）的铝材料具有至多720℃的温度。
16.一种用于制造根据权利要求8~13中的任一项所述的复合部件的方法，其特征在于，所述核心部分（100、202）和所述外部部分（204）采用焊接法或钎焊法相互连接。
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