CN1472068A - 镀铝结构件和生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种镀铝结构件，包含一个形成于钢基体层上的Al－Si－Fe合金层。该合金层包括一个硬度小于或等于钢基体层硬度的软质区域，该软质区域从钢基体层表面向合金层表面延伸大于或等于合金层厚度的50％的深度范围。该Al－Si－Fe合金层具有小于或等于500mg/dm2的氧化物重量。

Description

镀铝结构件和生产方法
发明背景
本发明涉及一种镀铝结构件及其生产方法。更具体地说，本发明涉及一种通过对镀铝钢板进行热处理和成型加工、并且用Al-Si-Fe合金的合金层进行镀覆以提高成型性、可焊接性和抗腐蚀性的镀铝结构件、例如用于汽车的结构件。
日本专利申请公开No.2000-204463公开了一种热浸镀铝钢板，这种钢板由于其氧化膜而具有优异的抗腐蚀性，并且由于不含有例如铅等重金属而对于环境的影响较小，从这一角度看，这种钢板可以用于汽车的油箱、消音器、隔热板等。
发明概述
包含在热浸镀铝钢板中的在与钢基体交界处的硬质Al-Fe合金层在成型性方面或多或少都存在一些问题。进而，该合金层在成型加工中易于开裂，并且因此有时需要进行其它的处理以便确保足够的抗腐蚀性。由于镀铝层的熔点低并且单一的铝表面层的热传导性不充分，所以焊接性能是另一个问题。因此，热浸镀铝钢板在应用上受到限制。
本发明的一个目的是提供一种在抗腐蚀性、成型性能和焊接性能上具有优点、并且在汽车领域具有更广泛应用的镀铝结构件和生产方法。
根据本发明的一个方案，一种镀铝结构件包括：一个钢基体层；和一个形成于钢基体层的表面上的Al-Si-Fe合金层，该合金层包含一个从钢基体层的表面向合金层表面延伸的，硬度小于或等于钢基体层的硬度、且厚度大于或等于合金层厚度的50％的软质区域，该Al-Si-Fe合金层具有小于或等于500mg/dm2的氧化物重量。
根据本发明的另一个方案，一种镀铝结构件的生产方法包括：以在1～10℃/sec的范围内的加热速率加热热浸镀铝钢板的第一方法要素；和使热浸镀铝钢板在900～950℃的温度范围内的升高的温度下保持2～8分钟的第二方法要素；以在5～15℃/sec范围内的冷却速率将热浸镀铝钢板冷却至700～800℃的温度范围内的温度的第三方法要素；在700～800℃的温度范围内将该热浸镀铝钢板成型成预定形状的第四方法要素；以及以20～100℃/sec范围内的冷却速率将形成预定形状的热浸镀铝钢板从700～800℃的温度范围内迅速冷却至低于或等于300℃的较低温度的第五方法要素。
附图简要说明
图1是表示在根据本发明实施方案的测试1中使用的试样的形状和尺寸的透视图，用以对成型性能进行评价。
图2A是表示测试1的实例No.1中的一个结构件中的镀层的微观结构的照片。
图2B是表示测试1中的实例No.2中的一个结构件中的镀层的微观结构的照片。
图3是表示本发明实施方案中的结构件点焊中的连续焊点性能与普通的热浸镀铝钢板相比较的图解。
图4是表示实施方案中的测试1的结果的表1。
图5是表示实施方案中的测试3的结果的表2。
发明的详细说明
通常，热浸镀铝钢板是通过将带材连续浸入熔融铝的槽中。根据镀覆金属的成分，热浸镀铝钢板被大致分成两类。其中一种采用纯铝作为镀覆金属(用于抗大气腐蚀性能)，另一种采用除了Al之外还包含Si的Al-Si合金作为镀覆金属(用于耐热性能)。根据本发明的一个实施例，采用包含Si添加剂(大约3～11％的Si)的耐热镀覆钢板。
向镀层中添加Si，用以抑制镀铝工艺过程中在钢和镀层之间界面的硬质Al-Fe合金层的生长，并且因此用于提高Al镀层的附着力和抗腐蚀性。在这种热浸镀铝钢板中，在Al镀层和钢基体层之间的交界中形成Al-Si-Fe合金层。
当在特定条件下，对这种类型的热浸镀铝钢板进行热处理时，Al-Si-Fe层会生长并全面扩展直到到达表面为止。图2A表示在镀铝钢板的一个例子中的剖面结构，该镀铝钢板包含由于热处理而生长至表面的这种Al-Si-Fe层。
在由于热处理而使Al-Si-Fe生长的过程中，Al镀层的钢基体层之间的相互扩散产生各种Al-Si-Fe三元金属间化合物、例如αFeAlSi相(alpha FeAlSi)、βFeAlSi相(beta FeAlSi)和γFeAlSi相(gammaFeAlSi)。通过热处理形成的Al-Si-Fe合金层具有由这些金属间化合物构成的层状结构，并且在可成型性能、抗腐蚀性和焊接性能方面具有优点。
当Al-Si-Fe合金层的硬度超过钢基体的硬度时，由于削弱了涂层的可塑性，并且增加了镀层中开裂的可能性，Al-Si-Fe合金层对钢板在成型工艺中的成型性能和抗腐蚀性产生不利影响。因此，在本实施例中，在钢和镀层之间的交界处或附近，形成具有比钢基体的硬度低的不太硬的或软质层。该软质层可以防止在任何情况下产生的裂纹从表面向钢基板更深地延伸。在本实施例中，该软质层的厚度等于或大于合金镀层总厚度的50％。从位于或接近与钢基体的交界的位置处延伸至或超过镀层深度的中间处的厚的软质层，有效地用于防止裂纹的发展并保证足够的抗腐蚀性。
以氧化物形式包含在镀覆合金层中的氧，在电解沉积过程中导致产生气孔，因此如果氧的量增加，则使镀层和沉积薄膜之间的附着力削弱。因此，使氧化物的质量或氧化物的重量等于或小于500mg/dm2。在本说明书中，如后面所述，“氧化物重量”被定义为，在950℃下进行热处理之后的试样质量和在热处理之前的试样质量之间的质量差。
层状结构的形成机理并不完全清楚。目前，本发明的发明人等假设：(1)将试样保持在升高的温度下将导致Fe的扩散，并且在镀层中产生Fe和Si的浓度梯度。(2)在这种情况下，促使镀层合金相转变成由各个深度处的成分确定的稳定化合物相，从而在不同的深度区域中形成不同的化合物层。(3)因此，通过控制加热升高的温度和在该升高的温度下的保持时间，改变了Fe的扩散量并且改变了转变成稳定化合物的程度。
由于Fe从钢基体层的扩散，与钢基体层相邻的该Al-Si-Fe合金层被软化，并且与钢的附着更为紧密，并因此更容易成型。具体地，Fe含量的优选范围是85～95％。当Fe含量在这一范围内时，与钢基体接触的软质层的硬度等于或小于镀层平均硬度的80％(300～400Hv)。当Fe的含量小于85％时，由Fe的扩散产生的上述良好效果不够充分。当Fe的含量大于95％时，Fe的扩散过度，并且使Al的含量太低，无法获得在多层结构中的最外层中的抗腐蚀性。在本说明书中，除非另有说明，否则百分比％用于表示“质量％”(质量百分比)。
通过热处理和Fe从钢基体的扩散，使Al-Si-Fe合金层软化。然而，Fe的过度扩散将使Al的含量降低到抗腐蚀性所需的水平以下。从抗腐蚀性的角度考虑，为了保持最低限度的Al含量，并且为了形成比钢基体材料更软的层，至少在三层或更多层的多层结构中的一层中，优选将Al的含量设定在25～40％的范围内。当Al含量小于25％时，抗腐蚀性不足。当Al含量为40％或更大时，软质层的成型变得困难，并且与钢基体的附着力变差。
在包含三层或更多组成或成分不同的次级层的多层结构的情况下，在与钢基体层相邻的最内层和形成镀层表面的最外层之间存在一个或多个中间层。优选地，该中间层或至少一个中间层含有25～40％Al。
通过从钢基体材料扩散而来的Fe与铝镀层的合金化，提高了焊接性能。合金化的Al-Si-Fe镀层的熔点高于通过热浸镀形成的Al镀层，从而可以在低电流条件下进行焊接。进而，在点焊时防止镀覆金属与焊接电极的附着，有利地改善了连续点焊的状况。
通过将Al-Si-Fe镀层全部合金化成多层结构、例如具有含有不同合金组成的五个层的五层结构，改善了热稳定性。包含硬质最外层的多层结构的优点是，即使在用于高张力材料的很大的压力下，仍可以在点焊中保持与焊枪的良好接触。
当Fe的含量随着铝镀层和从金属基体扩散而来的Fe之间的合金化过程而增加时，镀层的热传导率减小，并且可以以低电流进行焊接。通过使镀层表面或最外层中的Fe的浓度在35～50％的范围内，可以将可焊接性能和抗腐蚀性结合起来。通过形成具有多层结构的Al-Si-Fe层，或者通过形成具有Fe含量的浓度梯度的Al-Si-Fe层，可以形成具有在这一范围内的表面Fe浓度的镀层。当最外层的Fe的浓度小于35％时，焊接性能的改善不充分。当最外层中的Fe浓度大于50％时，Al含量相对减小并且抗腐蚀性下降。
通过下述工艺，可以获得如上面所述、在表面上具有Al-Si-Fe合金层的镀铝结构件。首先，将镀层中含有Si的耐热热浸镀铝钢板以1～10℃/sec的速率加热至900～950℃的温度范围内的一个温度下，并且在该升高的温度下保持2～8分钟的保持时间(或持续时间)。在这种情况下，当热浸镀铝钢板被以比10℃/sec快的加热速率加热至高于900℃的温度时，铝镀层会产生局部熔融。当加热速率低于1℃/sec时，该镀层会被氧化。当试样保持的升高温度低于900℃时，钢基体材料中的奥氏体化过程太慢，无法获得作为结构件的足够强度。当升高的温度大于950℃时，镀层产生不希望出现的氧化作用，并且Fe的扩散过度以至到达镀层的表面。当在升高的温度下保持的时间短于2分钟时，Al-Si-Fe合金层的形成变得不充分。当在升高的温度下保持的时间比8分钟长时，镀层产生氧化，并且对电解沉积镀膜的粘附产生不利影响。
在保持在上述温度范围内的热处理之后，将钢板从加热炉送至成型压力机。在输送过程中，开始冷却。在这种情况下，热处理之后的冷却速率需要在5～15℃/sec的范围内，以便在预定的温度下进行成型加工并从预定的温度快速冷却。当冷却速率低于5℃/sec时，镀层的氧化变得显著。对于比15℃/sec更高的速率冷却，需要进行强制冷却。
制成所需形状的成型操作是在700～800℃的温度范围下开始的。在成型操作之后，将成型的板材从700～800℃以20～100℃/sec的速率，迅速冷却到低于或等于300℃的温度。通过这种迅速冷却，使钢基体材料冷却，同时保持通过热处理形成的Al-Si-Fe合金层，并且获得所需形状的镀铝结构件。热处理的上述条件对于钢基体材料的淬火硬化也是足够的，所以对于增强材料强度是有效的。由于需要再加热并且加速了镀层的氧化，所以不需要在高于800℃下开始成型操作。当在低于700℃的温度下开始成型操作时，对于马氏体转变而言的淬火温度太低。当成型操作之后的冷却速率低于20℃/sec时，向马氏体的转变不充分，并且Fe的扩散过度。当成型操作之后的冷却速率比100℃/sec块时，由于需要改善生产设备中的冷却系统所以成本易于显著增加。快速冷却至小于或等于300℃的温度有效的防止留下铁素体相、并且促进马氏体转变的充分进行。
下面对实施方案的实际例子进行说明。
(测试1)在下述条件下生产镀铝或铝化结构件，并且对成型性能、抗腐蚀性和焊接性能进行研究。
[待测试的热浸镀铝钢板]
用于镀覆的原料板材成分：0.22％C、0.22％Si、1.0％Mn、0.015％P、0.007％S。
板材厚度：1.4mm。
铝镀层中的Si浓度：5％。
铝镀层的厚度：10～20μm。
[测试过程]从上述热浸镀铝钢板上切下一个宽度160mm、长度160mm的平板，在下述条件下进行热处理，并且成图1中所示的形状。然后，对合金镀层的成分、硬度、成型性能、抗腐蚀性和焊接性能进行研究。
<热处理条件>
加热速率：           8℃/sec
加热温度：           900～950℃
保持时间：           2～10min
首次冷却速率：       7℃/sec
成型开始温度：       720℃
快速冷却开始温度：   720℃
二次冷却速率：          30℃/sec
冷却结束的温度：        100℃
[测试结果]表1表示出了测试的结果。在表1中的所有情况下，镀层中最软的层是与钢基体材料的钢基体层相邻的层。表1包括：一个生产条件列，该列被分为升高的温度列和保持时间列；一个镀层结构和成分(％)列，该列被分为组分和硬度列、内层(INNER)列、第一中间层(INTER1)列、第二中间层(INTER2)列、第三中间层(INTER3)列和外层(OUTER)列；一个钢基体材料的硬度(Hv)列；一个镀层的硬度(Hv)列，该列被分为最软层列、平均列、和较基体材料软化的范围(％)的列；一个氧化物重量(mg/dm2)列；一个成型性能列；一个抗腐蚀性列；和一个焊接性能列。
<成型性能>成型操作之后，在Al-Si-Fe合金层中检查裂纹。没有到达钢基体层裂纹的测试试样被评价为合适，并且标为圆圈。具有一条或多条到达钢基体层裂纹的试样被评价为不合适，并且标为叉。除了No.2结构件之外，试样均表现出良好成型性能，No.2结构件镀覆过硬的镀层，该镀层的平均硬度比钢基体材料的硬度大，并且该镀层在延伸至大于合金层厚度的50％的整个深度范围的区域中的硬度都更大。作为一个典型的例子，图2A表示没有裂纹的No.1结构件中的镀层的微观结构，并且图2B表示产生开裂的No.2结构件中的镀层微观结构。
<抗腐蚀性>对所生产的结构件进行由JIS Z2371确定的盐雾腐蚀试验(SST)，以评价每个结构件的抗腐蚀性。结果，No.3结构件表现出较差的抗腐蚀性，在No.3结构件中，由于在升高的温度下保持的时间过长所以Fe的扩散过度，并且因此在最外层中的铝含量太低。
<焊接性能>在下述条件下对所生产的结构件进行连续的点焊。当连续焊点的数目增加时，通常熔核直径会减小并且焊接强度倾向于降低。因而，在下述焊接条件下进行点焊，直到焊点数目达到比JIS Z3140中的A级判断标准小的数目为止。根据连续焊点的数目确定焊接性能。由于NO.3结构件的连续焊点的数目为大约500，在判断标准的水平之下，所以No.3结构件被判断为不合适并且用X标出。对于除了No.3结构件之外的结构件，焊点数目最高达到3000，达到满足判断标准的水平，并且在该点结束点焊。因此，除No.3试样之外结构件用圆圈标为合适。因此，测试的结果表示当热处理的保持时间太长并且Fe的扩散使镀层软化时，如No.3试样那样，焊接能力下降。该No.3试样的抗腐蚀性和焊接性能均较差。然而，No.3试样的成型性能良好。因此，No.3试样仍适合于一些应用。
[焊接条件]
基体材料：             镀铝钢板(厚1.2mm)和具有440MPa抗拉强度的类型的GA材料(厚2.0mm)
压力：                 5.98kN
预压：                 50Hz
上升：                 3Hz
通电：                 9kA×18Hz
保持：                 21Hz
(测试2)通过采用以与测试1的试样No.1相同的方式进行热处理的热浸镀铝钢板，和作为比较例的不进行热处理的热浸镀铝钢板对在下述条件下进行连续点焊的特征进行比较。图3表示对于实施例，试样和比较试样的测试2的结果。不进行热处理的热浸镀铝钢板的试样表现出大约500点，而根据本发明的例子的试样表现出3000点或更多。
(测试条件)
基体材料：镀铝钢板(1.2t)和具有440MPa的抗拉强度的GA材料(2.0t)
压力：                610kgf
预压：                50cyc
上升：                3cyc
通电：                9kA×18cyc
保持：                21cyc
(测试3)将热浸镀铝钢板在950℃下保持不同长度的时间，以形成Al-Si-Fe合金层，并且在合金层上进行电解沉积镀覆。然后，对试样进行检测，以考察合金层中的氧化物重量和涂覆性能(paintability)之间的关系。结果表示在表2中。在此，氧化物重量被定义为在加热之前通过化学平衡进行质量测量的结果和加热之后质量测量的结果之间的质量差。
从表2可知，当氧化物重量大于500mg/dm2时，在沉积镀膜中产生的气孔变得明显。在受到气孔损害的试样中，镀膜的粘附力不充分，并且通过电解沉积涂覆不能充分提高抗腐蚀性。
在根据本发明实施方案的镀铝结构件中，钢基体或基体层上的Al-Si-Fe合金层防止在钢基体和镀层之间形成硬质层，并且取而代之地在深度方向上形成范围很宽的较软区域。而且，该合金层的氧化物重量低。因此，本实施方案可以提高成型性能和涂覆性能，并且通过平衡Al含量和Fe含量，同时获得抗腐蚀性和焊接性能。
在根据本发明实施方案的生产方法中，对镀覆有包含Si的热浸铝镀层的钢板进行热处理，形成所需形状，并且迅速冷却。因此，该生产方法可以提高抗腐蚀性、涂覆性能、焊接性能和成型性能。
本申请以2002年7月11日申请的日本专利申请No.2002-202770为基础。该日本专利申请No.2002-202770的全部内容在此被引入作为参考。
尽管上面通过参考本发明的特定实施方案已经对本发明进行了说明，但是本发明不限于上述实施方案。根据上述技术，本领域技术人员可以对上述实施方案作出各种改进和改变。本发明的范围参照下面的权利要求进行限定。

Claims (10)

1、一种镀铝结构件，包括：
一个钢基体层；和
一个形成于钢基体层表面上的Al-Si-Fe合金层，该合金层包含一个从钢基体层表面向合金层表面延伸的，硬度小于或等于钢基体层的硬度、且厚度大于或等于合金层厚度的50％的软质区域，该Al-Si-Fe合金层具有小于或等于500mg/dm2的氧化物重量。
2、如权利要求1所述的镀铝结构件，其中，Al-Si-Fe合金层具有包含一个与钢基体层相邻的内层、和一个形成合金层表面的外层的多层结构。
3、如权利要求2所述的镀铝结构件，其中，该内层为多层结构中最软的层。
4、如权利要求2所述的镀铝结构件，其中，该内层包含85～95％的Fe，并且内层的Hv硬度比合金层的平均硬度软20％或更多。
5、如权利要求2所述的镀铝结构件，其中，Al-Si-Fe合金层的多层结构进一步包括一个包含25～40％Al的中间层，且该中间层的硬度比钢基体层低。
6、如权利要求2所述的镀铝结构件，其中，Al-Si-Fe合金层的多层结构进一步包括多个中间层，至少一个中间层包含25～40％Al，并且硬度低于钢基体层。
7、如权利要求2所述的镀铝结构件，其中，Al-Si-Fe合金层的外层比钢基体层硬。
8、如权利要求2所述的镀铝结构件，其中，外层包含35～50％的Fe。
9、一种镀铝结构件，包括：
一个钢基体层；和
一个形成于钢基体层表面上的Al-Si-Fe合金层，该Al-Si-Fe合金层具有多层结构，所述多层结构包括一个与钢基体相邻的内层，一个形成合金层表面的外层，以及一个形成于内层和外层之间的中间层，所述内层包含85～95％的Fe，所述中间层包含25～40％的Al，且所述的外层的硬度比钢基体层大。
10、一种镀铝结构件的生产方法，包括：
以1～10℃/sec范围内的加热速率加热热浸镀铝钢板；
将该热浸镀铝钢板在900～950℃的温度范围内升高的温度下保持2～8分钟；
以5～15℃/sec范围内的冷却速率将该热浸镀铝钢板冷却至700～800℃的温度范围内的温度；
在700～800℃的温度范围内将该热浸镀铝钢板成型成预定形状；和
以20～100℃/sec范围内的冷却速率将形成预定形状的热浸镀铝钢板从700～800℃的温度范围内迅速冷却至低于或等于300℃的较低温度。
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