DE102012214274B4

DE102012214274B4 - Vordiffundierte Al-Si-Beschichtungen zur Verwendung bei einer schnellen Induktionsaufheizung von pressgehärtetem Stahl

Info

Publication number: DE102012214274B4
Application number: DE102012214274.6A
Authority: DE
Inventors: Jason J. Coryell; Paul J. Belanger
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2032-08-11
Also published as: CN103088194A; US20130037178A1; US9677145B2; DE102012214274A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer durch Pressen härtbaren Stahlkomponente, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein beschichteter Stahlrohling gebildet wird, indem eine Schutzbeschichtung mit einem Stahlsubstrat gekoppelt wird; der beschichtete Stahlrohling unter einer ersten Bedingung derart aufgeheizt wird, dass zumindest ein Teil des Eisens, das in dem Substrat vorhanden ist, in die Beschichtung hinein diffundiert; der beschichtete Stahlrohling danach unter einer zweiten Bedingung aufgeheizt wird, die ausgebildet ist, um den beschichteten Stahlrohling bis zu einer Austenitisierungstemperatur aufzuheizen; und der beschichtete Stahlrohling zu der Komponente geformt wird, während der beschichtete Stahlrohling im Wesentlichen gleichzeitig abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bedingung einer höheren Aufheizungsgeschwindigkeit als derjenigen der ersten Bedingung entspricht.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung 61/522,887, die am 12. August 2011 eingereicht wurde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Herstellen von vorbeschichtetem pressgehärtetem Stahl und insbesondere zum Vordiffundieren oder Vorlegieren der Beschichtung mit dem eisenbasierten Substrat, um eine Aufheizung des Rohlings mit hoher Geschwindigkeit unmittelbar vor dem Formen durch Heißpressen zu ermöglichen.
Von Stahl und verwandten Strukturmaterialien, die in der Kraftfahrzeugherstellung verwendet werden, wird zunehmend gefordert, dass sie gleichzeitig verringerte Gewichts- und verbesserte Aufprallsicherheitsmerkmale zeigen. Eine Möglichkeit zum Erzeugen von Stahl, das in der Lage ist, diese bisher widersprüchlichen Ziele zu maximieren, ist die Verwendung von pressgehärtetem Stahl mit hoher Festigkeit, wobei die Vorgänge des Formens und Härtens der Komponente in einem einzigen Schritt stattfinden. Ein solcher Ansatz kann zu wünschenswerten Eigenschaften führen, wie beispielsweise dazu, dass Strukturstahlteile mit signifikanten Zunahmen bezüglich des Verhältnisses der Festigkeit zum Gewicht geschaffen werden. Bei der Presshärtung werden streifenförmige, gerollte und geschnittene Stahlteile, Rohlinge oder verwandte Werkstücke auf eine Austenittemperatur aufgeheizt und anschließend in eine endgültige (oder nahezu endgültige) Gestalt geformt, während sie gleichzeitig in die endgültige martensitische Mikrostruktur abgekühlt werden. Gegenwärtige Aufheizungsverfahren zur Verwendung bei pressgehärtetem Stahl umfassen die Verwendung entweder von tunnelförmigen Öfen (Strahlungsrohröfen) oder Öfen vom vertikalen Kastentyp (elektrische oder Strahlungsrohröfen).
Gemäß einer Form kann das Stahlwerkstück vorbeschichtet werden, wobei die Beschichtungen, wie beispielsweise solche auf Aluminiumbasis, verwendet werden können, um eine Schutzbeschichtung für das darunter liegende Stahlwerkstück zu schaffen. Die Verwendung von solchen Beschichtungen ermöglicht einen einfacheren Herstellungsprozess, da reaktionsträge Atmosphären im Ofen und Reinigungsvorgänge nach dem Formen nicht länger erforderlich sein können, da die Bildung von Krusten beseitigt wird. Zusätzlich verbessern solche Beschichtungen das Barriereverhalten gegenüber Korrosion des darunter liegenden eisenbasierten Werkstücks. Eine spezielle Form einer solchen Beschichtung ist eine Aluminium-Silizium-Legierung (Al-Si), die dann, wenn sie auf das eisenbasierte Substrat aufgebracht und erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird, die Diffusion des Eisens aus dem Substrat in die Beschichtung ermöglicht.
Die langsamen Aufheizungsgeschwindigkeiten, die bei einer herkömmlichen Presshärtung während des Austenitisierungsschritts verwendet werden, erfordern unglücklicherweise eine übermäßige Kapazität des Ofens und eine signifikante Grundfläche zur Herstellung. Zusätzlich wurde die Möglichkeit zur schnellen Aufheizung von Stahlrohlingen auf relativ hohe Temperaturen (typischerweise oberhalb von 880°C) zur Verwendung bei der Presshärtung als unverträglich mit den bevorzugten langsamen Aufheizungsgeschwindigkeiten bis zu dem niedrigen Schmelzpunkt der Beschichtungen angesehen (wobei dieser beispielsweise ungefähr 660°C für reines Aluminium oder ungefähr 577°C für das Al-Si-Eutektikum beträgt), die bei der Unterstützung der Eisendiffusion in die Beschichtung als eine Möglichkeit verwendet werden, um das nachteilige lokalisierte Schmelzen der Beschichtung zu vermeiden. Auf ähnliche Weise würden hohe Aufheizungsgeschwindigkeiten während des Austenitisierungsschritts des Rohlings bei der Presshärtung, die bei der Kraftfahrzeugherstellung mit hohem Volumen und den damit verbundenen Komponenten mit hohem Verhältnis der Festigkeit zum Gewicht erforderlich sind, die gesamte Beschichtung zerstören, die verwendet wird, um einen Schutz für das eisenbasierte Substrat zu schaffen.
Aus der EP 2 045 360 A1 ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer durch Pressen härtbaren Stahlkomponente zu schaffen, das eine schnelle Aufheizung der Stahlkomponente ohne nachteilige Auswirkungen auf eine Schutzbeschichtung der Stahlkomponente ermöglicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer durch Pressen härtbaren Stahlkomponente offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein beschichteter Stahlrohling gebildet wird, indem eine Schutzbeschichtung mit einem Stahlsubstrat gekoppelt wird; dass der beschichtete Stahlrohling unter einer ersten Bedingung derart aufgeheizt wird, dass zumindest ein Teil des Eisens, das in dem Substrat vorhanden ist, in die Beschichtung hinein diffundiert, wonach der beschichtete Stahlrohling unter einer zweiten Bedingung aufgeheizt wird, die ausgebildet ist, um den beschichteten Stahlrohling bis zu einer Austenitisierungstemperatur aufzuheizen, und dass der beschichtete Stahlrohling zu der Komponente geformt wird, während er gleichzeitig auf seinem Weg, eine gehärtete Komponente zu werden, abgekühlt oder abgeschreckt wird. In dem vorliegenden Zusammenhang entsprechen die erste und die zweite Bedingung im Allgemeinen speziellen Aufheizungsparametern und im Besonderen Aufheizungsgeschwindigkeiten und Temperaturen. Somit kann die effektive Aufheizungsgeschwindigkeit sowohl durch die Natur der Aufheizungseinrichtung (beispielsweise durch Induktions-, Ofen-, Laser- oder verwandte Ausbildungen) als auch durch die zu beeinflussende Temperatur festgelegt werden, um geeignete Kombinationen zum Vermeiden des Schmelzens und der Beschädigung der Beschichtung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Ansatz zur Aufheizung in einem Ofen mit geringerer Aufheizungsgeschwindigkeit, welcher der zweiten Bedingung entspricht, mindestens zwei bis drei Minuten benötigen, damit ein Werkstück eine Temperatur von ungefähr 900°C mit einer mittleren Aufheizungsgeschwindigkeit von ungefähr 5°C/s bis ungefähr 8°C/s erreicht (wobei die anfängliche Aufheizungsgeschwindigkeit ab ungefähr Raumtemperatur dazu neigt, viel schneller zu sein, beispielsweise ungefähr 20°C/s, beispielsweise aufgrund der Hysterese, die durch die thermische Masse bewirkt wird). In dem vorliegenden Zusammenhang berücksichtigt die mittlere Aufheizungsgeschwindigkeit Schwankungen in der Aufheizungsgeschwindigkeit, die während Übergangsphasen auftreten können; somit ist sie repräsentativ für einen nominellen Wert, der einem speziellen Aufheizungsverfahren zugeordnet ist, wie beispielsweise einem ofenbasierten, induktionsbasierten oder dergleichen. Im Gegensatz dazu umfasst der Aufheizungsansatz dieser Erfindung, welcher der zweiten Bedingung entspricht, viel höhere Aufheizungsgeschwindigkeiten (beispielsweise zwischen ungefähr 50°C/s und vorzugsweise viel höheren, wie beispielsweise von bis zu 500°C/s (und mehr)), während die Einstellungen für die Eingangsleistung die Spitzentemperatur für die Austenitisierung festlegen. Vorzugsweise wird dieser Aufheizungsansatz für die zweite Bedingung unter Verwendung eines induktionsbasierten Ansatzes erreicht. Daher kann der Ansatz mit Ofenheizung für die erste Bedingung (die vorzugsweise der Vordiffusion des beschichteten Stahlrohlings entspricht) bei einer bevorzugten Form verschiedene Temperaturen und Zeiten verwenden, um die Beschichtung geeignet vorzudiffundieren. Gemäß einer weiteren bevorzugten Form kann ein Ansatz mit Induktionsheizung, der mit der ersten Bedingung verbunden ist, verschiedene Einstellungen für die Eingangsleistung in einem oder mehreren Schritten verwenden, um die Temperatur bei einer gegebenen hohen Aufheizungsgeschwindigkeit zu steuern, um die Beschichtung geeignet vorzudiffundieren. Andere Verfahren, wie beispielsweise die Laser- oder Widerstandsheizung, können ebenso ähnliche Methoden verwenden, um eine geeignete Vordiffusion der Beschichtung zu liefern.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer durch Pressen härtbaren Stahlkomponente aus einem Rohling offenbart, der aus einem eisenbasierten Substrat gebildet ist, das zumindest teilweise in eine Schutzbeschichtung hinein vordiffundiert wird. Das Verfahren umfasst, dass der Rohling mit einer Aufheizungsgeschwindigkeit aufgeheizt wird, bis der Rohling eine Austenitisierungstemperatur erreicht. Danach wird der Rohling zu der Komponente geformt, während er gleichzeitig in eine gehärtete Komponente abgekühlt wird. Bezeichnenderweise ist die hohe Aufheizungsgeschwindigkeit, die auf dem Rohling zum Erreichen der Austenitisierungstemperatur angewendet wird, groß genug, dass diese dann, wenn sie auf einen Rohling angewendet werden würde, der nicht vordiffundiert wurde, zumindest ein gewisses Schmelzen (wie beispielsweise das zuvor erwähnte lokale Schmelzen) der Schutzbeschichtung bewirken würde. Wie bei dem vorhergehenden Aspekt kann die Aufheizungsgeschwindigkeit oder die Temperatur oder beides als ein Mittel angepasst werden, um eine Aufheizungsleistung auf eine bevorzugte gesteuerte Weise an den beschichteten Rohling zu liefern. In dem vorliegenden Zusammenhang ist eine hohe Aufheizungsgeschwindigkeit eine solche, die signifikant höher als diejenigen ist, die vorstehend erwähnt wurden. Beispielsweise kann eine solche hohe Aufheizungsgeschwindigkeit zwischen 50°C/s und 500°C/s liegen und eine Möglichkeit darstellen, den Rohling für dessen nachfolgende Presshärtungsvorgänge auf eine Austenitisierungstemperatur aufzuheizen. Obwohl die vorliegenden Erfinder Aufheizungsgeschwindigkeiten nur so hoch wie 500°C/s validiert haben, wird angenommen, dass Geschwindigkeiten so hoch wie 700°C/s ebenso mit dem vorliegenden Ansatz möglich sind; somit wird angenommen, dass diese sogar noch höheren Aufheizungsgeschwindigkeiten mit einer geeigneten vorhergehenden Vordiffusion innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Gemäß einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer durch Pressen härtbaren Stahlkomponente offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Werkstück, das eine mit einem Stahlsubstrat gekoppelte Schutzbeschichtung umfasst, unter einer ersten Bedingung derart aufgeheizt wird, dass zumindest ein Teil des Eisens, das in dem Substrat vorhanden ist, in die Beschichtung hinein diffundiert; dass das Werkstück unter einer zweiten Bedingung aufgeheizt wird, die ausreicht, um das Werkstück bis zu einer Austenitisierungstemperatur aufzuheizen, und die einer solchen Aufheizungsgeschwindigkeit entspricht, dass die Diffusion durch die erste Bedingung eine durch Schmelzen bedingte Beschädigung an der Schutzbeschichtung während der zweiten Bedingung vermeidet; und dass das Werkstück zu der Komponente geformt wird. Das Verfahren kann zusätzlich umfassen, dass die Komponente auf eine Temperatur unter einer Martensit-Umwandlungstemperatur abgekühlt wird, und zwar insbesondere mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit, die eine kritische Abkühlungsgeschwindigkeit für eine solche martensitische Umwandlung überschreitet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die nachfolgende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen gelesen wird, wobei eine gleiche Struktur mit gleichen Bezugszeichen angegeben ist und von denen:
1 eine repräsentative A-Säule eines Kraftfahrzeugs zeigt, die gemäß einem Aspekt der Erfindung hergestellt wird;
2 eine repräsentative B-Säule eines Kraftfahrzeugs zeigt, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
3 ein schematisches Diagramm zeigt, das gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Weg darstellt, um eine Vordiffusion mittels einer Ofenheizung (linke Seite) zu erreichen, die mit einer Austenitisierungsheizung mittels Induktion (rechte Seite) gekoppelt ist;
4 ein schematisches Diagramm zeigt, das gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Induktorleistungseingabe über der Zeit als einen Weg darstellt, um eine induktorbasierte Vordiffusion (linke Seite) zusammen mit einer Austenitisierungsheizung (rechte Seite) zu erreichen;
5 einen herkömmlichen Weg einer Ofenheizung eines mit Al-Si beschichteten eisenbasierten Substratrohlings gemäß dem Stand der Technik zeigt, bei dem keine Vordiffusion verwendet wird;
6 einen ersten Weg zum Ermöglichen eines Aufheizens eines vordiffundierten oder vorlegierten eisenbasierten Substratrohlings mit hoher Geschwindigkeit unmittelbar vor dem Formen mit Heißpressen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 einen zweiten Weg zum Ermöglichen eines Aufheizens eines vordiffundierten oder vorlegierten eisenbasierten Substratrohlings mit hoher Geschwindigkeit unmittelbar vor dem Formen mit Heißpressen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 einen dritten Weg zum Ermöglichen eines Aufheizens eines vordiffundierten oder vorlegierten eisenbasierten Substratrohlings mit hoher Geschwindigkeit unmittelbar vor dem Formen mit Heißpressen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ein Beispiel eines mit Al-Si beschichteten Stahlwerkstücks gemäß dem Stand der Technik zeigt, das nicht dafür geeignet ist, mit hohen Geschwindigkeiten aufgeheizt zu werden;
10 ein Beispiel der Beschichtung von 9 zeigt, die vor dem Aufheizen nicht ausreichend vordiffundiert wurde;
11A und 11B den Nachweis eines heftigen Schmelzens und einer heftigen Wulstbildung der Beschichtung von 10 zeigen;
12A, 13A und 14A repräsentative Beispiele für Bedingungen vordiffundierter Beschichtungen, die anschließend mit hohen Geschwindigkeiten aufgeheizt werden können, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
12B, 13B und 14B die Beschichtungen der jeweiligen 12A, 13A und 14A nach dem anschließenden Aufheizen mit hoher Geschwindigkeit zeigen; und
12C, 13C und 14C die repräsentativen Zusammensetzungsdiagramme der Beschichtungen der jeweiligen 12B, 13B und 14B zeigen; und
15A bis 15C zusätzliche repräsentative Beispiele geeignet vordiffundierter Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, die anschließend mit hohen Geschwindigkeiten aufgeheizt werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zuerst auf 1 und 2 Bezug nehmend, sind Kraftfahrzeug-Strukturkomponenten gezeigt, wie beispielsweise die A-Säule 10 (1) und die B-Säule 20 (2), die aus einem Stahlrohling oder einem verwandten Werkstück hergestellt werden können, das in eine Al-Si-Schutzbeschichtung hinein vordiffundiert wird. Fachleute werden einsehen, dass zahlreiche andere Komponenten gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können und dass angenommen wird, dass solche zusätzliche Komponenten innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen. Wie vorstehend erwähnt wurde, weist die Verwendung solcher Beschichtungen an durch Pressen härtbarem Stahl eine Anzahl von Vorteilen gegenüber unbeschichtetem Stahl auf. Zusätzlich dazu, dass ein zusätzliches Maß an Vorteilen bezüglich der Korrosionsbeständigkeit als eine Barriereschicht geschaffen wird, sind keine nachfolgenden Reinigungsvorgänge notwendig, die dem Heißstanzen nachfolgen, um Krusten von den Oberflächen und Teilen des Formwerkzeugs zu entfernen. Darüber hinaus kann das Abmessungsverhalten des resultierenden endgültigen Teils innerhalb engerer nomineller Toleranzen gehalten werden. Außerdem kann die zunehmende Verwendung von pressgehärtetem Stahl mit vorbeschichteten Substraten in Verbindung mit Induktionsaufheizprozessen mit hoher Geschwindigkeit Kapitalaufwendungen für neue Öfen verringern; dies ermöglicht wiederum eine schnellere Umkehr, um Änderungen bezüglich der Anforderung bei pressgehärtetem Stahl zu erfüllen. Durch Induktion aufgeheizte Rohlinge können auch geringere Betriebskosten bieten, indem entweder die Verwendung von verbrennbarem Gas oder der erhöhte elektrische Aufwand (in Situationen, in denen elektrische Öfen weiterhin verwendet werden) beseitigt werden.
Als Nächstes auf 3 und 4 Bezug nehmend, sind zwei Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei denen das Aufheizen des pressgehärteten Stahls verwendet wird, um sowohl eine Vordiffusion zwischen einem Stahlsubstrat und einer Schutzbeschichtung als auch die notwendige Mikrostrukturänderung vor dem anschließenden Aufheizen mit hoher Geschwindigkeit während des Presshärtens zu erreichen, um ein Teil zu formen (wie beispielsweise die A-Säule 10 und die B-Säule 20, die vorstehend diskutiert wurden). Somit bilden diese zwei Verfahren einen Teil eines gesamten Presshärtungsvorgangs (wie nachstehend in weiterem Detail diskutiert wird). Gemäß einem ersten Verfahren 100, das in 3 gezeigt ist, kann ein Aufheizungsprozess in einem Ofen oder eine herkömmliche Aufheizung mit geringer Leistung vom Galvannealing-Typ (Galvanisierung mit anschließender Wärmebehandlung) verwendet werden, um den notwendigen Vordiffusionsschritt 110 eines Werkstücks, Rohlings oder dergleichen auszuführen. Diesem folgt ein Austenitisierungsschritt 120 mit höherer Heizleistung zu der Zeit der Herstellung des Teils. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird diese Aufheizung durch eine Heizeinrichtung erreicht, während bei einer noch spezielleren Ausführungsform die Heizeinrichtung eine induktionsbasierte Einrichtung ist. Der induktionsbasierte Ansatz ist besonders gut für eine Reihenproduktion in einer Stahlherstellungsanlage geeignet, auf eine ähnliche Weise wie eine herkömmliche Galvannealing-Verarbeitung. Wie es gezeigt ist, kann zwischen dem Vordiffusionsschritt 110 und dem Austenitisierungsschritt 120 zugelassen werden, dass die Temperatur des Rohlings zu einer niedrigeren Temperatur (beispielsweise zur Umgebungstemperatur) zurückkehrt. Ein solcher Ansatz kann in Situationen verwendet werden, in denen die Vordiffusion während einer Zeitdauer vor der Presshärtung ausgeführt wird (beispielsweise in einem Offline-Prozess). Gemäß einem zweiten Verfahren 200, wie es in 4 gezeigt ist, kann eine Pulsaufheizung während der Aufheizung des Rohlings angewendet werden, um einen Puls mit niedriger Leistung (oder mehrere Pulse mit zunehmender Leistungseingabe) für den Vordiffusionsschritt 210 zu liefern; diesem folgt eine Aufheizung mit höherer Leistung für den Schritt 220 zur vollständigen Aufheizung und Austenitisierung des Rohlings. Wie es klar gezeigt ist, kann der erste Schritt 210 aus mehreren Unterschritten gebildet werden, die unterschiedlichen Niveaus der Leistungsausgabe entsprechen (und gleichzeitig der Aufheizungsgeschwindigkeit, der Temperatur oder von beidem). Ein solcher Ansatz mit Unterschritten kann verwendet werden, um die Aufheizungsgeschwindigkeiten und die Temperatur als eine Möglichkeit zu steuern, um das Schmelzen der Beschichtung zu vermeiden, was eine Rückkehr zu einer niedrigeren Temperatur oder zur Umgebungstemperatur vor der anschließenden Austenitisierung des Werkstücks umfasst. Wie bei dem Verfahren 100 kann der Teil des Verfahrens 200 mit hoher Leistung Aufheizungspläne mit hoher Effizienz verwenden, wie beispielsweise die Induktionsheizung. Da es wahrscheinlich ist, dass dieselbe Induktionsausrüstung die erste Bedingung (Vordiffusion) und die zweite Bedingung (Austenitisierung) ausführen wird, ist es möglich, dass keine zwischenzeitliche Rückkehr zu der Umgebungsbedingung (oder zu einer Bedingung mit einer ähnlichen geringen Temperatur) erfolgt, wie sie in 3 dargestellt ist. Trotzdem und sogar bei Konfigurationen, bei denen dieselbe Induktionsausrüstung für beide Bedingungen verwendet wird, kann ausgewählt werden, dass der Prozess eine solche Rückkehr umfasst (nicht gezeigt); darüber hinaus kann eine solche Rückkehr während eines beliebigen Schritts angewendet werden, und auch zwischen der ersten und der zweiten Bedingung.
Die Induktionsheizung ist eine Technik, die üblicherweise bei der Oberflächenhärtung, der Durchhärtung und der Temperung von Stahl verwendet wird, indem ein Wirbelstrom und Hystereseverluste eingesetzt werden, die in dem Stahl durch magnetische Wechselfelder induziert werden. Die zwei fundamentalen Mechanismen der Induktionsheizung umfassen eine Energiedissipation mittels des Joule-Effekts und Energieverluste, die mit der magnetischen Hysterese verbunden sind, wobei der erste Mechanismus der primäre Weg ist, mit dem Kohlenstoffstähle aufgeheizt werden. Im Allgemeinen wird der Stahl mittels des ersten Mechanismus aufgeheizt, indem ein Teil mit einer Induktionsspule gekoppelt wird, durch die ein Wechselstrom mit hoher Frequenz hindurchtritt. Das resultierende elektromagnetische Feld um die Spule herum induziert Wirbelströme in der Oberflächenschicht der Probe, wodurch bewirkt wird, dass diese mittels des Joule-Effekts aufgeheizt wird: H = I²R wobei H die Wärme pro Zeiteinheit ist, I der induzierte Strom ist und R der elektrische Widerstand ist. Es wird kein Kontakt zwischen dem Werkstück und der Induktionsspule hergestellt, und die angewendete Wärme ist auf einen lokalisierten Bereich benachbart zu der Spule beschränkt. Der zweite Mechanismus umfasst, dass ferromagnetische Stähle unterhalb ihrer Curie-Temperatur aufgeheizt werden. Es wird eine molekulare Reibung induziert, wenn die magnetischen Dipole durch die Wechselfrequenz umgekehrt werden, was zu einem bestimmten Betrag einer Hysterese führt. Die Energie, die zum Umkehren der Dipole erforderlich ist, wird als Wärme dissipiert, wodurch das Werkstück anschließend aufgeheizt wird. Die erzeugte Wärme ist daher proportional zu der Geschwindigkeit der Umkehrung oder zu der Frequenz des Wechselstroms. Wenn die Curie-Temperatur erreicht wird, trägt dieser Mechanismus nicht länger zu der Aufheizung des Werkstücks bei. Im Allgemeinen trägt dieser zweite Mechanismus nicht so stark zu der Induktionsheizung bei wie derjenige des Joule-Effekts, der vorstehend beschrieben wurde. Fachleute werden einsehen, dass die Induktionsheizung für verschiedene Vordiffusionsschritte 110, 210 und Austenitisierungsschritte 120 und 220 verwendet werden kann, die in 3 bzw. 4 gezeigt sind. Beispielsweise kann der Vordiffusionsschritt 110 die Induktion in Situationen umfassen, in denen der Prozess vom Galvannealing-Typ verwendet wird.
Außer der Induktionsheizung kann eine Widerstandsheizung, eine Laserheizung oder eine herkömmliche Aufheizung in einem Ofen entweder in einem Stapelverarbeitungsprozess (wenn das Werkstück ein diskreter Rohling ist) oder in einem kontinuierlichen Prozess (wenn das Werkstück in einer kontinuierlichen Rollenform vorliegt) verwendet werden, um den notwendigen Vordiffusionsschritt 110, 120 von 3 und 4 auszuführen. Unabhängig davon, welcher dieser Ansätze verwendet wird, ist ein gemeinsames Merkmal, das die Schutzbeschichtungen (wie beispielsweise die Al-Si-Beschichtungen) derart vordiffundiert werden, dass die Aufheizung mit hoher Geschwindigkeit, die zu dem Austenitisierungsschritt 120, 220 unmittelbar vor dem Formen durch Heißpressen gehört, ohne das Risiko einer Beschädigung der Beschichtung angewendet werden kann. Wie vorstehend erwähnt wurde, ist es vorteilhaft, einen Ansatz zur Aufheizung mit hoher Geschwindigkeit für den zweiten Teil der Aufheizung des Rohlings oder Werkstücks zu verwenden, und es wurde gezeigt, dass diese Induktionsheizung diesbezüglich besonders geeignet ist, da sie Aufheizungsgeschwindigkeiten verwenden kann, die diejenigen der üblicherweise bekannten Aufheizung in einem Ofen überschreiten.
Als Nächstes auf 5 Bezug nehmend, ist ein Flussdiagramm gezeigt, das die Schritte eines herkömmlichen Ansatzes 300 zum Presshärten gemäß dem Stand der Technik darstellt. Bei diesem wird ein mit Al-Si beschichtetes eisenbasiertes Substrat zuerst bei 310 gestanzt und anschließend einer Aufheizung 320 in einem Ofen auf die Austenitisierungstemperaturen ausgesetzt. Danach wird es bei 330 heißgeformt, wonach anschließend ein Nachschneiden 340 und eine optionale Reinigung 350 an der hergestellten Komponente ausgeführt werden, wonach diese für eine anschließende Montage 360 abgeschickt wird.
Als Nächstes auf 6 bis 8 Bezug nehmend, sind Flussdiagramme gezeigt, die Schritte verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen. Anders als bei dem herkömmlichen Ansatz 300 zum Presshärten von 5 zeigen die Verfahren, die in 6 bis 8 dargestellt sind, die Verwendung des Aufheizens (was hierin auch als eine ”erste Aufheizungsbedingung” oder einfacher als ”erste Bedingung” bezeichnet wird) als einen Weg, um eine Vordiffusion des Eisens aus dem Substrat in die Schutzbeschichtung hinein vor der Austenitisierung (die hierin auch als eine ”zweite Aufheizungsbedingung” oder einfacher als ”zweite Bedingung” bezeichnet wird) und vor dem Heißformen zu erreichen. Indem ein Teil des Eisens aus dem Werkstück in die Al-Si-Beschichtung (oder eine ähnliche Beschichtung) vordiffundiert wird, nimmt der Schmelzpunkt der Beschichtung zu, wie vorstehend erwähnt wurde, wodurch diese besser geeignet ist, die hohen Aufheizungsgeschwindigkeiten von der Austenitisierungs-Aufheizstation oder unter einer anderen zweiten Bedingung aufzunehmen, die ansonsten ein Schmelzen oder eine ähnliche Beschädigung an der Beschichtung verursachen würden. Dies kann wiederum verwendet werden, um den gesamten Aufheizungsprozess zu beschleunigen, wodurch die erforderliche Fähigkeit des Ofens und die damit verbundene Grundfläche zur Herstellung minimiert werden.
Unter spezieller Bezugnahme auf 6 kann gemäß einer Form ein Reihenaufheizungsprozess 100 derart verwendet werden, dass die Auftragung der Al-Si-Beschichtung (beispielsweise durch Schmelztauchen, gefolgt von einer unmittelbaren Aufheizung eines Streifens) in einen Vorgang zum Formen einer Komponente in einem Stahlwalzwerk eingebunden werden kann. Gemäß einem Beispiel wird ein Stahlstreifen wie bei einem herkömmlichen Zn-Fe-Legieren zum Erzeugen von feuerverzinktem Stahl durch eine Reihe von Induktionsspulen hindurchgeführt, um den Streifen unter einer ersten Bedingung gemäß einem Vordiffusionsschritt 110 ähnlich derjenigen kontinuierlich aufzuheizen, die in 3 dargestellt ist. Gemäß einer bevorzugten Form wird die Temperatur der Al-Si-Beschichtung oder einer ähnlichen Beschichtung, die dieser ersten Bedingung ausgesetzt ist, unterhalb von deren Schmelzpunkt gehalten, um ein heftiges Schmelzen, eine Wulstbildung oder einen Verlust der Integrität der Beschichtung zu vermeiden. Nach der Aufheizung in Reihe gemäß dem Vordiffusionsschritt 110 wird das Werkstück bei 115 gestanzt und anschließend einem Austenitisierungsschritt 120 ausgesetzt, wobei dieser letzte Schritt demjenigen ähnlich ist, der in 3 dargestellt ist. Gemäß einer bevorzugten Form wird dieser letzte Schritt unter der zweiten Bedingung durch eine Induktionsheizung auf Temperaturen ausgeführt, die ausreichen, um sicherzustellen, dass der Rohling austenitisiert wird. Danach wird dieser bei 130 heißgeformt, wonach anschließend das Nachschneiden 140 ausgeführt wird, bevor er bei 150 zur Montage geschickt wird. Bezeichnenderweise sind keine separaten Reinigungsschritte erforderlich, da eine restliche Kruste von Oberflächen eines Formwerkzeugs zum Heißstanzen im Wesentlichen beseitigt wird.
Unter spezieller Bezugnahme auf 7 zeigt ein Ansatz 200 basierend auf dem Aufheizungsverfahren, das in 4 dargestellt ist, zusätzliche Schritte, wobei der Vordiffusionsschritt 210 nach dem Stanzen 205 stattfinden kann. Bei dieser Form kann ein Werkstück, das eine Beschichtung enthält, die noch nicht vordiffundiert wurde, für eine anschließende Vordiffusion, Austenitisierung und für ein anschließendes Heißstanzen in einem kontinuierlichen Vorgang an den Teilehersteller geliefert werden. Gemäß einer bevorzugten Form verwenden die Schritte der Vordiffusion 210 und der Austenitisierung 220 eine steuerbare Heizausrüstung, wie beispielsweise diejenige, die bei der Induktionsheizung verwendet wird, um die Beschichtung zur Vermeidung des Schmelzens vor der anschließenden Austenitisierung 220 und dem anschließenden Heißstanzen 230 effektiv vorzudiffundieren. Gemäß einer speziellen Form findet die Austenitisierung bei einer Temperatur von 880°C oder höher statt. Wie bei dem Ansatz 100, der in 6 gezeigt ist, umfasst der Ansatz 200 von 7 (zusätzlich zu dem zuvor erwähnten Heißformen 230) die Schritte des Nachschneidens 240 und der Montage 250.
Unter spezieller Bezugnahme auf 8 können, wie vorstehend erwähnt wurde, andere Heizverfahren eingesetzt werden, die zum Bilden eines Ansatzes 400 verwendet werden. Beispielsweise kann eine Aufheizung in einem Ofen, eine Laserheizung oder dergleichen verwendet werden (von denen alle als Vordiffusionsschritt 410 gezeigt sind), wobei (für das Beispiel des Ofens) Temperaturen höher als 600°C (bei langsamen Aufheizungsgeschwindigkeiten im Ofen) für zumindest 10 Minuten eine adäquate Diffusionsschicht für das anschließende Aufheizen mit hoher Geschwindigkeit erzeugen. Bei Temperaturen, die 800°C überschreiten, betragen die minimalen Zeiten der Wärmebehandlung für eine geeignete Vordiffusion 2 Minuten. Dies ist folglich dem Ansatz 100 im Wesentlichen ähnlich, der vorstehend in Verbindung mit 3 und 6 (Ansatz 100) mit der Art und Weise diskutiert wurde, auf die der Vordiffusionsschritt 410 stattfindet. Wie vorstehend festgestellt wurde, ist es wichtig, die Verwendung von Vordiffusionstemperaturen zu vermeiden, die das Schmelzen, die Wulstbildung oder ähnliche Beschädigungsbedingungen für die Schutzbeschichtung bewirken würden. Trotzdem werden Fachleute einsehen, dass Kombinationen von Zeiten und Temperaturen für die Behandlung verwendet werden können, so dass sogar dann, wenn einer der Aufheizungsparameter überschritten wird (wie beispielsweise die Aufheizungsgeschwindigkeit oder die Temperatur) deren Verwendung zusammen derart erfolgt, dass eine durch das Schmelzen bedingte Beschädigung vermieden wird, und es wird angenommen, dass eine solche Beeinflussung der Zeit und der Temperatur innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt.
Als Nächstes auf 9, 10, 11A und 11B Bezug nehmend, ist eine lichtmikroskopische Aufnahme (LOM) eines Stahls eines Probewerkstücks 1000 nach der Beschichtung gezeigt, das gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurde, wobei eine Al-Si-Beschichtungszusammensetzung mit einem Schmelzpunkt des Eutektikums von ungefähr 577°C in einem anschließenden Heißstanzprozess verwendet wird. Diese Beschichtung ist ohne einen Vordiffusionsprozess nicht dafür geeignet, bei hohen Aufheizungsgeschwindigkeiten bis auf typische Austenitisierungstemperaturen (beispielsweise auf ungefähr 880°C bis 950°C) zur Verwendung in Verbindung mit dem Heißstanzen in Anwendungen mit pressgehärtetem Stahl aufgeheizt zu werden. Die LOM zeigt – von unten nach oben – eine Substratlage 1100 und eine Beschichtungslage 1200. Ein Epoxydharz 1300 zur Befestigung ist ebenso gezeigt, obwohl dieses letzte Merkmal lediglich als eine Befestigungsoberfläche für die Bildung der Probe verwendet wird und keinen Teil des endbearbeiteten Probewerkstücks 1000 bildet. Unter spezieller Bezugnahme auf 10, 11A und 11B wurde das vordiffundierte Probewerkstück 1000 von 9 mit einer Wärmebehandlung in einem Ofen bei 700°C für 2 Minuten erzeugt. Im Anschluss daran wurde das Probewerkstück 1000 mit 500°C pro Sekunde in einem thermomechanischen Simulator Gleeble^® 3500 bis auf 950°C aufgeheizt und für 10 Sekunden gehalten, um einen Aufheizungsprozess mit hoher Geschwindigkeit (wie beispielsweise bei dem Induktionshärten) zu simulieren, der in dem Heißstanzprozess verwendet werden soll. Nach dem Aufheizen mit hoher Geschwindigkeit wurde das Probewerkstück 1000 mit komprimierter Luft bei 20 psi (1379 hPa) mit einer Geschwindigkeit zwischen 100°C/s und 350°C/s von 950°C bis herunter auf 400°C abgekühlt. Obgleich Fachleute einsehen werden, dass die Abkühlungsgeschwindigkeiten bei tatsächlichen Heißstanzvorgängen langsamer sind (und typischerweise bei ungefähr 60°C/s liegen), wurde die vorliegende Simulation, die durch die Erfinder durchgeführt wurde, nicht zum Quantifizieren der Wirkungen der tatsächlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten verwendet, sondern stattdessen, um zu ermitteln, ob eine solche Beschichtung den Aufheizungsprozess ohne eine nennenswerte durch das Schmelzen verursachte Beschädigung überstehen könnte. Wie es in dem LOM-Bild in 11A gezeigt ist, waren ein heftiges Schmelzen und eine Wulstbildung der Beschichtungslage 1200 an der Oberfläche basierend auf dem Erscheinungsbild der Oberfläche und der unebenen Beschichtung an der Oberfläche des Probewerkstücks 1000 offensichtlich; die vorliegenden Erfinder schlossen daraus, dass dies eine nicht geeignete Vordiffusion vor dem Aufheizen mit hoher Geschwindigkeit anzeigt. Unter spezieller Bezugnahme auf 11B ist das resultierende Querschnittsbild von zurückgestreuten und Sekundärelektronen (BSE-Bild) aus dem Inneren der anschließend verfestigten Beschichtungslage von 11A gezeigt. Darüber hinaus findet sich in dem BSE-Bild ein Nachweis einer nicht wünschenswerten Säulenstruktur, die durch die alternierenden hellen und dunkeln Bereiche 1210 und 1220 gezeigt ist; eine solche Struktur zeigt das Schmelzen und die erneute Verfestigung mit variierenden chemischen Zusammensetzungen an. Zusätzlich wurde diese Struktur von einem Verlust der Beschichtungsintegrität an der Grenzfläche zwischen der Beschichtungslage 1200 und dem Substrat 1100 begleitet, wie es durch den Bereich 1150 angezeigt wird. Die vorliegenden Erfinder nehmen an, dass diese Wulstbildung auch die unebene Beschichtung erzeugte, die in dem repräsentativen Querschnitt von 11A gezeigt ist. Der sichtbare Nachweis von Phasen des eutektischen Al-Si-Systems in 9 und 10 kann auf ähnliche Weise aus den vorliegenden Figuren für Situationen herausgelesen werden, in denen keine vordiffundierte (oder eine nicht ausreichend vordiffundierte) Al-Si-Beschichtung gebildet wird, wobei die gemischten Zusammensetzungen Abschnitte umfassen, die beim Abkühlen die letzten bezüglich der Verfestigung sind und beim Aufheizen auf die eutektische Temperatur als erste schmelzen; dies ist durch das signifikante Vorhandensein der Beschichtungslage 1200 in 9 gezeigt (ein Schritt vor einer beliebigen Wärmebehandlung oder Vordiffusion). Anders ausgedrückt zeigt die Beschichtungslage 1200 von 9 den Nachweis der Sorte von Phasen, welche in einem eutektischen Al-Si-System inhärent sind (mit seinem niedrigen Schmelzpunkt von 577°C) und welche die vorliegenden Erfinder zu vermeiden suchen.
Als Nächstes auf 12A bis 12C Bezug nehmend, sind die Ergebnisse eines Vordiffusionsprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei die Parameter der Vordiffusion ein Aufheizen in einem Ofen bei 600°C für 10 Minuten umfassen. Unter spezieller Bezugnahme auf 12A ist ein repräsentativer LOM-Querschnitt eines Probewerkstücks 2000 mit einer vordiffundierten Beschichtungslage 2200 gezeigt, in der diskrete Legierungsschichten überall vorhanden sind. Die Zwischenlage 2150 ist die erste Zwischendiffusionslage zwischen dem Substrat 2100 und der Beschichtung 2200 und weist einen extrem hohen Fe-Gehalt auf. Somit bildet diese Zwischenlage 2150 einen Teil der Schichtstruktur des Werkstücks 2000. Nach dieser Vordiffusionsbehandlung wurde das Probewerkstück 2000 mit 500°C pro Sekunde in einem thermomechanischen Simulator Gleeble^® 3500 auf 950°C aufgeheizt und für 10 Sekunden gehalten, um einen Aufheizungsprozess mit hoher Geschwindigkeit zu simulieren, so dass das Werkstück 2000 anschließend in einem Heißstanzprozess geformt werden kann. Nach dem Aufheizen mit hoher Geschwindigkeit wurde das Werkstück 2000 mit komprimierter Luft auf die Weise abgekühlt, die vorstehend beschrieben ist. Unter spezieller Bezugnahme auf 12B zeigt das resultierende Querschnitts-BSE-Bild eine relativ einheitliche Zusammensetzung der Beschichtungslage 2200. Diese Einheitlichkeit bezüglich der Zusammensetzung wird durch eine semiquantitative Analyse unter Verwendung der energiedispersiven Spektroskopie (EDS) mit einem EDAX-Genesis-Detektor mit einer EDAX-Spektrumsoftware der Version 6.32 verifiziert, was durch eine Linienabtastung 2400 zum Erzeugen des entsprechenden Ergebnisses von 12C gezeigt ist. Die weiße Abtastlinie von 12B entsprechend der Positionierung und dem Abstand, der in 12C bezeichnet ist. Unter Verwendung einer automatisierten Quantifizierungsprozedur in der Software wurde gefunden, dass die Zusammensetzung ungefähr 46% Fe, 50% Al und 4% Si war (ähnlich Fe₂Al₅). Es wurde kein Nachweis eines heftigen Schmelzens oder einer Wulstbildung der Beschichtungslage 2200 beobachtet. Wie vorstehend ist ein Epoxydharz 2300 zur Befestigung ebenso gezeigt.
Als Nächstes auf 13A bis 13C Bezug nehmend, ist ein weiteres Probewerkstück 3000 mit geeigneten Parameter des Vordiffusionsprozesses gezeigt. Dabei wurde die Vordiffusion mittels einer Aufheizung in einem Ofen bei 600°C für 30 Minuten ausgeführt. Ein repräsentativer LOM-Querschnitt der vordiffundierten Beschichtungslage 3200 ist unter spezieller Bezugnahme auf 13A an der Oberseite eines Substrats 3100 gezeigt, an der sehr wenig von dem Al-Si-Eutektikum (d. h. mit dem niedrigsten Schmelzpunkt in dem binären Al-Si-System) übrig bleibt und die Beschichtungslage 3200 ausreichend mit Fe legiert ist. Dieses Fehlen des Eutektikums ist anhand eines Vergleichs mit der Anwesenheit der signifikanten eutektischen Al-Si-Struktur in den LOM-Querschnitten von 9 oder 10 besonders offensichtlich, bei denen eine geringe oder keine Vordiffusion verwendet wurde. Nach dieser Vordiffusionsbehandlung wurde das Werkstück 3000 mit 500°C pro Sekunde in einem thermomechanischen Simulator Gleeble^® 3500 auf 950°C aufgeheizt und für 10 Sekunden gehalten, um einen Aufheizungsprozess mit hoher Geschwindigkeit zu simulieren (wie beispielsweise bei der zuvor erwähnten Induktionshärtung), der als Teil des Heißstanzprozesses verwendet werden soll. Nach dem Aufheizen mit hoher Geschwindigkeit wurde das Werkstück mit komprimierter Luft bei 20 psi (1379 hPa) mit einer Geschwindigkeit zwischen 100°C und 350°C pro Sekunde von 950°C auf 400°C abgekühlt. In 13B zeigt das resultierende Querschnitts-BSE-Bild eine relativ einheitliche Beschichtungszusammensetzung 3210 mit kleinen Bereichen, die aus einer anderen Zusammensetzung 3220 bestehen. Bezeichnenderweise übersteht die Beschichtungslage 3200 diese Verarbeitungsbedingungen. Wie bei der Probe, die in 12A bis 12C untersucht wurde, wurde dieses Probewerkstück 3000 durch eine semiquantitative Analyse unter Verwendung der EDS mit dem zuvor erwähnten EDAX-Genesis-Detektor mit der EDAX-Spektrumsoftware verifiziert, um eine Linienabtastung 3400 (die im Wesentlichen der Linienabtastung 2400 ähnlich ist, die vorstehend in Verbindung mit 12B und 12C diskutiert wurde) mit den Ergebnissen bezüglich der Zusammensetzung zu erzeugen, die in 13C gezeigt sind. Unter Verwendung einer automatisierten Quantisierungsprozedur in der Spektrumsoftware wurde gefunden, dass die Zusammensetzung in dem Bereich 3210 ungefähr 46% Fe, 50% Al und 4% Si (ähnlich Fe₂Al₅) und in den kleineren Bereichen 3220, die in 12B in hellerer Farbe erscheinen, 61% Fe, 26% Al und 1% Si war. Es wurde kein Nachweis eines heftigen Schmelzens oder einer Wulstbildung der Beschichtung beobachtet, da die Beschichtung bezüglich der Dicke über die Oberfläche mit einem ähnlichen Erscheinungsbild im Querschnitt, wie es in 13B gezeigt ist, einheitlich war. Darüber hinaus zeigte die Beschichtungslage 3200 das Fehlen der Säulenstruktur von 10, wodurch das Fehlen des Schmelzens oder der erneuten Verfestigung angezeigt wird. Wie vorstehend diskutiert wurde, ist ein Epoxydharz 3300 zur Befestigung ebenso gezeigt.
Als Nächstes auf 14A bis 14C Bezug nehmend, ist ein Nachweis dafür gezeigt, dass die vorliegenden Erfinder geeignete Parameter für einen Vordiffusionsprozess ermittelt haben, in dem noch ein weiteres Probewerkstück 4000 mittels einer Aufheizung in einem Ofen bei 700°C für 10 Minuten vordiffundiert wurde. Ein repräsentativer LOM-Querschnitt der vordiffundierten Beschichtung 4200 ist in 14A gezeigt, in der kein Nachweis des Al-Si-Eutektikums nach der Vordiffusionsbehandlung übrig bleibt, was anzeigt, dass die Beschichtung ausreichend mit Eisen aus dem darunter liegenden Substrat 4100 legiert wurde. Nach dieser Vordiffusionsbehandlung wurde das Probewerkstück 4000 mit 500°C pro Sekunde in einem thermomechanischen Simulator Gleeble^® 3500 auf 950°C aufgeheizt und für 10 Sekunden gehalten, wie vorstehend in Verbindung mit dem Werkstück 3000 diskutiert wurde. Ein solcher Prozess mit einer hohen Aufheizungsgeschwindigkeit kann beispielsweise eine Induktionshärtung umfassen, die als Teil des Heißstanzprozesses verwendet wird. Nach der Aufheizung mit hoher Geschwindigkeit wurde das Probewerkstück 4000 mit komprimierter Luft bei 20 pounds per square inch (psi) (1379 hPa) mit einer Geschwindigkeit zwischen 100°C/s und 350°C/s von 950°C auf 400°C abgekühlt. In 14B zeigt das resultierende Querschnittsbild von zurückgestreuten Elektronen drei diskrete Bereiche von Interesse mit unterschiedlichen Zusammensetzungen (dargestellt durch die Bereiche 4150, 4250 und 4270). Dies wurde durch eine semiquantitative Analyse unter Verwendung der EDS mit dem EDAX-Genesis-Detektor und der Spektrumsoftware verifiziert, die vorstehend erläutert wurden, wobei die Ergebnisse dieser Analyse in 14C basierend auf einer Linienabtastung 4400 von 14B gezeigt sind, die den Linienabtastungen 2400 und 3400 ähnlich ist, die vorstehend diskutiert wurden. Die Profile zeigen einen Wechsel von einer eisenreichen Zwischendiffusionslage 4150 infolge des Wachstums der Beschichtungslage 4200 in das Substrat 4100 zu einem Bereich 4250, der reich an Aluminium ist, mit einer Zusammensetzung von ungefähr 46% Fe, 50% Al und 4% Si (am wahrscheinlichsten in der Form von Fe₂Al₅). Die Fläche mit hellerer Farbe in dem Bereich 4270 ist reich an Fe und Si, mit einer ungefähren Zusammensetzung von 61% Fe, 26% Al und 13% Si. Es wurde kein Nachweis eines heftigen Schmelzens oder einer Wulstbildung in der Beschichtungslage 4200 basierend auf der Einheitlichkeit der Beschichtung bezüglich der Dicke und basierend auf dem Fehlen einer Säulenstruktur beobachtet, die ein Schmelzen und eine erneute Verfestigung repräsentiert.
Als Nächstes auf 15A bis 15C Bezug nehmend, sind Bilder zurückgestreuter Elektronen für noch ein weiteres Probewerkstück 5000 nach den entsprechenden Vordiffusionsbedingungen bei 800°C (für 2 und 10 Minuten) und bei 900°C (für 2 Minuten) und einer anschließenden Aufheizung mit hoher Geschwindigkeit gezeigt. In diesen ist eine relativ breite Diffusionsschicht 5150 gezeigt (mit einer Dicke von ungefähr 3 bis 4 Mikrometern) die an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 5100 und der Beschichtungslage 5200 mit einer Matrix von 46% Fe, 50% Al und 4% Si gebildet wird (ähnlich Fe₂Al₅), während ein Band 5250 einer an Fe und Si reichen Zusammensetzung mit ähnlichen 61% Fe, 26% Al und 13% Si ebenso nachgewiesen wird. Sobald die Lösbarkeit von Fe und Si in der Matrix überschritten wird, werden Fe und Si in einer ähnlichen Form mit verschiedenen Größen ausgeschieden, was von der Menge einer Anreicherung mit Eisen während der Vordiffusion und während der anschließenden Aufheizung mit hoher Geschwindigkeit abhängt. Die Bedingungen der Wärmebehandlung zur Vordiffusion in einem Ofen von 800°C (für 2 und 10 Minuten) und von 900°C (für 2 Minuten) lieferten ähnliche Ergebnisse wie die vorstehenden, wobei kein Nachweis eines heften Schmelzens oder einer Wulstbildung der Beschichtung basierend auf der Einheitlichkeit der Beschichtung bezüglich der Dicke und dem Fehlen einer Säulenstruktur beobachtet wurde.
Die vorstehende ausführliche Beschreibung und die bevorzugten Ausführungsformen in dieser werden lediglich zur Darstellung und als Beispiel angegeben; zusätzliche Abwandlungen bezüglich der Form oder bezüglich Details werden Fachleuten leicht von selbst nahe gelegt, ohne von dem Geist der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend versteht es sich, dass der Umfang der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt sein sollte.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer durch Pressen härtbaren Stahlkomponente, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein beschichteter Stahlrohling gebildet wird, indem eine Schutzbeschichtung mit einem Stahlsubstrat gekoppelt wird; der beschichtete Stahlrohling unter einer ersten Bedingung derart aufgeheizt wird, dass zumindest ein Teil des Eisens, das in dem Substrat vorhanden ist, in die Beschichtung hinein diffundiert; der beschichtete Stahlrohling danach unter einer zweiten Bedingung aufgeheizt wird, die ausgebildet ist, um den beschichteten Stahlrohling bis zu einer Austenitisierungstemperatur aufzuheizen; und der beschichtete Stahlrohling zu der Komponente geformt wird, während der beschichtete Stahlrohling im Wesentlichen gleichzeitig abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bedingung einer höheren Aufheizungsgeschwindigkeit als derjenigen der ersten Bedingung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Bedingung einer höheren Temperatur als derjenigen der ersten Bedingung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Bedingung durch Induktionsheizung hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Bedingung einer Aufheizungsgeschwindigkeit von bis zu ungefähr 500 Grad Celsius pro Sekunde entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schutzbeschichtung Aluminium enthält.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erste Bedingung zu einer Temperatur in der Schutzbeschichtung von nicht mehr als einer Temperatur von ungefähr 950 Grad Celsius mit einer Aufheizungsgeschwindigkeit gleich oder geringer als 20 Grad Celsius pro Sekunde, wenn die Diffusion durch eine Aufheizung in einem Ofen durchgeführt wird, oder von nicht mehr als einer anfänglichen Temperatur von ungefähr 577 Grad Celsius mit einer anfänglichen Aufheizungsgeschwindigkeit größer als ungefähr 25 Grad Celsius pro Sekunde führt, wenn die Diffusion durch Induktionsheizung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil der Aufheizung unter der ersten Bedingung durch die Gruppe erfolgt, die aus einer Induktionsheizung, einer Widerstandsheizung, einer Laserheizung und einer Aufheizung in einem Ofen besteht.