CN109136775A - 用于生产设置有金属防腐蚀保护层的钢构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于生产包括基板和镀层的钢构件的方法，相应的钢构件和其在汽车领域中的应用。

Description

用于生产设置有金属防腐蚀保护层的钢构件的方法
技术领域
本发明涉及用于生产包括基板和镀层的钢构件的方法，相应的钢构件和其在汽车领域中的应用。
背景技术
为了提供在现代车身制造中所要求的轻质，最大强度和保护功效的组合，如今在车身领域使用由高强度钢热成形得到的构件，车身在发生碰撞时可能会经受特别高的负荷。在热成形，也叫做热模压淬火时，将先前从冷轧或者热轧带材上取下的钢制扁坯加热至成形温度，该成形温度普遍高于各个钢的奥氏体化温度，然后将其在加热的状态下放置在压力机工具中。在随后进行的成形过程中，通过与冷的工具相接触，钢板剪裁件或者由其所成形的构件被快速降温。这里如此设置降温速率，使得在构件中形成淬火组织。
WO 2015/036151A1公开了用于生产一种设置有金属的，防止腐蚀的镀层的钢构件的方法和一种相应的钢构件。符合该文献的方法包括用由铝，锌，镁和可能情况下的硅和铁组成的合金对扁钢产品镀层，从该扁钢产品上剪裁出扁坯，加热扁坯和成形扁坯，以得到想要的钢构件。
DE 699 07 816 T2公开了一种用于生产镀层的热轧以及冷轧的钢制薄板的方法，该钢制薄板在热处理后具有很高的强度。为此将扁钢产品设置镀层并热处理。在热处理中将工件加热至超过750℃的温度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于生产包括基板和镀层的钢构件的方法，利用该方法能够得到相应的钢构件，该钢构件的特征在于根据VDA 238-100的特别大的弯曲角度α，以及由此在于其在汽车领域中的使用中的改善的碰撞行为。此外，根据本发明，镀层扁钢产品中的互扩散层厚度应该位于特定的最优区间中，以由此达到最优化的弯曲角度，以改善该扁钢产品的特性。
该目的通过根据本发明的用于生产包括基板和镀层的钢构件的方法解决，其中钢构件的弯曲角度α与基板和镀层之间的界层上互扩散层的厚度tIDS根据通式(1)
彼此相关，该方法包含至少以下步骤：
(A)准备扁钢产品，其包括(所有数据单位为重量％)
0.15至0.50的C，
0.50至3.0的Mn，
0.10至0.50的Si，
0.01至1.00的Cr，
最大0.20的Ti，
最大0.10的Al，
最大0.10的P，
最大0.1的Nb，
最大0.01的N，
最大0.05的S和
最大0.1的B，
其余为Fe和不可避免的杂质，
该扁钢产品具有镀层，组成为(所有数据单位为重量％)
3至15的Si，
1至3.5的Fe，
最大0.5的碱金属和/或碱土金属，
其余为铝和不可避免的杂质，
(B)在炉温T1(单位为K)下处理该扁钢产品，持续时间为t1(单位为h)，使得p1根据通式(2)的等式具有0至91的值
(C)将在步骤(B)中加热的扁钢产品在降温的同时在成形工具中成形，以得到钢构件。
此外，该目的还通过相应的钢构件以及通过该根据本发明的钢构件在汽车领域中的应用解决，尤其是作为缓冲器支架/增强件，门增强件，B柱增强件，A柱增强件，顶篷框架或者窗台(Schwel ler)。
根据本发明的方法在下面进行详细说明：
根据本发明的方法的步骤(A)包括准备组成如下的扁钢产品(所有数据单位为重量％)
0.15至0.50，优选0.20至0.30，特别优选0.21至0.25的C，
0.50至3.0，优选0.80至2.00，特别优选1.00至1.50的Mn，
0.10至0.50，优选0.15至0.40，特别优选0.20至0.30的Si，
0.01至1.00，优选0.10至0.5，特别优选0.10至0.40的Cr，
最大0.20，优选0.01至0.10，特别优选0.01至0.04的Ti，
最大0.10，优选0.01至0.05，特别优选0.02至0.05的Al，
最大0.10，优选0.00至0.05，特别优选0.00至0.02的P，
最大0.1，优选0.001至0.1的Nb，
最大0.01的N，
最大0.05，优选0.00至0.005，特别优选0.00至0.003的S和
最大0.1，优选0.001至0.05，特别优选0.002至0.0035的B，
其余为Fe和不可避免的杂质，
该扁钢产品具有镀层，组成为(所有数据单位为重量％)
3至15的Si，
1至3.5的Fe，
最大0.5的碱金属和/或碱土金属，
其余为铝和不可避免的杂质。
根据本发明，基板中不可避免的杂质比如是Cu,Mo,V,Ni和/或Sn。
根据本发明，在根据本发明的方法的步骤(A)中能够使用每一种对于专业人员而言适合的具有相应分析特性和相应镀层的扁钢产品。应用的扁钢产品优选是带材，尤其是热轧带材或者冷轧带材，是薄板，也就是热轧带材或者冷轧带材的一块，或者是由热轧带材制成的扁坯或者由冷轧带材制成的扁坯。本发明优选涉及一种根据本发明的方法，其中该扁钢产品是由热轧带材制成的扁坯或者由冷轧带材制成的扁坯。
用于生产热轧带材或者冷轧带材的方法本身对于专业人员来说是已知的，并且比如在《成形手册(Handbuch Umformen)》，Hoffmann,Hartmut；Neugebauer,Reimund；Spur,Günter(2012)，慕尼黑:Carl Hanser Verlag GmbH&Co.KG.,109至165页和196至207页中有说明。
根据本发明得到的扁钢产品设置有镀层，其中该镀层优选含有3至15，特别优选7至12，尤其特别优选9至10的Si，1至3.5，优选2至3.5的Fe，最大0.5的碱金属和/或碱土金属，比如镁，钙和/或锂，其余为铝和不可避免的杂质(所有的数据单位为重量％)。
用于生产相应的镀层扁钢产品的方法本身对于专业人员来说是已知的，比如镀层能够通过火焰喷涂，电解镀层或者利用分片涂层工艺(Stückbeschichtungsprozess)进行。因此本发明优选涉及一种根据本发明的方法，其中镀层通过火焰喷涂，电解镀层或者利用分片涂层工艺(Stückbeschichtungsprozess)进行。
铝-硅-铁合金的涂覆优选利用连续火焰喷涂过程进行。
镀层时，铝熔池的温度优选位于660℃和720℃之间。
镀层中的硅作用为扩散阻止剂并且用于在利用火焰喷涂涂覆由铝合金构成的镀层时使熔池镇静。
根据本发明，镀层的厚度优选为5至60μm，优选10至40μm。由此得出根据本发明的两面镀层的涂覆重量为20至240g/m2,优选40至200g/m2,特别优选50至180g/m2,例如60，80或150g/m2。因此本发明优选涉及一种根据本发明的方法，其中两面镀层的涂覆重量为20至240g/m2。
根据本发明该镀层能够位于扁钢产品的一面或者两面上。本发明因此优选涉及一种根据本发明的方法，其中镀层位于扁钢产品的一面或者两面上。
根据本发明优选将镀层的扁钢产品从步骤(A)中直接转移到根据本发明的步骤(B)中。但在步骤(A)和(B)之间再进行另外的步骤也是可能的，比如扁钢产品的区段分离，尤其是薄板或者扁坯，比如通过裁剪或者激光剪切，通过激光处理打孔或者冲孔，预先热处理以改变镀层或者基板的特性，和/或进行预成形。
根据本发明的方法的步骤(B)包括在T1(单位K)的炉温下处理扁钢产品，持续时间t1(单位h)，由此根据通式(2)的等式p1具有0至91的值:
根据本发明可得，当在步骤(B)中如此进行热处理，使得在等式(2)中得出的参数p1具有0至91的值时，能够得到特别有利的产品，尤其是在根据VDA 238-100的弯曲角度α方面。
在通式(2)的等式中T1是开尔文为单位的炉温，也就是说在进行根据本发明的方法的步骤(B)的熔炉中出现的温度。根据本发明可以使用所有对于专业人员而言已知的炉，比如辊底式炉，箱式炉，多层箱式炉，步进梁式加热炉。根据本发明，T1优选在1070至1350K，特别优选1100至1250K，其中同时必须满足根据等式(2)得出的p1具有0至91的值。因此本发明优选涉及一种根据本发明的方法，其中T1在1070至1350K，特别优选1100至1250K。
在通式(2)的等式中t1是扁钢产品在相应的温度T1中保持的持续时间。其优选为从试样进入/放入炉中到将试样从炉中取出/拿出的时间间隔。根据本发明t1的单位是小时(h)。根据本发明t1优选为0.017至0.50h，特别优选0.026至0.50h，其中同时必须满足根据等式(2)得出的p1具有0至91的值。因此本发明优选涉及一种根据本发明的方法，其中t1为0.017至0.50h，特别优选0.026至0.50h。
当p1小于0时，无法形成足够的互扩散层。由此可能无法保证其它的加工特性，如无法提供足够的成形特性。
在根据本发明的方法的步骤(B)中，尤其在从试样进入/放入炉中到将试样从炉中取出/拿出的时间间隔中，会在基板和镀层之间出现扩散过程。在此，在存在其它镀层元素和基板元素的不同份额的情况下主要在铝和铁之间形成不同的金属间相。根据炉内滞留时间和温度的不同在基板和镀层之间的过渡处形成一个区域，该区域中在符合技术专业要求的模压淬火后没有马氏体组织出现，该组织也不被分配到镀层中。该区域被称作互扩散层(IDS)并且优选从该扁钢产品的中间出发，从开始没有马氏体组织存在的区域开始延伸至铁含量开始持续低于或等于85重量％并且同时铝含量开始持续大于或等于10重量％的区域。更加优选地，该互扩散层中可测量的纳米硬度为4至10GPa，比如利用专业人员已知的纳米压痕仪进行测量(压力4000μN；Berkovich压痕仪)。
根据本发明的方法的步骤(C)包括在成形工具中在冷却的同时成形来自步骤(B)的加热后的扁钢产品以制得钢构件。
通常能够在根据本发明的方法的步骤(C)中使用所有对于技术人员而言已知的用于热成形的方法，比如在《汽车制造中的热成形-方法，材料，表面》，Landsberg/Lech:Verl.Moderne Industrie,2012,Die Bibliothek der Technik中所说明的。
在根据本发明的方法的步骤(C)中由来自步骤(B)的扁钢产品通过成形得到所期望的钢构件。为了使得钢构件中形成所期望的淬火组织，也就是说至少80％的马氏体，贝氏体残余，和奥氏体残余，成形在冷却的同时进行。根据本发明的方法的步骤(C)中的冷却这里优选以27至1000K/s的速率，优选50至500K/s的速率进行。因此本发明优选涉及一种根据本发明的方法，其中步骤(C)中的冷却以27至500K/s的速率进行。
通过根据本发明的方法得到一种包含基板和镀层的钢构件，其中钢构件的弯曲角度α以及基板和镀层之间的界层上互扩散层的厚度tIDS根据通式(1)
彼此相关。在通式(1)中α是根据本发明所生产的钢构件所具有的，根据VDA 238-100的弯曲角度。
在等式(1)中给出的弯曲角度α以试样纵向位置确定，也就是说弯曲轴横向于辊轧方向。因为根据VDA 238-100的弯曲试验中的失效通常是从试样最外面的纤维开始，必须在等式(1)中以在弯曲试验中作为最外面纤维的试样的面上的互扩散层厚度为基础，也就是说尤其是待弯折的两端之间的角度从180°开始增加的那一面。若等式(1)中给出的弯曲角度α根据本发明横向于试样位置来确定，也就是说弯曲轴纵向于辊轧方向，那么由于材料各向异性，得出的值低约6.5％。同样地，对于其它试样位置(比如对角线方向)可能会有略有偏差的弯曲角度，其中该偏差优选在纵向和横向位置之间，也就是说在0和6.5％之间。这些值的总体趋势反映出了根据等式(1)的联系。因此根据本发明，等式(1)优选适用于以纵向试样位置确定的弯曲角度α，也就是说弯曲轴横向于辊轧方向。
钢构件的碰撞适宜性主要与在“金属材料薄板弯曲试验”(VDA238-100)中测得的最大力下的弯曲角度α有关(对此参见最高强度钢碰撞适宜性的质量和数量评估；TillLaumann；Meisenbach出版社，班贝格，2010(ISBN 978-3-87525-299-6))。这里高的弯曲角度表示好的碰撞适宜性。
通式(2)中tIDS的意思是互扩散层厚度且单位为微米(μm)。这里，互扩散层的定义为从该扁钢产品的中间出发，从开始没有马氏体组织存在的区域开始延伸至铁含量开始持续低于或等于85重量％并且同时铝含量开始持续大于或等于10重量％的区域的区域。
在根据本发明生产的钢构件中，互扩散层厚度tIDS为2.0至21.0μm，并且弯曲角度α为49.5至70°其中根据本发明，这些值如此与彼此相联系，使得通式(1)的等式成立。
本发明还涉及一种扁钢产品，其包括基板，该基板含有(所有数据单位为重量％)
0.15至0.50，优选0.20至0.30，特别优选0.21至0.25的C，
0.50至3.0，优选0.80至2.00，特别优选1.00至1.50的Mn，
0.10至0.50，优选0.15至0.40，特别优选0.20至0.30的Si，
0.01至1.00，优选0.10至0.5，特别优选0.10至0.40的Cr，
最大0.20，优选0.01至0.10，特别优选0.01至0.04的Ti，
最大0.10，优选0.01至0.05，特别优选0.02至0.05的Al，
最大0.10，优选0.00至0.05，特别优选0.00至0.02的P，
最大0.1，优选0.001至0.1的Nb，
最大0.01的N，
最大0.05，优选0.00至0.005，特别优选0.00至0.003的S和
最大0.1，优选0.001至0.05，特别优选0.002至0.0035的B，
其余为Fe和不可避免的杂质，
该扁钢产品具有镀层，组成为(所有数据单位为重量％)
3至15的Si，
1至3.5的Fe，
最大0.5的碱金属和/或碱土金属，
其余为铝和不可避免的杂质，
其中钢构件的弯曲角度α和基板和镀层之间的界层上互扩散层的厚度tIDS根据通式(1)
彼此联系。该根据本发明的钢构件优选通过根据本发明的方法得到。
本发明尤其涉及根据本发明的钢构件，其中其通过成形相应的扁钢产品获得，其中将该扁钢产品在成形前在T1(单位为K)的炉温下处理t1的持续时间(单位为h)，使得p1根据通式(2)的等式具有0至91的值
此外，本发明优选涉及根据本发明的一种钢构件，其中两面镀层的涂覆重量为20至240g/m2,优选40至200g/m2。
对于根据本发明的钢构件的各个特征和优选的实施形式，有关根据本发明的方法的描述相应是适用的。
本发明也涉及一种钢构件，其包含(所有数据单位为重量％)
0.15至0.50，优选0.20至0.30，特别优选0.21至0.25的C，
0.50至3.0，优选0.80至2.00，特别优选1.00至1.50的Mn，
0.10至0.50，优选0.15至0.40，特别优选0.20至0.30的Si，
0.01至1.00，优选0.10至0.5，特别优选0.10至0.40的Cr，
最大0.20，优选0.01至0.10，特别优选0.01至0.04的Ti，
最大0.10，优选0.01至0.05，特别优选0.02至0.05的Al，
最大0.10，优选0.00至0.05，特别优选0.00至0.02的P，
最大0.1，优选0.001至0.1的Nb，
最大0.01的N，
最大0.05，优选0.00至0.005，特别优选0.00至0.003的S和
最大0.1，优选0.001至0.05，特别优选0.002至0.0035的B，
其余为Fe和不可避免的杂质，
该扁钢产品具有镀层，组成为(所有数据单位为重量％)
3至15的Si，
1至3.5的Fe，
最大0.5的碱金属和/或碱土金属，
其余为铝和不可避免的杂质，
其中扁钢产品在位于基板和镀层之间的分界面上具有厚度为1至30μm的互扩散层。
本发明还涉及根据本发明的镀层钢构件在汽车领域中的应用，尤其是作为缓冲器支架/增强件，门增强件，B柱增强件，A柱增强件，顶篷框架或者窗台(Schweller)。
对于根据本发明的应用的各个特征和优选的实施形式，有关根据本发明的方法的描述相应是适用的。
附图说明
图1示出了根据本发明生产的镀层钢构件的镀层的光学显微镜图像(横断面磨片/显微照片)，其中含义为：
1 总镀层
2 互扩散层
3 基板(22MnB5)。
图2示出了未根据本发明生产的镀层钢构件的镀层的光学显微镜图像(横断面磨片/显微照片)，其中含义为：
4 在1193K下，0.0389小时的炉内滞留时间后不足够的互扩散层厚度(p1＝-13)
5 在1193K下，0.0444小时的炉内滞留时间后不足够的互扩散层厚度(p1＝-6.1)。
具体实施方式
接下来的实施例用于进一步解释本发明。
将表1中所示组成A，B，C和D的扁钢产品(冷轧带材)以扁坯的形式使用。这里将该冷轧带材镀层并分离出扁坯。示例性使用的扁钢产品的镀层是所谓的AlSi镀层，该镀层主要能够通过火焰喷涂来生产，其组成为：9至10重量％的Si，2至3.5重量％的铁，其余为铝。将如此制得和镀层的扁钢产品在t1(参见表格)的持续时间中加热至温度T1(参见表格)，然后放至压模工具中，然后在其中热成形为钢构件，并且在此尽可能快地通过与普通的热成形工具接触在约15秒之内进行降温，由此在该扁钢产品的钢制基板中产生了具有至少80％组分马氏体，其余：贝氏体(0-20％)，奥氏体残余(0-5％)，铁氧体(0-5％)的淬火组织。模压淬火在下列过程参数下进行：露点<278.15K，从炉至工具的转移时间6s，工具关闭时长15s。
对于试验，将炉温T1，熔内滞留时间t1，薄板厚度和涂覆重量进行变化并相应生产弯曲试验的试样。对每5个在根据VDA238-100的弯曲试验(试样位置“纵向”，也就是说弯曲轴横向于辊轧方向)中具有相同加工特性的试样进行测量。从该5个试样中得出算数平均。在横截面磨片中在用3％的HNO3酸蚀后测量合金层厚度。尺寸测量在确定镀层后通过纳米压痕硬度测量或者GDOS(辉光放电发射光谱)通过定量图片分析进行。
表1：使用的熔融物的组成，所有数据单位为重量％，其余为Fe
表2中示出了过程参数和得到的弯曲角度。
表2：过程参数和得到的弯曲角度
V对比试验
T1炉温
t1炉内滞留时间
p1刻度的生产参数
tIDS互扩散层厚度
α根据VDA238-100的弯曲角度(试样位置“纵向”，也就是说弯曲轴横向于辊轧方向)
根据本发明生产的钢构件具有改善的碰撞行为并因此能够有利地应用在汽车领域。

Claims (13)

1.用于生产包括基板和镀层的钢构件的方法，其中钢构件的弯曲角度α以及基板和镀层之间的界层上互扩散层的厚度tIDS根据通式(1)
彼此关联，该方法包含至少以下步骤：
(A)准备扁钢产品，其包括所有数据单位为重量％的下述组成：
0.15至0.50的C，
0.50至3.0的Mn，
0.10至0.50的Si，
0.01至1.00的Cr，
最大0.20的Ti，
最大0.10的Al，
最大0.10的P，
最大0.1的Nb，
最大0.01的N，
最大0.05的S和
最大0.1的B，
其余为Fe和不可避免的杂质，
该扁钢产品具有镀层，所有数据单位为重量％的组成为：
3至15的Si，
1至3.5的Fe，
最大0.5的碱金属和/或碱土金属，
其余为铝和不可避免的杂质，
(B)在单位为K的炉温T1下处理该扁钢产品，单位为h的持续时间为t1，使得p1根据通式(2)的等式具有0至91的值
(C)将在步骤(B)中加热的扁钢产品在降温的同时在成形工具中成形，以得到钢构件。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述扁钢产品是由热轧带材制成的扁坯或者由冷轧带材制成的扁坯。
3.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述镀层通过火焰喷涂，电解镀层或者利用分片涂层工艺进行。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述方法，其特征在于，两面镀层的涂覆重量为20至240g/m2。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述方法，其特征在于，所述步骤(C)中的冷却以27至500K/s的冷却速率进行。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述方法，其特征在于，T1为1070至1350K。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述方法，其特征在于，t1为0.017至0.5h。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述方法，其特征在于，所述镀层位于所述扁钢产品的一面或者所述扁钢的两面上。
9.钢构件，其包括所有数据单位为重量％的组成如下的基板：
0.15至0.50的C，
0.50至3.0的Mn，
0.10至0.50的Si，
0.01至1.00的Cr，
最大0.20的Ti，
最大0.10的Al，
最大0.10的P，
最大0.1的Nb，
最大0.01的N，
最大0.05的S和
最大0.1的B，
其余为Fe和不可避免的杂质，
所述钢构件具有镀层，所有数据单位为重量％的组成为：
3至15的Si，
1至3.5的Fe，
最大0.5的碱金属和/或碱土金属，
其余为铝和不可避免的杂质，
其特征在于，
所述钢构件的单位为°的弯曲角度α以及基板和镀层之间的界层上互扩散层的单位为μm的厚度tIDS根据通式(1)
彼此相关。
10.根据权利要求9所述钢构件，其特征在于，所述钢构件通过成形相应的扁钢产品获得，其中将所述扁钢产品在成形前在单位为K的炉温T1下处理单位为h的持续时间t1，使得p1根据通式(2)的等式具有0至91的值
11.根据权利要求9或10所述钢构件，其特征在于，两面涂层的涂覆重量为20至240g/m2。
12.钢构件，所述钢构件包含所有数据单位为重量％的下述组成：
0.15至0.50的C，
0.50至3.0的Mn，
0.10至0.50的Si，
0.01至1.00的Cr，
最大0.20的Ti，
最大0.10的Al，
最大0.10的P，
最大0.1的Nb，
最大0.01的N，
最大0.05的S和
最大0.1的B，
其余为Fe和不可避免的杂质，
该扁钢产品具有镀层，所有数据单位为重量％的组成为：
3至15的Si，
1至3.5的Fe，
最大0.5的碱金属和/或碱土金属，
其余为铝和不可避免的杂质，
其特征在于，所述扁钢产品具有厚度为1至30μm的在位于基板和镀层之间的分界面上的互扩散层。
13.根据权利要求10至12中任意一项所述镀层钢构件在汽车领域中的应用，尤其是作为缓冲器支架/增强件，门增强件，B柱增强件，A柱增强件，顶篷框架或者窗台。
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