DE102018118826A1

DE102018118826A1 - Mehrschichtiger stahl und verfahren zum vermindern der versprödung von flüssigem metall

Info

Publication number: DE102018118826A1
Application number: DE102018118826.9A
Authority: DE
Inventors: Charles M. Enloe; Curt D. Horvath; David Yang; Qi Lu; Wu Tao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2019-02-07
Also published as: CN109385515A; US20190040487A1; US10329639B2

Abstract

Ein mehrschichtige Stahl beinhaltet einen Kern, der aus verwandlungsinduziertem Plastizitäts-(TRIP)-Stahl gebildet wird. Eine entkohlte Schicht befindet sich auf mindestens einer Seite des Kerns. Die entkohlte Schicht weist gegenüber dem Kern einen reduzierten Kohlenstoffgehalt auf. Eine Zink-basierte Schicht befindet sich außerhalb der entkohlten Schicht. Die entkohlte Schicht kann eine Zusammensetzung von mindestens 80 Prozent Ferrit aufweisen, sodass LME reduziert oder vermindert wird. In einigen Konfigurationen ist die entkohlte Schicht zwischen 10-50 Mikron dick. Ein Verfahren zum Herstellen einer beschichteten hochfesten Stahlkomponente ist ebenfalls vorgesehen. Eine Vorrichtung zum Bilden eines beschichteten hochfesten Stahls ist ebenfalls vorgesehen. Der Kern des mehrschichtigen Stahls kann einen Kohlenstoffgehalt von weniger als oder gleich 0,4 aufweisen. Die entkohlte Schicht des mehrschichtigen Stahls kann einen Kohlenstoffgehalt von weniger als oder gleich 50 Prozent des Kohlenstoffgehalts des Kerns aufweisen.

Description

EINLEITUNG
Diese Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Verfahren und Zusammensetzungen zur Reduzierung der Anfälligkeit für Flüssigmetall-Versprödung in modernen hochfesten Stählen. Insbesondere die Verfahren und Zusammensetzungen hierin reduzieren die Versprödung des flüssigen Metalls durch das Schweißen.
KURZDARSTELLUNG
Ein mehrschichtiger Stahl ist vorgesehen. Der mehrschichtige Stahl beinhaltet einen Kern, der aus verwandlungsinduziertem Plastizitäts-(TRIP)-Stahl gebildet wird. Eine entkohlte Schicht befindet sich auf mindestens einer Seite des Kerns. Die entkohlte Schicht weist gegenüber dem Kern einen reduzierten Kohlenstoffgehalt auf. Eine Zink-basierte Schicht befindet sich außerhalb der entkohlten Schicht. Die entkohlte Schicht kann zu mindestens 80 Prozent aus Ferrit zusammengesetzt sein. In einigen Konfigurationen ist die entkohlte Schicht zwischen 10-50 Mikron dick.
Der Kern des mehrschichtigen Stahls kann einen Kohlenstoffgehalt von weniger als oder gleich 0,4 aufweisen. Die entkohlte Schicht des mehrschichtigen Stahls kann einen Kohlenstoffgehalt von weniger als oder gleich 50 Prozent des Kohlenstoffgehalts des Kerns aufweisen.
Ein Verfahren zum Herstellen einer beschichteten hochfesten Stahlkomponente ist ebenfalls vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet das Kaltwalzen eines Kerns aus einem umwandlungsinduzierten Plastizitäts-(TRIP)-Stahl und das Glühen des TRIP-Stahlkerns. Das Verfahren beinhaltet auch das Entkohlen einer freiliegenden Oberfläche des TRIP-Stahlkerns, um eine entkohlte Schicht zu bilden. Die entkohlte Schicht ist aus gleich oder mehr als 80 Prozent Ferrit zusammengesetzt. Das Verfahren beinhaltet ferner das Aufbringen einer Zink-basierten Beschichtung auf die entkohlte Schicht, um einen beschichteten Rohling zu bilden, der in Spulenform oder als von der Spule getrennte Komponenten vorliegen kann, und das Schweißen des beschichteten Rohlings mit der entkohlte Schicht auf einer Außenfläche desselben.
Das Entkohlen der freiliegenden Oberfläche des TRIP-Stahlkerns kann in einer Umgebung mit einem Taupunkt von mehr als -5 °C auftreten, sodass die innere Oxidation von Silizium und Mangan innerhalb der entkohlten Schicht auftritt. Das Entkohlen der freiliegenden Oberfläche des TRIP-Stahlkerns kann auch in einer Umgebung mit einem Taupunkt von weniger als -5 °C auftreten, sodass die äußere Oxidation von Silizium und Mangan im Wesentlichen nur an der freiliegenden Oberfläche der entkohlten Schicht auftritt.
Eine Vorrichtung zum Umformen eines beschichteten hochfesten Stahls ist ebenfalls vorgesehen und beinhaltet eine Glühvorrichtung zum Glühen eines aus TRIP-Stahl gebildeten Kerns. Eine Entkohlungsvorrichtung ist konfiguriert, um mindestens eine freiliegende Oberfläche des Stahlkerns zu entkohlen, um darauf eine entkohlte Schicht zu bilden, sodass die entkohlte Schicht aus gleich oder mehr als 80 Prozent Ferrit gebildet wird.
Eine Galvanisierungsvorrichtung ist konfiguriert, um eine Zink-basierte Beschichtung auf die entkohlte Schicht aufzubringen, um einen beschichteten Rohling zu bilden, der in Form einer Spule oder von einer Spule getrennter Komponenten vorliegen kann. Zusätzlich ist eine Schweißvorrichtung konfiguriert, um den beschichteten Rohling mit der entkohlten Schicht auf einer Außenfläche mit mindestens einer weiteren Komponente zu verschweißen.
Die oben genannten Merkmale und Vorteile, sowie andere Merkmale und Vorteile des vorliegenden Gegenstands sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger bevorzugter Modi und anderer Ausführungsformen zur Ausführung der offenbarten Strukturen, Verfahren oder beiden ersichtlich.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm eines mehrschichtigen Stahls, das eine entkohlte Schicht und eine Zink-basierte Beschichtung veranschaulicht.
2 ist eine schematische Darstellung einer Widerstandspunktschweißung, die mit mehrschichtigem Stahl, wie in 1 dargestellt, umformt werden kann.
3A ist ein schematisches Verarbeitungsdiagramm, das ein Batch-Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigem Stahl, wie in 1 dargestellt, oder daraus hergestellten Komponenten veranschaulicht.
3B ist ein schematisches Verarbeitungsdiagramm, das ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigem Stahl, wie in 1 dargestellt, oder daraus hergestellten Komponenten veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bei einer Betrachtung der Zeichnungen ist festzustellen, dass in den verschiedenen Figuren gleiche Bezugszeichen, wenn möglich, gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen. In 1 ist eine schematische, diagrammatische Darstellung eines mehrschichtigen Stahls 10 dargestellt. Im Allgemeinen kann der mehrschichtige Stahl 10 als moderner hochfester Stahl (AHSS) oder, genauer gesagt, als Teil der dritten Generation von AHSS bezeichnet werden.
Obwohl sich die vorliegende Offenbarung auf spezifische Anwendungen oder Branchen bezieht, können Sachkundige auf dem betreffenden Fachgebiet die weitergehenden Anwendungsmöglichkeiten dieser Offenbarung erkennen. Mit einfachen Kenntnissen auf dem Fachgebiet erkennt man, dass Bezeichnungen, wie „über“, „unter“, „aufwärts“, „abwärts“ usw., nur beschreibend in den Figuren verwendet werden und keine Einschränkungen des Umfangs der Offenbarung darstellen, wie er in den angefügten Patentansprüchen festgelegt ist. Numerischen Bezeichnungen, wie „erstens“ oder „zweitens“, sind rein illustrativ und schränken den Umfang der Offenbarung in keiner Weise ein.
Merkmale, die in einer Figur dargestellt werden, können mit in anderen Figuren angegebenen Merkmalen kombiniert, sowie durch diese ersetzt oder geändert werden. Soweit nicht anders angegeben, schließen sich keine Eigenschaften, Elemente oder Einschränkungen gegenseitig durch andere Eigenschaften, Elemente oder Einschränkungen aus. Außerdem sind keine der Eigenschaften, Elemente oder Einschränkungen für den Betrieb unbedingt erforderlich. Alle spezifischen in den Figuren dargestellten Konfigurationen sind rein illustrativ und schränken die Patentansprüche oder Beschreibung in keiner Weise ein.
Der mehrschichtige Stahl 10 wird zumindest teilweise aus einem von mehreren Arten von umwandlungsinduziertem Plastizitäts-(TRIP)-Stahl gebildet. Die Offenbarung hierin bezieht der Kürze halber nur auf TRIP-Stahl, jedoch gelten die offenbarten Komponenten und Verfahren mit gleicher Kraft für alle verwandten Stahlsorten und Güten. TRIP-Stähle können alle Stähle beinhalten, in denen sich ein metastabiler Austenit in Martensit (BCT oder HCP) umwandelt, mit anschließender Kaltverfestigung. Die Eigenschaften von TRIP-Stählen führen zu günstigen Kombinationen von Festigkeit und Duktilität, können jedoch ohne die hierin beschriebenen Struktur- und Verfahrensverbesserungen einer Flüssigmetallversprödung (LME) unterliegen. Repräsentative Stähle beinhalten jede Generation von TRIP, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf: TBF (TRIP-gestützter bainitischer Ferrit), Q&P (Quench und Partition) und hartmetallfreier Bainit.
Auch andere Metalle, wie beispielsweise zwillingsinduzierter Plastizitäts-(TWIP)-Stahl, können von den hierin beschriebenen Techniken profitieren. TWIP-Stahl beinhaltet einen höheren Gehalt an Mangan (Mn), der über 20 Gewichtsprozent (Gew.-%) im Vergleich zu TRIP-Stahl liegt. Zusätzlich können die hierin beschriebenen Strukturen, Verfahren und Vorrichtungen auf TBF-, Q&P- und hartmetallfreie Banitstähle angewendet werden.
In dem dargestellten mehrschichtigen Stahl 10 wird ein Kern 12 aus TRIP-Stahl gebildet, der eine Form von AHSS ist. TRIP-Stahl beinhaltet im Allgemeinen mindestens 5 Prozent Restaustenit, zusätzlich zu einer Materialzusammensetzung, die unter anderem Ferrit, Martensit und Bainit beinhalten kann. Der Kern 12 beinhaltet im Allgemeinen einen Kohlenstoffgehalt (C) von weniger als oder gleich 0,4 Gewichtsprozent (Gew.-%), obwohl einige Konfigurationen weniger als oder gleich 0,2 Gewichtsprozent aufweisen; Siliziumgehalt (Si) größer als oder gleich 0,5 Gewichtsprozent, aber oft größer als 0,75 Gewichtsprozent Si; und Mangangehalt (Mn) von beispielsweise zwischen 2 und 5 Gewichtsprozent, obwohl mittlere Mangan TRIP-Stähle Mn-Werte zwischen 5 und 12 Gewichtsprozent Mn beinhalten können.
In einigen Konfigurationen kann auch Aluminium (A1) im TRIP-Stahl enthalten sein, der den Kern 12 bildet, mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,5-2,0 Prozent. Das Aluminium kann einen Teil des Siliziums ersetzen oder mit diesem verbunden sein. Aluminium, wie Silizium, minimiert die Karbidbildung und das Wachstum, wodurch Austenit in der TRIP-Stahlmatrix zurückgehalten wird.
Der mehrschichtige Stahl 10 beinhaltet auch mindestens eine entkohlte Schicht 14, die sich außerhalb des Kerns 12 befindet. In der dargestellten Konfiguration beinhaltet der mehrschichtige Stahl 10 sowohl eine erste als auch eine zweite entkohlte Schicht 14. Entweder die obere oder untere entkohlte Schicht 14, wie in der Figur zu sehen ist, kann als erste oder zweite bezeichnet werden, und die Zusammensetzung beider kann im Wesentlichen identisch sein.
Die entkohlte Schicht 14 weist gegenüber dem Kern 12 einen reduzierten Kohlenstoffgehalt auf. Zusätzlich weist die entkohlte Schicht 14 gegenüber dem Kern 12 einen erhöhten Ferritgehalt auf. Die entkohlten Schichten 14 sind Teile des gleichen TRIP-Stahls wie der Kern 12, wurden jedoch so behandelt, dass sie, wie hierin beschrieben, Kohlenstoff von diesem entfernen.
Einige veranschaulichende Verfahren zur Herstellung der entkohlten Schichten 14 werden hierin beschrieben. Wie hierin verwendet, ist die Beschreibung des Kerns 12 auch repräsentativ für den Zustand vor dem Entkohlen der entkohlten Schicht 14, die eine modifizierte Schicht des Kerns 12 ist.
Bei der Bildung der entkohlten Schichten 14 wird der Kohlenstoff von der Außenfläche des Kerns 12 entfernt, sodass die entkohlten Schichten 14 einen Gradienten des Kohlenstoffgehalts aufweisen - mit einem geringeren Gehalt an der Außenseite und einem höheren Gehalt weiter in Richtung des Kerns 12. Die entkohlten Schichten 14 erstrecken sich von den äußeren Oberflächenabschnitten des Kerns 12 bis zu einer Tiefe von, bei welchem der Kohlenstoffgehalt einen bestimmten Prozentsatz des Kohlenstoffgehalts des Kerns 12 erreicht.
So können beispielsweise die entkohlten Schichten 14 so definiert werden, dass sie sich so weit erstrecken, dass der Kohlenstoffgehalt auf 20 % des Gesamtkohlenstoffgehalts des Kerns 12 reduziert wird. In Konfigurationen, in denen der Kern 12 einen Kohlenstoffgehalt von weniger als oder gleich 0,4 Gew.-% aufweist, erstrecken sich die entkohlten Schichten 14 solange, bis der Kohlenstoffgehalt geringer als oder gleich .08 Gew.-% ist; und in Konfigurationen, in denen der Kern 12 einen Kohlenstoffgehalt von weniger als oder gleich 0,2 Gew.-% aufweist, erstrecken sich die entkohlten Schichten 14 solange, bis der Kohlenstoffgehalt geringer als oder gleich .04 Gew.-% ist.
In anderen Konfigurationen können die entkohlten Schichten 14 so definiert werden, dass sie sich bis zu den Tiefen erstrecken, in denen der Kohlenstoffgehalt auf 50 % des Gesamtkohlenstoffgehalts des Kerns 12 reduziert wird. Daher ist der Kohlenstoffgehalt in den entkohlten Schichten 14 geringer als oder gleich 50% des Kohlenstoffgehalts des Kerns 12, jedoch wahrscheinlich viel niedriger an den Außenflächen. Der reduzierte Kohlenstoffgehalt in den entkohlten Schichten 14 führt zu einem hohen Ferritgehalt von über 80 Prozent in den entkohlten Schichten 14 nach der Wärmebehandlung. Wenn die entkohlten Schichten 14 einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,2 Gew.-% aufweisen, wird das Korngefüge der entkohlten Schichten 14 hochferritisch.
Der mehrschichtige Stahl 10 beinhaltet auch eine Schicht auf Zinkbasis oder eine Zinkbeschichtung 16 außerhalb jeder der entkohlten Schichten 14. Die Zinkbeschichtung 16 kann auch als galvanische Beschichtung oder als galvanische Zinkbeschichtung bezeichnet werden. Beachten Sie, dass die entkohlten Schichten 14 Teile des Kerns 12 sind, jedoch mit einer anderen Struktur, die durch Entkohlung gebildet wird. Die Zinkbeschichtung 16 ist jedoch ein anderes Material, das auf den Kern 12 und die entkohlte Schicht 14 aufgebracht wird. Die entkohlte Schicht 14 kann als ein Stück mit dem Kern 12 betrachtet werden, während die Zinkbeschichtung 16 im Allgemeinen als ein anderes Stück betrachtet wird, das im Wesentlichen an den entkohlte Schichten 14 haftet.
Die Zinkbeschichtung 16 und ähnliche Beschichtungen bieten kathodischen Schutz, sodass die Beschichtung als Opferschicht wirkt und anstelle der darunter liegenden Stahlkomponente korrodiert, im Allgemeinen auch dann, wenn ein Teil des darunter liegenden Stahls freigelegt ist. Wie hierin verwendet, bezieht sich die Zinkbeschichtung 16 auf eine Beschichtung aus elementarem Zink (Zn) oder einer Zinklegierung mit mindestens 50 Prozent Zink. Für die Galvanisierung von Stahlkomponenten können zahlreiche Legierungselemente mit Zink verwendet werden, darunter der hierin beschriebene TRIP-Stahl.
Die Galvanisierung des mehrschichtigen Stahls 10 kann durch Feuerverzinkung des Kerns 12 und der entkohlten Schichten 14 in einem Galvanisierungsbad erfolgen. Alternativ kann die Zinkbeschichtung 16 auch über eine Feuerverzinkung aufgebracht werden.
In einer alternativen Konfiguration kann die Zinkbeschichtung 16 direkt auf den unbehandelten, nicht entkohlten Kern 12 aufgebracht werden, um einen einfachen, verzinkten TRIP-Stahlzuschnitt zu bilden. In der hierin beschriebenen Konfiguration wird jedoch die Zinkbeschichtung 16 auf die Außenseite der entkohlten Schichten 14 aufgebracht, sodass der Kern 12 durch die entkohlten Schichten 14 von der Zinkbeschichtung 16 getrennt ist.
TRIP-Stähle, wie der mehrschichtige Stahl 10, können zu hochfesten, dreidimensionalen Komponenten kaltverformt werden. Umgekehrt können die hochfesten, dreidimensionalen Komponenten, beispielsweise durch Schweißverfahren, mit anderen Komponenten verbunden werden. Viele TRIP-Stähle unterliegen jedoch beim Schweißen einer Flüssigmetallversprödung (LME). Der mehrschichtige Stahl 10 und die hierin beschriebenen Herstellungsverfahren bieten eine verbesserte Schweißbarkeit gegenüber anderen TRIP-Stählen, da die Eigenschaften des mehrschichtigen Stahls 10 ihn vergleichsweise weniger anfällig gegen LME machen.
Die Strukturen von 1 sind grundlegende Darstellungen, und der Teil des veranschaulichten mehrschichtigen Stahls 10 kann Teil eines Rohlings sein, der in eine hochfeste, dreidimensionale Komponente umgewandelt wird oder wurde. Insbesondere kann der mehrschichtige Stahl 10 mit einer anderen Komponente verschweißt werden, beispielsweise mit der gleichen Art von TRIP-Stahl, wie er in dem mehrschichtigen Stahl 10 verwendet wird, oder mit einer Komponente, die aus unterschiedlichen Materialien gebildet wird, einschließlich, ohne Einschränkung: andere Arten von hochfestem Stahl (AHSS), hochfestem Stahl (HSS), verschiedenen Güten oder Typen von TRIP-Stahl, TRIP-Stahl ohne die entkohlte Schicht 14, Dualphasenstahl (DP), Aluminiumlegierung oder anderen Legierungen. Es ist zu beachten, dass 1 nicht maßstabsgetreu dargestellt ist und der Kern 12 im Vergleich zu den entkohlten Schichten und der Zinkbeschichtung 16 deutlich dicker sein kann, als in 1 dargestellt.
Die hierin beschriebenen aus dem mehrschichtigen Stahl 10 gebildeten hochfesten, dreidimensionalen Komponenten können in viele Vorrichtungen, wie beispielsweise Fahrzeuge, eingearbeitet werden. Derartige hochfeste Konstruktionen eignen sich besonders für den Einsatz in Komponenten eines Automobils oder anderer rollender Plattformen, insbesondere in Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Reisemobilen, Wohnmobilen und Tanks. Ferner können die hierin beschriebenen Komponenten auch in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen verwendet werden, einschließlich in ohne Einschränkung: in Luft- und Raumfahrtkomponenten, Konsumgütern, Büroausstattung und -möbel, industriellen und Baumaschinen, Landwirtschaftsausrüstung, oder schweren Maschinen.
Andere exemplarische Rahmenstrukturen, die mittels der aktuellen Technologie hergestellt werden können, beinhalten Gebäude, wie Wohn- und Bürogebäude, Brücken, Schuppen, Lagerhallen und Geräte. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass zahlreiche andere Komponenten durch die Verfahren der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden können und dass solche zusätzlichen Komponenten als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung liegend angesehen werden.
Spezifische strukturelle Komponenten, die aus einer verzinkten Stahllegierung gebildet werden können, sind ohne Einschränkung: diejenigen, die in Automobilanwendungen verwendet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Kippschienen, Motorschienen, Konstruktionssäulen, A-Säulen, B-Säulen, C-Säulen, D-Säulen, Stoßfänger, Scharniersäulen, Querträger, Karosseriebleche, Strukturbleche, Türverkleidungen und Türkomponenten, Innenböden, Bodenwannen, Dächer, Hauben, Außenflächen, Unterbodenschilde, Räder, Lagerflächen, einschließlich Handschuhfächer, Konsolen, Kofferraumdeckel, Kofferräume, Kofferraumböden, Lkw-Ladeflächen, Scheinwerfertaschen und andere Komponenten, Stoßstangendeckel, Steuerarme und andere Fahrwerkskomponenten, Unterwagen oder Antriebsstrangkomponenten und dergleichen. Obwohl exemplarische Bauteile in der gesamten Spezifikation veranschaulicht und beschrieben werden können, wird davon ausgegangen, dass die erfinderischen Konzepte in der vorliegenden Offenbarung auch auf alle strukturellen Komponenten angewendet werden können, die aus einer verzinkten Stahllegierung gebildet werden können. Die vorliegende Offenbarung eignet sich insbesondere für alle belasteten oder kathodisch zu schützenden Komponenten.
Unter Bezugnahme auf 2 und ohne weitere Bezugnahme auf 1 ist eine Schweißlinse 50 dargestellt. Die veranschaulichte Schweißlinse 50 wird mittels Widerstandspunktschweiß-(RSW)-Techniken hergestellt. Die hierin erwähnte Behandlung gilt jedoch mit gleichem Gewicht für Laserpunktschweiß-(LSW)-Techniken. Die in 2 veranschaulichte Schweißlinse 50 ist als Planschnitt ausgeführt. Diese Art von Schnitt kann zur Analyse von Schweißtechniken und Materialien verwendet werden, indem in eine bereits fertige Schweißnaht geschnitten wird, um deren Inneres zu analysieren.
Wie in 2 veranschaulicht, ist ein Teil des mehrschichtigen Stahls 10 mit einer Zusatzkomponente 52 verschweißt, die dem mehrschichtigen Stahl 10 im Wesentlichen ähnlich sein kann oder ein anderes Metall sein kann. Ein Paar Schweißkappen 54, die zurückgezogen dargestellt sind, werden gegen den mehrschichtigen Stahl 10 und die Zusatzkomponente 52 gedrückt und dazwischen eine Spannung angelegt. Der zwischen den Schweißkappen 54 fließende Strom erwärmt die Metalle, insbesondere an einer Verbindungsstelle zwischen dem mehrschichtigen Stahl 10 und der Zusatzkomponente 52, die einen flüssigen Bereich erzeugt. Nach dem Entfernen der Spannung erstarrt der flüssige Bereich zu einer Schweißverbindung 56, die Teile des mehrschichtigen Stahls 10 und der Zusatzkomponente 52 miteinander verbindet.
Wie in 2 dargestellt, weisen die Schweißkappen 54 eine Kappenbreite 58 auf. Knapp über die Kappenbreite 58 hinaus bildet das Punktschweißverfahren die Schultern 60 auf dem mehrschichtigen Stahl 10. Diese Bereiche sind besonders anfällig für Flüssigmetallversprödung (LME) und die daraus resultierenden Risse. Ein LME-Riss 62 ist auf einer der Schultern 60 nur zur Veranschaulichung dargestellt. Der LME-Riss 62 ist in 2 nur zur Veranschaulichung der Lage und relativen Größe der möglichen Rissbildung durch LME dargestellt. Tatsächlich ist der mehrschichtige Stahl 10 konfiguriert, um die Chancen der LME-Rissbildung 62 erheblich zu reduzieren. In Materialien, die anfälliger für LME sind, würden wahrscheinlich zusätzliche LME-Risse 62 von unterschiedlicher Größe und Lage vorhanden sein. Beachten Sie, dass die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgerecht sind, sodass der LME-Riss 62 im Vergleich zu den umgebenden Strukturen größer oder kleiner sein kann.
Die Zinkbeschichtung 16 schmilzt beim Widerstandspunktschweiß-(RSW)-Verfahren entlang eines Großteils der Schweißlinse 50. Im Allgemeinen schmilzt die Zinkbeschichtung 16 mindestens bis zu den Schultern 60, sodass sie zur LME von der Mitte der Schweißlinse 50 bis zu den Schultern 60 und möglicherweise darüber hinaus beitragen kann.
Flüssigmetallversprödung (LME) kann durch verschiedene Mechanismen entstehen, die sich zumindest teilweise aus flüssigem Zink ergeben. Zink weist eine Schmelztemperatur von 420° C auf. Bei Temperaturen über 420° C, bei welchen flüssiges Zink vorhanden ist, beginnt das Zink, Eisenkorngrenzen zu benetzen, wie beispielsweise innerhalb von TRIP-Stählen, die zu LME in Bereichen der Schweißlinse 50 führen können, wobei die Zinkbeschichtung 16 schmilzt. Darüber hinaus können kleine Risse, beispielsweise durch Zugspannungen, durch Benetzung mit flüssigem Zink verstärkt werden.
Bei günstigen Temperaturen - z. B. oberhalb des Aufschmelzpunkts von Zink oder Zinklegierungen für einige hochfeste oder weiterentwickelte hochfeste Stähle - und wenn der mehrschichtige Stahl 10 einer Zugspannung ausgesetzt ist, kann das flüssige Zink die freiliegenden Korngrenzen des TRIP-Stahls benetzen und eine Entkohäsion oder Trennung entlang der Korngrenzen bewirken. Daher greift das Zink Korngrenzen an, die mit LME einhergehende Risse bilden können.
Daher tragen in TRIP-Stählen im Allgemeinen drei Faktoren zur LME bei: Zugspannung, flüssiges Zink und Korngrenzenbereich. Durch die Reduzierung des relativ hohen Kohlenstoffgehalts in den Oberflächenbereichen der entkohlten Schichten 14 wandelt sich das Gefüge des TRIP-Stahls so um, dass er im Vergleich zum Kern 12 einen relativ niedrigen Austenitgehalt und einen relativ hohen Ferritgehalt aufweist.
Der TRIP-Stahl innerhalb der entkohlten Schichten 14 kann während des Widerstandspunktschweißens auch bei höheren Temperaturen eine Phasenumwandlung erfahren, wodurch die an der Außenseite der Schweißlinse 50 und insbesondere an den Schultern 60 auftretenden Zugspannungen reduziert werden. Zudem können intern oxidiertes Silizium und Mangan in den entkohlten Schichten 14 die Löslichkeit von Zink im TRIP-Stahl verbessern, sodass das Zink keine schädliche Benetzung der Eisenkorngrenze bei fortschreitender Rissbildung in einem kooperativen LME-Mechanismus bewirkt. Daher kann der mehrschichtige Stahl 10 verzinkt und anschließend bei relativ hohen (lokalen) Temperaturen geschweißt werden, wobei durch die entkohlte Schicht 14 LME vermieden oder abgeschwächt wird. Durch das Entfernen von Kohlenstoff können auch die Korngrenzenbereiche und die Korngrenzenenergie der entkohlten Schichten 14 reduziert werden.
Im Allgemeinen werden moderne hochfeste Stähle wie TRIP-Stähle nicht entkohlt, um Festigkeitsverluste zu vermeiden, die beim Entfernen von Kohlenstoff aus der Legierung auftreten können, und um unerwünschte Oberflächenoxidationen oder unerwünschte Prozesskomplikationen zu begrenzen. Beim mehrschichtigen Stahl 10 ist die entkohlte Schicht 14 jedoch relativ dünn und bildet sich nur auf den freiliegenden Oberflächen des TRIP-Stahls, der den Kern 12 bildet, sodass die Festigkeit des mehrschichtigen Stahls 10 verhältnismäßig wenig reduziert wird. Im Allgemeinen weist die entkohlte Schicht 14 eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 Mikron (Mikrometer) auf. In einigen Konfigurationen weist die entkohlte Schicht 14 eine Dicke von größer oder gleich etwa 10 Mikrometern auf.
Es ist jedoch zu beachten, dass für die Dicke der entkohlten Schichten 14, abhängig von der genauen Güte des TRIP-Stahls, der Dicke des TRIP-Stahls und den verwendeten Widerstandspunktschweißverfahren, engere oder größere Bereiche verwendet werden können. Beachten Sie, dass die entkohlte Schicht 14 und die Zinkbeschichtung 16 möglicherweise nicht auf der dargestellten Skala sichtbar sind und daher in 2 nicht nummeriert sind. Bei Anwendungen, bei denen der mehrschichtige Stahl 10 verhältnismäßig dick ist, könnten die entkohlten Schichten 14 größer sein, bis zu 100 Mikron, da die Gesamtfestigkeit durch die entkohlten Schichten 14 verhältnismäßig geringer ausfallen würde.
Ein kontrolliertes Entkohlungsverfahren erzeugt die dünne, oberflächenentkohlte Schicht 14 mit einem im Vergleich zu einem Massenkohlenstoffgehalt im Kern 12 des kaltgeformten TRIP-Stahls reduzierten Kohlenstoffgehalt. Wie hierin ausgeführt, können die entkohlten Schichten 14 auf dem Kern 12 vor dem Aufbringen der Zinkbeschichtung 16 gebildet werden.
Es ist zu beachten, dass Risse, die sich durch LME bilden, regelmäßig größer als 50 Mikrometer und größer als 250 Mikrometer sein können. Im mehrschichtigen Stahl 10 kann die entkohlte Schicht 14 zwischen 10-50 Mikron dick sein, sodass die gesamte mögliche Tiefe der LME-Risse nicht entkohlt wird.
Im mehrschichtigen Stahl 10 weisen die entkohlten Schichten 14 eine Zusammensetzung von mindestens 80 Prozent Ferrit auf, wobei viele Konfigurationen mindestens 90 Prozent Ferrit aufweisen. Dies ist größer als die Ferritzusammensetzung des Kerns 12. Es ist zu beachten, dass einige Konfigurationen noch größere Anteile an Ferrit in den entkohlten Schichten 14 erzeugen und nutzen können. Die Ferritzusammensetzung der entkohlten Schichten 14 verändert die Umwandlungstemperatur und den Phasenänderungsvorgang, bezogen auf den Kern 12, während der Widerstandspunktschweißung zwischen dem mehrschichtigen Stahl 10 und der Zusatzkomponente 52.
Für den hierin beschriebenen veranschaulichten mehrschichtigen Stahl 10 weist die entkohlte Schicht 14 einen Kohlenstoffgewichtsprozentsatz (Gew.-%) von weniger als oder gleich 50 Prozent (Hälfte) des Kohlenstoffgewichtsprozentsatzes des Kerns 12 auf. Abhängig von der Art des verwendeten TRIP-Stahls kann der Kern 12 einen Kohlenstoffgewichtsprozentsatz von weniger als oder gleich 0,4 aufweisen, sodass die entkohlte Schicht 14 höchstens einen Kohlenstoffgewichtsprozentsatz von weniger als oder gleich 0,2 aufweist.
Alle hierin beschriebenen Verfahren, Algorithmen und Vorrichtungen können verwendet werden, um die Schweißbarkeit von TRIP-Stählen zu verbessern. Insbesondere, um die Flüssigmetallversprödung (LME) durch Schweißverfahren, insbesondere Widerstandspunktschweißen (RSW) oder Laserpunktschweißen (LSW), zu begrenzen oder zu minimieren.
In Konfigurationen ohne die Zinkbeschichtung 16 zeigen die entkohlten Schichten 14 noch immer eine verbesserte Schweißbarkeit gegenüber den TRIP-Stählen ohne die entkohlten Schichten 14. Insbesondere wird die Konsistenz der gemessenen mechanischen Eigenschaften der resultierenden Punktschweißungen gegenüber dem Schweißen nur des Kerns 12 ohne die entkohlte Schicht 14 verbessert. Daher können der Kern 12 und die entkohlte Schicht 14 die Schweißbarkeit gegenüber einschichtigen TRIP-Stählen verbessern.
Unter Bezugnahme auf die 3A und 3B und unter Weiterführung der 1-2 werden schematische Darstellungen von Systemen oder Vorrichtungen zur Herstellung verzinkter, hochfester Stähle dargestellt, um LME beim Schweißen zu reduzieren. Der mehrschichtige Stahl 10 ist eine Stahlform, die mit den in den 3A und 3B dargestellten Systemen hergestellt werden kann.
3A stellt eine Vorrichtung dar, die konfiguriert ist, um ein Batch-Verfahren zur Herstellung von Stählen wie dem mehrschichtigen Stahl 10 zu verwenden. 3B stellt eine Vorrichtung dar, die konfiguriert ist, um ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Stählen wie dem mehrschichtigen Stahl 10 zu verwenden. Die 3A und 3B veranschaulichen sowohl die Ausrüstung als auch die Verfahren zur Herstellung von beschichteten, mehrschichtigen, hochfesten Stählen.
Wie in 3A zu sehen ist, beginnt eine Batch-Vorrichtung 105 mit einer TRIP-Spule 110, die ein kaltgewalztes Band aus TRIP-Stahl ist, wie der in den 1 und 2 gezeigte Typ, der den Kern 12 bildet. Die TRIP-Spule 110 wird als Einheit in einen Batch-Entkohler 112 bewegt.
Vor dem Eintritt in den Batch-Entkohler 112 kann der TRIP-Stahl zum Aufwickeln in seine dünne Konfiguration kaltgewalzt oder kalt umformt werden. Das Glühverfahren bereitet den Kern 12 für die anschließende Kaltbearbeitung auf eine endgültige Komponentenform vor, die dann mit anderen Komponenten verschweißt werden kann.
Neben der Wärmebehandlung des Kerns 12 ist der Batch-Entkohler 112 konfiguriert, um Kohlenstoff aus dem Kern 12 zu entfernen, sodass er die entkohlten Schichten 14 bildet. Es ist zu beachten, dass zwischen den Schichten der TRIP-Spule 110 mehrere Abstandhalter 114 angeordnet werden können, um die durch die TRIP-Spule 110 strömenden Entkohlungsgase zu fördern und die entkohlten Schichten 14 auf beiden Seiten des Kerns 12 zu bilden.
Um eine Entkohlung zu bewirken, wird die TRIP-Spule 110 erwärmt und in eine bestimmte gasförmige Umgebung gebracht. Es ist zu beachten, dass bei alternativen Konfigurationen das Glühen und Entkohlen über getrennte Verfahren und in getrennten Vorrichtungen oder Anordnungen erfolgen kann. Darüber hinaus dienen die gewickelten Materialien nur zur Veranschaulichung, und andere Konfigurationen oder Formen des Schüttguts können innerhalb der Batch-Vorrichtung 105 verwendet werden.
Das Entkohlen einer freiliegenden Oberfläche der TRIP-Spule 110 kann das Anordnen des Rohlings in einer Umgebung innerhalb des Batch-Entkohlers 112 beinhalten, die nicht zu Eisen oxidiert. So kann beispielsweise die Umgebung ohne Einschränkung als feuchte Atmosphäre bezeichnet werden und beinhaltet eine oder mehrere der folgenden Komponenten: Stickstoff (N2), Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O). Die nasse Atmosphäre ist nicht zu Eisen (Fe) oxidierend, jedoch geeignet, Kohlenstoff - beispielsweise zu Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid - zu oxidieren und über die Evolution von den Außenflächen der TRIP-Spule 110 zu entfernen.
In einer veranschaulichenden Konfiguration oder Variation beinhaltet eine geeignete nasse Atmosphäre innerhalb des Batch-Entkohlers 112 Stickstoff und Wasser und weist einen Taupunkt von mehr als etwa -10 °C auf. In einer veranschaulichenden Konfiguration oder Variation erfolgt die Entkohlung bei einer Temperatur von mehr als oder gleich etwa 500 °C in einer Umgebung mit Stickstoff und Wasser. Die Entkohlung kann das Erwärmen des Rohlings mit Spitzentemperaturen über etwa 500 °C in der nassen, nicht oxidierenden (zu Fe) Atmosphäre beinhalten. Elemente in der nassen, nicht oxidierenden (zu Fe) Atmosphäre können ohne Einschränkung N2 - H2 - CO - CO2 - H2O beinhalten, und die Umgebung weist einen Taupunkt von höher als etwa -5 °C auf.
Darüber hinaus kann die Entkohlung im Batch-Entkohler 112 dazu führen, dass Silizium (Si), Mangan (Mn) oder andere Legierungselemente oxidiert, aber innerhalb der entkohlten Schichten 14 zurückgehalten werden. Dies kann als interne Oxidation bezeichnet werden. Insbesondere die Oxidation von Silizium, sodass diese weniger Silizium in der Lösung ist, kann die Diffusion von Zinkgrenzen in das Eisen innerhalb der entkohlten Schichten 14 durch die Zunahme der Zinklöslichkeit in Eisen verringern. Die Oxidation von Silizium kann die benetzende Wirkung von flüssigem Zink entlang von Korngrenzen und kleinen Rissen, die durch den Mechanismus der Flüssigmetallversprödung (LME) entstehen, begrenzen. Diese zusätzlichen oxidierten Elemente können durch das Entfernen aus der festen Lösung in Eisen auch die Grenzdiffusion von Zink entlang von Kornstrukturen innerhalb der entkohlten Schichten 14 senken. Daher kann die interne Oxidation der anderen Legierungselemente zusätzliche Mechanismen für LME reduzieren.
Bei einer derartigen inneren Oxidation diffundieren verhältnismäßig hohe Temperaturen schnell Sauerstoff in die Oberflächenschichten und oxidieren das Silizium und Mangan darin. Konfigurationen von TRIP-Stählen mit einem erhöhten Aluminiumgehalt können den Entkohlungsprozess weiter verbessern. Aluminium kann die Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff bei hohen Temperaturen oder die Stabilität von Ferrit bei einer bestimmten Kohlenstoffkonzentration erhöhen, sodass die Bildung der entkohlten Schichten 14 mit einem hohen Ferritgehalt durch das Aluminium gefördert wird.
Andere Konfigurationen verwenden jedoch ein modifiziertes Glühverfahren, um Oxide nur an den Außenflächen des TRIP-Stahls zu erzeugen. Dies kann als externe Oxidation bezeichnet werden. Ein reduzierter atmosphärischer Taupunkt fördert nicht die Diffusion von Sauerstoff über die freiliegenden Oberflächen hinaus. Daher wird das Silizium und Mangan an der Außenseite von den freiliegenden Oberflächen entfernt, jedoch nicht oxidiert und in den entkohlten Schichten 14 zurückgehalten.
So kann beispielsweise eine externe Oxidation in einer Umgebung auftreten, in welcher der Taupunkt unter -5 °C und voraussichtlich unter -10 °C liegt. Eine externe Oxidation kann ausreichend Kohlenstoff aus den entkohlten Schichten 14 entfernen. Die externe Oxidation kann Oberflächenoxide hinterlassen, die durch Reinigung, Beizen oder beides, wie hierin beschrieben, vor dem Schweißen der gebildeten Komponenten entfernt werden.
Wenn der Taupunkt verhältnismäßig hoch ist, ist das Sauerstoffpotential verhältnismäßig hoch, und es findet eine innere Oxidation durch eine schnellere Diffusion von Sauerstoff in die entkohlten Schichten 14 statt. Umgekehrt, wenn der Taupunkt verhältnismäßig niedrig ist, ist das Sauerstoffpotential verhältnismäßig niedrig, und es findet nur eine externe Oxidation statt, da der Sauerstoff langsamer in die entkohlten Schichten 14 eindringt. Die externe Oxidation entfernt Silizium und Mangan aus den entkohlten Schichten 14 und erzeugt Oberflächenoxide, die eventuell durch Reinigen oder Beizen entfernt werden müssen.
Nach Abschluss der Entkohlung innerhalb des Batch-Entkohlers 112 kann die Spule als entkohlte Spule 116 bezeichnet werden. Die entkohlte Schicht 14 der entkohlten Spule 116 besteht aus gleich oder mehr als 80 Prozent Ferrit, was einen höheren Ferritgehalt als der im Kern 12 enthaltene aufweist.
Die entkohlte Spule 116 wird als Einheit vom Batch-Entkohler 112 zu einer Wärmebehandlungsvorrichtung 118 bewegt, die das richtige Gefüge für die nachfolgende Kaltbearbeitung des Stahls entwickelt. Nach der Wärmebehandlung beinhaltet das Endkorngefüge des Kerns 12 des TRIP-Stahls Restaustenit, wie vorstehend erwähnt.
Die entkohlte Spule 116 wird von der Wärmebehandlungsvorrichtung 118 zu einem Galvanisierer 120 bewegt. Die entkohlte Spule 116 kann als Batch-Einheit vor dem Transport zum Galvanisierer 120 aufgewickelt oder kontinuierlich von der Wärmebehandlungsvorrichtung 118 dem Galvanisierer 120 zugeführt werden. Alternativ können je nach Galvanisierungsverfahren, wie beispielsweise Feuerverzinkung, Wärmebehandlung und Verzinkung in einer einzelnen, kombinierten Vorrichtung oder in eng miteinander verbundenen Vorrichtungen erfolgen.
Auf die entkohlte Schicht 14 im Galvanisierer 120 wird eine Zink-basierte Beschichtung aufgebracht, um einen beschichteten Rohling 122 zu bilden, der noch in Spulenform vorliegen kann oder eine von einer Spule getrennte Komponente sein kann. Nach dem Durchlaufen des Galvanisierers 120 ist das Material im Wesentlichen dem in 1 dargestellten mehrschichtigen Stahl 10 ähnlich.
In der schematischen Darstellung von 3A ist der Galvanisierer 120 dargestellt, der kontinuierlich zwischen der entkohlten Spule 116 und dem beschichteten Rohling 122 wirkt. Der Galvanisierer 120 kann jedoch auch als Batch auf die gesamte entkohlte Spule 116 einwirken, anstatt kontinuierlich. Es ist zu beachten, dass sich die gesamte Batch-Vorrichtung 105 innerhalb derselben Einrichtung befinden kann, sodass die dargestellten Verfahren im Wesentlichen kontinuierlich sind oder über verschiedene Einrichtungen verteilt sein können.
Der beschichtete Rohling 122 oder ausgeschnittene Teile daraus durchlaufen eine Kaltbearbeitungs- oder Kaltumformvorrichtung 130. Eine Vielzahl von Formteilen 132 werden in der Kaltumformvorrichtung 130 gestanzt, geschmiedet oder anderweitig kaltumformt. Die Formteile 132 sind im Allgemeinen in der Endform und sind dreidimensionale hochfeste Komponenten, die aus dem mehrschichtigen Stahl 10 gebildet werden.
Eine Schweißvorrichtung 134 verschweißt die gebildeten Komponenten 132 mit mindestens einer weiteren Komponente. Die Schweißvorrichtung 134 ist schematisch für das Widerstandspunktschweißen (RSW) veranschaulicht, kann jedoch auch, ohne Einschränkung, für das Laserpunktschweißen (LSW) oder andere Schweißverfahren konfiguriert werden. Die Schweißvorrichtung 134 erzeugt aus einem oder mehreren der Formteile 132 und anderen Komponenten eine Schweißkonstruktion 140. In vielen Fällen unterliegt die Schweißkonstruktion 140 vor der Endmontage einer Nachbearbeitung.
Die Schweißvorrichtung 134 funktioniert auf und durch die entkohlte Schicht 14 und die Zinkbeschichtung 16 auf den Außenflächen der Formteile 132. Die Schweißvorrichtung 134 funktioniert jedoch im Wesentlichen standardmäßig unter Anwendung von Druck und Spannung so, als wären die geschweißten Komponenten nicht anfällig für Flüssigmetallversprödung (LME), wie beispielsweise zinkbeschichteter, hochfester Stahl. Die entkohlte Schicht 14 mindert die durch die Schweißvorrichtung 134 auf dem mehrschichtigen Stahl 10 verursachte LME-Menge, die der in 2 dargestellten Schweißlinse 50 ähnlich sein kann.
In alternativen Konfigurationen, wie beispielsweise bei der Verwendung von TRIP-Stahl ohne die darauf gebildeten entkohlten Schichten 14, müssen die Schweißverfahren unter Umständen weitaus komplexer sein, um LME während beispielsweise der RSW zu vermeiden. In derartigen alternativen Konfigurationen kann eine größere Spannkraft durch die Schweißvorrichtung 134 aufgebracht werden, oder es müssen Mehrpulsschweißverfahren eingesetzt werden.
Wie in 3B zu sehen ist, beginnt eine kontinuierliche Vorrichtung 155 mit einer TRIP-Spule 160, die ein kaltgewalztes Band aus TRIP-Stahl ist, wie der in den 1 und 2 gezeigte Typ, der den Kern 12 bildet. Die TRIP-Spule 160 wird kontinuierlich durch einen kontinuierlichen Glüh-Entkohler oder einfach durch einen kontinuierlichen Entkohler 162 bewegt.
Vor dem Eintritt in den kontinuierlichen Entkohler 162 kann der TRIP-Stahl zum Aufwickeln in seine dünne Konfiguration kaltgewalzt oder kalt umformt werden. Das Glühverfahren bereitet den Kern 12 für die anschließende Kaltbearbeitung auf eine endgültige Komponentenform vor, die dann mit anderen Komponenten verschweißt werden kann. Im Gegensatz zur Batch-Vorrichtung 105 wird bei der kontinuierlichen Vorrichtung 155 die TRIP-Spule 160 abgewickelt, um kontinuierlich durch den kontinuierlichen Entkohler 162 zu führen. In der dargestellten Konfiguration bildet der kontinuierliche Entkohler 162 die Wärmebehandlungsverfahren der Wärmebehandlungsvorrichtung 118 in 3A vor. Neben der Wärmebehandlung des Kerns 12 ist der kontinuierliche Entkohler 162 auch konfiguriert, um Kohlenstoff aus dem Kern 12 zu entfernen, sodass er die entkohlten Schichten 14 auf der Außenseite oder den freiliegenden Oberflächen bildet.
Um eine Entkohlung zu bewirken, wird die TRIP-Spule 160 erwärmt und durch eine bestimmte gasförmige Umgebung bewegt. Die Entkohlungsprozesse des kontinuierlichen Entkohlers 162 können ähnlich sein wie die vorstehend in Bezug auf den Batch-Entkohler 112 erläuterten. Es ist zu beachten, dass bei alternativen Konfigurationen das Glühen (Wärmebehandlung) und Entkohlen über getrennte Verfahren und in getrennten Vorrichtungen oder Anordnungen, ähnlich wie bei den dargestellten Batch-Verfahren, erfolgen kann.
Das Entkohlen einer freiliegenden Oberfläche der TRIP-Spule 160 kann das Anordnen des Rohlings in einer Umgebung innerhalb des kontinuierlichen Entkohlers 162 beinhalten, die nicht zu Eisen oxidiert. So kann beispielsweise die Umgebung ohne Einschränkung als feuchte Atmosphäre bezeichnet werden und beinhaltet eine oder mehrere der folgenden Komponenten: Stickstoff (N2), Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O). Die nasse Atmosphäre ist nicht zu Eisen (Fe) oxidierend, jedoch geeignet, Kohlenstoff - beispielsweise zu Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid - zu oxidieren und über die Evolution von den Außenflächen der TRIP-Spule 160 zu entfernen.
In einigen Konfigurationen können die Temperaturen im kontinuierlichen Entkohler 162 deutlich höher sein als im Batch-Entkohler 112. Der relative Zeitaufwand für eine bestimmte Einheit des TRIP-Stahls kann im kontinuierlichen Entkohler 162 geringer sein als im Batch-Entkohler 112. Daher können erhöhte Temperaturen die Oxidationsreaktionen im kontinuierlichen Entkohler 162 beschleunigen.
In einer veranschaulichenden Konfiguration oder Variation beinhaltet eine geeignete nasse Atmosphäre Stickstoff und Wasser und weist einen Taupunkt von mehr als etwa -10 °C auf. In einer veranschaulichenden Konfiguration oder Variation erfolgt die Entkohlung bei einer Temperatur von mehr als oder gleich etwa 700 °C in einer Umgebung mit Stickstoff und Wasser. Die Entkohlung kann das Erwärmen des Rohlings mit Spitzentemperaturen über etwa 500 °C in der nassen, nicht oxidierenden (zu Fe) Atmosphäre beinhalten. Einige Ausführungsformen können Temperaturen von bis zu 500 °C in der nassen, nicht oxidierenden (zu Fe) Atmosphäre nutzen. Elemente in der nassen, nicht oxidierenden (zu Fe) Atmosphäre können ohne Einschränkung N2 - H2 - CO - CO2 - H2O beinhalten, und die Umgebung weist einen Taupunkt von höher als etwa -5 °C auf.
Darüber hinaus kann die Entkohlung im kontinuierlichen Entkohler 162 dazu führen, dass Silizium (Si), Mangan (Mn) oder andere Legierungselemente oxidiert, aber innerhalb der entkohlten Schichten 14 zurückgehalten werden. Insbesondere kann die Oxidation von Silizium die Zinkdiffusion entlang der Korngrenzen in das Eisen des TRIP-Stahls reduzieren. Die Oxidation der anderen Legierungselemente reduziert daher zusätzliche Mechanismen der Flüssigmetallversprödung (LME).
Nach Abschluss der Entkohlung innerhalb des kontinuierlichen Entkohlers 162 kann das Material als entkohlter TRIP-Stahl 166 bezeichnet werden. Die entkohlte Schicht 14 des entkohlten TRIP-Stahls 166 besteht aus gleich oder mehr als 80 Prozent Ferrit, was einen höheren Ferritgehalt als der im Kern 12 enthaltene aufweist.
In einigen Konfigurationen kann der entkohlte TRIP-Stahl 166 vor der Galvanisierung zurückgespult werden, sodass es zu einer Prozessunterbrechung oder -pause in der kontinuierlichen Vorrichtung 155 kommt. Des Weiteren können Oberflächenreinigung, Beizen oder beides in einem Reiniger 168 auftreten, der optional ist und in 3B gestrichelt dargestellt wird. Obwohl der Reiniger 168 nur im Zusammenhang mit der kontinuierlichen Vorrichtung 155 dargestellt wird, ist zu beachten, dass der Reiniger 168 oder ähnliche Funktionen auch in die Batch-Vorrichtung 105 integriert werden können.
In einigen Fällen, insbesondere wenn sich auf dem TRIP-Stahl nur eine externe Oxidation bildet, muss die Oberfläche gereinigt oder behandelt werden, um Oberflächenoxide zu entfernen. Der Reiniger 168 kann beispielsweise physikalische, chemische oder elektrochemische Reinigungstechniken, einschließlich Kombinationen derselben, einsetzen. Der Reiniger 168 entfernt Oxide, die sich an der Außenseite der entkohlten Schichten 14 durch äußere Oxidation im kontinuierlichen Entkohler 162 gebildet haben.
In der dargestellten Konfiguration wird der entkohlte TRIP-Stahl 166 kontinuierlich vom kontinuierlichen Entkohler 162 zu einem Galvanisierer 170 bewegt, wobei ein Durchgang durch den Reiniger 168 möglich ist. Auf die entkohlte Schicht 14 im Galvanisierer 170 wird eine Zink-basierte Beschichtung aufgebracht, um einen beschichteten Rohling 172 zu bilden. Nach dem Durchlaufen des Galvanisierers 170 ist das Material im Wesentlichen dem in 1 dargestellten mehrschichtigen Stahl 10 ähnlich.
Der beschichtete Rohling 172 oder daraus geschnittene Teile durchlaufen eine Kaltumformvorrichtung 180. Eine Vielzahl von Formteilen 182 werden in der Kaltumformvorrichtung 180 gestanzt, geschmiedet oder anderweitig kaltumformt. Die Formteile 182 sind im Allgemeinen in der Endform und sind dreidimensionale hochfeste Komponenten, die aus dem mehrschichtigen Stahl 10 gebildet werden. In einigen Konfigurationen der kontinuierlichen Vorrichtung 155 kann eine Prozessunterbrechung zwischen dem Galvanisierer 170 und der Umformvorrichtung 180 auftreten, beispielsweise für den Transport des beschichteten Rohlings 172 zu einer Umformeinrichtung.
Eine Schweißvorrichtung 184 verschweißt die gebildeten Komponenten 182 mit mindestens einer weiteren Komponente. Die Schweißvorrichtung 184 ist schematisch für das Widerstandspunktschweißen (RSW) veranschaulicht, kann jedoch auch, ohne Einschränkung, für das Laserpunktschweißen (LSW) oder andere Schweißverfahren konfiguriert werden. Die Schweißvorrichtung 184 erzeugt aus den Formteilen 182 eine Schweißkonstruktion 190.
Die Schweißvorrichtung 184 funktioniert auf und durch die entkohlte Schicht 14 und die Zinkbeschichtung 16 auf den Außenflächen der Formteile 182. Die entkohlte Schicht 14 mindert jedoch die Menge oder Wahrscheinlichkeit von LME, die durch die Schweißvorrichtung 184 auf dem mehrschichtigen Stahl 10 gebildet wird, die der in 2 veranschaulichten Schweißlinse 50 ähnlich sein kann.
Die detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen und Figuren unterstützen und beschreiben den hierin erörterten Gegenstand. Es wurden einige der besten Versionen und Ausführungsformen ausführlich beschrieben; dennoch gibt es weitere verschiedene alternative Designs, Konfigurationen und Ausführungsformen.

Claims

Mehrschichtiger Stahl, umfassend: einen Kern, der aus umwandlungsinduziertem Plastizitäts-(TRIP)-Stahl gebildet ist; eine entkohlte Schicht außerhalb des Kerns, worin die entkohlte Schicht gegenüber dem Kern einen reduzierten Kohlenstoffgehalt aufweist; und eine Zink-basierte Schicht außerhalb der entkohlten Schicht.
Mehrschichtiger Stahl nach Anspruch 1, worin ein Kohlenstoffgewichtsprozent von weniger als oder gleich 50 Prozent des Kohlenstoffgewichtsprozent des Kerns und mindestens 80 Prozent Ferrit aufweist.
Mehrschichtiger Stahl nach Anspruch 1, worin die entkohlte Schicht zwischen 10-50 Mikron dick ist.
Mehrschichtiger Stahl nach Anspruch 1, worin der Kern einen Kohlenstoffgewichtsprozentsatz von weniger als oder gleich 0,4 beinhaltet.
Mehrschichtiger Stahl nach Anspruch 4, worin die entkohlte Schicht einen Kohlenstoffgewichtsprozentsatz von weniger als oder gleich 20 Prozent des Kohlenstoffgewichtsprozentsatzes des Kerns aufweist.
Mehrschichtiger Stahl nach Anspruch 4, worin der Kern eine erste Seite und eine zweite Seite gegenüber der ersten Seite aufweist und die entkohlte Schicht eine erste entkohlte Schicht ist, die auf der ersten Seite des Kerns angeordnet ist, und ferner umfassend: eine zweite entkohlte Schicht außerhalb des Kerns auf der zweiten Seite des Kerns, worin die Zusammensetzung der zweiten entkohlte Schicht im Wesentlichen äquivalent zu der ersten entkohlten Schicht ist.
Mehrschichtiger Stahl nach Anspruch 6, worin die erste entkohlte Schicht und die zweite entkohlte Schicht eine Zusammensetzung von mindestens 90 Prozent Ferrit aufweisen.
Mehrschichtiger Stahl nach Anspruch 1, worin die entkohlte Schicht einen Kohlenstoffgewichtsprozentsatz von weniger als oder gleich 50 Prozent des Kohlenstoffgewichtsprozentsatzes des Kerns aufweist.
Mehrschichtiger Stahl nach Anspruch 8, worin die entkohlte Schicht zwischen 10-50 Mikron dick ist.
Verfahren zur Herstellung einer beschichteten hochfesten Stahlkomponente, wobei das Verfahren umfasst: Kaltwalzen eines Kerns aus umwandlungsinduziertem Plastizitäts-(TRIP)-Stahl; Glühen des TRIP-Stahlkerns; Entkohlen einer freiliegenden Oberfläche des TRIP-Stahlkerns, um eine entkohlte Schicht zu bilden, worin die entkohlte Schicht aus gleich oder größer als 80 Prozent Ferrit besteht; Aufbringen einer Zink-basierten Beschichtung auf eine Außenfläche der entkohlten Schicht, um einen beschichteten Rohling zu bilden; und Schweißen des beschichteten Rohlings mit der entkohlten Schicht.