專利名稱：用于制備鋼制成涂覆和硬化組件的方法及其涂覆和硬化鋼帶的制作方法
用于制備鋼制成涂覆和硬化組件的方法及其涂覆和硬化鋼
-H+
市本發(fā)明涉及用于由可硬化鋼制備硬化組件的方法和及其可硬化鋼帶。由可硬化鋼制備組件，特別是硬化組件，是已知的。在下文中，可硬化鋼應當理解 為其中在加熱過程中發(fā)生基本材料的相位轉變以及其中在隨后的冷卻(所謂的淬火硬化) 中由之前的結構轉變和任選地在淬火硬化過程中進一步的結構轉變產(chǎn)生比該原料顯著更 硬或具有更高抗張強度的材料的鋼。例如，從DE 24 52 486 C2中已知了所謂擠壓硬化的方法，其中將可硬化的鋼材料 板加熱到所謂的奧氏體化溫度之上，以及在該加熱狀態(tài)下，將其插入到成形工具中，在該成 形工具中成形并同時冷卻，這一方面產(chǎn)生了所需組件的最終幾何形狀，另一方面產(chǎn)生了所 需的硬度或強度。該方法廣泛使用。從EP 1 651 789 Al中已知了其中由具有陰極腐蝕保護的可硬化的鋼板制備硬化 組件的方法，其中該組件已經(jīng)以涂覆有金屬的狀態(tài)冷成形以使得其比硬化組件成品的最終 標稱尺寸小0. 5% -2%。然后將該組件加熱并插入精確符合所需組件的最終尺寸的工具 中。該涂覆組件通過熱膨脹精確膨脹到該最終尺寸，以及在所有側面上都保持在該所謂的 成形工具中并在其中冷卻，這樣造成硬化的發(fā)生。而且，從EP-A 0 971 044中已知的方法中將由可硬化的鋼形成且具有金屬涂層 的金屬板加熱到奧氏體化溫度之上，然后轉移到熱成形工具中，在其中該加熱金屬板成形， 并由冷卻過程使其同時冷卻和硬化。無論在該鋼基體上有沒有金屬涂層，前述用于熱成形的方法的缺點都在于在該鋼 基體中發(fā)生了微裂紋，特別是在熱成形過程中，而且在其中該成形方法尚未完成的冷預成 形的組件中。這些微裂紋特別發(fā)生在成形的區(qū)域中，特別是在具有高成形程度的區(qū)域中。這些 微裂紋位于該表面上和/或該金屬涂層內，且可以特別地延伸相當遠進入基本材料中。在 這種情況中，缺點在于如果該組件經(jīng)受應力，這種裂紋會繼續(xù)發(fā)展，以及其會構成對該組件 的損害，這能夠導致在應力情況下?lián)p壞。在鋼上的金屬涂層長期以來已知為鋁、鋁合金涂層(特別是鋁_鋅合金涂層)、鋅 涂層和鋅合金涂層的形式。這種涂層具有保護該鋼材料不被腐蝕的目的。在鋁涂層的情況中，這是借助于所 謂的阻隔保護實現(xiàn)的，其中鋁形成了阻隔抵抗腐蝕介質的進入。在鋅涂層的情況中，保護是借助于鋅的所謂陰極效應實現(xiàn)的。迄今為止，這種涂層特別用于標準強度的鋼合金的情況下，特別用于機動車輛構 造、建筑工業(yè)，而且用于家用電器工業(yè)中。能夠通過熱浸涂覆、PCD或CVD方法或通過電沉積將其施加在該鋼材料上。通過使用更高強度的鋼質量，還嘗試用該熱浸涂層涂覆后者。從DE 10 2004 059 556 B3中，例如，已知用于熱浸涂覆更高強度鋼帶的方法，其 中首先將該帶在還原氣氛中的連續(xù)爐中加熱到約650°C的溫度。在該溫度下，推測該更高強
3度的鋼的合金組分僅以少量擴散到該帶的表面。通過在集成到該連續(xù)爐中的還原腔中在最 高達到750°C的溫度下非常短的熱處理，該表面(在該情況中主要由純鐵構成)轉化為氧化 鐵層。推測該氧化鐵層在隨后在還原氣氛下在更高溫度下的淬火過程中防止該合金組分擴 散到該帶的表面。在該還原氣氛中，該氧化鐵層轉化為更純的鐵層，將鋅和/或鋁在熱浸浴 中施加在其上以最優(yōu)化粘合。推測借助于該方法施加的該氧化層具有最大300nm的厚度。 在實際中，該層的厚度大部分設定為約150nm。本發(fā)明的目的是提供用于由可硬化的鋼制備硬化組件的方法，使用該方法，改善 了成形行為，特別是還改善了熱成形行為。通過具有權利要求1的特征的方法實現(xiàn)了本發(fā)明的目的。有利的開發(fā)特征在從屬 權利要求中。另一目的是提供具有改進的可成形性(特別是可熱成形性)的鋼帶。通過具有權利要求10的特征的鋼帶實現(xiàn)了本發(fā)明的目的。有利的開發(fā)特征在其從屬權利要求中。本發(fā)明提供以表面氧化熱軋或冷軋鋼帶，然后進行金屬涂覆，以及如果需要，為了 制備該組件的目的從相應涂覆的金屬板上切下一片，通過以使得在隨后該片的成形和冷卻 過程中形成至少部分硬化的結構或部分硬化的組件的方式將該片加熱以使其至少部分奧 氏體化。令人驚奇的是，通過該帶的表面氧化由該可硬化的鋼在表面形成韌性層，顯然在用 于奧氏體化的目的的加熱過程中和/或在成形和冷卻過程中，該層能夠在成形過程中很好 地驅散張力以至于不再形成微裂紋。在該方法中，該金屬涂層用于保護不被表面脫碳，當然 該金屬涂層還能夠承擔其他任務，例如腐蝕保護。在加熱過程中還能夠產(chǎn)生保護氣體氛圍，代替金屬涂層，為了奧氏體化；特別地， 能夠產(chǎn)生例如在最高達到約700°C在氧化氣氛中的表面氧化，能夠在惰性氣體氛圍中以不 發(fā)生進一步氧化和/或脫碳的方式進行進一步加熱。如果需要，為了施加該金屬涂層的目的對該鋼帶的氧化能夠在表面上還原以實現(xiàn) 活性表面。然而，該氧化物層絕不會為了在傳統(tǒng)預氧化中的情況中那樣鍍鋅的目的那樣大量 除去。而且，依照本發(fā)明的氧化以遠比依照現(xiàn)有技術的預氧化更大得多的程度進行。依照 現(xiàn)有技術的預氧化發(fā)生直至最大300nm的厚度，依照本發(fā)明的氧化程度高得多，使得甚至 在已經(jīng)進行了還原之后，仍留下優(yōu)選至少300nm厚度的氧化層。顯然，通過依照本發(fā)明的氧化不僅在表面上產(chǎn)生氧化鐵層(當然其還包含該合金 元素的氧化物)，而且顯然該合金元素還在該層之下部分氧化。在硬化之后，依照本發(fā)明的方法制備的組件在該表面上呈現(xiàn)出在該鋼基體和該涂 層之間的薄層，其在圖4中的顯微斷面中呈現(xiàn)為白色層。該韌性層目前最可能原因是氧化 的合金元素，其在硬化過程中不能提供用于在該表面氧化區(qū)域內的該相位轉變，或者其延 遲或阻止該轉變。然而，迄今為止仍不能解釋準確的機理。令人驚奇的是，發(fā)現(xiàn)用涂覆金屬進行實際涂覆并不需要的這種氧化還導致在金屬 涂覆之后在該表面區(qū)域中的該硬化基體韌性的改善。令人驚奇的是，使用形成具有層厚度 > 300nm的氧化鐵層的氧化，能夠得到金屬板，其能夠被成形而沒有微裂縫，而且在熱成形 的情況下以及在為了硬化的目的的熱處理過程中(例如對于適合的22MnB5型鋼，在850°C或相應奧氏體溫度之上)也能夠。通過參照附圖的實施例的方式解釋本發(fā)明，其中

圖1 在僅僅示意性的圖中顯示了依照本發(fā)明的工藝流程；圖2 顯示了圖解，其顯示了與現(xiàn)有技術相比在本發(fā)明中彎曲角的改進；圖3 以僅僅示意性的方式顯示了在硬化之后的依照本發(fā)明的層結構與現(xiàn)有技術 相比；圖4 顯示了依照本發(fā)明的鋼帶表面的顯微斷面圖像；圖5 顯示了不依照本發(fā)明的對比例的顯微斷面圖像；圖6 顯示了依照本發(fā)明的對比例的掃描電鏡顯微斷面圖像；圖7 顯示了圖6的掃描電鏡顯微斷面圖像的細節(jié)，具有由能量分散χ射線分析 (EDX)得到的直線-鋅濃度曲線。在圖1中，借助于工藝流程描述了依照本發(fā)明的方法，例如用于熱浸涂覆鋼帶，特 別是具有Z140涂層的22MnB5型鍍鋅鋼帶。圖1和3中顯示的層厚度并非按比例繪制，而是相對于彼此尺寸變形以便于更好 的表示。明亮的鋼帶1在熱浸涂覆之前經(jīng)過氧化，使得該帶1具有氧化層2。該氧化是在650°C -800°C的溫度下進行的。然而對于熱浸鍍鋅將會需要的常規(guī)預 氧化，該氧化層厚度在150nm時將會完全足夠，依照本發(fā)明的氧化進行使得該氧化層厚度 > 300nm。為了施加該金屬熱浸涂層，例如熱浸鍍鋅或鍍鋁，在下一個步驟中在表面處進行 氧化物的部分還原，使得產(chǎn)生非常薄的還原層4，其基本上由純鐵構成。在其下面留下殘余 的氧化物層3。由于該氧化，在該氧化物層3之下可能還保留“內部氧化”區(qū)域3a。在該區(qū)域3a 中，該合金元素顯然被部分氧化或部分以氧化形式存在。然后用涂覆金屬進行熱浸涂覆，使得在該殘余氧化物層3上產(chǎn)生由該涂覆金屬形 成的層5。現(xiàn)在為了得到該硬化組件，將該帶1加熱到奧氏體化溫度，并將其至少部分奧氏 體化，由此尤其該金屬涂層5和該帶1的表面彼此合金。在該方法中，由于該帶1和該金屬 涂層5之間的擴散過程，該氧化物層3部分或完全消耗掉，或者在高溫處理過程中不能檢測 到。在通過鍍鋅施加金屬涂層的情況中，能夠在不預先還原或還原的情況下在該氧化 物層上進行沉積，然而任選地，也進行蝕刻過程。為了得到該硬化或部分硬化組件，根據(jù)奧氏體化的程度，然后在工具中進行成形 和冷卻，其中該層6任選地發(fā)生關于相位的轉變，以及其中還在該帶1中發(fā)生相位轉變。在 硬化之后，在該帶1和該金屬涂層6之間的顯微斷面(圖4)中能夠觀察到明亮的韌性層7， 其顯然是最終產(chǎn)品是不含微裂縫的硬化組件的原因。在為了硬化目的的加熱過程中，該韌 性層7可能已經(jīng)成形，因此其在熱成形過程中已經(jīng)存在。顯然，該明亮層7的最可能原因是由于已經(jīng)進行的該氧化，硬化所需的合金元素 (例如錳)在該表面附近的區(qū)域中被氧化，在金屬涂覆之前，且不能用于轉變或阻礙轉變， 以使得該鋼帶在接近表面的非常薄的區(qū)域中形成該韌性層7，這顯然足以以使得在成形過 程不出現(xiàn)裂縫以及該裂縫不蔓延的方式補償該表面附近的張力。
還假設該合金元素的“內部氧化”的區(qū)域3a在這一點上是重要的。當依照本發(fā)明制備或硬化的金屬板經(jīng)過例如三點彎曲測試時，該方法的優(yōu)點在硬 化后還能顯示出來，或者在硬化后還能夠檢測到。這也能夠對該碰撞行為具有積極的影響。在該三點彎曲測試中，以該板厚度兩倍的間距設置兩個直徑為30mm的軸承。將該 硬化板放在其上并然后在分別距該軸承相同距離處用半徑為0. 2mm的彎曲軌道使其經(jīng)受 應力。測定時間、距該彎曲軌道與該樣品的接觸點的距離和力。記錄力和距離，或力_彎曲角曲線，該角度是由該距離計算的。測試標準是在力最 大時的彎曲角。在圖2中能夠看到具有涂層Z140的22MnB5型鋼的比較，從其中顯然可見通過依 照本發(fā)明在硬化冷樣品上產(chǎn)生的韌性層能夠得到顯著大得多的彎曲角。在圖3中再次比較了本發(fā)明和現(xiàn)有技術，根據(jù)該圖，在現(xiàn)有技術中硬化之后的金 屬涂層粘合到該硬化基體上，但在其中沒有韌性層。在本發(fā)明中，在該硬化反應之后，該韌性層7位于該硬化基體和該涂層之間。該層的平均層厚度大于0.3 μ m，其中該層能夠是連續(xù)的，但不必為了產(chǎn)生依照本 發(fā)明的結果而完全連續(xù)。圖6顯示了依照本發(fā)明的對比例的掃描電子顯微鏡顯微斷面圖像。能夠看到該鋅 的含量從約40%的Zn含量急劇降低到小于5% Zn，這是由于向基本材料馬氏體方向的擴散 過程。在該基本材料附近，該鐵-鋅層的顆粒僅具有非常低的鋅含量；在該顯微斷面中 以白色顯示的該富Fe層作為另外的層體之間的韌性中間層。圖7顯示了圖6的細節(jié)，具有由能量分散χ射線分析(EDX)得到的直線_鋅濃度 曲線。再次，顯然該鋅含量沿基本材料的方向降低。圖4和5各自顯示了本發(fā)明(圖4)和現(xiàn)有技術(圖5)的硬化鋼帶的顯微斷面圖 像，具有基體1、上面的過渡金屬層6和在該顯微斷面中明顯可見的兩者之間的韌性層7。圖5顯示了依照現(xiàn)有技術的層結構，其中鍍鋅帶101具有更高強度鋼的鋼基體 102，在其上施加有鋅-鐵層103。沒有韌性層。依照本發(fā)明，該金屬涂層能夠選自所有常見的金屬涂層，因為該點僅用于對抗任 何脫碳。因此，該涂層可以是純鋁和鋁-硅涂層以及來自鋁和鋅的合金涂層(Galvalume) 和鋅或基本為鋅的涂層。然而，如果其在短期硬化過程中能夠承受高溫，那么來自金屬和合 金的其他涂層也是適用的。能夠例如通過鍍鋅和熱浸涂覆和通過PVD和CVD方法施加該涂層。在這種情況中，能夠以經(jīng)典方式通過將該帶通過其中使用氣體燃燒器以及其中能 夠通過改變該氣體-空氣混合物在該帶周圍的氣氛中產(chǎn)生氧化電勢增加的直接加熱的預 加熱器來進行氧化。因此能夠控制該氧電勢并造成該帶表面上的鐵的氧化。在這種情況中， 進行控制使得實現(xiàn)比現(xiàn)有技術的氧化顯著更強的氧化。在隨后的爐線(line)中，與現(xiàn)有技 術不同，形成的氧化鐵層和可能已經(jīng)完成的鋼的內部氧化僅在表面和部分被還原。而且，可以在保護氣體氛圍下在迄今為止已知的RTF預加熱器中對該帶淬火，還 比實際所需要的顯著更大程度地進行氧化或預氧化。在這種情況中，能夠特別通過供給氧化劑來調節(jié)氧化的強度。而且，顯示出該爐氣氛的加濕(即非常富含水蒸氣(比通常更富含的)的氣氛) 單獨或與其他氧化劑一起實現(xiàn)了所需的效果。本發(fā)明中重要的是任選隨后進行的還原的進 行僅使得留下殘余的氧化。在僅用含水蒸氣的氣氛進行熱處理中該鋼的內部氧化狀態(tài)并不 完全恢復。該氧化能夠通過氣氛、任選添加的其他氧化劑的濃度、處理持續(xù)時間、溫度曲線和 爐腔中水蒸氣的含量來控制。如圖3和4中所示，能夠對由此處理的帶進行冷成形、加熱并擠壓硬化或二次成 形，也能夠對其熱成形并擠壓硬化，以優(yōu)越的方式并在該鋼基體中沒有微裂縫。在這種情況中，顯示出依照本發(fā)明進行氧化與在未涂覆的鋼材中進行邊緣脫碳相 反，對該材料能夠得到的最終強度沒有負面影響。本發(fā)明的優(yōu)點是產(chǎn)生了可以以更簡單和安全的方式顯著提高成形且硬化的組件 的質量的方法和鋼帶。參數(shù)1 鋼帶2氧化物層3殘余氧化物層4薄還原層5金屬涂層6金屬涂層7明亮的韌性層101鍍鋅帶102鋼基體103 鋅-鐵層
權利要求
用于由可硬化鋼制備硬化組件的方法，其中在所述方法中將所述鋼帶在爐中進行溫度升高以及氧化處理，以便生成表面氧化物層，然后用金屬或金屬合金進行涂覆，以及為了制備至少部分硬化的組件，將所述帶加熱并至少部分奧氏體化，然后冷卻下來并由此硬化。
2.權利要求1的方法，特征在于在生成表面氧化物層之后進行還原處理，以使表面上 的氧化逆轉，然后用金屬或金屬合金進行涂覆，然而，其中所述氧化和還原的進行使得在表 面還原和涂覆之后，在涂層和鋼帶之間留下氧化物層。
3.權利要求1或2的方法，特征在于所述金屬涂層是通過用熔融金屬或熔融金屬合金 進行熱浸涂覆或者通過將一種或更多種金屬電沉積在所述帶上或者通過PVD和/或CVD方 法形成的。
4.前述權利要求任一項的方法，特征在于所述氧化處理是借助于氧化爐腔氣氛和/或 含水蒸氣的爐腔氣氛進行的。
5.前述權利要求任一項的方法，特征在于氧化的程度和氧化層的厚度是通過處理氣氛 中氧化劑的含量和/或處理持續(xù)時間和/或溫度水平和/或爐腔中的水蒸氣濃度來調節(jié) 的。
6.前述權利要求任一項的方法，特征在于涂覆是用鋁或基本上包含鋁的合金或者用來 自鋁和鋅的合金和/或基本上包含鋅和/或鋅和/或其他涂覆金屬的不同的鋅合金進行 的。
7.前述權利要求任一項的方法，特征在于直接或間接加熱在其中進行氧化和/或還原 的爐腔。
8.前述權利要求任一項的方法，特征在于借助氣體和/或油燃燒器和/或對流式加熱 在其中進行氧化和/或還原的爐腔，或感應加熱鋼帶。
9.前述權利要求任一項的方法，特征在進行氧化，以便在氧化結束時達到超過300nm 的氧化層厚度，以及進行隨后的還原，以便氧化層部分從表面上被還原。
10.來自可硬化鋼的鋼帶，包括鋼基體(1)和施加在其上的金屬涂層或層(5)，其中鋼 基體⑴的氧化層⑶存在于在其中金屬涂層(5)形成在鋼基體⑴之上的邊界區(qū)域中。
11.權利要求10的鋼帶，特征在于該金屬涂層(5)由鋁或基本上由鋁、鋁合金、鋁-鋅 合金、基本上包含鋅的鋅合金、鋅_鐵合金或基本上由鋅構成。
12.權利要求10 11中任一項的鋼帶用于制備擠壓硬化組件的用途，其中將組件冷成 形、奧氏體化然后淬火硬化；或奧氏體化、成形并淬火硬化。
13.由權利要求10或11中任一項的鋼帶依照依照權利要求1-9中任一項的方法制備 的硬化組件，特征在于在硬化鋼基體的表面上，在可能存在的金屬涂層之下，存在硬度小于 鋼基體硬度的韌性層。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制備由可硬化鋼制成的硬化組件的方法，其中所述鋼帶在爐中進行溫度升高，以及進而進行氧化處理，以便生成表面氧化物層，然后用金屬或金屬合金進行涂覆。為了制備至少部分硬化的組件，將所述帶加熱并至少部分奧氏體化，然后冷卻下來并由此硬化。本發(fā)明還涉及根據(jù)所述方法制備的鋼帶。
文檔編號C23C2/02GK101918599SQ200880121231
公開日2010年12月15日 申請日期2008年12月18日 優(yōu)先權日2007年12月20日
發(fā)明者J·斯特盧詹伯格, M·佩魯茲, S·科爾恩伯格, T·庫爾茲, T·曼詹雷特, W·布蘭斯塔特 申請人:沃斯特阿爾派因鋼鐵有限責任公司