CN101137769A - 在热处理后具有非常高强度的涂覆的钢零件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由热轧或冷轧钢带制造具有非常高机械性能的零件的方法，包括用铝或铝合金预涂覆所述钢带；将所述涂覆的钢带冷变形；为了所述零件的最终几何形状而任选地去除多余的钢板；加热所述零件，以便由钢－涂层界面开始形成金属间化合物，并奥氏体化该钢；将所述零件转移至工具中；所述零件在工具中冷却，冷却速率要使得该钢在冷却后具有马氏体或贝氏体结构或马氏体－贝氏体结构。该预涂覆通过电沉积，通过气相化学或物理沉积，或者通过共轧来进行。

Description

在热处理后具有非常高强度的涂覆的钢零件的制造方法

技术领域

本发明涉及热轧或冷轧涂覆的钢零件的制造，该零件具有高的机械强度和良好的抗腐蚀性能。

背景技术

对于某些应用来说，需要制造组合兼有高的机械强度、大的抗冲击性能和良好的抗腐蚀性能的钢零件。这种组合在汽车工业中尤其需要，在汽车工业中，其目的是为了制造明显更轻的车辆。这尤其可以通过采用具有非常高机械性能的钢来实现：汽车的防侵入、结构或安全零件(防撞击横梁、门或中心柱加强件、轮辐)需要例如在上面所述的性能。

专利FR2807447公开了一种制造方法，其中提供了具有金属预涂层的基础钢板，该钢具有约500MPa的断裂强度；进行冷成形操作，比如冷冲压或冷压型；然后进行热处理以便随后在形状与零件几何形状相配的工具中进行淬火。在此热处理的加热阶段，通过初始预涂层与基础钢的合金化在零件的表面形成金属间涂层。由此则例如可获得机械强度大于1500MPa的抗腐蚀零件。

该基础钢板可以通过热浸涂工艺用铝或铝合金预涂。然而，在某些情况下，会遇到该工艺中在实施中的限制。在热处理前对零件进行冷成形操作的过程中，某些区域可能会遭受更严重的变形，基体和预涂层之间的界面可能会受到局部脱落形式的损害。在此情况下，随后的热处理可能导致在合金界面层附近形成鳞片。这种鳞片的存在对基础钢和含铝预涂层之间的满意合金化是有害的。

而且，在铝化零件冷成形后，它们可能被切割、冲孔或廓形加工，目的在于在随后的合金化热处理之前去除过量的材料。热浸涂铝基预涂层的存在可能促进切割工具的磨损。

而且，热浸铝化钢板的预涂层相对于标准厚度在厚度上可以变化。在合金化热处理期间的加热进行得非常快，典型地为几分钟，这样，如果有过量的厚度则有该涂层的不完全合金化。由于在铝的情况下常规预涂层的熔点为660℃或者在10％硅/铝合金的情况下为580℃，因此在零件达到奥氏体化温度之前，在涂层的较厚一侧就会有过早的熔化。由于热处理一般地在零件随辊移动的炉内进行，后者的表面会被源自预涂层部分熔化的层污染，这损害了炉的恰当操作。而且，在随后的电泳操作期间，预涂层的不完全合金化是有害的。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题。特别是，本发明的目的是提供一种制造用铝或铝合金预涂的热轧或冷轧钢零件的方法，其允许在合金化处理之前相当大的在先冷变形，而不会因此带来任何与合金化处理有关的后续风险。本发明的目的在于在合金化热处理之前的机械加工期间降低工具的磨损。本发明的目的还在于在热处理后获得铝或铝合金预涂层的完全合金化。

为此，本发明的主题是由热轧或冷轧钢带制造具有非常高机械性能的零件的方法，包括以下的相继步骤：

-用铝或铝合金预涂覆钢带。这种预涂覆可以通过依以下方式的单独或组合采用的一个或多个步骤来进行：

-通过一个或多个铝或铝合金电沉积步骤的预涂覆；

-通过一个或多个铝或铝合金气相化学沉积步骤的预涂覆；

-通过一个或多个铝或铝合金气相物理沉积步骤的预涂覆；-通过一个或多个钢带与铝或铝合金箔间共轧(colaminage)步骤的预涂覆；

-由于采用了这些预涂覆方式，钢带与预涂层之间的界面没有金属间相；

-将涂覆的钢带冷变形；

-为了所述零件的最终几何形状而任选地去除多余的钢板；

-加热该零件，例如在炉中，以便由钢-涂层界面开始在该零件的表面形成金属间化合物，并奥氏体化该钢。在此热处理的加热阶段，通过初始预涂层与基础钢的合金化，在该零件的表面形成金属间涂层，这种合金化可以在涂层的整个厚度中进行；和

-在加热后，将该零件转移至工具中(outillage)。加热阶段和零件与该工具接触之间的转移时间足够短以便在这个时间周期中没有发生奥氏体的转变。该工具的几何形状和设计依被处理的零件和淬火的激烈程度而调整。特别地，这些工具可以被冷却，尤其是通过流体的循环来冷却，以提高操作的生产率和/或增加淬火的强度。夹紧力可以确保零件与工具之间的紧密接触，因此可通过传导有效冷却并得到最小变形。零件在工具中冷却的速率要使得该钢在冷却后具有马氏体或贝氏体结构或马氏体-贝氏体结构。

在一个特别的实施方式中，冷变形的广义变形程度(le taux de ladéformation généralisée)为大于20％，并且在该零件的至少一点上如此。

本发明的另一目的在于按照上述方法制造的由钢带获得的具有非常高机械性能的零件用于制造陆上机动车辆用的结构或安全零件的用途。

附图说明

本发明的其它特征和优点在下文以实施例的形式给出的描述中会更明显，在这些附图中：

-图1表示冷变形前钢/热浸涂覆的铝合金界面的实例；

-图2表示在大于20％的广义冷变形后这个界面的变化；

-图3表示在合金化处理后未进行冷变形的钢/热浸涂覆的铝合金界面的实例；和

-图4表示在大于20％的冷变形并接着进行合金化处理后的表面层。

具体实施方式

检查在传统制造方法中钢/涂层界面中的变化。为此，考虑厚度为1.2或2mm的钢零件，它们以重量计含有以下成分：

碳：0.15-0.25％；

锰：0.8-1.5％；

硅：0.1-0.35％；

铬：0.01-0.2％；

钛：<0.1％；

磷：<0.05％；

硫：<0.0 3％；

硼：0.0005％-0.01％。

这些零件采用传统的热浸工艺预涂覆，其中它们被浸在铝基浴中，该浴含有

硅：9-10％；

铁：2-3.5％，

余量由铝和不可避免的杂质组成。

已知在高于660℃将钢与纯铝浴接触会导致厚的金属间合金层的快速形成，特别是包含FeAl₃-Fe₂Al₅的层的形成。由于该层具有低的变形率，在该浴中添加10％的硅可能会降低该中间层的厚度。图1表示了维氏硬度为600-800的该金属间层，其厚度约为7微米，该层顶部为厚度约15微米的铝基金属层。

将预涂覆的零件在Nakazima类型的试样上进行冷变形，他们以不同的模式荷载：单轴向拉伸和等双轴膨胀。借助于具有预先光沉积的圆形图案的格栅，在各个点测量主变形ε₁和ε₂，也就是在主标记中的变形。  由此导出与这些不同点有关的广义变形 $\stackrel{-}{\mathrm{\&epsiv;}}=\frac{2}{\sqrt{3}}\sqrt{({{\mathrm{\&epsiv;}}_1}^2+{\mathrm{\&epsiv;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_2+{\mathrm{\&epsiv;}}_2^2)}.$

同时，观察在这些不同位置的该预涂层的性能。通过观察显示出，直到大约10％的广义变形，中间层会细微而规则地有裂缝，但不影响其顶上的铝金属上层。接着在900℃的炉中热处理5至7分钟，随后在水冷工具中淬火，这使得初始预涂层完全合金化，并且这种有限的裂缝网络消失(图3)。当大于20％的广义变形时，则注意到金属间层的破碎(图2)，并且在某些地方铝基金属涂层劣化。随后的合金化热处理可能会引起鳞片层增长或者可能引起钢表面的脱碳(图4)，这对零件随后的使用(比如上油漆)是有害的。

因此，采用具有严重变形的冷变形工艺可能会导致传统铝基预涂层的困难。在本发明的内容中，已经表明当钢/铝界面不含金属间相时，此问题就能解决。这是因为，由于铝或铝合金与其面心立方结构有关的固有延展性，预涂覆的钢大的冷变形不会导致预涂层或界面的任何劣化。这样，随后的合金化处理在优化条件下进行。

铝或铝合金的预涂层通过电沉积，通过气相物理或化学沉积，或者通过钢带与铝或铝合金箔共轧来形成。这些不同的步骤因而导致零件在合金化处理前在基础钢和预涂层之间没有金属间层。本发明的方法可以通过在一个回合(reprise)中采用相同的预涂覆步骤或者通过在几个回收中采用相同的预涂覆步骤来进行。类似地，本发明的方法也可以通过接连地组合各种预涂覆步骤来进行，以便发挥各种不同方法以及所沉积涂层各种特性的固有优势。

本发明方法的应用使得冷成形操作后对零件的切割、冲孔或廓形加工操作变得更容易。这是因为中间的机械加工步骤可被证实在降低要在合金化处理中再加热的金属的体积方面是有用的。根据本发明，由于不存在传统工艺中遇到的硬(600至800HV)金属间层，因此有助于这种中间的机械加工。如此切割工具的磨损被降低。

而且，根据本发明的预涂覆步骤提供了以大的厚度均匀性沉积的涂层。例如，采用气相沉积的预涂覆条件可提供厚度变化为微米级的厚度为15至20微米的涂层。

取决于热浸铝化工艺，对于25微米的平均厚度来说，在显微片段上测量的预涂层的厚度变化为大约±10微米。为了生产率最大化的目的，希望在合金化热处理期间的加热尽可能快地发生。发现存在过大厚度可能会导致加热阶段延长，以为了使合金化完全。对于给定的热处理，不知有过量的过大厚度的存在会导致合金化不完全，从而引起预涂层的部分熔化。

根据本发明的预涂覆步骤会导致低的厚度变化，从而降低熔化的危险，并提高了炉的操作稳定性。

而且，在奥氏体化之后，在工具中的淬火冷却处理使得该钢具有马氏体或贝氏体结构或马氏体-贝氏体结构。取决于钢的组成，特别是其碳的含量，以及其锰、铬和硼的含量，本发明零件获得的最大强度为1200-1700MPa。

根据本发明，由于不存在金属间层而可以更清洁地实施切割，因此淬火处理后的切割边缘的切口效应更小，这是因为众所周知，完全或部分马氏体结构固有地对局部应力集中效应更为敏感。

因此，本发明使得制造具有更复杂形状的高性能的涂覆的零件成为可能，因为冷变形可以达到高水平。当在合金化处理前冷变形的广义变形程度大于20％时，本发明的实施特别有利，这使得在中间切割操作期间降低工具磨损成为可能，并导致最终合金化处理更加有效。

Claims (3)

1.由热轧或冷轧钢带制造具有非常高机械性能的零件的方法，包括以下的相继步骤：

-用铝或铝合金预涂覆所述钢带；

-将所述涂覆的钢带冷变形；

-为了所述零件的最终几何形状而任选地去除多余的钢板；

-加热所述零件，以便由钢-涂层界面开始在所述零件的表面形成金属间化合物，并奥氏体化该钢；

-将所述零件转移至工具中；

-所述零件在工具中冷却，冷却速率要使得该钢在冷却后具有马氏体或贝氏体结构或马氏体-贝氏体结构，

其特征在于，所述钢带与预涂层之间的界面在所述加热之前不含金属间相，并且所述预涂覆通过至少一个铝或铝合金电沉积步骤，通过至少一个铝或铝合金气相化学沉积步骤，通过至少一个铝或铝合金气相物理沉积步骤，通过至少一个所述钢带与铝或铝合金箔间共轧步骤来进行，所述至少一个预涂覆步骤可以单独或者组合进行。

2.权利要求1的制造方法，其特征在于，在所述零件的至少一点，所述冷变形的广义变形程度为大于20％。

3.按照权利要求1或2制造的由钢带获得的具有非常高机械性能的零件用于制造陆上机动车辆用的结构或安全零件的用途。

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