用于制备钢制成涂覆和硬化组件的方法及其涂覆和硬化钢带

摘要

本发明涉及用于制备由可硬化钢制成的硬化组件的方法，其中所述钢带在炉中进行温度升高，以及进而进行氧化处理，以便生成表面氧化物层，然后用金属或金属合金进行涂覆。为了制备至少部分硬化的组件，将所述带加热并至少部分奥氏体化，然后冷却下来并由此硬化。本发明还涉及根据所述方法制备的钢带。

说明书

本发明涉及用于由可硬化钢制备硬化组件的方法和及其可硬化钢带。

由可硬化钢制备组件，特别是硬化组件，是已知的。在下文中，可硬化钢应当理解为其中在加热过程中发生基本材料的相位转变以及其中在随后的冷却(所谓的淬火硬化)中由之前的结构转变和任选地在淬火硬化过程中进一步的结构转变产生比该原料显著更硬或具有更高抗张强度的材料的钢。

例如，从DE 24 52 486 C2中已知了所谓挤压硬化的方法，其中将可硬化的钢材料板加热到所谓的奥氏体化温度之上，以及在该加热状态下，将其插入到成形工具中，在该成形工具中成形并同时冷却，这一方面产生了所需组件的最终几何形状，另一方面产生了所需的硬度或强度。该方法广泛使用。

从EP 1 651 789 A1中已知了其中由具有阴极腐蚀保护的可硬化的钢板制备硬化组件的方法，其中该组件已经以涂覆有金属的状态冷成形以使得其比硬化组件成品的最终标称尺寸小0.5％-2％。然后将该组件加热并插入精确符合所需组件的最终尺寸的工具中。该涂覆组件通过热膨胀精确膨胀到该最终尺寸，以及在所有侧面上都保持在该所谓的成形工具中并在其中冷却，这样造成硬化的发生。

而且，从EP-A 0 971 044中已知的方法中将由可硬化的钢形成且具有金属涂层的金属板加热到奥氏体化温度之上，然后转移到热成形工具中，在其中该加热金属板成形，并由冷却过程使其同时冷却和硬化。

无论在该钢基体上有没有金属涂层，前述用于热成形的方法的缺点都在于在该钢基体中发生了微裂纹，特别是在热成形过程中，而且在其中该成形方法尚未完成的冷预成形的组件中。

这些微裂纹特别发生在成形的区域中，特别是在具有高成形程度的区域中。这些微裂纹位于该表面上和/或该金属涂层内，且可以特别地延伸相当远进入基本材料中。在这种情况中，缺点在于如果该组件经受应力，这种裂纹会继续发展，以及其会构成对该组件的损害，这能够导致在应力情况下损坏。

在钢上的金属涂层长期以来已知为铝、铝合金涂层(特别是铝-锌合金涂层)、锌涂层和锌合金涂层的形式。

这种涂层具有保护该钢材料不被腐蚀的目的。在铝涂层的情况中，这是借助于所谓的阻隔保护实现的，其中铝形成了阻隔抵抗腐蚀介质的进入。

在锌涂层的情况中，保护是借助于锌的所谓阴极效应实现的。

迄今为止，这种涂层特别用于标准强度的钢合金的情况下，特别用于机动车辆构造、建筑工业，而且用于家用电器工业中。

能够通过热浸涂覆、PCD或CVD方法或通过电沉积将其施加在该钢材料上。

通过使用更高强度的钢质量，还尝试用该热浸涂层涂覆后者。

从DE 10 2004 059 556 B3中，例如，已知用于热浸涂覆更高强度钢带的方法，其中首先将该带在还原气氛中的连续炉中加热到约650℃的温度。在该温度下，推测该更高强度的钢的合金组分仅以少量扩散到该带的表面。通过在集成到该连续炉中的还原腔中在最高达到750℃的温度下非常短的热处理，该表面(在该情况中主要由纯铁构成)转化为氧化铁层。推测该氧化铁层在随后在还原气氛下在更高温度下的淬火过程中防止该合金组分扩散到该带的表面。在该还原气氛中，该氧化铁层转化为更纯的铁层，将锌和/或铝在热浸浴中施加在其上以最优化粘合。推测借助于该方法施加的该氧化层具有最大300nm的厚度。在实际中，该层的厚度大部分设定为约150nm。

本发明的目的是提供用于由可硬化的钢制备硬化组件的方法，使用该方法，改善了成形行为，特别是还改善了热成形行为。

通过具有权利要求1的特征的方法实现了本发明的目的。有利的开发特征在从属权利要求中。

另一目的是提供具有改进的可成形性(特别是可热成形性)的钢带。

通过具有权利要求10的特征的钢带实现了本发明的目的。

有利的开发特征在其从属权利要求中。

本发明提供以表面氧化热轧或冷轧钢带，然后进行金属涂覆，以及如果需要，为了制备该组件的目的从相应涂覆的金属板上切下一片，通过以使得在随后该片的成形和冷却过程中形成至少部分硬化的结构或部分硬化的组件的方式将该片加热以使其至少部分奥氏体化。令人惊奇的是，通过该带的表面氧化由该可硬化的钢在表面形成韧性层，显然在用于奥氏体化的目的的加热过程中和/或在成形和冷却过程中，该层能够在成形过程中很好地驱散张力以至于不再形成微裂纹。在该方法中，该金属涂层用于保护不被表面脱碳，当然该金属涂层还能够承担其他任务，例如腐蚀保护。

在加热过程中还能够产生保护气体氛围，代替金属涂层，为了奥氏体化；特别地，能够产生例如在最高达到约700℃在氧化气氛中的表面氧化，能够在惰性气体氛围中以不发生进一步氧化和/或脱碳的方式进行进一步加热。

如果需要，为了施加该金属涂层的目的对该钢带的氧化能够在表面上还原以实现活性表面。

然而，该氧化物层绝不会为了在传统预氧化中的情况中那样镀锌的目的那样大量除去。而且，依照本发明的氧化以远比依照现有技术的预氧化更大得多的程度进行。依照现有技术的预氧化发生直至最大300nm的厚度，依照本发明的氧化程度高得多，使得甚至在已经进行了还原之后，仍留下优选至少300nm厚度的氧化层。

显然，通过依照本发明的氧化不仅在表面上产生氧化铁层(当然其还包含该合金元素的氧化物)，而且显然该合金元素还在该层之下部分氧化。

在硬化之后，依照本发明的方法制备的组件在该表面上呈现出在该钢基体和该涂层之间的薄层，其在图4中的显微断面中呈现为白色层。该韧性层目前最可能原因是氧化的合金元素，其在硬化过程中不能提供用于在该表面氧化区域内的该相位转变，或者其延迟或阻止该转变。然而，迄今为止仍不能解释准确的机理。

令人惊奇的是，发现用涂覆金属进行实际涂覆并不需要的这种氧化还导致在金属涂覆之后在该表面区域中的该硬化基体韧性的改善。令人惊奇的是，使用形成具有层厚度＞300nm的氧化铁层的氧化，能够得到金属板，其能够被成形而没有微裂缝，而且在热成形的情况下以及在为了硬化的目的的热处理过程中(例如对于适合的22MnB5型钢，在850℃或相应奥氏体温度之上)也能够。

通过参照附图的实施例的方式解释本发明，其中：

图1：在仅仅示意性的图中显示了依照本发明的工艺流程；

图2：显示了图解，其显示了与现有技术相比在本发明中弯曲角的改进；

图3：以仅仅示意性的方式显示了在硬化之后的依照本发明的层结构与现有技术相比；

图4：显示了依照本发明的钢带表面的显微断面图像；

图5：显示了不依照本发明的对比例的显微断面图像；

图6：显示了依照本发明的对比例的扫描电镜显微断面图像；

图7：显示了图6的扫描电镜显微断面图像的细节，具有由能量分散x射线分析(EDX)得到的直线-锌浓度曲线。

在图1中，借助于工艺流程描述了依照本发明的方法，例如用于热浸涂覆钢带，特别是具有Z140涂层的22MnB5型镀锌钢带。

图1和3中显示的层厚度并非按比例绘制，而是相对于彼此尺寸变形以便于更好的表示。

明亮的钢带1在热浸涂覆之前经过氧化，使得该带1具有氧化层2。

该氧化是在650℃-800℃的温度下进行的。然而对于热浸镀锌将会需要的常规预氧化，该氧化层厚度在150nm时将会完全足够，依照本发明的氧化进行使得该氧化层厚度＞300nm。为了施加该金属热浸涂层，例如热浸镀锌或镀铝，在下一个步骤中在表面处进行氧化物的部分还原，使得产生非常薄的还原层4，其基本上由纯铁构成。在其下面留下残余的氧化物层3。

由于该氧化，在该氧化物层3之下可能还保留“内部氧化”区域3a。在该区域3a中，该合金元素显然被部分氧化或部分以氧化形式存在。

然后用涂覆金属进行热浸涂覆，使得在该残余氧化物层3上产生由该涂覆金属形成的层5。现在为了得到该硬化组件，将该带1加热到奥氏体化温度，并将其至少部分奥氏体化，由此尤其该金属涂层5和该带1的表面彼此合金。在该方法中，由于该带1和该金属涂层5之间的扩散过程，该氧化物层3部分或完全消耗掉，或者在高温处理过程中不能检测到。

在通过镀锌施加金属涂层的情况中，能够在不预先还原或还原的情况下在该氧化物层上进行沉积，然而任选地，也进行蚀刻过程。

为了得到该硬化或部分硬化组件，根据奥氏体化的程度，然后在工具中进行成形和冷却，其中该层6任选地发生关于相位的转变，以及其中还在该带1中发生相位转变。在硬化之后，在该带1和该金属涂层6之间的显微断面(图4)中能够观察到明亮的韧性层7，其显然是最终产品是不含微裂缝的硬化组件的原因。在为了硬化目的的加热过程中，该韧性层7可能已经成形，因此其在热成形过程中已经存在。

显然，该明亮层7的最可能原因是由于已经进行的该氧化，硬化所需的合金元素(例如锰)在该表面附近的区域中被氧化，在金属涂覆之前，且不能用于转变或阻碍转变，以使得该钢带在接近表面的非常薄的区域中形成该韧性层7，这显然足以以使得在成形过程不出现裂缝以及该裂缝不蔓延的方式补偿该表面附近的张力。

还假设该合金元素的“内部氧化”的区域3a在这一点上是重要的。

当依照本发明制备或硬化的金属板经过例如三点弯曲测试时，该方法的优点在硬化后还能显示出来，或者在硬化后还能够检测到。这也能够对该碰撞行为具有积极的影响。

在该三点弯曲测试中，以该板厚度两倍的间距设置两个直径为30mm的轴承。将该硬化板放在其上并然后在分别距该轴承相同距离处用半径为0.2mm的弯曲轨道使其经受应力。

测定时间、距该弯曲轨道与该样品的接触点的距离和力。

记录力和距离，或力-弯曲角曲线，该角度是由该距离计算的。测试标准是在力最大时的弯曲角。

在图2中能够看到具有涂层Z140的22MnB5型钢的比较，从其中显然可见通过依照本发明在硬化冷样品上产生的韧性层能够得到显著大得多的弯曲角。

在图3中再次比较了本发明和现有技术，根据该图，在现有技术中硬化之后的金属涂层粘合到该硬化基体上，但在其中没有韧性层。

在本发明中，在该硬化反应之后，该韧性层7位于该硬化基体和该涂层之间。

该层的平均层厚度大于0.3μm，其中该层能够是连续的，但不必为了产生依照本发明的结果而完全连续。

图6显示了依照本发明的对比例的扫描电子显微镜显微断面图像。能够看到该锌的含量从约40％的Zn含量急剧降低到小于5％Zn，这是由于向基本材料马氏体方向的扩散过程。

在该基本材料附近，该铁-锌层的颗粒仅具有非常低的锌含量；在该显微断面中以白色显示的该富Fe层作为另外的层体之间的韧性中间层。

图7显示了图6的细节，具有由能量分散x射线分析(EDX)得到的直线-锌浓度曲线。再次，显然该锌含量沿基本材料的方向降低。

图4和5各自显示了本发明(图4)和现有技术(图5)的硬化钢带的显微断面图像，具有基体1、上面的过渡金属层6和在该显微断面中明显可见的两者之间的韧性层7。

图5显示了依照现有技术的层结构，其中镀锌带101具有更高强度钢的钢基体102，在其上施加有锌-铁层103。没有韧性层。

依照本发明，该金属涂层能够选自所有常见的金属涂层，因为该点仅用于对抗任何脱碳。因此，该涂层可以是纯铝和铝-硅涂层以及来自铝和锌的合金涂层(Galvalume)和锌或基本为锌的涂层。然而，如果其在短期硬化过程中能够承受高温，那么来自金属和合金的其他涂层也是适用的。

能够例如通过镀锌和热浸涂覆和通过PVD和CVD方法施加该涂层。

在这种情况中，能够以经典方式通过将该带通过其中使用气体燃烧器以及其中能够通过改变该气体-空气混合物在该带周围的气氛中产生氧化电势增加的直接加热的预加热器来进行氧化。因此能够控制该氧电势并造成该带表面上的铁的氧化。在这种情况中，进行控制使得实现比现有技术的氧化显著更强的氧化。在随后的炉线(line)中，与现有技术不同，形成的氧化铁层和可能已经完成的钢的内部氧化仅在表面和部分被还原。

而且，可以在保护气体氛围下在迄今为止已知的RTF预加热器中对该带淬火，还比实际所需要的显著更大程度地进行氧化或预氧化。在这种情况中，能够特别通过供给氧化剂来调节氧化的强度。

而且，显示出该炉气氛的加湿(即非常富含水蒸气(比通常更富含的)的气氛)单独或与其他氧化剂一起实现了所需的效果。本发明中重要的是任选随后进行的还原的进行仅使得留下残余的氧化。在仅用含水蒸气的气氛进行热处理中该钢的内部氧化状态并不完全恢复。

该氧化能够通过气氛、任选添加的其他氧化剂的浓度、处理持续时间、温度曲线和炉腔中水蒸气的含量来控制。

如图3和4中所示，能够对由此处理的带进行冷成形、加热并挤压硬化或二次成形，也能够对其热成形并挤压硬化，以优越的方式并在该钢基体中没有微裂缝。

在这种情况中，显示出依照本发明进行氧化与在未涂覆的钢材中进行边缘脱碳相反，对该材料能够得到的最终强度没有负面影响。

本发明的优点是产生了可以以更简单和安全的方式显著提高成形且硬化的组件的质量的方法和钢带。

参数：

1 钢带

2 氧化物层

3 残余氧化物层

4 薄还原层

5 金属涂层

6 金属涂层

7 明亮的韧性层

101 镀锌带

102 钢基体

103 锌-铁层