用于制造热压淬火零件的方法、用于制造热压淬火零件的钢制品的用途以及热压淬火零件

摘要

本发明涉及一种方法，通过该方法能够更方便地制造出高强度的防腐蚀的零件。为实现该目的，本发明方法包括以下加工步骤：a)准备钢制品，该钢制品至少逐段地由具有以下成分的不锈钢制成(以重量％表示)：C：0.010-1.200％；P：直至0.1％；S：直至0.1％；Si：0.10-1.5％；Cr：10.5-20.0％；以及可选择的组“Mn、Mo、Ni、Cu、N、Ti、Nb、B、V、Al、Ca、As、Sn、Sb、Pb、Bi、H”中的一种或多种成分，该一种或多种成分基于以下含量：Mn：0.10-3.0％；Mo：0.05-2.50％；Ni：0.05-8.50％；Cu：0.050-3.00％；N：0.01-0.2％；Ti：直至0.02％；Nb：直至0.1％；B：直至0.1％；V：直至0.2％；Al：0.001-1.50％；Ca：0.0005-0.003％；As：0.003-0.015％；Sn：0.003-0.01％；Sb：0.002-0.01％；Pb：直至0.01％；Bi：直至0.01％；H：直至0.0025％；余量的铁和不可避免的杂质；b)将钢制品完全加热到高于不锈钢的Ac3温度的奥氏体温度；c)在压制工具中，将加热的钢制品热压淬火成零件；以及d)使所得到零件的至少一部分以这样的冷却速度进行冷却，该冷却速度快到足以使各个快速冷却的区段中形成硬化组织。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造热压淬火零件的方法、一种用于制造 热压淬火零件的钢制品的用途以及一种热压淬火零件。

背景技术

为了满足在现代车身制造中既具有较少重量又同时具有最大强 度和保护作用的要求，迄今为止在车身的这样的范围内，即在车身在 发生碰撞时特别承载较大的载荷的范围，要采用由高强度钢热压成型 的零件。

在热压淬火过程中，使由冷轧或热轧钢带形成的钢坯加热到这 样的变形温度，该变形温度通常高于各种钢的奥氏体温度；并且在加 热状态下，将钢坯置于变形压制的工具中。在随后进行的变形过程中， 使板坯或由板坯成型的零件通过与冷却工具相接触而进行快速冷却。 在此这样设定冷却速率，从而使零件中形成硬化组织。对此这样的措 施是足够的，即，使零件不进行主动冷却，而是仅通过与工具接触而 进行冷却。而且还可以由此实现快速冷却，即，使工具自身主动冷却。

如文献“Potenziale für den Karosserieleichtbau”，即于 2005年9月15-25日在法兰克福的61届国际汽车展上，由 ThyssenKrupp Automotiv AG在展会报纸中发表的内容：在实际应用 中，热压淬火特别用于利用硼合金钢制造高强度的车身零件。对于这 种钢的典型示例是，采用“22MnB5”表示的钢以及在钢记谱法2004 (Stahlschlüssel 2004)中材料号为1.5528的钢。

然而在实际应用中，相对于公知的MnB钢的优势还存在这样的 缺陷，即，高锰钢相对于湿气腐蚀不稳定，而且难以钝化。相对于低 合金钢、在较高的氯离子浓度的影响下、对于局部尽管受限却剧烈的 腐蚀的较大倾向性，使属于高锰钢板材料组的钢难以直接用于车身制 造中。由于高锰钢会导致表面腐蚀，因此使高锰钢的应用也受到限制。 在此还提供了一种扁钢制品，其由高锰钢制成，以公知的方式 对该扁钢制品涂上镀层，通过镀层防止钢受到腐蚀侵袭。然而在此又 产生这样的问题，这种扁钢制品难以浸湿，因而导致在冷变形过程中 镀层在钢基质上的粘附性不足。

还提供了大量的技术方案，对由高锰钢制成的扁钢制品涂上防 腐镀层，使该镀层满足实际应用中的需求(DE 10 2005 008 410 B3， WO 2006/042931 A1，WO 2006/042930，DE 10 2006 039 307 B3以 及其它文献)。这些技术方案总地都要求：必须使各种待涂层的扁钢 制品在退火步骤中进行退火处理，用以在随后的适宜的涂层方法中设 置防腐镀层，然而，该退火步骤耗费工本而且由于实际应用条件而导 致难以实现过程技术方面的控制。此外还有这样的现象，扁钢制品的 涂层特别在热炉的辊压中会发生磨损。由于上述磨损导致提早的更换 或需要采用额外的维修方式，据此又伴随出现长时间的停车状态。

发明内容

基于上述背景技术，本发明的目的在于提供一种方法，相对于 上文所述的公知方法，通过本发明方法能够更方便地制造出高强度的 防腐蚀的零件。

另外，本发明还提供一种钢制品的用途，该钢制品特别适用于 简单地制造出高强度的零件，而且使这样的零件对腐蚀不敏感。

最后，本发明又提供一种在加工技术方面便于制造的零件，该 零件在具有较高承载能力的同时还理想地防止腐蚀。

对于方法，根据本发明，上述目的这样实现：在利用扁钢制品 制造高强度零件的过程中使用权利要求1所提供的加工步骤。

对于用途，根据本发明，上述目的这样实现：根据本发明，对 于零件的制造，使用根据权利要求12的扁钢制品。

对于零件，根据本发明，上述目的这样实现：该零件根据权利 要求14构成。

本发明具有优势的技术方案在从属权利要求中给出，并且在以 下结合总的发明构思进行详细说明。

本发明的认识基于：公知不锈钢的确定等级要适用于热压淬火。 在实际应用中，除了具有理想的材料消耗以及防腐性能之外，本发明 对于热压淬火所采用的不锈钢还具有这样的优势：无论在热变形过程 中还是在淬火过程中，尽管伴随较高的温度，也不会有被腐蚀的危险。 可替换地，在本发明所应用的钢中所含有的合金成分也能够在加工步 骤中保护经加工处理的钢制品不受到腐蚀侵袭。因此，在本发明的方 法和应用中，高强度且良好防止腐蚀的零件可以通过热压淬火来形 成，而不需要对此采用迄今惯用于热压淬火的类型的低合金钢的保护 措施。那么在本发明的方法中既没有必要，使各种加工处理的钢制品 设有防腐镀层，也不必在加热过程中采取特别保护措施，以防止钢制 品被腐蚀或制成特定的表面性能。

第一组适宜加压淬火的钢为不稳定的铁素体，对此例如采用材 料号为1.4003的钢。铁素体钢在淬火过程中温度高于奥氏体温度的 情况下能够完全或部分转化成马氏体。首先，这样的钢适于直接进行 加压淬火，然而也可以通过间接加工进行变形处理。

在直接的、所谓的“一步式”加压淬火过程中，由适宜的钢制 品经批量生产制成的板坯一次性就能够变形成各种零件，同时进行热 处理，用以调整各种所需的硬度。

在间接的、所谓的“两步式”加压变形淬火过程中，各种板坯 在第一步中变形成各种零件。然后，将获得的零件加热到淬火温度， 在另一个加压变形工具中、于随后的加压变形环境中以所需的方式进 行热处理，所需的方式指的是对于调整各种所需的硬度组织结构所采 用的方式。

另一组适宜加压淬火的不锈钢为马氏体。这种钢在高于900至 1000℃的条件下具有这样的奥氏体组织，该奥氏体组织具有对于碳的 较高的溶解性能。在奥氏体组织的冷却过程中产生马氏体。作为这种 钢的典型代表，采用公知材料号为1.4021和1.4034的钢。

还可以采用马氏体铁素体钢进行加压变形淬火处理，其中，这 种组织结构中除了含有马氏体以外还含有大量的铁素体。对于这一组 钢，例如采用材料号为1.4006的钢。

典型的马氏体钢的碳含量为0.08-1重量％。这种马氏体钢可以 在空气中淬火。其机械强度还可以通过淬火处理以较高的冷却速率而 得到提高。

具有较少碳含量的、最大为0.06％的马氏体钢部分与直至6％的 镍形成合金。这样的组合实现了，在调质处理之后生成部分奥氏体。 这种类型的钢被称为“含镍马氏体”或还被称为“超马氏体”。这样 的钢首选适于直接的加压淬火，然而也可以在间接的加工方法中进行 变形。

对于析出硬化的钢，例如采用材料号为1.4568的钢，在固溶退 火和淬火之后，金属间化合物以及碳化物、氮化物和铜相从马氏体组 织中的析出导致增大的强度。在直接的加压淬火中，以这种方式使强 度可以达到直至大约1000MPa。在接下来的回火处理之后，使强度 可以直至增加500MPa。通过良好的冷变形性能，这种钢也可以很好 的适用于间接的加工方法。同样，在变形之前，通过均匀的冷变形处 理(精轧)而具有进一步的硬化能力。

结果，本发明的不锈钢用于制造热压淬火的零件的用途以及由 此所采用的方法相对于现有技术的热压淬火实现了明显简单的零件 的制造，而且本发明零件的机械性能及其防腐保护理想地适用于高要 求的应用，诸如汽车车身制造。

本发明的热压淬火的零件由这样的钢制品制成，该钢制品由不 锈钢构成，该不锈钢含有以下有效成分(以重量％表示)，即，C： 0.010-1.200％；P：直至0.1％；S：直至0.1％；Si：0.10-1.5％；Cr： 10.5-20.0％；以及余量的铁和不可避免的杂质。

通过在本发明应用的钢中含有0.01-1.2重量％的含碳量，可以 对钢的马氏体硬度进行控制。然后，这样实现本发明通过热压淬火生 成的零件的理想性能，即，使本发明应用的钢含有0.01-1.0重量％ 的C，特别是0.01-0.5重量％。

0.1-1.5重量％的Si含量用作抗氧化物，并且使钢的强度增大。

本发明应用的钢的较高的Cr含量特别能够实现在高温条件下也 具有良好的耐腐蚀性。在室温条件下以及即使在高温条件下，较高的 Cr含量会导致在表面上生成Cr氧化层，从而使本发明加工处理的钢 制品无论在热处理过程中还是在随后的实际应用中都不需要采用额 外的防腐保护。相对于传统的热压淬火中应用的腐蚀敏感的MnB品 质，材料中的Cr含量在高温条件下具有更好的形状稳定性，高温条 件例如为本发明中加热到各自的奥氏体温度TA的条件。相应地，本 发明应用的钢制品在高温条件下更便于加工。特别是，可以实现从加 热装置到设置在各自的压制工具中的传递，而且不会发生通过周围空 气在表面上产生氧化物而破坏加工结果的危险。那么，当Cr含量在 11和19重量％之间、特别为11-15重量％时，在本发明应用的钢的Cr 含量的合金成本和积极效果方面实现最优的均衡关系。

P和S的含量分别限制在0.1重量％，从而避免这些元素对于本 发明加工的钢的机械性能产生消极影响。

除了前述所谓的有效成分以外，本发明所采用的钢还可选择地 含有组“Mn、Mo、Ni、Cu、N、Ti、Nb、B、V、Al、Ca、As、Sn、Sb、 Pb、Bi、H”中的一种或多种成分，这些相关成分分别基于以下含量 (以重量％表示)，即，Mn：0.10-3.0％；Mo：0.05-2.50％；Ni：0.05-8.50％； Cu：0.050-3.00％；N：0.01-0.2％；Ti：直至0.02％；Nb：直至0.1％； B：直至0.1％；V：直至0.2％；Al：0.001-1.50％；Ca：0.0005-0.003％； As：0.003-0.015％；Sn：0.003-0.01％；Sb：0.002-0.01％；Pb：直至 0.01％；Bi：直至0.01％；以及，H：直至0.0025％。

Mn以0.10-3.0重量％的量存在有助于在高温条件下所需的奥氏 体的形成，由此形成本发明所需的硬化组织。

含有0.05-2.50重量％的钼用于改善耐腐蚀性能。

在本发明所采用的不锈钢中可以含有镍0.05-8.50重量％，优选 为0.05-7.0重量％，同样用以增强耐腐蚀性能以及有助于在高温条件 下奥氏体的形成，该高温条件指的是本发明方法中加压变形过程中的 热处理所达到的稳定条件。在含有直至1.5重量％的镍的情况下已经 以足够的效率发挥作用，因此，在本发明的实际设计方案中可以将 Ni含量范围的上限以该值来限制。

在本发明应用的钢中同样可以添加0.050-3.00重量％的Cu，以 利于生成所需的奥氏体的硬化组织。

通过使氮含量为0.01-0.2重量％、优选为0.01-0.02重量％，同 样可以对本发明所采用的钢的马氏体硬度进行控制。

直至0.02重量％的Ti含量使不锈钢浇铸过程中形成裂纹的危险 最小化，该浇铸处理在制造本发明加工的钢制品的过程中进行。

直至0.1重量％的铌含量用于改善制造本发明应用的钢制品过程 中钢的变形性能。

直至0.1重量％的B含量，优选含有0.05重量％，同样对于本发 明加工的钢的钢带浇铸过程中预防裂纹生成具有积极作用，而且避免 了在传统的连续浇铸过程中产生表面撕裂的危险。因此，通过添加硼 还可以对本发明所采用的钢的马氏体硬度进行控制。

直至0.2重量％的V、特别为0.1重量％，可以像Nb一样改善在 本发明所采用的钢的浇铸过程中的变形性能。

含有0.001-1.50重量％、特别为0.001-0.03重量％的Al，以及 含有0.0005-0.003重量％的Ca，用以在钢带浇铸或连续浇铸的浇铸 过程中优化本发明所采用的钢的纯度。

在本发明的钢添加有0.003-0.015重量％的As、0.003-0.01重 量％的Sn、0.002-0.01重量％的Sb、直至0.1重量％的Pb和直至0.1 重量％的Bi的条件下，能够避免在钢带浇铸过程中裂纹的形成，或者 在对连续浇铸的本发明所采用的钢的热轧过程中防止表面受损。

最后，在本发明所采用的钢中，对于H含量限制在直至0.0025 重量％，从而避免生成所谓的“延迟开裂”，也就是指在实际应用条 件下延迟发生的由氢诱导的裂纹。

本发明所采用的、以上文所述的方式构成的钢制品可以是经由 热轧或冷轧制成的钢制品，即，例如为由经热轧或冷轧的不锈钢板或 不锈钢带获得的坯料。还可以对作为钢制品的半成品进行加工处理， 该半成品首先由相应的扁钢制品通过预变形处理而制成，然后再以本 发明的方法进行加工处理。

此外，本发明应用的钢制品还可以作为所谓“拼焊板”由至少 两块相互连接的扁钢制品坯料构成，这些扁钢制品坯料具有不同的厚 度或物理性能。以这种方式，在实际应用中，由本发明形成和提供的 零件的不同承载区段可以根据各自承受的载荷优化选用匹配的材料。 据此同样还实现了，使本发明应用的钢制品的仅一部分区段由本发明 的具有上述成分的不锈钢组成，而其它区段由传统的低合金钢和易生 锈钢形成，在考虑到各种位置条件和承载性能的因素时采用这样的钢 制品，据此在实际应用中采用由本发明制成的零件。

根据本发明，使对应形成的钢制品进行以下典型的用于热压淬 火处理的加工步骤：

a)准备由上述方式得到的钢制品；

b)将钢制品完全加热到高于不锈钢Ac3温度的奥氏体温度；

c)在压制工具中，将加热的钢制品热压淬火成零件；

d)使所得到零件的至少一部分以这样的冷却速度进行冷却，该 冷却速度快到足以使各个快速冷却的区段中形成硬化组织。

通过各自达到的奥氏体温度的高低可以对热压淬火之后由本发 明获得的零件的硬化组织的形成进行控制。为了实现由本发明形成的 零件的最大强度值，使本发明加工的钢制品在加工步骤b)中加热到 奥氏体温度，该奥氏体温度高于不锈钢的Ac3温度(Ac3温度：奥氏 体转化完成时的温度)。这种情况下完全奥氏体化的组织在接下来的 冷却过程中完全转化成马氏体，由此实现较高的组织硬度，并因此实 现最大的抗拉强度。

为了形成硬化组织而对本发明的热压淬火零件进行的快速冷却 可以通过公知的方式在压制工具中自动进行，为此，该压制工具设有 适宜的冷却装置。可替换地，使冷却还可以在热压成型之后于一个单 独的加工步骤中进行，由此确保实现零件在热压过程结束之后仍然具 有足够高的温度。

同样以公知的方式，可以将对热压变形处理之前的钢制品的加 热、以及对热压变形处理之后的冷却限定在钢制品的确定区段上，即， 在制成的零件中应该形成具有不同机械性能的区域。

扁钢制品的加热优选在封闭的热炉中进行。然而还可以考虑通 过电感或热传导的方式进行加热。

在任何位置都能够承受高载荷的零件相对于本发明的方法可以 这样实现，即，对钢成型件进行加热和冷却，以在其整个体积上都形 成硬化组织。

为了确保可靠地生成硬化组织(例如完全的马氏体结构)，在 本发明的方法中使冷却速度充分最大为25K/s、特别最大为20K/s， 其中，当冷却速度限定最大为15K/s时，可以实现特别优质的加工 结果。而且为了确保实现充分的硬度，还应该使冷却速率最小为0.1 K/s，特别最小为0.2-1.3K/s。当冷却速率高于25K/s时，将导致 不希望的快速硬化，这会造成对变形性能的限制。优选使冷却速率设 定在5和20K/s之间，其中，通过增大的冷却速率可以实现零件中 强度的增加。

各个具有不同性能的区域的形成还可以由此受到影响，即，对 压变形工具的与钢制品相接触的表面的特定区域进行加热，从而在该 区域例如可靠地避免了会导致硬化组织的钢制品的冷却。

由本发明形成的零件在具有硬化组织的范围内通常所具有的抗 拉强度至少为900MPa、延展率A80至少为2％。

一方面由于根据实际情况使优化的机械性能，另一方面使具有 较好的耐腐蚀性能相结合，根据本发明通过对由不锈钢制成的钢制品 进行热压淬火而制成的零件特别适合作为车身的一部分用于载重汽 车、商用车或轨道机车，用于飞机或高强度结构部件。

附图说明

接下来，结合实施例对本发明进行详细说明。图中示出了：

图1示出了一个图表，该图标表示出不同的钢在其抗压强度 Rm[MPa]上分别对应的延展率A80[％]。

具体实施方式

加压淬火零件的强度通过硬度以及由DIN 50150给出的表格以 抗拉强度Rm来表示。在DIN 50150中提供的维氏硬度HV10和抗拉强 度的值用于为非合金钢和低合金钢进行计算。

利用材料4003和4034的进行的参考实验证实了表格值与在经 淬火的拉伸实验试件上测得的HV10值以及抗拉强度值具有良好的一 致性。参考实验的结果在表1中给出。

表1

在采用由钢S1-S9制造的板坯的情况下进行不同的实验。在表2 中记录了材料号(“类型”)和相应的钢S1-S9的决定性能的合金成 分。

表2

在表3中，对由钢S1-S7制成的板坯还额外示出了各自在加压 淬火之前计算得出的抗拉强度和维氏硬度HV10以及各自的Ac1和 Ac3温度，在Ac1温度时转化成奥氏体，在Ac3温度时转化成奥氏体 并且铁素体溶解完全结束。

一方面为了实现较高的变形率，另一方面为了实现理想的强度， 使本发明加热的温度高于Ac3温度，该加热过程取决于不锈钢的C 含量和Cr含量，从而确保使铁素体和碳化物都完全溶解。在高变形 率的要求下，碳化物会产生干扰作用，例如会导致在零件中出现裂缝。

在高于Ac3温度的情况下会生成均匀的奥氏体结构，以及含有 增加C含量的奥氏体碳化物的组织结构。

表3

对由钢S1-S7制成的板坯通过直接的在进行的加压变形淬火处 理中而形成板成型件。然后，对由此获得的板成型件的维氏硬度HV10 进行测量，而且再根据DIN 50150所述的方式计算出抗拉强度。

为了对计算出的零件性能进行确认，对由钢S1、S4和S5构成 的拉伸试件直接进行加压淬火处理。然后，根据DIN 10002对经淬火 的试件S1′、S4′和S5′的抗拉强度Rm和延展率A80进行计算。

表4中示出了以前述说明的方式测量和确定的钢S1-S7的性能。

表4

为了了解冷却速率对以本发明前述方式获得的零件硬度的影 响，进行冷却实验。在此，在分成两步的方法中，首先，对分别由钢 S3-S8制成的板坯进行热压变形处理，经过不同的冷却时间t8/5，从 800℃冷却到500℃，然后直至冷却到室温。因为在800℃至500℃之 间的范围发生重要的转化过程，所以在该温度范围内，对本发明冷却 速率的控制具有重要意义，从而能够实现对强度值所需要的影响。接 下来，分别测量所获得的零件的维氏硬度HV10。表5中示出了这些 实验的结果以及在冷却过程中达到的冷却速率。

表5

之后，使各自的冷却速率充分适于形成硬化组织，使该冷却速 率明显低于通常在压变形淬火中所应用的冷却速度。在慢速冷却过程 中，本发明加工处理的钢持续进行马氏体转化。这对于加工过程产生 有利影响，这是因为，特别是在一步完成的、直接进行的加压变形淬 火处理中，使变形工具必须以较小的程度进行冷却。

在实际应用中，通过直接的加压变形淬火处理形成的零件通常 还要进行热处理。特别是对于这样的情况需要热处理，即，压制成型 件用于载重汽车车身时，车身在其再加工过程中进行烘漆处理。结合 由钢S2、S3和S7制成的、以本发明方法直接通过加压变形淬火形成 的零件，对这种或类似回火处理对于由本发明方法经压变形淬火的零 件的强度值和延展率值的影响进行实验，该零件以表6中给出的条件 进行退火，并且其中，在回火处理的过程中得到了同样在图6中示出 的性能。

表6

事实表明，在由实验涉及到的温度范围170-500℃内的各种情况 下的回火处理导致根据本发明形成的零件的强度极轻微地减弱。

为了经实验确定非直接加压淬火的过程，对由钢S9制成的板坯 进行加工处理。经过固溶退火之后，该板坯的抗拉强度Rm为816MPa。 然后，对由此得到的板坯进行变形处理，用以模拟通过加压变形制成 零件的过程，并且在820℃的条件下保持30分钟，在工具中根据零 件范围和接触时间点以大约15K/s的冷却速率进行淬火。在淬火之 后，零件的硬度HV10为340，该硬度对应的抗拉强度Rm大约为1015 MPa。

为了进行比较，将由相同材料S9制成的板材精轧至厚度为1mm。 由于精轧过程实现的加强作用使精轧后的板材的抗拉强度达到1500 MPa。接下来，对在该状态下仅限制变形的精轧的板材采用9mm的弯 曲半径以90°进行卷边处理。由此获得的角钢在热炉中以550℃、一 个小时的时间进行回火处理，然后在工具中进行冷却。在此达到的冷 却速率为10K/s。该经卷边和硬化的型材的硬度HV10为571。在图 1的图表中示出了，以本发明的方式、由采用钢S1、S4和S5制成的 板坯加工而成的零件E1、E2、E3的各自抗拉强度Rm分别对应的延展 率A80。为了进行比较，在图1中还示出了两个零件在各自抗拉强度 Rm上分别对应的延展率A80，这两个零件通过惯用的热压变形淬火处 理由为实现上述目的而通常使用的钢MBW 1500制成，这种钢含有C ≤0.2％、Si≤0.4％、Mn≤1.4％、P≤0.025％、S≤0.01％、Cr+Mo≤0.5％、 Ti≤0.05％和B≤0.005％(以重量％给出)。

事实表明，由铁素体钢S1和马氏体钢S4制成的零件E1、E2所 具有的延展率和抗拉强度的结合优于以惯用方式制成的零件，而由本 发明制成的第三零件在总是具有良好的延展率的同时还具有改善的 抗拉强度。因此，由本发明制成的零件具有防腐蚀性能，而且不需要 采用额外的防腐蚀保护层。