制造具有良好成形性能的扁钢制品的方法、扁钢制品以及制造由该扁钢制品构成的构件的方法

摘要

本发明涉及一种方法，利用该方法能够以经济的方式制造具有良好成形性能的扁钢制品，该扁钢制品的碳含量为0.1-0.4重量%。对此，根据本发明，在这样的退火气氛中进行退火处理，即，含有0.1-25体积%的H

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造具有良好成形性能的扁钢制品的方法，该 扁钢制品的碳含量为0.1-0.4重量%，其中，使扁钢制品在贯通炉中 进行退火处理。

本发明还涉及一种相应制成的扁钢制品，以及一种用于制造由 这种扁钢制品构成的构件的方法。

背景技术

这里提到的扁钢制品主要特别用于制造汽车的车身和底盘构 件。因此，对于扁钢制品的成形性能具有较高的要求。成形性能指的 是冷成形和热成形能力。

特别的难点在于，镀锌的扁钢制品热成形成为高强度或最高强 度钢构件。对于这样的钢构件，一般情况下基于锌或锌合金的保护层 能够确保实现充分的阴极防腐保护。

然而，如果，为了进行热成形、以及还可能紧接着热成形之后 或与热成形相结合地进行淬火处理，对具有金属防腐保护层的钢板加 热到这样的温度，使该温度在保护层的金属的熔点温度之上；那么， 将会出现所谓的“液体金属脆化”的危险。导致钢的脆化的原因是， 熔融的镀层金属侵入到在成形过程中形成在各个扁钢制品的表面上 的开槽中。到达钢基质中的液体金属在此沉淀在晶界上，并由此降低 可吸收的最大拉应力和压应力。

经证实，液体金属脆化的危险特别不利于高强度或最高强度钢， 这样的钢仅具有有限的延展性，并且因此在成形过程中容易形成接近 表面的裂缝。

由文献JP 60-159120 A大体上了解到，钢板的弯曲性能通过脱 碳处理得到改善，通过脱碳处理生成一层接近表面的、20-100μm厚 的边缘层，该边缘层相对于钢板的核心区域具有减少的碳含量。然而， 在现有技术中，如果该方法与镀有金属保护层的钢板相结合，那么这 样的钢板指的是碳含量至少为0.1重量%的高强度或最高强度钢。

含碳的合金钢的脱碳程度取决于溶解的碳的氧化性能。由于碳 的较大的活跃性，使在晶格中溶解的碳在热处理过程中容易隙透。因 此，根据气相（在该条件下开始热处理）的碳能力、同时生成或不生 成氧化皮的脱碳处理在钢的制造和加工过程中是最大的问题。

原理上，根据Boudouard平衡反应的脱碳过程通过以下反应过 程来实现：

[C]+1/2O₂<->CO

[C]+O₂<->CO₂

[C]+CO₂<->2CO

[C]+H₂<->CH₄

另：[C]=溶解的碳

在具有典型的保护气气氛（含有氢气、氮气和水蒸气）的大型 退火设备中，产生以下平衡反应：

H₂+1/2O₂<->H₂O

在此，经证实，相对于碳，含水的气氛特别具有反应性能。因 此，除了所希望的脱碳反应以外，还附加有另外的对于实际情况特别 重要的多相平衡反应：

[C]+H₂O<->CO+H₂

根据使用目的，可以通过脱碳处理改善钢制品的特定的性能。

为了在实际应用中能够有效地利用该认识，文献GB 1189464 公开了“松卷（Open-Coil）”法。在该方法中，使轧硬的冷轧带这 样松弛地卷成卷，以在卷的各个卷层之间分别形成空隙。在接下来的 退火处理中、于箱式炉内、流经空隙的退火气体由此均匀地掠过整个 钢表面，从而在经处理的钢带的整个长度上实现了均匀的脱碳效果。 然而这样实现的退火处理需要持续好几个小时。

在DE-OS 2105218中公开了一种在贯通炉内、于还原的退火 气氛中对钢带进行脱碳退火的、可经济实现的方法。根据该公知的方 法，使各自的钢带在退火温度低于780℃的条件下经历充分长久的退 火时间，直至从贯通炉中输出的钢带的碳含量低于0.01%为止。然后 可以使钢带进行热浸镀层，以改善钢带的防腐性能。以这种方式获得 的钢板具有特别好的成形性能。然而在强度值方面不能满足目前通常 对于扁钢制品的要求，这样的扁钢制品用于成形加工成汽车车身的构 件。

同样，在WO 2009/024472A1中也公开了“松卷”法，该方法 用于由工具钢构成的钢带，该钢带特别用于制造切割工具和类似构 件，并且钢带的碳含量至少为0.4重量%，该文献还提供了一种边缘 层脱碳方法，以使高硬度与良好的成形性能相结合。在脱碳的边缘层 的区域中，相应的经处理的钢带相比于基础材料具有改善的成形性 能，由此避免了在具有较大外部载荷的情况下发生脆裂的危险。 与在WO 2009/024472 A1中的应用相对，通常技术人员考虑， 对于用于制造高强度构件的高强度或最高强度钢来说，要尽可能地避 免由于退火导致的脱碳或边缘脱碳。根据通常的理解，脱碳处理会对 实际应用中所需的机械材料性能造成负面影响。

接下来介绍文献DE 102007061489 A1所公开的一种方法，其中， 在一块钢板上生成一层利于成形处理的可延展的边缘层，即，对加强 的合金部件进行可选择地氧化处理。由此，有针对性地分别抵制脱碳 影响。

发明内容

由上文所述现有技术的背景得出本发明的目的在于，提供一种 方法，该方法能够以经济的方式制成具有良好成形性能的、高强度或 极高强度的扁钢制品。此外，还提供一种特别适于热成形或冷成形的 扁钢制品以及用于制造由这种扁钢制品构成的构件的方法。

针对制造方法，根据本发明，上述目的这样来实现，即，制造 扁钢制品的过程通过权利要求1所提供的加工步骤来完成。

针对产品，根据本发明，上述目的通过权利要求9所提供的扁 钢制品来实现。

最后，针对制造构件的方法，根据本发明，上述目的通过权利 要求13和15所提供的方法来实现。

本发明的具有优势的设计方案在各个独立权利要求的从属权利 要求中给出，并在以下进行说明。

在本发明的用于制造具有良好成形性能的扁钢制品的方法中， 该扁钢制品的碳含量为0.1-0.4重量%、特别少于0.4重量%，该方法 基于这样的考虑，即，使相关的扁钢制品在贯通炉中进行退火处理， 该退火处理涉及到边缘层脱碳处理。对此，根据本发明，退火处理在 这样的退火气氛中进行，即，含有0.1-25体积%的H₂、H₂O和其余的 N₂以及由技术条件决定的不可避免的杂质。在此，退火气氛的露点在 -20℃和+60℃范围内。同时，退火气氛中H₂O/H₂的比值最高为 0.957，以达到理想的脱碳效果。

此外，根据本发明，在退火处理过程中，将扁钢制品加热到 600-1100℃的保持温度，在此于本发明的混合气氛的条件下保持 10-360s的持续时间。

最终，使在本发明的退火处理之后得到的扁钢制品具有10-200 μm厚的、在该扁钢制品自由表面上相邻接的可延展的边缘层，该边 缘层的延展性大于该扁钢制品的位于内部的被该边缘层覆盖住的核 心层的延展性。

相对于现有技术，通过本发明证实了，对于含碳量为0.1-0.4 重量%、特别为直至0.38重量%的钢板，所希望的高强度和良好的成 形性能的性能结合通过这样的退火处理来实现，该退火处理导致钢材 的边缘脱碳。这样的边缘脱碳使邻近表面的组织结构区域具有可延展 性，这样的可延展性能够防止由于成形导致的材料裂缝。

因此，本发明基于这样的考虑，即，对轧硬的用于冷成形或热 成形的扁钢制品（也叫做钢带或钢板）这样进行边缘脱碳处理，即， 使经退火处理获得的扁钢制品具有可延展的典型为铁素体的邻近表 面的边缘区域，该边缘区域在第一晶粒层（Kornlagen）上具有确定 的厚度，。该边缘区域使扁钢制品无论对于冷成形还是热成形都具有 改善的成形性能。尤其避免了成形过程中在钢制品表面上发生裂缝或 形成缺口的危险。

在此，对于本发明的方法主要的是，尽管，表面组织结构的边 缘脱碳可以与钢表面的退火过程（为接下来的防腐保护层的涂覆做准 备）同时发生，但是，边缘脱碳处理却具有与退火过程不相关的反应 机制。

邻近表面的组织结构区域的边缘脱碳过程根据下列关系进行：

[C]+H₂O<->CO+H₂

其中：[C]=溶解的碳，

对此，表面的氧化/还原反应如以下进行：

x[Me]+yH₂O<->[Me_xO_y]+yH₂

其中：[Me]=各个金属

x,y=化学计量系数。

令人惊奇的是，通过使用本发明提供的退火条件，即使在非常 短的调节时间内也能够达到所希望的脱碳深度。因此，本发明方法的 特征特别在于，能够以特别经济的方式在采用贯通炉的条件下而实 现。这样实现了，本发明的方法结合到连续进行的制造过程中，例如 在采用热镀层设备的情况下连续进行的制造过程需要具有较高的带 传递速度，在该热镀层设备中以连续的工序对钢带进行热处理，并通 过热浸镀层镀上防腐保护层。

相应地，根据本发明的一个特别有利的设计方案，在退火处理 之后，使扁钢制品镀上金属保护层。在本发明方法的该变化方案中， 本发明特别利用了这样的认识，即，使液体金属脆化的危险这样得以 避免，即，通过有针对性地调整扁钢制品的邻近表面的区域，使易发 生液体金属脆化的温度范围发生推移，以使该温度范围不与典型用于 热成形的温度区间相重叠。

如果本发明的制造方法位于随后的热浸镀层处理之前，那么， 通过经由不均匀的退火气体-金属反应控制邻近表面的碳的隙透，使 根据本发明进行的退火处理能够与表面调节同时实现，该表面调节条 件用于随后进行的表面调质处理。

这里特别具有优势的是，使本发明的方法用于热镀层设备中， 这是因为，在这种情况下，退火处理可以包括边缘脱碳、表面调节和 基础材料的再结晶过程，接下来，使热浸镀层可以在连续的方法流程 中在线式地（in-line）于退火处理之后进行。

在优选通过热浸镀层进行的、对根据本发明生成的扁钢制品的 表面调质处理过程中，在钢基质上涂覆公知的镀层系统，该镀层系统 基于Zn、Al、Zn-Al、Zn-Mg、Zn-Ni、Al-Mg、Al-Si或Zn-Al-Mg材 料。

对于在线式进行的热浸调质处理可替换或可补充地，使钢带可 以事后获得金属层、金属无机层或金属有机层，其中，钢带以本发明 的方式在贯通退火过程中形成有可延展的经脱碳的边缘层；这里通过 PVD或CVD沉积法或通过其它金属有机或金属无机的镀层方法、电解 地镀上例如Zn镀层、ZnNi镀层或ZnFe镀层。

因此，根据本发明的一个对于实际应用特别重要的方法变换方 案可知，使扁钢制品在紧接着退火处理而连续进行的工艺流程中进行 热浸镀层。在此，热浸镀层能够以公知的方式通过热镀层、特别是热 浸镀锌来实现。在此，为了确保实现镀层在钢基质上的理想粘附，可 以在热镀层之前对扁钢制品的表面进行氧化处理。

为了进一步优化机械性能，可以紧接着本发明的退火处理之后 以传统的方式进行过时效处理。

与上文所述相对应，提供一种扁钢制品，通过使用本发明的方 法制成，该扁钢制品的碳含量为0.1-0.4重量%并且具有10-200μm 厚的可延展的边缘层，该边缘层相对于扁钢制品的核心层具有更大的 延展性。

可延展层的厚度以公知方式根据DIN EN ISO 3887所规定的标 准来确定。因而，总的脱碳深度指的是由表面到这样的点的距离，在 该点上的碳含量等于未受到影响的核心区域的碳含量。以这种方式， 将邻近表面的区域上的经脱碳的边缘层区域的硬度调整为不高于核 心区域硬度的75%，也就是说，Hv（脱碳）/Hv（核心区域）=3/4。

本发明的扁钢制品的可延展的边缘层至少在扁钢制品的自由表 面附近具有铁素体结构。这一点也适用于多相基础材料，其中，在根 据本发明脱碳的边缘层区域中设有邻近表面的铁素体结构，该铁素体 结构与单相的典型的铁素体钢相同，其中，本发明的脱碳处理使邻近 表面的铁素体可延展。

由本发明生成的扁钢制品以相同的方式适用于冷成形和热成形 处理，其中，本发明扁钢制品的特别优势尤其表现在对具有金属保护 层的钢板或钢带的热成形处理中，特别指具有镀锌层。根据本发明用 于冷成形处理的钢典型的抗拉强度为500-1500MPa。而根据本发明 用于热成形处理的钢在热成形之后的抗拉强度为900-200MPa。

如果本发明的扁钢制品通过热成形处理成形为构件，那么根据 本发明，首先将本发明的扁钢制品加热到高于其Ac1-温度的加热温 度，然后使扁钢制品热成形为所述构件。

如果，热成形处理之后例如进行淬火处理，那么还可以使本发 明的扁钢制品顺利地加热到至少等于该扁钢制品的Ac3-温度的加热 温度。由于扁钢制品具有金属镀层，该金属镀层的熔点温度小于或等 于加热温度，因此在这样高的加热温度条件下在由本发明生成的扁钢 制品中还可以自动避免发生脆化的危险。由本发明边缘层脱碳处理实 现的边缘层的可延展性避免了裂缝的产生，并由此确保不会有镀层的 熔融金属侵入到钢基质的核心区域中。

因此，本发明的方法特别改善了用于冷成形亦或是热成形的、 表面调质的、高强度/极高强度的扁钢制品的成形性能，其中，根据 本发明，镀有金属保护层的扁钢制品特别优选适用于热成形处理。这 一点由此实现，即，根据本发明，通过在贯通炉中有针对性的退火气 体-金属反应引起边缘脱碳，通过该边缘脱碳形成可延展的具有典型 铁素体结构的边缘层。由此保护强硬的脆的钢基础材料在成形过程中 不会在表面出现裂缝。

附图说明

接下来，结合实施例对本发明进行详细说明。附图中：

图1为本发明的经边缘层脱碳的钢试件的垂直显微结构图；

图2为以传统方式退火的对比试件的垂直显微结构图；

图3为图1和2所示试件的碳含量的GDOES深度曲线图；

图4为图1和2所示试件的三点弯曲试验结果示意图。

具体实施方式

为了对通过本发明方法实现的效果进行检验，使用分别由多相 钢“MP”以及由通常用于热成形的钢“WU”制成的轧硬的冷轧带试件。 钢MP和WU的成分在表1中给出。

其余的铁和不可避免的杂质。

表1

分别由钢MP和WU制成的两个试件在用于边缘层脱碳的贯通炉 中进行根据本发明的退火处理。在此采用的退火参数在下面的表2 的纵列“本发明”中给出。

为了进行比较，在贯通炉中采用由钢MP和WU制成的另外两个 试件进行传统的退火处理，传统的退火处理指的是通常为热浸镀锌而 进行的预处理。

为了优化试件的机械性能，附加地进行过时效处理。该过时效 处理不会影响到脱碳的边缘层的形成，而且只是可选择地用于改善边 缘的性能。

在过时效处理中采用的、相同用于两个试件的参数也在表2中 给出。

表2

在图1中示出了由钢MP生成的且根据本发明进行退火处理的试 件的显微结构图。由该图清楚地了解到，以本发明的方式调节出脱碳 的邻近表面的组织结构区域（边缘层“R”）。

与此相对，同样由钢MP生成的却进行传统的退火处理的试件的 显微结构图显示出没有脱碳的区域（图2）。

在本发明以及传统的经退火处理的由钢MP生成的试件上额外进 行碳含量的GDOES测量。GDOES测量法（“GDOES”=Glow Discharge  Optic Emission Spectrometre，辉光放电发射光谱法）指的是用于 快速获取层结构的浓度曲线的标准方法。例如在文献VDI-Lexikon  Werkstofftechnik（编者：HubertVDI-Verlag GmbH，Dü sseldorf 1993）中对此有所公开。

在图3中示出了GDOES测量的结果，其中，虚线表示以传统方 式处理的试件的碳分布曲线，而实线表示以本发明方式处理的试件的 碳分布曲线。

由图3清楚可知，以本发明方式处理的试件具有显著脱碳的边 缘层R，该边缘层的厚度约为40μm。与此相对，在传统方式处理的 试件中没有这样的边缘层。

结合微硬度测量可以了解到，在由钢MP生成的根据本发明经热 处理的试件中脱碳的边缘区域R的微硬度为163HV，而没有脱碳的 核心区域K的硬度为255HV。因此，脱碳的边缘区域R的硬度HV_R与核心区域K的硬度HV_K的百分比HV_R/HV_K为64%，由此，该比值明显 低于本发明对于该比值的预设值75%。

紧接着退火之后，对试件进行表面调质处理，其中，在试件上 进行电解镀锌。

最后，在涂层的试件上进行三点弯曲试验，而且该三点弯曲试 验既可以在加压淬火之前也可以在加压淬火之后进行。在图4中示出 了由钢MP制成的试件的试验结果。图中，以本发明方式生成的试件 的弯曲角度Bw用黑色柱表示，而以传统方式生成的试件的弯曲角度 Bw用白色柱表示。还由此清楚可知，与以传统方式加工的试件相比， 以本发明方式生成和处理的试件具有明显更好的变形和弯曲性能。

对于由钢WU生成的、经退火处理、镀锌和成形的试件，经证实 对于以本发明方式和以传统方式经退火处理的试件具有相同的结果。