CN108138254A - 用于生产车辆钢制构件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造车辆构件(5)的方法，其包括以下步骤：(A)准备由可调质的钢材(2)制成的工件，该工件在两面上设有含锌涂层，(B)将工件至少部分加热至A_c1以上的温度，(C)将至少部分加热的工件放入热成型和/或模压淬火工具中，该工具至少包括一个冲头和至少一个底模，(D)通过冲头和/或底模相对于彼此的相对运动关闭工具并且将工件进行热成型和/或模压淬火，其中在封闭工具中冷却已加热工件的至少一个区域，使得至少部分形成淬火组织结构。本发明的目的为提供一种用于制造车辆构件的方法，车辆构件和该构件的应用，其中在有效防腐蚀保护之外，在碰撞情况下足够的构件强度和尤其在循环载荷下的预期寿命也可得到保证，该目的如此实现，即工件具有第一表面(3)，所述第一表面具有与工件的第二表面(4)相比较小的含锌镀层层厚，其中将工件如此放置在热成型和/或模压淬火工具中，使得工件的第一表面(3)定位在构件生产期间主要负载压力和/或张力的一侧上，尤其是工具主要形成为凹陷的一侧上。

Description

用于生产车辆钢制构件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造车辆构件的方法，其包括以下步骤：

准备由可调质的钢材制成的工件，该工件在两面上设有含锌涂层，将工件至少部分加热至A_c1以上的温度，将至少部分加热的工件放入热成型和/或模压淬火工具中，该工具包括至少一个冲头和至少一个底模，通过冲头和/或底模相对于彼此的相对运动来关闭该工具并且将该工件进行热成型和/或模压淬火，其中在封闭工具中将加热的工件的至少一个区域如此冷却，使得至少部分地形成淬火组织结构。

此外，本发明涉及一种构件，特别是通过根据本发明的方法制造的构件以及该构件的相应用途。

背景技术

如今，模压淬火构件在汽车行业中是不可缺少的。常规钢构件已被新型高强度和更高强度钢材所取代，其中通过强度的提高或材料的高强度在保持相同的机械性能的同时降低了材料厚度，因此对减小车辆的总重量具有积极影响并且与此伴随地可减少CO₂排放。作为钢材，使用可调质的钢，例如锰硼钢，其中目前最常用的代表是22MnB5。

模压淬火构件的生产通常由成型的镀层板坯或首先冷成型为预成型半成品的镀层板坯来进行。涂层的类型可以是有机的，但基于铝或基于铝硅和基于锌的无机涂层在实践中也较为常用。在铝基或铝硅基的涂层中，在加热过程(奥氏体化)期间，发生从基体材料(22MnB5)

到涂层中的铁的扩散并且形成AlSi-Fe层，其在抗腐蚀性方面具有所谓的屏障效应。在铝基涂层中不存在有效的阴极防腐蚀保护。但是，锌基涂层可提供有效的阴极防腐蚀保护。虽然在加热过程(奥氏体化)

期间，还是发生从基体材料(22MnB5)到涂层中的铁的扩散。虽然通过扩散提高了富铁锌层的熔点，但不能完全抑制液态锌相的形成(钎焊开裂或也称为“液态脆化”)。在随后的热成型和/或模压淬火过程中，根据由成型所决定的成型度，由于钎焊开裂而在镀层表面上产生裂纹，这些裂纹由于材料应力(压力-拉力)而向基体材料方向继续扩张，并可延伸至基体材料中。裂纹的扩张是由于在材料的晶界上存在液态锌相，这种液态锌相会削弱材料并通过压力-拉力应力促使涂层中继续形成裂纹直至扩散到基体材料中。这种易裂纹的模压淬火构件可能会导致在发生碰撞事故时的构件强度降低和尤其在循环载荷下预期寿命的缩短。

镀锌板坯在热成形过程中裂纹形成的现象例如在公开文献(Drillet等人的“Study of cracks propagation in the steel on press hardened zinc-basedcoatings”，La Metallurgia Italiana-n.1/2012，第3-8页)中公开。在待热成形和待模压淬火的omega型材横截面上进行研究。已经发现，通过由于加热而存在于材料中的液态锌相的促进，尤其是在待制造的框架区域(关键区域)中由于首先出现的压应力和/或随后的拉应力而在面向底模的一侧上产生裂纹，并且可以延伸至基体材料中。变形程度越复杂，特别是在框架区域中，越容易开裂，与此相关联，在基体材料中裂纹会形成得越深。

发明内容

从现有技术出发，本发明的目的是提供一种用于制造车辆构件的方法，车辆构件和该构件的应用，其中在有效腐蚀保护之外，在碰撞情况下足够的构件强度和循环载荷下的预期寿命也可得到保证。

该目的根据本发明的方法如此实现，即工件具有第一表面，该第一表面与工件的第二表面相比具有较小的含锌镀层层厚，其中将工件如此放置在热成型和/或模压淬火工具中，使得工件的第一表面定位在构件生产期间主要负载压力和/或张力的一侧上，尤其是工具主要形成为凹陷的一侧上。

根据本发明的用于制造车辆构件的方法包括首先准备由可调质的钢材料制成的工件的步骤，该工件在两侧上设置有含锌镀层。作为可调质的钢材主要使用锰硼钢。也可以考虑使用其他钢种，在这些钢种中可以通过热处理产生与交货状态相比更高的强度。另外的步骤包括将工件至少部分加热至高于A_c1的温度，尤其是高于A_c3的温度。首先将工件部分或完全加热至奥氏体化温度，其中，根据对待制造的构件的要求和其在车辆中的应用目的，在该工件中调整出(部分)不同的微观组织结构或者完全一致的微观结构。这可以通过合适的炉子和/或通过适当的热成型和/或模压淬火工具完成。如果要在工件中考虑不同的微观结构，则称之为“定制回火”(tailored tempering)，即设置至少一个具有硬质微观结构的区域和至少一个具有比该硬质微观结构更易延展的软质微观结构的区域。另外一个步骤包括将该至少部分加热的工件放入到包括至少一个冲头和至少一个底模的热成型和/或模压淬火工具中。工具的至少一侧形成为主要是凹形的，优选是底模，并且工具的至少一侧形成为主要是凸形的，优选是冲头。通过冲头和/或底模相对于彼此的相对运动来进行的工具关闭以及工件的热成型和/或模压淬火包括另一步骤，其中在闭合的工具中将该已加热工件的至少一个区域如此冷却，使得至少部分地形成淬火组织结构。将工件完全或至少部分淬火，其通过在热成型和模压淬火(直接热成型)过程中或在模压淬火(间接热成型)过程中，在尤其主动冷却的工具中的快速冷却来完成，其中该工件至少部分奥氏体化的区域的组织结构通过骤冷而转变为马氏体和/或贝氏体结构，其中特别优选得到马氏体组织结构。

发明人已经惊奇地发现，通过降低位于在构件生产期间主要承载压力和/或拉力的一侧上、尤其位于工具基本形成为凹形的一侧上的工件第一表面的含锌镀层的涂覆厚度，该第一表面优选与工具的底模相接触，相对于实践中常用的涂层厚度可将关键区域内的裂纹或准确地说裂纹深度降低到一定程度，使其满足在发生碰撞时对构件强度的要求和尤其是在循环载荷下对预期寿命的要求。由于上述现象，裂纹的产生不能完全避免。涂覆厚度的降低也会减少锌的供应，因此在加热过程中，材料中产生较少的会削弱材料的液态锌相。

根据符合本发明方法的第一设计方式，在准备工件之前将该工件从带状钢材上分离，该带状钢材设置有电解涂覆或热浸镀涂覆的含锌镀层，该镀层尤其是在连续镀层工艺中施加的。一方面，连续镀层工艺是经济的，另一方面，所需的涂覆厚度可以有针对性地调整。如何在带状钢材的表面上施加不同的涂覆厚度(差别镀层)是本领域已知的。

优选地，在施加含锌镀层之后，在尤其200℃至A_c1之间的，优选350℃至A_c1之间的温度下，以及5至300秒之间，优选20至240秒之间的持续时间下，对该带状钢材进行热处理。通过在热成型和/或模压淬火之前额外地进行热处理(镀层退火)，有目的地使涂层中富集有铁，这提高了含锌镀层的熔点并减少了奥氏体化过程中液态锌相在材料中的形成。热处理优选连续进行，优选在镀层工艺之后在线进行。替代地，热处理可以在卷绕成一卷(卷材)的带状钢材上进行，将该卷材例如在罩式炉中退火，其中，该热处理时间可以为几分钟至几小时并且温度范围在上述数量级之内。

根据符合本发明方法的一个优选设计方案，使用具有分别在还未模压淬火状态(交货状态)中含锌镀层涂覆厚度＜4μm，尤其＜3.5μm，特别优选＜3μm的第一表面和含锌镀层涂覆厚度≥4μm，尤其≥4.5μm，特别优选≥5μm的第二表面的工件。当工件第一表面上的涂覆厚度＜4μm时，特别是在关键区域中基本可以看到裂纹或裂纹深度的减少。为了确保足够的阴极防腐蚀保护，第一表面上的涂覆厚度应该≥1μm，尤其≥5μm，特别优选≥2μm。第二表面上的涂覆厚度≤25μm，尤其≤20μm，特别优选为15μm，以保持涂层中低的铁富集的扩散路径。

根据符合本发明方法的另一个设计方案，在加热之后，将基本上平整工件形式的工件放入热成型和模压淬火工具中(直接热成型)，或者将作为已冷预成型、近终形工件形式的工件放入模压淬火工具中(间接热成型)。间接热成型提供的优点是，材料中不存在液态锌相，并且通过冷成型/预成型至近终形的工件，冷成形期间，特别是在关键区域中，几乎没有任何由于材料应力而产生的裂纹或明显的裂纹到基体材料中的扩散。在奥氏体化之后，在模压淬火工具中进行淬火和校准，该校准可包括低的成型度。缺点是需要额外的方法步骤，即预成型工件，因此还需要额外的设备投资。特别优选的是使用直接热成型。工件指的是平整钢板或还未淬火的冷预成型钢构件。

根据符合本发明方法的替代性设计方案，将工件在第一工具中热成型并且在第二工具中至少部分地模压淬火。通过将“热成型”和“模压淬火”过程分配至两个工具中可以以有利的方式增加周期时间并且由此经济性增加。然而，通过分为两部分的过程必须确保，将已经热成形的工件放入模压淬火工具时的温度不低于Ms温度(马氏体起始温度，Martensit-Start-Temperatur)。放入时的温度优选至少为Ms+20K，尤其是Ms+50K。

根据符合本发明方法的另一设计方案，将工件在热成型和/或模压淬火工具中进行修剪。这具有以下优点,即当温度还没有下降到Ms温度以下时，可相对容易地修剪仍然处于热的状态下的工件。由此可以省去额外的机械切割工具，其由于成品工件(构件)中的高硬度而容易磨损并且具有短的使用寿命,或省去替代性的分离装置，例如昂贵的激光硬修剪装置。

根据符合本发明方法的另一个设计方案，使用是拼接产品的工件。拼接产品理解为是指本领域已知的拼接板或拼焊板，拼接带或拼焊带以及拼接卷板或拼接卷带。利用具有不同板材厚度的拼接板和拼接带以及拼接卷板，与具有统一材料厚度的工件相比，可以额外地节省质量。在拼接板和拼接带中,除了不同的板厚外还可以使用不同的钢材，以考虑到工件中不同的微观结构，这些微观结构不是通过已经提到的“定制回火”来调整得到的，也就是说将在淬火后具有淬火组织结构的可调质的钢材料与至少一个在淬火后基本保持其柔软组织结构的不可调质、不可淬火的钢材料沿着其相应的接合边缘优选通过激光在对接中焊接在一起。对于AlSi镀层来说绝对必要的接合区昂贵的镀层去除在含锌镀层中可以省去。

可调质钢材是在硬化状态下抗拉强度为1500MPa以上的锰硼钢。其重量％为单位的合金组分优选限制如下：

C≤0.5

Si≤0.7

Mn≤2.5

S≤0.01

Al≥0.015

Ti≤0.05

Cr+Mo≤1.0

B≤0.05

其余为铁和不可避免的杂质。

根据符合本发明方法的另一个设计方案，制造具有至少部分帽形或Ω形轮廓横截面的构件。所制造的构件尤其具有半壳的形状。半壳是在安装状态下优选为A柱，B柱，C柱，D柱，门槛，纵梁，横梁，碰撞盒或底盘组件的部分的构件。

根据本发明的第二方面，给出一种具有至少部分帽形或Ω形轮廓横截面的车辆构件，该车辆构件至少部分地进行模压淬火，其尤其通过根据本发明的方法制造，其中所述构件具有第一表面，所述第一表面具有与该组件的第二表面相比更低的含锌镀层涂覆厚度。为避免重复，在此请参考前述内容。

根据符合本发明构件的第一个设计方案，该构件由拼接产品形成，以尤其能够影响重量。如果构件具有不同的组织结构，那么其可以通过“定制回火”过程替代地或累积地生产。

根据第三方面，本发明涉及根据本发明的构件作为车辆的车身构件，特别是作为A柱，B柱，C柱，D柱，门槛，纵梁，横梁，碰撞盒的一部分或作为车辆的底盘构件，尤其是作为底盘组件的部分，特别优选在轿车，商用车辆，载重汽车，专用车辆，巴士，公共汽车，内燃机驱动和/或电动，以及在有轨道辆，例如有轨电车或载客车厢中的应用。

附图说明

下面根据示出了实施例的附图进一步阐述本发明。相同的构件设有相同的参考标记。附图中：

图1示出了根据符合本发明的方法的第一设计方案生产用于车辆的构件的步骤的示意性顺序，

图2示出根据本发明的构件的第一实施例的部分横截面视图，

图3a)，b)示出了图2所示的经热成型和模压淬火的构件的关键区域的横截磨片，其中未模压淬火状态(交货状态)下的涂覆厚度为5μm和3μm。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的方法的第一设计方案生产用于车辆的构件的步骤的顺序(E)。本发明方法包括首先提供由可调质钢材制成的工件的步骤(A)，所述工件在两侧设有含锌镀层。该工件具有分别在还未模压淬火状态(交货状态)中，含锌镀层涂覆厚度＜4μm，尤其＜3.5μm，特别优选＜3μm的第一表面和含锌镀层涂覆厚度≥4μm，尤其≥4.5μm，特别优选≥5μm的第二表面。

这里未示出，将工件在其制造之前从带状钢材上分离，所述带状钢材具有电解涂覆或热浸镀涂覆的含锌镀层，其尤其以连续涂覆工艺施加。可调质的钢材基本上是锰硼钢。另外的步骤(B)包括将工件至少部分加热，优选完全加热至A_c1以上，特别是A_c3以上的温度。首先将工件部分或完全加热到奥氏体化温度，其中，取决于要制造的构件的要求以及其在车辆中的使用目的，可以在工件中调整得到不同的组织结构或均匀一致的组织结构。这可以通过适当的炉子完成。使用具有均匀材料厚度的整块钢材，例如材料厚度为0.5至6mm，特别是0.8至4mm，或者拼接产品作为工件。

优选在炉(连续炉)中加热(完全加热)的温度例如为850-930℃，停留时间为例如3-12分钟。在加热之后，将至少部分，优选完全加热的工件放置在包括至少一个冲头和至少一个底模的热成型和/或模压淬火工具中(步骤C)。必须确保的是，将与工件的第二表面相比具有含锌镀层较小层厚的第一表面的工件如此放置在热成型和/或模压淬火工具中，使得工件的第一表面与工具主要形成为凹形的一侧，优选与工具底模相接触，并且该工件的第二表面与工具主要形成为凸形的一侧，优选与工具的冲头相接触。例如，这可以利用这里没有示出的合适的装置，例如测量系统，如热成像相机等进行检查，即已经在炉子的进料区和/或在炉子的输出处和/或在放入工具中之前进行检查，以避免不正确的放入。通过减小工件优选与工具的底模相接触的第一表面3上的含锌镀层的涂覆厚度，相对于实践中常用的涂层厚度可将关键区域1内的裂纹或准确地说过高的裂纹深度降低到一定程度，使其满足在发生碰撞时对构件强度的要求和尤其是在循环载荷下对预期寿命的要求。通过涂覆厚度的降低也会减少锌的供应，因此在加热过程中，材料中产生较少的会削弱材料的液态锌相。

通过冲头和/或冲模相对于彼此的相对运动来进行的工具关闭以及工件的热成型和/或模压淬火包括另一步骤(D)，其中在闭合的工具中将该已加热工件的至少一个区域如此冷却，使得至少部分地形成淬火组织结构。将工件完全或至少部分淬火，其通过在热成型和模压淬火(直接热成型)过程中或在模压淬火(间接热成型)过程中，在尤其主动冷却的工具中的快速冷却来完成，其中该工件至少部分奥氏体化的区域的组织结构通过骤冷而转变为马氏体和/或贝氏体结构，其中特别优选得到马氏体组织结构。如果在工件中需要不同的组织结构，那么可以通过“定制回火”工艺或者替代性地通过使用例如由至少一种可调质钢制材料和至少一种不可调质钢制材料组成的拼接板，来调整得到至少一个具有坚硬的组织结构的区域和至少一个具有比该坚硬的结构更柔韧的柔软的组织结构的区域。直接热成型是特别优选的。

由具有不同镀层的工件，通过间接和优选直接热成型生产出局部具有帽形或Ω形轮廓截面5的构件。所制造的构件尤其具有半壳的形状。半壳是在安装状态下优选为A柱，B柱，C柱，D柱，门槛，纵梁，横梁，碰撞盒或底盘组件的部分的构件。这里未示出，热成型构件还可以具有其他轮廓横截面，其例如用作附件，特别是作为轮辋的一部分，优选作为轮辋的轮盘。图2示出了根据本发明的、例如B柱形式的构件的第一实施例的局部截面图。在这种情况下，示出了沿着构件轴线F的横截面，其中构件可以至少在该横截面中关于轴线F对称地构造。B柱具有纵向变化的沿其构件轴线的横截面。

尤其是在优选的直接热成型中，工件在热成型和模压淬火过程中与底模接触的第一表面3经受高的压缩-拉伸应力，由此，在关键区域(1)中由于加热所限定产生的会削弱材料的液态锌相而形成具有大的裂纹深度的裂纹，这些裂纹延伸至基体材料中。工件在热成型和模压淬火过程中与冲头接触的第二表面4经历比第一表面更低的压缩-拉伸应力，由此不存在在面向冲头的一侧上形成过深裂纹的危险。这样的构件或确切地说半壳件优选地可与其他构件或半壳件接合为具有空腔的型材。由此，具有(在交货状态下)减小的含锌镀层涂覆厚度的构件第一表面3由构件所限制而呈现出位于外部的一侧。与第一表面3相比具有较高的含锌镀层涂覆厚度的第二表面4因此由构件所限制而呈现出位于内部、处于空腔中的一侧。

尤其是在空腔中，腐蚀性介质进入时可能会增加腐蚀风险。通常在这些区域中采取辅助措施，例如用蜡对空腔进行密封。根据本发明，利用第二表面4上相应(较高)的含锌镀层的涂覆厚度，可以提供有效的长期防腐蚀保护。

为了研究裂纹形成，从经热成型和模压淬火的构件5的关键区域1取两个样品以便能够制做磨片照片，其中镀层7在退火处理和随后的热成型和模压淬火后而富含铁。炉温为880℃，停留时间为6分钟。模压淬火的构件由锰硼钢(22MnB5)制成，该锰硼钢具有至少在第一表面3上电解施加的含锌镀层，并且在模压淬火之前在交货状态下具有3μm(图3a)和5μm(图3b)的涂覆厚度。在富铁镀层中，在磨边照片中可以看出，当含锌涂层的涂层厚度(交货状态下)≥4μm时，存在延伸到基体材料2中的、具有高裂纹深度6'的裂纹。基体材料中的裂纹深度6’≥10μm(图3b)，由此在发生碰撞时的构件强度和尤其是在循环载荷下的预期寿命不再能够保证。在含锌涂层的低涂层厚度＜4μm(交货状态下)时，裂纹形成表现不同。基体材料2中的裂缝深度6可以减小到最大10μm，由此在发生碰撞时足够的构件强度以及尤其在循环负载下的预期寿命可以得到保证。为了确保足够的阴极防腐蚀保护，在尚未模压淬火的状态(交货状态)下，第一表面3上的涂覆厚度≥1μm，尤其≥1.5μm，特别优选≥2μm。第二表面4上的涂覆厚度限制在≤25μm，尤其≤20μm，特别优选限制在15μm。

附图标记说明

A，B，C，D 步骤顺序，方法步骤

E 流程方向

F 构件轴线

1 关键区域

2 可调质的钢材，基体材料

3 钢材的第一表面

4 钢材的第二表面

5 经模压淬火的构件

6、6’ 裂纹深度

7 退火处理及随后的热成型和模压淬火之后的镀层

Claims (12)

1.用于制造车辆构件(5)的方法，包括以下步骤：

(A)准备由可调质的钢材(2)制成的工件，该工件在两面上设有含锌涂层，

(B)将工件至少部分加热至Ac1以上的温度，

(C)将至少部分加热的工件放入热成型和/或模压淬火工具中，该工具包括至少一个冲头和至少一个底模，

(D)通过冲头和/或底模相对于彼此的相对运动来关闭该工具并且将该工件进行热成型和/或模压淬火，其中在封闭的工具中将加热的工件的至少一个区域如此冷却，使得至少部分地形成淬火组织结构，

其特征在于，

所述工件具有第一表面(3)，所述第一表面与所述工件的第二表面(4)相比具有较小的含锌镀层层厚，其中将所述工件如此放置在热成型和/或模压淬火工具中，使得所述工件的第一表面(3)定位在构件生产期间主要负载压力和/或张力的一侧上，尤其是工具主要形成为凹陷的一侧上。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

在准备工件之前将所述工件从带状钢材上分离，所述带状钢材设置有电解涂覆或热浸镀涂覆的含锌镀层。

3.根据权利要求2所述的方法，

其特征在于，

在施加含锌镀层之后，在尤其200℃至A_c1之间的，优选350℃至A_c1之间的温度下，以及5至300秒之间，优选20至240秒之间的持续时间下，对该带状钢材进行热处理。

4.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，

其特征在于，

使用具有分别在还未模压淬火状态中含锌镀层涂覆厚度＜4μm，尤其＜3.5μm，特别优选＜3μm的第一表面(3)和含锌镀层涂覆厚度≥4μm，尤其≥4.5μm，特别优选≥5μm的第二表面(4)的工件。

5.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，

其特征在于，

在加热之后，将基本上平整工件形式的工件放入热成型和模压淬火工具中，或者将作为已冷却的、预成型的、近终形工件形式的工件放入模压淬火工具中。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，

其特征在于，

将所述工件在第一工具中热成型并且在第二工具中至少部分地模压淬火。

7.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，

其特征在于，

将所述工件在热成型和/或模压淬火工具中进行修剪。

8.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，

其特征在于，

使用的工件是拼接产品。

9.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，

其特征在于，

制造具有至少部分帽形或Ω形轮廓横截面的构件(5)，尤其以半壳的形式，优选作为A柱，B柱，C柱，D柱，门槛，纵梁，横梁，碰撞盒或底盘组件的部分的构件。

10.具有至少部分帽形或Ω形轮廓横截面的车辆构件(5)，所述构件至少部分地进行模压淬火，其尤其通过根据权利要求1至9中任意一项所述的方法制造，其中所述构件具有第一表面(3)，所述第一表面具有与该构件(5)的第二表面(4)相比更低的含锌镀层涂覆厚度。

11.根据权利要求10所述的构件，

其特征在于，

所述构件(5)由拼接产品形成。

12.根据权利要求10或11所述的构件(5)作为车辆的车身构件，特别是作为A柱，B柱，C柱，D柱，门槛，纵梁，横梁，碰撞盒的一部分或作为车辆的底盘构件，尤其是作为底盘组件的部分的应用。