钢材料及其制造方法与流程

1.本技术涉及一种钢材料及其制造方法。


背景技术：

2.众所周知，特别是在汽车车身中，结构部件，特别是构成乘客舱的结构部件或承重部件是由高强度的钢种制成的。使用高强度钢等级和由钢制成的高强度部件的好处是，由于强度很高，这些部件可以以相对较低的壁厚生产，因此，这反过来又降低了车辆重量，从而降低了燃料消耗。
3.自20世纪80年代中期以来，在车体结构中，人们一直在努力通过部件的硬化来实现这一目标。
4.为了生产这种高强度的钢部件，现有技术中有两种方法得到普遍的认可，即压制硬化和成型硬化，这是两种方法是由申请人开发的。
5.这两种方法都面临共同的事实，即用高于临界硬化速度的淬火来影响所产生的钢结构，使钢变得非常硬。
6.在压制硬化中，由适当的可硬化钢制成的板条被加热到足够高的温度，使钢结构部分或完全转变为奥氏体。这种转变通常发生在奥氏体转变温度ac3以上。这个ac3温度取决于钢材料及其合金状态，通常在720至920℃之间。
7.以这种方式加热的钢条被转移到成型工具中；其保持奥氏体状态，并且，在这个成型工具中，通过单成型行程或几个成型行程被形成所需部件的形状。在这种情况下，成型工具足够冷，在成型过程中与奥氏体板条接触，然后与成型产生的部件接触，使钢的热量迅速耗散到成型工具中，以至于超过了临界硬化速度。结果，钢的结构从奥氏体结构转变为主要或完全的马氏体结构。
8.这种马氏体转变要求钢中含有一定量的碳；简单地说，碳含量越高，硬化效果就越大。硬化效果的基础是，同样非常简单，奥氏体晶格比产生的马氏体晶格能更好地溶解碳，因此在马氏体晶格中会出现晶格应变或碳化物析出，从而导致晶格变形，造成了高硬度。
9.生产这类硬化部件的另一种方法是上文已经提到的成型硬化。在这种情况下，对钢的物理要求和冶金要求与压制硬化基本相同。但在成型硬化中，特别是使用传统的成型方法时，部件首先被冷成型。钢的传统成型方法是深拉，通常通过五级压制线来完成的。这种情况下，部件通过五次压制形成最终部件。与压制硬化的方法相比，多个压制冲程基本上可以实现更复杂的构件。后者只提供一个压制冲程用于成型和硬化，因为在第一个成型冲程之后，构件已经硬化到一定程度，就所有实际目的而言，它不能再继续成型。
10.在成型硬化中，最终形成的部件被充分加热以使钢达到奥氏体状态，并在奥氏体状态下被转移到成型硬化工具上。成型硬化工具的尺寸比成品部件的理想几何形状大0.2％。如果在成型硬化过程中，在冷成型后，部件在所有三个空间方向上都具有尺寸，并且由于热膨胀，在加热后，最重要的是，插入成型硬化工具时，在所有三个空间方向上，它与所需部件的尺寸正好，特别的，正是成型硬化工具预先确定的尺寸，这将特别有利。因此，加热
后的部件完全适配成型硬化工具，成型硬化工具从各个侧面关闭并夹住被插入的加热后的部件。成型硬化工具也是冷的，这样热量就会从钢中散发到工具中，同样，其速度也高于临界硬化速度。
11.因此，在成型硬化中也是如此，奥氏体结构随后被转化为马氏体结构，其硬化效果已在上文描述过。
12.压制硬化法也被称为直接法，因为硬化和成型是直接进行的，即在同一时间进行。成型硬化过程也被称为间接法，因为硬化不涉及进行任何进一步的成型，或者在任何情况下，只涉及轻微的成型或校准程序。
13.临界硬化速度通常在每秒20到25开尔文之间，而工具通常会显著超过这一临界硬化速度。为了确保超过临界硬化速度，工具可以以通常的方式冷却，例如可以进行液体冷却。
14.上述方法可以生产出抗拉强度rm大于1600兆帕，特别是大于1800兆帕，甚至高达2000兆帕的部件。
15.在这种情况下，根据制造商的不同，这些材料有不同的名称。但总的来说，现有技术中，例如phs1500是，用于在压制硬化或成型硬化中能达到1500兆帕的抗拉强度的等级，或phs2000，用于能达到2000兆帕及以上的抗拉强度的等级。
16.长期以来，人们也知道为这类部件提供金属防腐蚀涂层。基本上，为了满足两个基本要求，需要金属防腐蚀涂层。一个要求是，金属防腐蚀涂层必须防止加热过程中材料出现表面氧化和结垢。第二个更重要的效果是，带有相应金属涂层的压制硬化或成型硬化部件更适合车辆，尤其是汽车的整体防腐概念。起初，只使用铝基金属防腐蚀涂层，因为人们认为只有这些涂层才能承受加热到硬化温度的高温过程。后来也通过特殊的化学选择，也可以使用锌基金属防腐蚀涂层，它可以比铝涂层的板材更好地集成到完全镀锌的车身中，后者铝涂层的板材可能(但不一定)会导致接触腐蚀。
17.在所使用的材料中，金属防腐蚀涂层通常用缩写来标识。缩写as通常代表铝硅层。缩写z代表锌层或通过热浸生产的锌基层。缩写zf代表锌层，在热浸涂层工艺之后，通过一个随后的热处理步骤，与底层钢板发生了扩散诱导合金化，即所谓的镀锌层。其特征是，通常有高达15％，优选8％到14％的铁扩散到锌层。ze代表采用电解方法的锌基镀层。
18.这个缩写后面还习惯上跟一个数字，表示涂层重量，单位为g/m2。因此，z140涂层意味着它是通过热浸的锌涂层，在钢带的两面，总共有140g/m2的涂层。换句话说，在z140中，钢带的每一面都有70g/m2的锌。
19.在现有技术中，使用所谓的硼锰钢形式的钢材料，即用硼和锰合金化的钢。这些钢中最广泛用于此目的的一个例子是22mnb5。在这种情况下，数字22表示碳含量，即0.22％碳。
20.但其他等级也是已知的，特别是为了达到非常高的强度。特别是，这里应该提到34mnb5。在这种情况下，由于上面已经提到的原因，碳含量更高，即0.34％。除了34mnb5之外，还可以使用更高的硼合金化变体，如34mnb7或34mnb8。
21.在现有技术中，事实证明，碳含量较高的材料特别适合在压制硬化或成型硬化后形成大于2000兆帕的拉伸强度。
22.高强度的钢种，即可以达到大于2000兆帕的抗拉强度的钢种，目前是以无涂层的
形式或提供铝硅涂层的形式加工的。这些高强度的钢种在奥氏体化的加热过程中经常会出现吸氢的问题，但并非总是如此。因此，当使用这些材料，特别是高碳材料时，要特别调整熔炉的大气层，特别是要在非常低的露点下进行加工。


技术实现要素：

23.本技术的目的是创造一种钢材料，特别是能以更简单和改进的方式生产出抗拉强度大于2000兆帕的极高强度钢材料。
24.该目标是用具有权利要求1特征的钢材料实现的。
25.有利的修改在从属权利要求中公开。
26.根据本技术的钢材料是一种可以通过淬火硬化的钢材料，它由高碳含量的硼-锰钢组成。
27.优选的，钢材料是含有0.30％以上碳的材料，特别是34mnb5型钢。
28.根据本技术的钢材料组成如下，所有的数值都以质量百分比表示：碳(c)0.30-0.60锰(mn)0.5-3.0铝(al)0.01-0.30硅(si)0.01-0.5铬(cr)0.01-1.0钛(ti)0.01-0.08铌(nb)0.001-0.06氮(n)《0.02硼(b)0.002-0.02磷(p)《0.015硫(s)《0.01钼(mo)《1残余铁和不可避免的冶炼相关杂质。
29.特别优选的，钢材料组成可以如下，所有的数值都以质量百分比表示：碳(c)0.32-0.38锰(mn)0.8-1.5铝(al)0.025-0.20硅(si)0.01-0.5铬(cr)0.01-0.25钛(ti)0.025-0.08铌(nb)0.001-0.06氮(n)《0.006硼(b)0.002-0.008磷(p)《0.012硫(s)《0.002钼(mo)《1
残余铁和不可避免的冶炼相关杂质。
30.如果满足以下条件，钢材料可以尤其完美：(al
–
0.02)/(15.4*n)+ti/(3.25*n)+nb/(13.3*n)》＝1
31.在这种情况下，铝、钛和铌相对于氮的比例被精确调整，以便尽可能有效地激活硼作为钢材料中的硬化元素，并能够获得相应的高拉伸强度值。
32.与镀锌可硬化钢的通常做法相反，也与专家们的普遍看法相反，根据本技术，该材料上有一层薄锌合金涂层。然而，根据本技术，锌合金镀层极薄，在每个带材面上的厚度《7μm，最好是在每个带材面上的厚度《6μm。例如，这就相当于zf80涂层(每个带材面上大约35g/m2的锌)。
33.与专家的普遍看法相反，由于阴极腐蚀保护不是重点，因此没有应用厚锌层。
34.根据本技术，已经发现，即使是这么薄的锌合金层，也能使整个钢带表面在炉内的加热行为均匀化。在没有涂层的钢板中，由于油的分布不均匀，加热行为会在不同区域有很大差异。此外，由于与制造相关的不规则性，氧化层的附着力会因不同区域而异，因此，清洁和调节过程的效果，特别是无气喷砂清洁，在不同的区域会有不同的效果。此外，与无涂层的超高强度钢板相比，尽管锌层很薄，但由于可以在没有保护气体的情况下进行生产，特别是可以有利地使用现有系统，因此加工的价格更加合理。令人惊讶的是，成型性显著提升，工具磨损也大大降低。另外，与涂有铝硅层的板材相比，加工的价格更加合理。令人惊讶的是，与涂有铝硅层的板材相比，加热发生的速度更快，因此，熔炉的最小停留时间大大减少。这是由于从一开始发射率就明显提高，并且不需要层的完完整反应，可以更迅速地进行。
35.因此，涂层重量小于50g/m2，特别是小于45g/m2，尤其是小于40g/m2，可以有利地减少摩擦，从而减少磨损。另一方面，涂层重量可以大于20g/m2，特别是大于25g/m2，尤其是最好大于30g/m2，以便进一步均匀加热行为，对氧化层的形成产生更积极的影响。
36.与铝硅涂层钢相比，好处在于，由于炉内不需要露点控制或干空气喷射，因此明显不会出现氢气问题。在测试中，可以确定在熔炉过程之后，即奥氏体化之后，氢气负荷明显降低。可见的另一个有益效果是，尽管这种材料以前很不适合用于粘合，但根据本技术的材料可以很容易地用于这种粘合。与极薄的锌层一起提供的材料非常适合粘合。即使在很低的测试温度下，这种粘合也不会出现任何局部分层现象。此外，与没有涂层的板材和没有经过后处理的板材相比，以及与铝硅涂层的板材相比，这种板材更适合焊接。与厚锌涂层相比，也可以确定这里的加热速率也更高。锌涂层非常薄，不会出现由于奥氏体与液态锌相接触而产生的脆性，即所谓的液态金属脆性(lme)。
37.令人惊讶的是，在直接成型(即压制硬化)中，尽管锌层很薄，但工具中的摩擦系数(尽管锌层很薄)与明显较厚的锌层(如z140或z200)一样好。在间接法中，即在成型硬化中，也可以观察到，与铝硅不同，也具有非常好的成型性，没有分层；此外，在这里，氢气负荷也明显低于无涂层的材料或铝硅材料。
具体实施方式
38.本技术因此涉及一种用于制造高强度或极高强度部件的钢材料，其抗拉强度rm》1600兆帕，特别是》1800兆帕，尤其是》2000兆帕，其中该钢材料为硼锰钢，其碳含量》0.30质量％，其中钢材料被热轧或热轧和冷轧成厚度为0.5至3毫米的钢带，其中在钢带的每个带
材面上有一层锌或锌基合金的薄涂层，涂层重量《50g/m2。
39.本技术还涉及一种钢材料，其中该钢材料具有以下合金成分(所有数值以质量百分比表示)：碳(c)0.30-0.60锰(mn)0.5-3.0铝(al)0.01-0.30硅(si)0.01-0.5铬(cr)0.01-1.0钛(ti)0.01-0.08铌(nb)0.001-0.06氮(n)《0.02硼(b)0.002-0.02磷(p)《0.015硫(s)《0.010钼(mo)《1残余铁和冶炼相关的杂质。
40.在一个优选的实施例中，该钢材料具有以下合金成分(所有数值以质量百分比表示)：碳(c)0.32-0.38锰(mn)0.8-1.5铝(al)0.025-0.20硅(si)0.01-0.5铬(cr)0.01-0.25钛(ti)0.025-0.08铌(nb)0.001-0.06氮(n)《0.006硼(b)0.002-0.008磷(p)《0.012硫(s)《0.002钼(mo)《1残余铁和冶炼相关的杂质。
41.在一个优选的实施例中，钢材料满足以下条件(以质量百分比计算)(al
–
0.02)/(15.4*n)+ti/(3.25*n)+nb/(13.3*n)》＝1
42.在另一个实施例中，在钢带的每个带材面的涂层重量为《45g/m2，特别是《40g/m2，特别优选《30g/m2。
43.在一个实施例中，涂层由锌或锌基合金组成，或者是通过温度处理在钢带上转变为锌铁层的涂层。
44.本技术还涉及一种制造钢材料的方法，其中，碳含量》0.3质量％的硼锰钢的熔体被熔化，然后被浇铸，其中，所得的板锭被热轧或热轧和冷轧，以获得厚度为0.5至3毫米的
钢带，其中，通过镀锌方法，所得的钢带被涂上锌或锌基合金的涂层，其中，涂层在每个钢带侧的重量《50g/m2。
45.在一个实施例中，在镀锌之后进行热处理，将锌层转化为锌-铁层，铁的比例为8-18质量％，优选为为10-15质量％。
46.在一个优选的实施方案中，锌层是通过热浸镀(热浸镀锌)、电解镀锌或pvd方法沉积的。
47.在一个优选的实施方案中，除了锌之外，涂层还可以包含其他元素，如铝、镁、镍、铬、锡、铁或它们的混合物，它们一起被分解。这些元素的总和可以小于25质量％，优选的小于15质量％，更优选的小于5质量％。这意味着涂层中至少含有75质量％的锌。
48.本技术还涉及一种制造部件的方法，特别是由钢材料制成的硬化部件，其中根据本技术，上述钢材料之一是压制硬化或成型硬化。
49.在一个实施例中，出于奥氏体化的目的，钢材料被加热到700-950℃之间的温度，任选的保持在该温度下，直到达到所需的奥氏体化程度，然后进行硬化，其中材料要么在加热前完全成型，要么在加热后成型。
50.下面将根据附图对本技术进行解释，附图中唯一的数字显示了各种对比材料的不同特性的比较。
51.在这个图中，数字1到4分别代表抗拉强度约为1500兆帕和不同涂层类型的相应材料。在这种情况下，alsi代表由铝硅制成的已知涂层，也被称为usibor。"无涂层"是指裸材料。所使用的压制硬化方法也在括号中表示；"ind"代表间接工艺，"dir"代表直接热成型工艺。缩写"pc"代表一种已知的预冷方法，在成型之前，钢板被冷却到400℃至650℃的温度。
52.数字5至8显示了抗拉强度约为2000兆帕且有不同的涂层类型的相应材料。
53.实施例1至8都不是根据本技术，而是来自现有技术的已知材料。
54.在描述旁边的列中，列出并根据其适用性评估各个机械值。这里，"-"表示适用性差，"0"表示适用性一般，"+"表示适用性好，"++"表示适用性突出。条目"na"代表不适用的值，例如，摩擦值不适用于间接工艺。
55.根据本技术的钢材料是由高碳或更高碳的含硼锰钢组成的钢材料，特别是碳含量超过0.30质量％的钢，尤其是34mnb5。根据本技术的实施例在图1中标有编号9和编号10。
56.该材料已经按照34mnb8的常规分析熔化，并采用连铸铸造，然后进行了热轧，如果需要，还可以选择冷轧。
57.作为钢带或板材状的钢材料，其厚度为0.5至3毫米，从其上切割下来的板条也是如此。
58.为了进一步加工，热轧或任选的热轧和冷轧钢材料设有锌涂层或锌基合金或锌铁层的涂层。
59.镀锌选择包括电解镀锌，pvd方法镀锌，或热浸镀锌。
60.在所有这三种情况下，锌层在钢带的两面都被设定为≤7微米，优选的≤6微米。
61.如果需要的话，钢带上的锌层(z/fvz)可以通过加热到400-600℃之间的温度转变为锌-铁层(zf)。
62.为了进一步加工成部件，从这种薄板钢带中切割出片段
‑‑
所谓的板条。对于使用压制硬化方法的加工，即在直接法中，板条被转移到一个熔炉里，并被输送到熔炉里，在熔
炉里被加热到奥氏体化温度(ac3)以上，并可选择性地保持在这个温度，直到达到所需的奥氏体化程度，特别是完全奥氏体化。
63.然后，以这种方式奥氏体化的板条被取出并转移到成型工具中，在该工具中，板条以单行程成型，同时淬火，从而通过冷工具硬化。
64.对于间接法，板条经过一步或多步成型，在此过程中，被成型为所需的部件，其中随着每个成型行程，成型程度通常增加，产品在各个成型阶段之间转移。优选的，修整成型的一部分进行。
65.在最后一个成型阶段之后，即当成型完成到所需程度时，即已经生产出成品部件，然后部件被输送到熔炉里，并在熔炉里进行奥氏体化，在达到所需的奥氏体化程度后，被取出并转移到成型硬化工具中。部件通过关闭成型工具被夹紧，结果，完成淬火和硬化。
66.熔炉的合适选择是传统的连续炉，其相应的循环率通常与工艺相适应。
67.以这种方式制造的部件与图1中的其他部件进行了比较。在这种情况下，底部的两种材料是根据本技术的材料，它们具有非常高的强度等级，即抗拉强度rm大于2000兆帕。很明显，与较厚的锌层相比，腐蚀保护确实较低，但腐蚀保护并不是薄锌层的主要目标。主要的是，与涂有铝硅(alsi)或无涂层的高强度钢等级相比，由于不需要保护性气体环境和露点控制，炉内加工窗口更大，所以材料在炉内的问题明显减少。根据本技术的材料，在phs炉中吸收氢气的风险明显低于硅铝涂层的材料，在焊接、切割、磷化、阴极浸涂或可能的腐蚀过程中吸收氢气的风险也明显低于较厚的锌层。令人惊讶的是，该材料的粘合能力明显优于所有其他材料，从某种意义上讲，它特别适用于使用胶合结构的应用。在这种情况下，还提供了引入非常高强度钢种的可能性。
68.因此，本技术的优点是生产出一种钢材料，钢材料在炉中的加热性能得到了改善，可以降低熔炉的停留时间，从而提高循环率。
69.此外，与通常的镀锌材料或具有可比抗拉强度的铝硅涂层材料相比，该材料在奥氏体化过程中和其他加工步骤中都不容易受氢夹杂现象的影响。
70.此外，即使在成型过程中，薄锌层也能够确保与明显较厚的涂层相同的低摩擦系数。

技术特征：
1.一种用于制造高强度和超高强度部件的钢材料，其抗拉强度大于rm大于1600兆帕，特别是大于1800兆帕，尤其是大于2000兆帕，其中，所述钢材料是硼锰钢，所述硼锰钢的碳含量大于0.30质量％，所述钢材料被热轧或热轧和冷轧成厚度为0.5至3毫米的钢带，所述钢带上有锌或锌基合金的薄涂层，其中所述钢带的每个带材面上的涂层重量小于50g/m2。2.根据权利要求1所述的钢材料，其特征在于，所述钢材料具有以下合金成分(所有值均以质量％表示)：碳(c)0.30-0.60锰(mn)0.5-3.0铝(al)0.01-0.30硅(si)0.01-0.5铬(cr)0.01-1.0钛(ti)0.01-0.08铌(nb)0.001-0.06氮(n)＜0.02硼(b)0.002-0.02磷(p)＜0.015硫(s)＜0.010钼(mo)＜1残余铁和冶炼相关的杂质。3.根据权利要求1或2所述的钢材料，其特征在于，所述钢材料具有以下合金成分(所有值均以质量％表示)：碳(c)0.32-0.38锰(mn)0.8-1.5铝(al)0.025-0.20硅(si)0.01-0.5铬(cr)0.01-0.25钛(ti)0.025-0.08铌(nb)0.001-0.06氮(n)＜0.006硼(b)0.002-0.008磷(p)＜0.012硫(s)＜0.002钼(mo)＜1残余铁和冶炼相关的杂质。4.根据前述权利要求之一所述的钢材料，其特征在于，所述钢材料满足以下条件(质量％)：(al
–
0.02)/(15.4＊n)+ti/(3.25＊n)+nb/(13.3＊n)＞＝1。5.根据前述权利要求之一所述的钢材料，其特征在于，在所述钢带的每个带材面上，所述涂层重量＜45g/m2，特别是＜40g/m2。
6.根据前述权利要求之一的所述钢材料，其特征在于，在所述钢带的每个带材面上，涂层重量＞20g/m2，特别是＞30g/m2。7.根据前述权利要求之一的所述钢材料，其特征在于，所述钢带上的锌或锌基合金涂层通过温度处理转变为锌铁层。8.一种根据上述权利要求之一的制造钢材料的方法，其特征在于，所述碳含量＞0.3质量％的硼锰钢的熔体被熔化，然后被浇铸，其中，所得的板锭被热轧或热轧和冷轧，以获得厚度为0.5至3毫米的钢带，其中，通过镀锌方法，所得的所述钢带被涂上锌或锌基合金的涂层。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在镀锌之后进行热处理，将所述锌层转化为锌-铁层，所述铁的比例为8-18质量％，优选为为10-15质量％。10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述锌层通过热浸镀(热浸镀锌)、电解镀锌或pvd方法被沉积。11.根据权利要求7至9任一项所述的方法，其特征在于，所述涂层还包括其他元素，所述其他元素包括铝、镁、镍、铬、锡、铁或其混合物，所述其它元素一起被沉积，其中，所述其它元素的总和小于25质量％，最好小于15质量％，尤其是最好小于5质量％。12.一种制造部件的方法，特别是由钢材料制成的硬化部件，其特征在于，根据权利要求1至6之一的钢材料被压制硬化或成型硬化。13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，出于奥氏体化的目的，所述钢材料被加热到700-950℃之间的温度，保持在该温度下以达到所述的奥氏体化程度，然后进行硬化，其中，所述钢材料在加热前完全成型或者在加热后成型。

技术总结
该方法涉及一种抗拉强度Rm大于1600兆帕，特别是大于1800兆帕，尤其是大于2000兆帕的压制硬化部件，其中该部件由钢材料制造。该钢材料是硼锰钢，其碳含量大于0.30质量％，其中钢材料被热轧或热轧和冷轧成厚度为0.5至3毫米的钢带，钢带上有一层锌或锌基合金的薄涂层，在钢带的每个带材面上的涂层重量小于50g/m2。。


技术研发人员：F
受保护的技术使用者：奥钢联钢铁有限责任公司
技术研发日：2021.11.18
技术公布日：2023/8/1