专利名称：用于加压硬化钢的快速感应加热的预扩散Al-Si涂层的制作方法
用于加压硬化钢的快速感应加热的预扩散Al-Si涂层
本申请要求2011年8月12日提交的美国临时申请61/522887的优先权。
背景技术：
本发明涉及制备预涂覆的加压硬化钢(press-hardened steel)的方法,并更具体地涉及，具有铁基基材的涂层的预扩散(pre-diffusing)或与预合金化(pre-alloying),以使紧接在热压成型之前能快速加热坯体(blank)。用于汽车制造的钢及相关结构材料越来越需要同时具有降低的重量和改善的抗撞性(crash-worthiness)性能。一种生产能够最大化这些迄今是相互冲突的目标的钢材的方法是，使用高强度的加压硬化钢，其中构件的成型和硬化操作在同一步骤中进行。该方法可得到所需的性能，例如提供具有显著增加的强度重量比的结构钢部件。在加压硬化时，钢带、卷(roll)、剪切件(cut pieces)、还料或相关的工件被加热至奥氏体化温度,然后成型为最终(或近最终)形状，同时被冷却成最终马氏体显微组织。用于加压硬化钢的电流加热方法包括使用隧道式(辐射管)炉或立式箱型(电或辐射管)炉。在一种形式中，钢材工件可预涂覆，其中涂层例如铝基的涂层可用于为下面的钢材工件提供保护层。这种涂层的使用使得更简化的生产工艺成为可能，这是因为由于消除了氧化皮(scale)形成，从而不再需要惰性炉气氛和成型后的清理作业。此外，这种涂层改善了下面铁基工件的腐蚀抑制(barrier corrosion)性能。这种涂层的一种具体形式为招硅合金(Al-Si)，当置于铁基基材上并施加高温时，其允许铁从基材扩散到涂层中。不幸的是，在传统的加压硬化中的奥氏体化步骤中采用的缓慢加热速度，需要很大的炉容量和巨大的生产车间面积。此外，快速将钢坯加热至用于加压硬化的相对高温(通常超过880°C)的能力，被认为与低熔点涂层(其中，例如对于纯铝为大约660°C，或对于Al-Si共晶为大约577°C )优选的缓慢加热速度是不相容的，后者用于促进铁扩散进入涂层中作为避免有害的涂层局部融化的方式。同样，大体积汽车生产和相关的高强度重量比构件所需要的加压硬化中的 坯体奥氏体化步骤期间的高加热速度将破坏用于提供对铁基基材的保护的涂层。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了制备可加压硬化钢构件的方法。该方法包括:通过将保护涂层结合至钢基材来形成涂覆的钢坯；在第一条件下加热所述涂覆钢坯以使至少一部分基材中存在的铁扩散进入所述涂层中，此后在第二条件下加热所述涂覆钢坯，所述第二条件经设计以使所述涂覆钢坯升温至奥氏体化温度，以及将所述涂覆钢坯成型为构件，同时在该过程中将其冷却或淬火，形成为硬化构件。在本发明中，第一和第二条件总体上对应于特定的加热参数，和尤其加热速度和温度。这样，有效的加热速度可由加热设备的性质(例如，感应，炉，激光或相关配置)以及控制温度来确定，从而建立适当的结合以避免涂层的熔化和破坏。例如，相应于第二条件的典型较慢加热速度的炉加热方法，可使工件经历至少2-3分钟达到大约900°C的温度，其平均加热速度为大约5°C /s至大约8°C /s(其中从约室温开始的初始加热速度趋于更快，例如为大约20°C /s，这是由于热量所带来的滞后作用)。在本发明中，平均加热速度考虑了可在过渡期期间发生的加热速度的变化；由此，它代表了与特定加热方法相关的标称值，例如基于炉，基于感应等的加热方法。相对而言，本发明相应于第二条件的加热方法包括更高得多的加热速度(例如，在大约50°C /s和优选更高，例如高达大约500°C /s(或更高)之间)，同时输入功率设定将决定奥氏体化的最高温度。优选地，该第二条件的加热方法通过使用基于感应的方法实现。因此在一个优选的实施形式中，第一条件(其优选对应于涂覆钢坯的预扩散)的炉加热方法可使用不同温度和时间，以使涂层充分的预扩散。在另一优选的实施形式中，与第一条件相关的感应加热方法可在一个或多个步骤中使用不同的输入功率设定，以在给定的高加热速度下控制温度来充分预扩散涂层。其他方法例如激光或电阻加热也可使用类似方法来提供充分的涂层预扩散。根据本发明的另一方面，公开了由铁基基材制成的坯体制备可加压硬化钢构件的方法，该铁基基材已经至少部分预扩散进入保护涂层中。该方法包括在一定加热速度下加热坯体，直至坯体达到奥氏体化温度。此后，该坯体成型为构件，同时将其冷却成为硬化构件。值得注意的是，为了达到奥氏体化温度而施加于该坯体的高加热速度是足够大的，使得如果其被施加于尚未预扩散的坯体时，将导致保护涂层的至少部分熔化(例如前述的局部熔化)。与先前的方面相同，作为以优选的、可控的方式向涂覆坯体施加热能的方法，可以调节加热速度和温度中之一或两者。在本发明中，高加热速度是明显高于前述的加热速度。例如，作为加热坯体至奥氏体化温度(其用于随后的加压硬化操作)的方法，该高加热速度可在大约50°C /s-500°C /s之间。尽管本发明人已经验证了加热速度仅高至500°C /s，但能够相信的是，高至700°C /s的速度在本方法中也是可行的；由此，在充分的事先预扩散的情况下，即使更高的加热速度也应认为在本发明的范围内。根据本发明的又一方面，公开了制备可加压硬化钢构件的方法。该方法包括在第一条件下加热包含结合至钢基材的保护涂层的工件，以使至少一部分存在于所述基材中的铁扩散进入所述涂层；在足以使所述 工件升温至奥氏体化温度的第二条件下加热所述工件，该奥氏体化温度对应于这样的加热速度，该加热速度使得源自所述第一条件的所述扩散避免了在所述第二条件过程中对所述保护涂层的熔融-相关的破坏；以及将所述工件成型为所述构件。该方法另外可包括冷却该构件至低于马氏体转变温度的温度，并更具体以超过所述马氏体转变的临界冷却速度的冷却速度冷却。本发明的涉及如下方面:
1、制备可加压硬化钢构件的方法，所述方法包括:
通过将保护涂层结合到钢基材来形成涂覆的钢坯；
在第一条件下加热所述涂覆钢坯以使至少一部分存在于所述基材中的铁扩散进入所述涂层中；
然后在第二条件下加热所述涂覆钢坯，所述第二条件经设计以使所述涂覆钢坯升温至奥氏体化温度；以及
将所述涂覆钢坯成型为所述构件，并基本上同时冷却所述涂覆钢坯。
2、方面I所述的方法，其中所述第二条件对应于高于所述第一条件的温度的温度。
3、方面I所述的方法，其中所述第二条件对应于高于所述第一条件的加热速度的加热速度。
4、方面I所述的方法，其中所述第二条件通过感应加热实现。
5、方面3所述的方法，其中所述第二条件对应于达到大约500°C/s的加热速度。
6、方面I所述的方法，其中所述保护涂层含有铝。
7、方面6所述的方法，其中所述保护涂层为铝硅。
8、方面6所述的方法，其中所述第一条件导致，当所述扩散通过炉加热实施时，所述保护涂层中的温度不超过大约950°C的温度，且加热速度等于或低于20°C /s，或当所述扩散通过感应加热实施时，所述保护涂层中的温度不超过大约577°C的初始温度，且初始加热速度高于大约25°C /s。
9、方面I所述的方法，其中所述奥氏体化温度为至少大约880°C。
10、方面I所述的方法，进一步包括在成型模具中保持所述成型构件，直至对所述构件完成充分冷却。
11、方面10所述的方法，其中冷却是达到低于马氏体转变温度的温度。
12、方面10所述的方法，其中与所述冷却相关的冷却速度超过马氏体转变的临界冷却速度。
13、方面1所述的方法，其中至少一部分在所述第一条件下的所述加热是通过感应加热、电阻加热、激光加热和炉加热。
14、方面I所述的方法，其中所述构件为汽车构件。
15、由已经至少部分预扩散进入保护涂层中的铁基基材构成的坯体制造可加压硬化钢构件的方法，所述方法包括:
在高加热速度下加热所述坯体，直至所述坯体达到奥氏体化温度；
将所述坯体成型为所述构件，并基本上同时将所述坯体由所述奥氏体化温度冷却；以
及
在模具中冷却所述成型构件至少一部分实现马氏体转变所需的时间。
16、方面15所述的方法，其中所述铁基基材包含钢，和所述保护涂层选自铝基涂层或招娃涂层。
17、方面16所述的方法，其中所述高加热速度高于大约50°C/s，且达到大约500°C /s。
18、方面15所述的方法，其中至少部分所述加热是通过感应。
19、制备可加压硬化钢构件的方法，所述方法包括:
在第一条件下加热包含结合至钢基材的保护涂层的工件，以使至少一部分存在于所述基材中的铁扩散进入所述涂层；
在足以使所述工件升温至奥氏体化温度的第二条件下加热所述工件，该奥氏体化温度对应于这样的加热速度，该加热速度使得源自所述第一条件的所述扩散避免了在所述第二条件过程中对所述保护涂层的熔融-相关的破坏；以及将所述工件成型为所述构件。
20、方面19所述的方法，进一步包括将所述构件冷却至低于马氏体转变温度的温度。
当结合附图时，可使下文中，本发明优选实施方式的详细说明得到最好的理解，其中类似结构使用类似附图标记表示，其中:
图1图示了根据本发明一个方面制造的代表性汽车A-柱(pillar)；
图2图示了根据本发明一个方面制造的代表性汽车B-柱；
图3为根据本发明一个方面的示意图，图示了通过炉加热(左边)实现预扩散与通过感应实现奥氏体化加热(右边)相结合的方式；
图4为根据本发明另一方面的示意图，图示了作为获得基于感应器的的预扩散(左边)以及奥氏体化加热(右边)的方式，感应器功率输入与时间的关系；
图5图示了现有技术使用的炉加热Al-Si涂覆的铁基基材坯体的通常方式，其中未使用预扩散；
图6图示了根据本发明一个方面的第一方式，其能够在紧邻热压成形之前高速加热预扩散或预合金化的铁基基材坯体；
图7图示了根据本发明一个方面的第二方式，其能够在紧邻热压成形之前高速加热预扩散或预合金化的铁基基材坯体；
图8图示了根据本发明一个方面的第三方式，其能够在紧邻热压成形之前高速加热预扩散或预合金化的铁基基材坯体；
图9图示了一个根据现有技术的Al-Si涂覆钢工件的实施例，其不能以高速度加热； 图10图示了一个图9涂层的实施例，其在加热之前没有充分的预扩散；
图1lA和IlB图示了图10涂层严 重熔化和起泡(beading)的证据；
图12A、13A和14A图示了本发明的预扩散涂层条件的代表性实施例，其能够随后以高速度加热；
图12B、13B和14B图示了图12A、13A和14A各自随后高速加热后的涂层；以及图12C、13C和14C图示了图12B、13B和14B各自涂层的代表性成分图；以及图15A-15C图示了本发明其他代表性的充分预扩散涂层及随后在高速度下加热的实施例。
具体实施例方式首先参照图1和2，图示了汽车结构构件，例如A-柱10 (图1)和B-柱20 (图2)，它们可由预扩散进入Al-Si保护涂层的钢坯或相关工件制得。所述领域的技术人员应当认识到，通过本发明也可生产大量的其他构件，这些其他构件也应视为在本发明的范围内。如前所述，在加压硬化钢上使用这种涂层相对于未涂覆钢具有许多的优点。除了能够作为屏障涂层提供耐腐蚀益处的额外措施外，还能够省略热压成型后从模具表面和部件上除去氧化皮的随后清理作业。另外，得到的最终部件的尺寸性能可保持在更小的标称公差之内。此夕卜，具有预涂层基材的加压硬化钢逐渐增多的使用结合高速感应加热工艺能够降低新建炉的成本开支；这反过来能够更快速的周转，从而满足加压硬化钢需求上的变化。感应加热坯体也可通过减少燃烧气体的使用或提高电效率(在电炉仍被使用的情况下)提供更低的运行成本。接下来参照图3和4，其图示了根据本发明的两种方法，其中加压硬化钢的加热用于实现钢基材与保护涂层之间的预扩散，以及实现必须的显微组织转变，该显微组织转变之后是随后的在加压硬化以形成部件(例如前述的A-柱10和B-柱20)的过程中的高速加热。这样，这两种方法形成了整个加压硬化作业的一部分(下面将详细论述)。在图3所述的第一种方法100中，炉加热工艺或传统的镀锌层扩散处理(galvannealing)型低功率加热可用于确立所需的工件、坯体等的预扩散步骤110。这之后为部件制造时的更高加热功率的奥氏体化步骤120。在优选实施方式中，该加热通过加热装置实现，而在更特别的实施方式中，该加热装置为基于感应的装置。基于感应的方法特别适合于在钢铁生产设施中以类似于传统镀锌层扩散处理加工的方式在线生产。如所示，可以允许坯体的温度回到介于预扩散步骤110和奥氏体化步骤120之间的较低(例如，环境)温度。这种方法可用于下面的情况:其中在加压硬化之前的一段时期(例如，在生产线外工序(offline process)中)内实施预扩散。在图4所示的第二种方法200中，在坯体加热过程中施加脉冲加热以将低功率脉冲(或具有增加的(increasing)输入功率的多脉冲)传输用于预扩散步骤210 ；随后进行高功率加热用于整个坯体加热和进行奥氏体化步骤220。如清晰示出的，第一步骤210可由多个对应于不同功率输出水平(和伴随的加热速度、温度或两者)的子步骤构成。该子步骤方法可用于控制加热速度和温度作为避免涂层熔化的方法，包括在工件的随后奥氏体化之前返回较低或环境温度的过程。与方法100相同，方法200的高功率部分可使用高效率加热规程，例如感应加热。由于有可能使用相同的感应设备实施第一(预扩散)和第二(奥氏体化)条件，因此没有中间的返回环境(或相对低的温度)条件是可能的，如图3所示。然而即使在在两种条件都使用相同感应设备的配置中，该工艺可选择包括这种返回(未示出)；此外，该返回可在任何步骤过程中，以及在第一和第二条件之间应用。感应加热是通过利用由交变磁场在钢中感应产生的润流和滞后损耗(hysteresislosses)常用于钢材的表面硬化、整体硬化和回火中的技术。感应加热的两个基本机理包括通过焦耳效应产生的能量耗散和伴随磁滞产生的能量损失，其中第一种机理是碳钢加热的主要方式。通常，通过使部件与高频交流电流通过的感应线圈耦合，从而以第一种机理加热钢材。线圈周围产生的电磁场在试样表面层感应产生涡流，导致通过焦耳效应其被加热:
H = I2R
其中H为每单位时间的热量，I为感应电流，R为电阻。工件与感应线圈之间无接触，且施加的热量被限制在与线圈邻近的局部区域。第二种机理涉及在低于它们的居里温度下加热铁磁性钢材。当磁偶极子被交流频率逆转时，诱发分子摩擦，导致一定的滞后量。逆转偶极子所需的能量作为热耗散，随后加热工件。产生的热量因此与逆转的速度(the rate ofreversal)或交流电的频率成比例。当达到居里温度时，该机理将不再起加热工件的作用。通常，第二种机理对感应加热的贡献不如上述焦耳效应的贡献那样多。所述领域的技术人员应当认识到，感应加热可用于多个预扩散步骤110、210以及奥氏体化步骤120和220，分别如图3和4所示。例如预 扩散步骤110可在应用镀锌层扩散处理型工艺处原位引入感应。除感应加热之外，电阻加热、激光加热或传统的炉加热也可用于间歇法(当工件为不连续坯体时)或连续法(当工件为连续卷形式时)，以实现图3和4所需的预扩散步骤110、210。无论使用这些方法的哪种，其共同的特点是预扩散保护涂层(例如Al-Si涂层)，使得在紧邻热压成形之前的奥氏体化步骤120、220可使用高速度加热，而没有破坏涂层的风险。如前所述，对于坯体或工件加热的第二部分，使用高速度加热方法是有益的，并且已经证实感应加热对此特别有用，因为其可利用超过传统已知炉加热的加热速度的加热速度。
接下来参照图5，图示了表示根据现有技术的传统加压硬化方法300的步骤的流程图。其中，首先制成涂覆Al-Si的铁基基材坯体310，然后进行炉加热320至奥氏体化温度。此后进行热压成形330，然后对制得的构件实施修整(trimming) 340和任选的清理350，此后将其发送进行随后的组装360。接下来参照图6-8，图示了显示本发明各种实施方式的步骤的流程图。不同于图5的传统加压硬化方法300，图6-8所示的方法图示出了使用加热(在此也称为“第一加热条件”，或更简单“第一条件”)作为在奥氏体化(在此也称为“第二加热条件”，或更简单“第二条件”)和热成形之前实现铁从基材扩散进入保护涂层的方法。如前所述，通过使部分铁从工件预扩散进入Al-Si (或相关)涂层，涂层的熔点升高，使其能够更适合于奥氏体化加热段或其他第二条件的高加热速度，否则这可能会引起涂层的熔化或相关的破坏。这反过来可用于提高整个加热过程的速度，因此最小化所需的炉容量及相应的生产车间面积。具体参见图6，在一种实施形式中，在线加热工艺100可这样使用，使Al-Si涂层的涂覆(例如，通过热浸，在之后立即进行钢带加热)可以引入在钢铁厂的构件成型作业中。通过实施例，与传统Zn-Fe合金化以制备的镀锌层扩散处理的钢一样，在类似于图3所示的预扩散步骤HO中，钢带在第一条件下连续通过一系列的感应线圈以加热钢带。在一个优选的实施形式中，Al-Si或相关涂层暴露于第一条件的的温度保持低于其熔点以避免严重的熔化、起泡或涂层完整性的缺失。在预扩散步骤110中的在线加热之后，工件成坯115，然后进行奥氏体化步骤120，后一步骤类似于图3所示的奥氏体化步骤。在一个优选实施形式中，后一步骤通过感应加热至在第二条件下足够的温度，以确保坯料奥氏体化。此后，进行热压成型130，然后在送去组装150之前进行修整140。明显地，不再需要单独的清理步骤，这是因为热压成型模具表面残留的氧化皮基本上被消除。具体参照图7，在图4所示的加热方法的基础上，方法200图示出了另外的步骤，其中可在成坯205后进行预扩散步骤210。在这种实施形式中，包含尚未进行预扩散的涂层的工件，可被送入部件制造厂以一种连 续作业方式进行随后的预扩散、奥氏体化和热压成型。在一个优选实施形式中，预扩散210和奥氏体化220步骤利用可控的加热设备，例如利用感应加热的设备，以有效地预扩散涂层，从而防止在后序的奥氏体化220和热压成型230之前发生熔化。在一种具体的实施形式中，奥氏体化在大约880°C或更高的温度下进行。与图6所示的方法100相同，图7的方法200包括(除前述的热压成型230之外)修整240和组装250步骤。具体参照图8，如前所述，可以采用用于弥补方法400的其他加热方式。例如，可使用炉加热，激光加热等(均作为预扩散步骤410示出)，其中(在炉加热实施例中)温度超过600°C (较慢炉加热速度)保持最少10分钟将产生对于后序的高加热速度来说足够的扩散层。在超过800°C的温度下，对于足够预扩散的最小热处理时间为2分钟。因此，其总体而言类似于之前结合图3和6(方法100)讨论的方法100，在方法100中进行了预扩散步骤410。如前所述，避免使用将会使保护涂层经受熔化、起泡或相关的破坏情况的预扩散温度是重要的。然而，所属领域的技术人员应当认识到时间和暴露温度的结合应当这样应用，以使得即使加热参数(例如加热速度或温度)之一超出，它们的共同使用也可避免熔化相关的破坏，并且这种时间和温度的控制应认为在本发明的范围内。接下来参照图9、10、IlA和11B，光学显微图像(LOM)图示了根据现有技术制备的样品工件1000的涂覆钢，其中在后序的热压成型工艺中，使用了具有共晶熔点大约577°C的Al-Si涂层成分。未进行预扩散处理的涂层，不能在高加热速度下加热至通常的奥氏体化温度(例如，大约880°C -950°C )以与热压成型结合用于加压硬化钢应用中。LOM显示，由下向上，为基材层1100和涂层层1200。还示出了安装的环氧树脂(mounting epoxy) 1300,尽管这项最后的特征仅用作用于形成样品的安装表面，而不构成最终样品工件1000的一部分。具体参照图10、11A和11B，图9的预扩散样品工件1000通过700°C炉热处理2分钟获得。此后，在Gleebl濟3500热力学模拟器中以500°c /s加热样品工件1000至950°C并保持10秒，以模拟待用于热压成型工艺中的高速度加热过程(例如感应硬化)。在高速度加热后，使用20psi的压缩空气，以100°C /s-350°c /s的速度将样品工件1000从950°C冷却至400°C。尽管所述领域的技术人员可认识到，在实际热压成型作业中冷却速度更慢(通常大约60°C /s)，但发明人进行的本模拟不用于量化实际冷却速度的效果，而相反是用于确定这种涂层是否可经受加热工艺而不产生明显的熔化相关的破坏。如图1lA中的LOM图像中所示，基于样品工件1000表面上的表面外观和不均匀涂层，表面涂层1200的严重熔化和起泡十分明显；本发明人由此得到结论，这代表了在高速度加热之前缺少足够的预扩散。具体参照图11B，显示了由IlA后序固化的涂层内得到的截面背散射二次电子(BSE)图像(backscattered secondary electron (BSE) image)。另外，在不期望的柱状结构的 BSE 中给出了证据，如交替亮暗区域1210和1220所示；这种结构代表了不同化学组成的熔化及再凝固。此外,这种结构伴随着在涂层1200和基材1100之间界面处的涂层完整性的缺失，如区域1150所示。本发明人认为这种起泡也将产生由图1lA代表性截面所示的不均匀涂层。在图9和10中，Al-Si共晶体系中相的可视证据可同样地由本图中找到，本图针对下述情况:其中形成了非预扩散(或不充分预扩散)的Al-Si涂层的情况，其中混合的成分将包括冷却时最后凝固和在共晶温度下加热时首先熔化的部分的情况；这在图9中通过明显呈现的涂层1200显示(在任何热处理或预扩散之前)。以另一方式表述，图9中的涂层1200显示了 Al-Si共晶体系(其具有577°C的低熔点)中固有的相分类(sort of phases)的证据，这是本发明人试图避免的。参照图12A-12C，图示了本发明`预扩散工艺的结果，其中预扩散参数包括在600°C下炉加热10分钟。具体参照图12A，图示了具有预扩散涂层2200的样品工件2000的代表性LOM截面，其中不同的合金层全部呈现。中间层2150为基材2100和涂层2200之间的第一互扩散层(interdiffusion layer),并包含非常高的Fe含量。这样,该中间层2150构成了工件2000层状结构的一部分。该预扩散处理后，在Gleebl濟3500热力学模拟器中以5000C /s加热样品工件2000至950°C并保持10秒以模拟高速度加热过程，从而可使工件2000随后在热成型工艺中成型。高速度加热后，使用压缩空气以之前所述的方式冷却样品工件2000。具体参照图12B，得到的截面BSE图像示出了涂层2200的相对均匀的成分。该成分的均匀性通过使用具有EDAX Genesis检测仪和EDAX光谱软件6.32版的能量色散谱仪(EDS)的半定量分析得到验证，图12C中以线扫描2400显示以产生相应的结果。图12B中的白色扫描线对应于图12C指示的位置和距离。使用软件的自动定量程序，得到的成分为大约46% Fe, 50% Al和4% Si (可能为Fe2Al5)。没有观察到涂层2200中严重熔化或起泡的迹象。与之前一样，安装的环氧树脂2300也被示出。接下来参照图13A-13C，图示了具有充分预扩散工艺参数的另一样品工件3000。其中，通过600°C下炉加热30分钟进行预扩散。图13A中特别展示了位于基材3100之上的预扩散涂层3200的代表性LOM截面，其中残留有非常少量的Al-Si共晶(即，Al-Si 二元体系中的最低熔点)，且涂层3200充分合金化以Fe。当与图9和10中采用少量或没有预扩散的LOM截面中出现的大量Al-Si共晶结构对比时，共晶的缺乏是十分明显的。预扩散处理后，在Gleebfe 3500热力学模拟器中以500°C /s加热样品工件3000至950°C并保持10秒，以模拟用作热压成型工艺一部分的高速度加热过程(例如之前提及的感应硬化)。高速度加热后，使用20psi的压缩空气，以100°C /s-350°c /s的速度将样品工件从950°C冷却至400°C。在图13B中，得到的截面BSE图像示出了相对均匀的涂层成分3210，其中少量区域由不同的成分3220构成。明显地，涂层3200可经受这种处理条件。与图12A-12C中取样的样品相同，该样品工件3000也通过使用具有EDAX Genesis检测仪和前述EDAX光谱软件的的EDS半定量分析以产生线扫描3400 (其通常类似于之前结合图12B和12C讨论的线扫描2400)来验证，成分结果如图13C所示。使用光谱软件中的自动定量程序，区域3210中得到的成分为大约46% Fe，50% Al和4% Si (可能为Fe2Al5)，出现在图12B中显示颜色更亮的较小区域3220中的成分为大约61% Fe，26% Al和1% Si。没有观察到涂层的严重熔化或起泡的迹象，因为涂层在横跨表面的厚度方向是均匀的，具有图13B中所示的相似的截面外观。此外，涂层3200显示没有图10中的柱状结构，因此表示没有熔化或再凝固。与之前一样，安装的环氧树脂3300也被示出。接下来参照图14A和14C，图示了本发明人已经建立的充分预扩散工艺参数的证据，其通过在700°C下炉加热10分钟，对又另一样品工件4000预扩散来进行。图14A中示出了预扩散涂层4200的代表性LOM截面，其中预扩散处理后没有Al-Si共晶残留的迹象，表示该涂层充分合金化以下面的基材4100中的Fe。预扩散处理后，如之前结合工件3000所讨论的，在Gleebl濟3500热力学模拟器中以500°C /s加热样品工件4000至950°C并保持10秒。作为实施例，这种高加热速度处理可包括作为热压成型工艺一部分的感应硬化。高速度加热后，使用20磅/平方英寸(PSi)的压缩空气，以100°C /s-350°c /s的速度将样品工件4000从950°C冷却至400°C。在图14B中，得到的截面背散射电子图像示出了三个值得关注的具有不同成分的不同区域(由区域4150、4250和4270表示)。这通过使用前述的具有包括EDAX Genesis检测仪和光谱软件的EDS半定量分析来验证，基于图14B中的线扫描4400在图14C中示出 了其结果，其中线扫描4400与前述的线扫描2400和3400类似。剖面显示出富铁互扩散层4150向富铝区域4250的变化，其中，富铁互扩散层由于涂层4200生长进入基材4100，转变为区域4250，该区域4250是富铁的并具有大约46% Fe，50% Al和4% Si (很可能为Fe2Al5的形式)的组成。区域4270中颜色较亮区域富含Fe和Si，大致组成为61% Fe，26% Al和13% Si。基于涂层的厚度上的均匀性且没有表示熔化或再凝固的柱状结构，没有观察到涂层4200中严重熔化或起泡的迹象。接下来参照图15A-15C，图示了对于又再一样品工件5000分别进行了预扩散条件8000C (2和10分钟)和900°C (2分钟)和随后的高速度加热后得到的背散射电子图像。其中，显示出在基材5100和涂层5200界面处形成相对宽的扩散层5150 (大约3_4微米厚)，其中基质为46% Fe, 50% Al和4% Si (可能为Fe2Al5)，而组成类似61 % Fe, 26% Al和13%Si的富Fe和Si的带5250也出现。一旦Fe和Si的溶解度在基质中超出，依据预扩散和随后高速度加热过程中铁的富集量，可能形成各种尺寸的Fe和Si析出物(precipitates)。预扩散炉加热处理条件800°C (2和10分钟)和900°C (2分钟)产生与之前类似的的结果，即基于涂层的厚度上的均匀性且没有出现柱状结构，没有观察到涂层的严重熔化或起泡的迹象。在此，之前的详细描述和优选实施方式仅以说明和示例的方式给出；本领域技术人员在不偏离本发明精神的情况下，很容易由它们自身得到另外的各种形式或细节。因此，本发明的范围应被认为不仅限于 附属的权利要求。
权利要求
1.备可加压硬化钢构件的方法，所述方法包括: 通过将保护涂层结合到钢基材来形成涂覆的钢坯； 在第一条件下加热所述涂覆钢坯以使至少一部分存在于所述基材中的铁扩散进入所述涂层中； 然后在第二条件下加热所述涂覆钢坯，所述第二条件经设计以使所述涂覆钢坯升温至奥氏体化温度；以及 将所述涂覆钢坯成型为所述构件，并基本上同时冷却所述涂覆钢坯。
2.权利要求1所述的方 法，其中所述第二条件对应的温度高于所述第一条件的温度。
3.权利要求1所述的方法，其中所述第二条件对应的加热速度高于所述第一条件的加热速度。
4.权利要求1所述的方法，其中所述第二条件通过感应加热实现。
5.权利要求3所述的方法，其中所述第二条件对应的加热速度达到大约500°C/S。
6.权利要求1所述的方法，其中所述保护涂层含有铝。
7.权利要求6所述的方法，其中所述第一条件导致，当所述扩散经炉腔加热实施时，所述保护涂层中的温度不超过大约950°C的温度，且加热速度等于或低于20°C /s，或当所述扩散经感应加热实施时，所述保护涂层中的温度不超过大约577°C的初始温度，且初始加热速度高于大约25°C /s。
8.权利要求1所述的方法，其中至少一部分在所述第一条件下的所述加热是通过感应加热、电阻加热、激光加热和炉加热。
9.已经至少部分预扩散进入保护涂层中的铁基基材构成的坯体制备可加压硬化钢构件的方法，所述方法包括: 在高加热速度下加热所述坯体，直至所述坯体达到奥氏体化温度； 将所述坯体成型为所述构件，并基本上同时将所述坯体由所述奥氏体化温度冷却；以及 在模具中冷却所述成型构件至少一部分的实现马氏体转变所需的时间。
10.备可加压硬化钢构件的方法，所述方法包括: 在第一条件下加热包含结合至钢基材的保护涂层的工件，以使至少一部分存在于所述基材中的铁扩散进入所述涂层； 在足以使所述工件升温至奥氏体化温度的第二条件下加热所述工件，该奥氏体化温度对应于这样的加热速度，该加热速度使得源自所述第一条件的所述扩散避免了在所述第二条件过程中对所述保护涂层的熔融-相关的破坏；以及将所述工件成型为所述构件。
全文摘要
加压硬化钢构件及其生产方法。在一种实施形式中，将被成型为构件的工件包括涂层，该涂层预扩散以来自工件基材中的金属。该保护涂层的实例可以包括铝基涂层，以及铝硅组合。工件的预扩散允许其经受随后的加压硬化作业的高加热速度，而不会导致保护涂层的局部熔化或蒸发。
文档编号C21D1/68GK103088194SQ20121058556
公开日2013年5月8日 申请日期2012年8月13日 优先权日2011年8月12日
发明者J·J·科里尔, P·J·贝朗格 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司