钢合金工件和用于制造压制硬化钢合金部件的方法与流程

本公开总体上涉及用于压制硬化工艺的钢合金工件，更具体地，涉及抗氧化钢合金工件，其具有用于改进电泳涂层附着性的表面图案。

背景技术：

在汽车应用中，高强度钢合金通过热冲压转换为复杂的形状，这样的热冲压也称为压制硬化。像车身b柱这样的结构部件，是通过从钢板上裁剪出来的预定形状和尺寸的钢胚或称工件制造出来的。这些工件在炉中按预定温度和时间来加热，在一模具中热冲压为预定的零件构形，然后经历淬火以实现所期望的结构性能。通过压制硬化工艺制造出来的高强度的汽车钢零件，称为压制硬化钢(phs)部件。

这些phs部件在制出之后，立即或很快地，通过电泳涂覆(e-coating)来进行涂布，以保护phs部件不被腐蚀。在电泳涂覆工艺之前可能需要磷化工艺以增加电子涂层在phs部件表面上的附着性。在表面裸露的钢合金工件的压制硬化工艺期间，其表面可能会形成较厚的非同质氧化膜，从而不利地影响电泳涂覆的附着性。因此，有需要在工件转换为phs部件的全部工艺流程中，最小化工件表面的氧化。可在工件表面施加防氧化层，例如锌(zn)。然而，带有zn涂层的phs部件，在其表面上也可能出现非同质氧化层。在施加电泳涂层之前，需要先通过喷丸清理来移除非同质氧化层，以确保电泳涂层在phs部件上有良好的附着性，从而也导致增大了制造phs部件的成本。

因此，虽然目前具有抗氧化涂层的钢合金工件实现了其制成phs部件的预期目的，但是需要具有足够表面抗氧化性的钢合金工件，以消除对抗氧化涂层的依赖。

技术实现要素：

根据若干方面，公开了一种钢合金工件，其具有约1.0至5.0wt％的铬、约0.5至2.0wt％的硅，以及具有预定的压印图案的表面。

在本公开的另一方面，预定的压印图案在表面上产生约1.0至2.5微米的粗糙度。

在本公开的另一方面，预定的压印图案包括多个相交波形。

在本公开的另一方面，多个相交波形包括平行于a轴延伸的第一多个嵌套的正弦波形，以及平行于a轴延伸的第二多个嵌套的正弦波形。第二多个嵌套的正弦波形与第一多个嵌套的正弦波形不同相，使得第二多个嵌套的正弦波形交叠于第一多个嵌套的正弦波形。

在本公开的另一方面，第一多个嵌套的正弦波形和第二多个嵌套的正弦波形包括相同振幅和相同频率中的至少一者。

在本公开的另一方面，所述第一多个嵌套的正弦波形与第二多个嵌套的正弦波形异相约180度。

在本公开的另一方面，多个交叠的正弦波形包括大于0但小于约150微米的平均相交间距(davg)。

在本公开的另一方面，多个相交波形在钢合金工件的表面产生大约1.5微米的粗糙度。

在本公开的另一方面，钢合金工件进一步包括约0.01至0.35wt％的碳(c)和约0.0至3.0wt％的锰(mn)。

在本公开的另一方面，所述预定图案包括蜂巢图案。

根据若干方面，提供了一种制造电泳涂覆的压制硬化钢(phs)部件的方法。所述方法包括：设置含有钢合金的工件，包含约1.0至5.0wt％的铬和约0.5至2.0wt％的硅。其中工件包括表面，该表面具有压印的预定表面图案；按一预定时间和温度加热所述工件；将所述工件热冲压为phs部件；按一预定的淬冷率对所述phs部件进行淬火；以及对所述phs部件进行电泳涂覆。

在本公开的另一方面，压印的预定表面图案包括多个相交波形和蜂巢图案中的至少一个。

在本公开的另一方面，多个相交波形包括多个交叠的嵌套的正弦波形。

在本公开的另一方面，所述多个交叠的嵌套的正弦波形在所述钢合金工件的表面产生大约1.5微米的粗糙度。

在本公开的另一方面，所述钢合金进一步包括约0.01至0.35wt％的碳(c)和约0.0至3.0wt％的锰(mn)。

在本公开的另一方面，所述电泳涂覆直接施加在工件的压印出的预定表面图案上。

根据若干方面，公开了一种压制硬化钢(phs)部件。所述phs部件包括一钢合金基板，所述钢合金基板包括约1至5wt％的铬，以及约0.5至2wt％的硅；压印在所述合金基板表面上的预定图案；以及与所述表面直接接触的涂层。

在本公开的另一方面，所述预定图案在所述表面上产生约1.0至2.5微米的粗糙度。

在本公开的另一方面，涂层为电泳涂覆。

在本公开的另一方面，预定图案包括交叠的波形和蜂巢图案中的至少一者。

根据本文提供的描述，其他适用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

这里描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。附图中的组件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在附图中，相同的附图标记在所有视图中表示相应的部件。

图1是根据一示例性实施例的用于制造压制硬化钢(phs)部件的方法的工艺流程的示意图；

图2是根据一示例性实施例的图1的工件表面的一部分的详细视图2的示意图，该部分在图中示出了示例性表面图案；

图3a-3c根据一示例性实施例，示出了对图2示例性表面图案的第一示例性交叠波形图案的解构；

图4a是实验室参考工件表面的照片，显示了胶带附着力试验的结果；

图4b是实验室测试工件表面的照片，显示了胶带附着力试验的结果；以及

图5是根据示例性实施例的，制造具有交叠的波形图案的合金钢板的方法的示意图。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开，应用或用途。参考附图公开了所示实施例，其中相同的数字表示在所有的几个附图中的相应部分。这些图不一定按比例绘制，并且一些特征可能被夸大或最小化以显示特定特征的细节。所公开的具体结构和功能细节不旨在被解释为限制，而是作为用于教导本领域技术人员如何实践所公开的概念的代表性基础。

本发明提供一种钢合金工件，其具有足够的铬(cr)和硅(si)含量，使得钢合金工件在经受压制硬化处理以形成压制硬化钢(phs)部件之后，呈现一薄表面氧化膜。此外，钢合金工件还包括具有压印图案的表面，该压印图案有利于改善在所制出的phs部件上的电泳涂层(e-coat)的附着性。本发明还提供了利用所公开的钢合金工件制造电泳涂覆的phs部件的方法，以及用所公开的方法制成的电泳涂覆的phs部件。

图1示出了由钢合金工件106制造电涂覆的phs部件的方法的工艺流程，该方法基本以附图标记100表示，该合金工件106具有新颖的钢合金成分和压印的表面图案，如下面所详细公开。方法100开始于，设置由合金钢板104组成的钢卷102；将合金钢板104展开并裁剪成具有预定尺寸和形状的多个工件106；在炉中按一预定时间和温度加热所述工件106；在冲模110中将工件106热冲压成phs部件112；按预定的淬冷率对phs部件112进行淬火；以及通过将phs部件112磷化和浸入填充有电泳涂覆乳液的槽114中来电涂覆phs部件112。所述电泳涂覆直接施加到保留在phs部件112的压印表面图案上。钢合金成分和表面图案化的这样的独特组合提供了非常致密和薄的表面氧化膜；由此为电泳涂覆的附着提供了优异的表面，而不需要在工件106上形成抗氧化涂层。

工件106的预定形状和尺寸基于成品phs部件112的期望尺寸。例如，工件106可以制成汽车结构部件，例如图1所示的b柱112。应当理解，根据本发明的原理，工件106也可以制成其他工业部件。用于加热工件106的预定时间和温度以及淬火速率基于最终phs部件的所需物理性质。对于示例性b柱112，期望在一定时间和温度下加热工件106，使得工件106的钢合金转变为奥氏体状态。然后以足够的速率对已加热的工件106进行淬火，以获得高强度b柱112。

切出工件106的合金钢板的成分含有约0.01至0.35wt％的碳(c)，约0.0至3.0wt％的锰(mn)，约1.0至5.0wt％的铬(cr)，以及约0.5至2.0wt％的硅(si)。本发明的合金钢板的cr和si的重量百分比分别高于常规钢合金中对应成分的重量百分比。例如22mnb5合金钢，其组成包括约0.15wt％的cr和0.25wt％的si。如下面的比较表a所示，对所公开的钢合金和典型的22mnb5钢合金的选定元素含量进行比较：

表格a

在表a中，“等级”代表钢合金的等级；“c”代表碳；“mn”代表锰；“b”代表硼；“mo”代表钼；“ni”代表镍；“cu”代表铜；“nb”代表铌；“v”代表钒。

参考图2，图2是图1所示的钢合金工件106的表面200的一部分的放大图(2)。图2示出了压印有三(3)个示例性交叠波形图案202、204、206的表面200。图3a-3c示出了第一示例性交叠波形图案202的解构。第一示例性交叠波形图案202的解构的公开内容也可以应用第二示例性交叠波形图案204和第三示例性交叠波形图案206。或者，表面200可以压印有蜂巢图案216。压印图案202、204、206、216在钢合金工件的表面200上产生约1.0至2.5微米的粗糙度，其中平均粗糙度为约1.5微米。

参考图3a，示出了第一多个嵌套的波形状的波形208，其在平行于轴线a的方向上延伸。嵌套的波形状的波形208可以是正弦波形208的那种波形状波形。轴线a可以沿着相对于工件106的长度、宽度或与该长度、宽度成角度延伸。第一多个嵌套的正弦波形208中的每一个可以包括相同的频率和幅度。参考图3b，示出了第二多个嵌套的正弦波形210，其在平行于轴线a的方向上延伸，该轴线与图3a中的轴线a相同。第二多个嵌套的正弦波形210可以具有与第一多个嵌套的正弦波形208相同的频率和幅度，但是与第一多个嵌套的正弦波形208异相约180度。可替代地，第二多个嵌套的正弦波形210可以具有与第一多个嵌套的正弦波形208不同的频率和幅度。如图3c所示，第一多个嵌套的正弦波形208叠加在第二多个嵌套的相邻正弦波形210上，从而形成第一示例性交叠波形图案202。

仍参考图3c，第一示例性交叠波形图案202沿轴线a限定了多个相交间距(d1、d2、d3等)，该相交间距也称为扎钉(pinning)长度。多个相交间距d1、d2、d3等的平均davg大于0且小于约150微米(μm)。相交间距(d)定义为交叠波形图案202沿轴线a的相邻交叉点之间的距离。交叠波形图案202在工件106表面上产生大约1微米(μm)的最小粗糙度。实验室结果表明，钢合金工件106的新颖组分和压印在所述工件表面上的交叠的波形图案的组合，与具有抗氧化涂层的传统钢合金相比，提供了具有优异的电泳涂覆附着力的成品phs部件。

返回参考图2，与第二示例性交叠波形图案204和第三示例性交叠波形图案206相比，第一示例性交叠波形图案202包括更高的频率。第一示例性交叠波形图案202和第二示例性交叠波形图案204包括具有倒圆过渡214a、214b的幅峰。第三示例性交叠波形图案206包括具有形成z字形或三角波形图案的尖锐过渡214c的幅峰。三组交叠的正弦波形作为示例给出，并不意味着如此限制。

图4a-4b为照片，其描绘了分别在没有表面图案的电泳涂覆钢合金(参考工件402)上和在具有压印表面图案的电泳涂覆钢合金(测试工件404)上进行的工业标准划格法测试(也称为附着力胶带测试)的结果的照片。参考工件402和测试工件404的钢合金成分包括，约0.01至0.35wt％的碳(c)、约0.0至3.0wt％的锰(mn)、约1.0至5.0wt％的铬(cr)，以及约0.5至2.0wt％的硅(si)。划格法测试包括用锋利的切割工具在电泳涂层408上划制出十字线切口406，用软毛刷去除涂层的脱落的薄片或带状条，用胶带条覆盖划格切口406，并以垂直于涂层的快速抽拉运动移除胶带。

参考图4a，参考工件402在其表面上不包括交叠波形图案。该参考工件402已压制硬化然后进行了电泳涂覆。附着力胶带试验的结果显示较浅色的电泳涂覆层408剥落后暴露出较深色的钢合金基板410。参考图4b，测试工件404包括参考工件402的相同合金成分，但还包括压印在表面上的重叠波形纹图案。测试工件404也经过压制硬化然后进行了电泳涂覆。附着力胶带试验的结果表明，较浅色的电泳涂覆层没有剥落，因此表明电泳涂覆层在高含量铬和硅合金基板上具有良好的附着。测试样品的良好测试结果表明，具有致密且薄的表面氧化物并在表面上带有波形图案的压制硬化测试工件402，为电泳涂覆的附着提供了优异的表面。

图5示出了制造合金钢板502的方法，大体上用附图标记500表示。合金钢板包括第一表面504a和相对的第二表面504b。第一表面504a和第二表面504b中的至少一个包括压印的重叠波形纹图案506。合金钢板502包括约0.01至0.35wt％的碳(c)，约0.0至3.0wt％的锰(mn)，约1.0至5.0wt％的铬(cr)和约0.5至2.0wt％的硅(si)。合金钢板在第一辊508a和第二辊508b之间经受压轧，以让重叠波形纹图案506压印到合金钢板的表面504a、504b中。第一和第二辊中的至少一个包括多个交叠波形506的镜像的凸压模(reliefdie)图案510。第一辊508a与第二辊508b配合以在合金钢板的第一和第二表面504a、504b上施加足够的压力，使得交叠波形图案506被压印到合金钢板的第一和第二表面中的至少一个上。辊上的凸压模图案510可以通过计算机控制的激光切割工艺产生。凸压模图案配置成在合金钢板的表面504a、504b上提供大约1.0至2.5μm的平均粗糙度(ra)，平均约为1.5μm。

上述公开内容提出了一种钢合金，其对于制造电涂覆的phs部件是有利的。所公开的成分提供薄且致密的表面氧化物膜，当与上述公开的表面图案组合时，提供具有优异的电泳涂覆附着力的表面处理的phs部件。

本文以范围格式呈现了数字数据。本文所用的术语“约”是本领域技术人员已知的。或者，术语“约”包括+/-0.05％的比重。应当理解，该范围格式仅仅是为了方便和简洁而使用，并且应该被灵活地解释为不仅包括明确列举为范围限制的数值，而且还包括包含在该范围内的所有单独的数值或子范围，如同每个数值和子范围已被明确地叙述一样。虽然已经详细描述了若干示例，但是熟悉本公开所涉及领域的技术人员将认识到用于在所附权利要求的范围内实践所公开的方法的各种替代设计和示例。

虽然已经结合一个或多个实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于那些实施例。相反，本发明涵盖可包括在所附权利要求的精神和范围内的所有替代、修改和等同物。