[发明专利]用于加压硬化钢的快速感应加热的预扩散Al-Si涂层

说明书

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)、坯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铝硅合金(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℃)的能力，被认为与低熔点涂层(其中，例如对于纯铝为大约660℃，或对于Al-Si共晶为大约577℃)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℃的温度，其平均加热速度为大约5℃/s至大约8℃/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℃/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℃/s和优选更高，例如高达大约500℃/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。