制造設(shè)置有金屬的防腐蝕保護(hù)層的鋼構(gòu)件的方法和鋼構(gòu)件與流程

本發(fā)明涉及一種用于制造設(shè)置有金屬的防腐蝕保護(hù)涂層的、具有非常高的機(jī)械性能的鋼構(gòu)件的方法以及這類(lèi)鋼構(gòu)件。

背景技術(shù)：

很多年以來(lái)已知的并提及的用于保護(hù)鋼基底不受到腐蝕的方法是對(duì)薄板、特別是帶狀的薄鋼板在含有鋅或者鋅合金的熔池中進(jìn)行熱浸鍍層。鋅涂層的層厚度在此通常借助剝離噴嘴(Abstreifdüse)而調(diào)整，該剝離噴嘴設(shè)置在熔池上方并且對(duì)準(zhǔn)鋼帶的基本上垂直地從熔池中抽出的部分。該涂層方法也稱(chēng)為火鍍鋅。

同樣自多年以來(lái)已知的、火鍍鋅的薄板的變型為所謂的“鋅鍍層退火處理(Galvannealed)”。通過(guò)使鋼帶在剝離噴嘴之后在爐中熱處理，其中鐵由基底材料擴(kuò)散到鋅層中并且最終轉(zhuǎn)變?yōu)殇\-鐵合金層，產(chǎn)生了這種變型。

在EP 1 143 029 B1中描述了一種用于實(shí)現(xiàn)具有高機(jī)械性能的工件的方法，其中，該工件初始由板裁件通過(guò)熱深沖而成型。該板裁件由“鋅鍍層退火處理”類(lèi)型的鋼板帶材裁切而成。在板裁件的熱深沖之前，在其表面上實(shí)現(xiàn)金屬間的合金化合，該合金化合確保了對(duì)腐蝕和對(duì)鋼材的脫碳的保護(hù)。為此，涂覆有鋅或者基于鋅的合金的鋼板帶材進(jìn)行熱處理，其中，覆層的鋼板帶材承受溫度升高超過(guò)700℃。

但是，在“鋅鍍層退火處理”類(lèi)型的鋼板帶材上，在實(shí)際中通常發(fā)現(xiàn)在金屬的防腐蝕保護(hù)層中的可見(jiàn)的裂紋和孔，它們即使在薄板涂漆之后仍是可見(jiàn)的并且因此并不能滿(mǎn)足漆表面的高要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

由此出發(fā)，本發(fā)明的目的在于，說(shuō)明一種方法，通過(guò)該方法可以實(shí)現(xiàn)一種專(zhuān)門(mén)用于待根據(jù)熱成型的過(guò)程而制成的鋼構(gòu)件的金屬的防腐蝕保護(hù)層。在此，該涂層應(yīng)含有鋅，從而實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)作用。另外應(yīng)這樣得到該涂層，即，(不同于在純鋅鍍層和合金化熱鍍鋅層的情況)在相對(duì)較短的加熱時(shí)間之后已不再存在沿著晶界的鋅滲透的危險(xiǎn)并由此不再存在構(gòu)件的受限的機(jī)械穩(wěn)定性的危險(xiǎn)。

該目的通過(guò)具有權(quán)利要求1所述特征的方法得以實(shí)現(xiàn)。按照本發(fā)明的方法的有利和優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案在從屬權(quán)利要求中給出。

按照本發(fā)明的方法的特征在于，將鐵基合金直接覆在鋼基底上，該鐵基合金含有：

50–80重量％的Fe,優(yōu)選50-65重量％的Fe,

0-30重量％的Mg,

0-5重量％的Al,

0-5重量％的Ti,

0-10重量％的Si,

0-10重量％的Li,

0-10重量％的Ca,

0-30重量％的Mn,

剩余Zn和不可避免的雜質(zhì)，

并且其中，對(duì)覆有該鐵基合金的鋼基底進(jìn)行熱成型，從而得到鋼構(gòu)件。

在內(nèi)部的試驗(yàn)中已令人意外地證實(shí)，按照本發(fā)明的方法制成的金屬的層(涂層)即使在熱成型之后仍具有包括陰極保護(hù)作用的出色的防腐蝕保護(hù)的特點(diǎn)。特別是證實(shí)了，通過(guò)按照本發(fā)明的方法避免了例如在純鋅鍍層和合金化熱鍍鋅層的情況下通常出現(xiàn)的涂層中的裂紋和孔。

另外還發(fā)現(xiàn)，按照本發(fā)明的方法允許在熱成型過(guò)程的加熱階段過(guò)程中顯著縮短加熱時(shí)間(保持時(shí)間)，而不會(huì)隨后在按照本發(fā)明涂層并熱成型的鋼基底上導(dǎo)致裂紋的形成。加熱時(shí)間(保持時(shí)間)的縮短也意味著相應(yīng)的能量節(jié)約或?qū)崿F(xiàn)了就既有的熱成型設(shè)備而言的生產(chǎn)能力提高。另外，按照本發(fā)明的方法或者加熱時(shí)間的縮短還促使盡可能地避免在鋼基底上的氧化皮形成。由于Fe-Zn合金的高的溫度穩(wěn)定性，也避免了在熱成型過(guò)程的加熱階段的過(guò)程中爐部件上的沉積。

按照本發(fā)明的方法的一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案設(shè)置為，鐵基合金以一種方式施加在鋼基底上，由鐵基合金形成的層具有大于1μm、優(yōu)選大于2μm的層厚度。按照本發(fā)明地由鐵基合金制成的層例如具有在2-30μm的范圍內(nèi)、特別是在5-20μm的范圍內(nèi)的層厚度。由此可以實(shí)現(xiàn)特別可靠的防腐蝕保護(hù)。

按照本發(fā)明的方法的另一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方案的特征在于，鐵基合金借助物理的氣相沉積(PVD法)或者電解沉積或者它們的組合而施加在鋼基底上。以這種方式可以由鐵基合金非常均勻地在鋼基底(薄板)上形成防腐蝕保護(hù)的層。這樣制成的防腐蝕保護(hù)的金屬層在顯微鏡下顯著地區(qū)別于由富含鋅的預(yù)涂層通過(guò)隨后退火而產(chǎn)生的層。為了在鋼基底(薄板)上直接施加鐵基合金，優(yōu)選適合的是專(zhuān)門(mén)與高熔點(diǎn)的金屬的蒸發(fā)相適應(yīng)的、具有高涂覆率的PVD法(例如電子束蒸發(fā))。

按照本發(fā)明，鐵基合金直接地施加在待受到防腐蝕保護(hù)的鋼基底(薄板)上。因此，其并不是像在純鋅或“鋅鍍層退火處理”類(lèi)型的薄板的情況下那樣直到在退火過(guò)程中才在熱處理爐中或者熱成型設(shè)備的爐中通過(guò)鐵的擴(kuò)散而形成。但是，出于不同的原因，有利的是，將鐵基合金施加到已加熱的鋼基底上。已發(fā)現(xiàn)特別有利的是，將鋼基底加熱到250至350℃之間的溫度。按照本發(fā)明的方法的一個(gè)優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案設(shè)置為，在施加鐵基合金之前加熱鋼基底，其中，該鋼基底在施加鐵基合金的過(guò)程中具有在250-350℃、優(yōu)選280-320℃范圍內(nèi)的溫度。

按照本發(fā)明的方法的另一個(gè)設(shè)計(jì)方案，鐵基合金可選地含有2-30重量％的Mg和/或2-5重量％的Al和/或2-5重量％的Ti和/或2-10重量％的Si和/或2-10重量％的Li和/或2-10重量％的Ca和/或2-30重量％的Mn(剩余Zn)。上述合金組成成分抑制了連續(xù)的氧化和擴(kuò)散過(guò)程，由此有益于在淬火壓的涂層中得到陰極保護(hù)相。

防腐蝕保護(hù)的金屬涂層的一個(gè)特別有利的設(shè)計(jì)方案在于，鐵基合金具有：在50-65重量％范圍內(nèi)的Fe含量和在20-30重量％范圍內(nèi)的Mg含量，剩余Zn。在Mg含量超過(guò)20重量％的情況下，即使Fe含量超過(guò)50重量％仍表現(xiàn)出顯著的陰極保護(hù)作用。因此，按照本發(fā)明的方法的一個(gè)優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案設(shè)置為，鐵基合金含有20-30重量％的Mg。

鋁和/或鈦可以加入鐵基合金，從而確保鋅含量的保護(hù)。因?yàn)檫@些元素在熱成型的鋼基底(薄板)的加熱或奧氏體化過(guò)程中抵抗鋅的流失。除了鎂之外，特別是鋰和鈣也可以改善陰極防腐蝕保護(hù)。

為了實(shí)現(xiàn)具有非常高的機(jī)械強(qiáng)度的重量減輕的鋼構(gòu)件，按照本發(fā)明的方法的另一個(gè)優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案設(shè)置為，通過(guò)熱成型得到的鋼構(gòu)件在熱成型過(guò)程中和/或在熱成型過(guò)程之后以一種方式冷卻，以使得該鋼構(gòu)件經(jīng)歷淬火硬化。

本發(fā)明的主題另外還在于一種具有金屬的防腐蝕保護(hù)層的鋼構(gòu)件，其通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)所述的方法制成。

附圖說(shuō)明

隨后借助實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。附圖中示出了：

圖1以立體的前視圖示出了一個(gè)由鋅鍍層退火處理的薄板通過(guò)熱深沖而制成的小圓碟，其在最大程度變形的區(qū)域中具有裂紋；

圖2示出了通過(guò)熱深沖而制成的、具有在豎直或垂直的切片中的最大程度變形的區(qū)域的小圓碟的截面；

圖3示出了參照小圓碟的裂紋進(jìn)行宏觀評(píng)價(jià)的結(jié)果，這些小圓碟由鋅鍍層退火處理的薄板或者由覆有按照本發(fā)明的鐵基合金的薄板分別通過(guò)熱深沖在不同的溫度和保持時(shí)間(加熱時(shí)間)的條件下制成；而且

圖4示出了參照小圓碟進(jìn)行的微觀裂紋評(píng)價(jià)，這些小圓碟由鋅鍍層退火處理的薄板(GA)或者由覆有按照本發(fā)明的鐵基合金層的薄板(Fe基)分別通過(guò)熱深沖在880℃和不同的保持時(shí)間的條件下制成。

具體實(shí)施方式

在圖3中示出的宏觀的裂紋評(píng)價(jià)的結(jié)果以及在圖4中示出的微觀裂紋評(píng)價(jià)的結(jié)果是基于小圓碟N進(jìn)行的，這些小圓碟其中一方面由具有合金化的Zn-Fe層(GA)的鋅鍍層退火處理的薄板而另一方面由覆有按照本發(fā)明的鐵基合金(Fe基)的薄板分別通過(guò)熱深沖而制成。

使用的薄板的基底材料分別由可淬火壓的鋼材組成，例如22MnB5型鋼材。鋅鍍層退火處理的薄板的合金化的Zn-Fe層含有約11重量％的Fe、約0.3重量％的Al和剩余鋅，而在PVD方法中借助電子束蒸發(fā)而直接施加的Fe基合金(Fe基)含有約51重量％的Fe、約22重量％的Mg和約27重量％的Zn。

在熱深沖之前加熱各個(gè)板裁件，即加熱至約880℃、900℃或920℃，并且在上述各個(gè)溫度下保持3min、5min或10min的持續(xù)時(shí)間。相應(yīng)加熱的板裁件借助一個(gè)具有沖頭和凹模的沖壓機(jī)成型成小圓碟N。

由通過(guò)3min保持時(shí)間而加熱的鋅鍍層退火處理的薄板成型的小圓碟N分別在最大程度變形的區(qū)域中(即，在由底部向小圓碟的環(huán)形側(cè)表面的過(guò)渡區(qū)域中)具有可見(jiàn)的裂紋(參見(jiàn)附圖1和附圖3)。另外，由以5min時(shí)長(zhǎng)加熱的鋅鍍層退火處理的薄板成型的小圓碟N在上述區(qū)域中具有裂紋的跡象(參見(jiàn)附圖3)。在由以10min時(shí)長(zhǎng)加熱的鋅鍍層退火處理的薄板成型的小圓杯N中，既沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)的裂紋也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋的跡象。因此，在對(duì)鋅鍍層退火處理的薄板進(jìn)行熱成型的情況下可以?xún)H通過(guò)相對(duì)長(zhǎng)的保持時(shí)間而減小裂紋形成。相反地，在按照本發(fā)明地由以鐵基合金(Fe基)覆層的薄板而成型的小圓碟上，在上述三種溫度以及三種保持時(shí)間下在變形最大的區(qū)域中都證實(shí)沒(méi)有裂紋(參見(jiàn)附圖3)。

對(duì)于微觀裂紋評(píng)價(jià)而言，將小圓碟垂直地切開(kāi)并且磨光，從而在由小圓碟的底部向其環(huán)繞的側(cè)表面的過(guò)渡區(qū)域中得到了一個(gè)豎直的試片(參見(jiàn)附圖2)，其中，所述小圓碟一方面由鋅鍍層退火處理的薄板成型而另一方面則由通過(guò)鐵基合金(Fe基)覆層的薄板成型，薄板分別加熱至約880℃并且在該溫度下保持3min、5min或10min。在圖2中以B_max標(biāo)記出了變形最大程度的位置。由該變形最大程度的位置開(kāi)始朝雙方向經(jīng)過(guò)各4mm的分析長(zhǎng)度來(lái)研究該試片。在此，在由通過(guò)鐵基合金(Fe基)覆層的薄板成型的小圓碟上不能確定出值得注意的裂紋。相反地，在由鋅鍍層退火處理的薄板成型的小圓碟中能夠確定出明顯的裂紋深度。在由鋅鍍層退火處理的薄板制成的小圓杯N中(其中該薄板在熱深沖之前在880℃的溫度下保持了3min)，確定出大約120μm的裂紋深度。隨著保持時(shí)間的增加，裂紋深度減小。在由鋅鍍層退火處理的薄板制成的小圓碟N中(其中該薄板在熱深沖之前在880℃的溫度下保持了5min)，裂紋深度為大約40μm。在由鋅鍍層退火處理的薄板制成的小圓碟中(其中該薄板在熱深沖之前在880℃的溫度下保持了10min)，不能確定出值得注意的裂紋。

隨后借助三個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

試驗(yàn)1：

基底材料(例如22MnB5型的薄鋼板)借助于PVD以連續(xù)的覆層方法以50重量％的Fe和49重量％的Zn以及1重量％的Ti覆層。這通過(guò)Fe和Ti借助電子束蒸發(fā)的同時(shí)沉積以及Zn在一個(gè)分開(kāi)的覆層步驟中借助于噴射PVD(Jet-PVD)的沉積而得以實(shí)現(xiàn)。由于Fe和Zn的不同的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，兩種元素難以同時(shí)沉積。得到了約8μm的層厚度。該層隨后在連續(xù)爐中在380℃下經(jīng)過(guò)25秒的持續(xù)時(shí)間熱學(xué)地再致密。該熱學(xué)的再致密用于使層的附著改善以及通過(guò)固體擴(kuò)散進(jìn)行的第一次合金形成。

這樣在連續(xù)的帶材覆層過(guò)程中制成的材料隨后依據(jù)在后續(xù)加工的客戶(hù)處的過(guò)程而切割成扁坯并且運(yùn)送至淬火壓過(guò)程。而在試驗(yàn)室淬火壓爐中由6min縮短到3min的加熱階段的過(guò)程中，出現(xiàn)具有55重量％的Fe、44重量％的Zn和1重量％的Ti的覆層以及僅1.5μm厚的Ti氧化物和Zn氧化物層。

(不同于由Z型或ZF型(10重量％的Fe)的薄板制成的鋼構(gòu)件)通過(guò)淬火壓制成的鋼構(gòu)件在20至30％之間的變形程度的條件下也不具有觸及鋼基底的裂紋。覆層的金屬鋅的剩余含量足夠高，以至于能夠確保主動(dòng)的防腐蝕保護(hù)。

試驗(yàn)2：

基底材料(例如22MnB5型的薄鋼板)借助于PVD以連續(xù)的涂層方法覆層50重量％的Fe和45重量％的Zn以及5重量％的Mg。這通過(guò)Mg和Zn分別借助噴射PVD的沉積，以及在第二個(gè)覆層步驟中Fe借助于電子束蒸發(fā)而施加在一個(gè)優(yōu)選預(yù)先加熱至約300℃的基底上而得以實(shí)現(xiàn)。這樣產(chǎn)生的總的層厚度約為8μm。

這樣在連續(xù)的帶材涂層過(guò)程中制成的材料隨后依據(jù)在進(jìn)一步加工的客戶(hù)處的過(guò)程而切割成扁坯并且引入至淬火壓過(guò)程。而在實(shí)驗(yàn)室淬火壓爐中由6min縮短到3.5min的加熱階段的過(guò)程中，出現(xiàn)具有65重量％的Fe、32重量％的Zn和3重量％的Mg的覆層以及1至2μm厚的鎂氧化物層。

淬火壓后的鋼構(gòu)件不具有像是在溫度不穩(wěn)定的鋅覆層的情況下在熱成型之后而出現(xiàn)的深的基底裂紋。

該覆層可以容易地清潔、磷化并且KTL涂層。也適用于電阻點(diǎn)焊。

還令人意外地發(fā)現(xiàn)，該防腐蝕保護(hù)能夠與初始狀態(tài)下10μm厚的純的鋅覆層在間接的壓硬化之后的防腐蝕保護(hù)效果相媲美。

試驗(yàn)3：

在基底材料(例如22MnB5型的薄鋼板)上首先以電解的方式涂覆5μm厚的Zn層。隨后，以PVD法借助電子束蒸發(fā)施加5-6μm厚的Fe層。通過(guò)另一個(gè)靶材同時(shí)沉積Al。

這樣得到的層含有50重量％的Fe、48重量％的Zn和2重量％的Al。該層隨后在連續(xù)爐中在450℃下經(jīng)歷2min的熱學(xué)的再致密。該處理步驟用于層的附著力改善以及用于通過(guò)固體擴(kuò)散進(jìn)行的第一次合金形成。

這樣在連續(xù)的帶材覆層過(guò)程中制成的材料隨后依據(jù)在后加工的客戶(hù)處的過(guò)程而切割成扁坯并且運(yùn)送至淬火壓過(guò)程。而在實(shí)驗(yàn)室淬火壓爐中由6min縮短到3.5min的加熱階段的過(guò)程中，出現(xiàn)具有65重量％的Fe、33重量％的Zn和2重量％的Al以及有約2μm厚的Al氧化物和Zn氧化物層的覆層。

另外還令人意外地發(fā)現(xiàn)，這樣制成的鋼構(gòu)件的特點(diǎn)為能夠以電化學(xué)的方式證實(shí)的、鋼基底的主動(dòng)的防腐蝕保護(hù)。