阅读说明：本技术 热成形材料，组件以及用途 (Thermoformed material, component and use ) 是由 延斯-乌尔里克·贝克尔 斯特凡·米斯洛维奇 于 2017-05-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及由三层材料复合物组成的热成形材料,包括一个由可淬火钢组成的核心层和两个材料配合地与该核心层连接的、由软性钢组成的覆盖层,且一层或双层地配有腐蚀保护涂层,尤其基于铝的涂层,所述可淬火钢在加压淬火状态下具有抗拉强度>1600MPa和/或硬度>490HV10,尤其抗拉强度>1700MPa和/或硬度>520HV10,所述软性钢的抗拉强度最高对应于所述核心层在加压淬火状态下的抗拉强度的四分之一。本发明还涉及组件以及对应的用途。(The invention relates to a hot-formed material consisting of a three-layer material composite, comprising a core layer consisting of a hardenable steel having a tensile strength of >1600MPa and/or a hardness of >490HV10, in particular a tensile strength of >1700MPa and/or a hardness of >520HV10 in the press-hardened state, and two cover layers consisting of soft steel, which are connected to the core layer in a material-fit manner and are provided with a corrosion-protective coating, in particular an aluminum-based coating, in one or two layers, wherein the tensile strength of the soft steel corresponds at most to one quarter of the tensile strength of the core layer in the press-hardened state. The invention also relates to an assembly and a corresponding use.)

热成形材料，组件以及用途

技术领域

本发明涉及由三层材料复合物组成的热成形材料。

背景技术

在汽车工业中寻找降低交通工具重量且由此同时降低燃料消耗的新解决方案。其中轻型构造是重要元素，以能够降低交通工具重量。

这可另外通过使用具有提升强度的材料来实现。随着强度的提升，通常其弯曲能力降低。为了不仅实现轻型构造的提升的强度还确保碰撞相关组件必需的乘客保护，要保证所使用的材料可通过变形来转化通过碰撞导入的能量。这以高水平变形能力为条件，尤其在交通工具结构的碰撞相关组件中。一种节约重量的可能性为例如通过与常规使用的材料相比创新的材料，来再更轻地设计或构造陆基交通工具的车身和/或底盘(Fahrwerk)。这样可以例如通过具有更薄壁厚、具有优化性质的材料来代替组件特定的常规材料。例如使用热成形钢，尤其锰硼钢，例如22MnB5型钢，其在加压淬火状态下具有约1500MPa的抗拉强度和约1100MPa的屈服极限。就强度提升而言，潜力还远没有耗尽，使得存在可能性，通过相应的合金设计，或者替换或另外通过优化制造途径，可使抗拉强度达到或调节到至高1900MPa以及更高。通常热成形钢配有基于锌或铝的金属涂层用于后续使用或它的加工。以此为条件，钢材料在加压淬火并成形用于组件的状态下的性质(例如延展性)与未涂覆的钢材料在加压淬火状态中相比，可消极改变。由此减少了可实现的轻型构造潜力，因为例如延展性的损失必须由材料厚度不太显著的减少来补偿，以如从前一样在碰撞情况下保证在工作条件下安全的组件表现。

在热成形中，将常规切割的钢扁坯加热至奥氏体化温度，以使它随后在冷却的模具中同时热成形和冷却。通过强烈的冷却，其中冷却速率例如对于22MnB5而言必需至少为27K/s，结构从奥氏体完全转化成马氏体，且待加工至组件的材料在加压淬火状态下得到其所期望的高强度。此方法在技术领域中也以加压淬火的概念为人熟知。在此所使用的钢通常配有基于铝的涂层，例如AlSi涂层，以当钢板加热至奥氏体化温度时避免不合需要的氧化皮形成(Zunderbi ldung)。如此可实现，组件不必为了随后安装在交通工具结构(例如通过电阻点焊)和为了足够的油漆附着而去除附着的氧化皮，例如通过喷射。另外AlSi涂层在使用条件下通过屏障作用对保护组件免受腐蚀作出贡献。

当将钢板加热到奥氏体化温度时，对于例如钢板在加热炉中的停留时间的选择，要考虑两个条件。其中之一必需保证钢板完全热透，且另一方面要确保实现AlSi涂层完全全面的合金化。

为热成形设计的钢具有基于碳、锰和硼的合金设计。从申请人的商标下提供的MBW1500和MBW1900在加压淬火状态下达到约1500或1900MPa的抗拉强度。在加压淬火之后，对于两种材料，未涂覆和用AlSi涂覆的材料间存在剩余的残余延展性的差。其可在例如根据VDA238-100的薄板弯曲试验中证实，其中相对于未涂覆的材料，AlSi涂覆的材料的弯曲角度减小。这是因为，未涂覆的材料在加压淬火过程期间可发生更少的钢边缘脱碳。因此，在成形模具中冷却后，在此脱碳的边缘层内，局部设有比材料内部未脱碳区域更小的硬度，其中可形成更小硬度的马氏体结构或甚至是贝氏体结构。与内部未脱碳区域的马氏体相比，所述两种结构成型具有相对更高的残余延展性，其在弯曲负荷下对于初始裂纹形成具有更小的易受侵蚀性。此边缘脱碳过程尤其在AlSi涂覆的材料中通过涂层的存在而不出现，以至于钢的边缘层具有相对更高的裂纹敏感性。

未涂覆和经涂覆状态之间的延展性的差(通过可达到的弯曲角度来表现)随着热成形材料的升高的总强度而增加。与延展性基本上随着升高的强度而减小的基本趋势相叠加，可到达一个状态，在该状态中该热成形材料只在未涂覆状态下获得有利于轻构造的机械性质特征。

发明内容

本发明的任务是提供热成形材料，其可被制造成具有裂纹不敏感边缘层的、防腐蚀保护的、极高强度的组件。

通过具有权利要求1所述特征的热成形材料来解决此任务。

为了能够使用极高强度的热成形材料的轻型构造潜力，尤其不必考虑后续额外措施，如用于氧化皮去除的喷射，且就腐蚀而言能提供一定的屏障作用，根据本发明提出由三层材料复合物组成的热成形材料，该三层材料复合物包括由可淬火钢组成的核心层和两个材料配合地与核心层连接的、由软性钢组成的覆盖层，所述可淬火钢在加压淬火状态下具有抗拉强度>1600MPa和/或硬度>490HV10，尤其抗拉强度>1700MPa和/或硬度>520HV10，优选抗拉强度>1800MPa和/或硬度>550HV10，更优选抗拉强度>1900MPa和/或硬度>575HV10,再优选抗拉强度>2000MPa和/或硬度>600HV10，再优选抗拉强度>2100MPa和/或硬度>630HV10，再优选抗拉强度>2200MPa和/或硬度>660HV10，特别优选抗拉强度>2300MPa和/或硬度>685HV10，所述软性钢的抗拉强度最高对应于核心层在加压淬火状态下的抗拉强度的四分之一。根据本发明的热成形材料单面或双面配有腐蚀保护涂层，尤其基于铝的涂层。该两个覆盖层均仅用作为材料复合物的表面邻近区域提供类似于边缘脱碳的裂纹不敏感的边缘层，该边缘层补偿由整体极高强度的热成形钢(Rm>1600MPa)已知的，在未涂覆和配有腐蚀保护涂层(尤其基于铝的涂层)的材料之间的弯曲角度差。

本发明的意义中，该软性钢具有抗拉强度<600MPa和/或硬度<190HV10，尤其抗拉强度<550MPa和/或硬度<175HV10，优选抗拉强度<450MPa和/或硬度<140HV10，特别优选抗拉强度<380MPa和/或硬度<120HV10。该软性钢具有对于涂覆和/或变形能力而言表现特别积极的性质。

HV对应维氏硬度且根据DIN EN ISO 6507-1：2005至-4：2005来确定。

该根据本发明的热成形材料可由此在现有的热成形标准工艺中集成而不必进行工艺链中的改变。涂覆倾向(Beschichtungsneigung)和/或变形能力极大程度上由材料复合物表面的性质来确定，所述表面根据本发明由覆盖层作为类似功能层来提供。

该热成形材料可制作为幅形、板形或片形或提供于后续工艺步骤。

按照该热成形材料的第一个设计方案，除Fe和生产条件下不可避免的杂质以外，该核心层由以下以重量％组成：

C：0.27–0.8％，

Si：至高0.5％，

Mn：至高2.0％，

P：至高0.06％，

S：至高0.05％，

Al：至高0.2％，

Cr+Mo：至高1.0％，

Cu：至高0.2％，

N：至高0.01％，

Nb+Ti：至高0.2％，

Ni：至高0.5％，

V：至高0.2％，

B：至高0.01％，

As：至高0.02％，

Ca：至高0.01％，

Co：至高0.02％，

Sn：至高0.05％，

C是一种提升强度的合金元素且随着增加的含量有助于强度的提升，以至于存在至少0.27重量％，尤其至少0.30重量％，优选至少0.35重量％，更优选至少0.43重量％，更优选至少0.48重量％，特别优选至少0.51重量％的含量，以获得或设定所期望的强度。脆性也随着升高的强度而增加，以至于将含量限制于最大0.8重量％，尤其最大0.75重量％，优选最大0.68重量％，更优选最大0.65重量％，更优选最大0.62重量％，特别优选最大0.60重量％，以不负面影响材料性质并确保足够的可焊接性。

Si是一种合金元素，可有助于混合晶体淬火并可取决于含量地积极作用于强度提升，以至于可存在最小为0.05重量％的含量。该合金元素限制于最大0.5重量％，尤其最大0.45重量％，优选最大0.4重量％，以确保足够的可轧制性。

Mn是一种合金元素，可有助于可淬火性并可积极作用于抗拉强度，尤其用于与S结合成MnS，以至于可存在至少为0.3重量％的含量。该合金元素限制于最大2.0重量％，尤其最大1.7重量％，优选最大1.5重量％，以确保足够的可焊接性。

Al作为合金元素可有助于脱氧，其中可存在至少为0.01重量％，尤其为0.015重量％的含量。该合金元素限制于最大0.2重量％，尤其最大0.15重量％，优选最大0.1重量％，以基本上降低和/或避免材料中的析出(尤其以非金属氧化夹杂物的形式)，该析出可负面地影响材料性质。可例如将含量设定在0.02和0.06重量％之间。

Cr作为合金元素取决于含量也可有助于强度的调整，尤其积极有助于可淬火性，含量尤其为至少0.05重量％。该合金元素限制于最大0.8重量％，尤其最大0.6重量％，优选最大0.4重量％，以确保足够的可焊接性。

B作为合金元素可有助于可淬火性(尤其当结合N时)，且可以以至少为0.0008重量％的含量存在。该合金元素限制于最大0.01重量％，尤其最大0.008重量％，因为更高的含量不利地作用于材料性质且将导致材料硬度和/或强度的降低。

Ti和Nb作为合金元素可单独或以组合加入合金用于晶粒细化(Kornfeinung)和/或N结合，尤其当Ti以至少0.005重量％的含量存在时。为了N的完全结合，将以至少3.42*N的含量提供Ti。合金元素以组合计限制于最大0.2重量％，尤其最大0.15重量％，优选最大0.1重量％，因为更高的含量不利地作用于材料性质，尤其负面地作用于材料的韧性。

Mo、V、Cu、Ni、Sn、Ca、Co、As、N、P或S为合金元素，当它们不以特定性质的设定为目的而加合金时，可单独或以组合算作杂质。含量限制于最大0.2重量％Mo、最大0.2重量％V、最大0.2重量％Cu、最大0.5重量％Ni、最大0.05重量％Sn、最大0.01重量％Ca、最大0.02重量％Co、最大0.02重量％As、最大0.01重量％N、最大0.06重量％P、最大0.05重量％S。

基于铝的涂层下，该覆盖层由于其化学组成承担边缘脱碳的作用，其中它在加压淬火状态下在材料复合物中在所施加的涂层下形成与核心层相比更裂纹不敏感的层。除了Fe和生产条件下不可避免的杂质外，该覆盖层由以下以重量％组成：

C：至高0.06％，

Si：至高0.6％，

Mn：至高1.0％，

P：至高0.1％，

S：至高0.06％，

Al：至高0.2％，

Cr+Mo：至高0.5％，

Cu：至高0.3％，

N：至高0.01％，

Ni：至高0.3％，

Nb+Ti：至高0.25％，

V：至高0.05％，

B：至高0.01％，

Sn：至高0.05％，

Ca：至高0.01％，

Co：至高0.02％。

为了提高可变形性和/或可涂覆性，将C作为合金元素限制于最大0.06重量％，尤其最大0.05重量％，优选最大0.035重量％，其中C以最小0.001重量％存在。

Si为一种合金元素，其可有助于混合晶体淬火且积极作用于强度提升，以至于可存在至少为0.01重量％的含量。该合金元素限制于最大0.6重量％，尤其最大0.5重量％，优选最大0.4重量％，以确保足够的可轧制性和/或表面品质。

Mn为一种合金元素，其可有助于可淬火性，且积极作用于抗拉强度，尤其用于将S结合成MnS，以至于可存在至少为0.1重量％的含量。该合金元素限制于最大1.0重量％，尤其最大0.95重量％，优选最大0.9重量％，以确保足够的可焊接性。

Al作为合金元素可有助于脱氧，其中可存在至少为0.001重量％，尤其0.0015重量％的含量。将Al限制于最大0.2重量％，尤其最大0.15重量％，优选最大0.1重量％，以基本上减少和/或避免材料中的析出(尤其以非金属氧化夹杂物的形式)，该析出可负面地影响材料性质。

Cr作为合金元素取决于含量也可有助于强度调整并可以以尤其至少0.01重量％的含量存在。将Cr限制于最大0.35重量％，尤其最大0.3重量％，优选最大0.25重量％，以能够保证表面的基本上完全的可涂覆性。

B作为合金元素可有助于可淬火性(尤其当结合N时)，且可以尤其以至少0.0002重量％的含量存在。将该合金元素限制于最大0.01重量％，尤其最大0.005重量％，因为更高的含量不利地作用于材料性质且将导致材料中硬度和/或强度的降低。

Ti和Nb作为合金元素可单独或以组合加入合金用于晶粒细化和/或N结合，以尤其至少0.001重量％Ti和/或至少0.001重量％Nb的含量。为了N的完全结合，将以至少3.42*N的含量提供Ti。合金元素以组合计限制于最大0.25重量％，尤其最大0.2重量％，优选最大0.15重量％，因为更高的含量不利地作用于材料性质，尤其负面地作用于材料的韧性。

Mo、V、Cu、Ni、Sn、Ca、Co、N、P或S为合金元素，当它们不以特定性质的设定为目的而加合金时，可单独或以组合算作杂质。含量限制于最大0.15重量％Mo、最大0.05重量％V、最大0.3重量％Cu、最大0.3重量％Ni、最大0.05重量％Sn、最大0.01重量％Ca、最大0.02重量％Co、最大0.01重量％N、最大0.1重量％P、最大0.06重量％S。

根据该热成形材料的另一个设计方案，相对于热成形材料的总材料厚度，该覆盖层各自具有0.5％和20％之间，尤其1％和10％之间的材料厚度。覆盖层应该如此确定它的材料厚度，使得核心层的积极性质不被明显地负面影响，其中相对于热成形材料的总材料厚度，将覆盖层的材料厚度(每面)限制于最大20％，尤其最大15％，优选最大10％，特别优选最大4％，以这样确保源自该强度水平的轻型构造潜力，其中试图保持材料复合物(总)强度尽可能接近该极高强度的核心材料作为单片材料的水平。此外，核心层至热成形材料的表面具有一定的距离，使得能够提供与核心层相比裂纹不敏感的层，其中相对于热成形材料的总材料厚度，覆盖层的材料厚度(每面)至少占0.5％，尤其至少1％，优选至少2％。该热成形材料或三层材料复合物具有在0.6和8.0mm之间，尤其在1.2和5.0mm之间且优选在1.5和4.0mm之间的总材料厚度。

根据该热成形材料的另一个设计方案，通过包层，尤其是轧制包层，优选热轧制包层，或通过浇铸来制造该材料复合物。优选通过热轧制包层(如在例如德国专利DE102005006606B3公开的)来制造根据本发明的热成形材料。参考此专利并将其内容在此并入本申请。或者可通过浇铸制造根据本发明的热成形材料，且其制造的一种可能性公开在日本公开文本JP-A 03133630中。金属材料复合物的制造普遍从现有技术所知。

由于热负荷，例如在材料复合物制造期间，优选在热轧制包层期间和加压淬火期间，出现自核心层至覆盖层的方向上的C扩散。覆盖层越薄，渗碳越能从核心出来到达热成形材料的表面并导致弯曲角度落差的升高。为了保持在具有和没有腐蚀保护涂层状态下的差的不同尽可能的小，根据该热成形材料的另一个设计方案，核心层的C含量：覆盖层的C含量的比例>4，尤其>5，优选>6，尤其优选>7，更优选>8，以能够由此达到热成形材料(总)强度的更小落差的目的。

根据该热成形材料的另一个设计方案，在具有和没有腐蚀保护涂层的状态下，在三点弯曲试验中根据VDA238-100所测定的弯曲角度的差(ΔBW)，就此而言，该热成形材料满足以下关系。

为了计算无量纲强度关系F，将三层热成形材料中的核心层的抗拉强度与用作参考的单片热成形钢(对应常规使用的具有1500Mpa的抗拉强度的22MnB5型钢)的抗拉强度比较。热变形材料的目标区域的弯曲角度差按°计落在低于17°*F。如果该弯曲角度差落在高于17°*F，这意味着，该具有腐蚀保护涂层的热成形材料与未保护的材料相比太脆，且由此不能提供足够的、经济的轻型构造潜力。

根据第二个方面，本发明涉及通过加压淬火由根据本发明的热成形材料制造的组件，尤其用于制造汽车构造、铁路/轮船构造或航空和航天的部件。通过覆盖层形成了与核心层相比裂纹不敏感的层，使得配有基于铝的涂层的组件能够具有与单片热成形钢相比经改善的弯曲角度，该单片热成形钢具有与根据本发明的热成形材料的核心层一样的合金组成。

根据第三个方面，本发明涉及由根据本发明的热成形材料制造的组件在陆基交通工具的车身或底盘中的用途。在此其优选涉及载人机动车、商用车或巴士，其为具有内燃机、纯电动驱动或混合驱动的交通工具。组件可作为纵梁或横梁或柱在陆基交通工具中使用，例如将它作为型材设计，尤其在保险杠、门槛、侧面碰撞梁或要求在碰撞事故中几乎没有变形/侵扰的区域中作为碰撞型材。

附图说明

接下来通过图和实施例进一步说明本发明。

图1显示根据VDA238-100通过薄板弯曲试验测定不同样品的结果。

具体实施方式

由市售可得的扁钢产品通过热轧制包层产生具有三层材料复合物的热成形材料。使用表1中给出的钢作为覆盖层D1-D3，使用表2中给出的钢作为核心层K1-K6。表1和2中列出的抗拉强度是在加压淬火状态下的。总共排列24个不同的热成形材料(I-1至IV-6)，见表3。该热成形材料中的18个(I-1至III-6)中，基于热成形材料的总材料厚度，各个覆盖层具有每面10％的材料厚度，而在热成形材料(IV-1至IV-6)中，基于热成形材料的总材料厚度，覆盖层的材料厚度每面仅各占5％。

其中用两个覆盖层和一个布置于其间的核心层彼此堆叠成各个片坯件(Blechzuschnitte)，其中至少区域性地沿它们的边缘材料配合地(优选通过焊接)互相连接成预复合物(Vorverbund)。将该预复合物引至>1200℃的温度并在多个步骤中热轧成具有3mm总厚度的材料复合物并继续加工成具有1.5mm的冷带材。对该材料复合物或者说热成形材料用基于铝的涂层(各自具有20μm的层厚度的AlSi涂层)进行双面涂覆。所述层厚度可在5和30μm之间。

由所制造的热成形材料(I-1至IV-6)分割成扁坯。除了热成形材料外，还提供六种用AlSi涂覆的钢和六种未涂覆的钢(对应表2中的组成)作为对照，即无覆盖层的、具有1.5mm厚度的核心层。将该扁坯和经涂覆以及未涂覆的单片钢加热到奥氏体化温度，尤其高于A_C3(有关核心层)在炉中各加热约6分钟并热透且随后在经冷却的模具中各自热成形为相同的组件并冷却。冷却速率为>30K/s。核心层整个厚度基本上全部由马氏体组成，其中向覆盖层的过渡区域可另外含有铁氧体和/或贝氏体部分。在覆盖层中设有一种混合结构，其具有以下部分：铁氧体、贝氏体和部分马氏体。

从加压淬火的组件中切出样品，其根据VDA238-100经受薄板弯曲试验。结果整理在图1中。图1显示一个图表，其中在x轴上记录以[MPa]为单位的总抗拉强度，并在y轴上记录以[°]为单位相对未涂覆样品的弯曲角度差。显而易见的是，由核心材料组成的经基于铝的涂层(AlSi)涂覆的单片的经加压淬火的样品与未涂覆的对照物相比，在升高的强度的同时，显示最大的弯曲角度差。由根据本发明的热成形材料组成的经加压淬火的样品的值一律位于核心材料组成的单片经加压淬火的样品的下方。实施方案I-1至I-6具有太高的、与同样展示的单片热成形材料太相似的弯曲角度差，因为实施方案I-1至I-6的覆盖层具有C含量>＝0.07重量％。由于热负荷，这里出现自核心层向覆盖层的方向上的C扩散并减小软性覆盖层的作用。而在实施方案II-1和IV-6中，覆盖层的C含量却小于实施方案I-1至I-6中的，由此以缓冲的意义存在渗碳的更高可能性。由此产生更小的弯曲角度差。覆盖层的C含量在最高0.06重量％，尤其最高0.05重量％。通过以下关系式，使根据本发明的热成形材料(见图1中根据本发明的区域)与非根据本发明的实施方案区分开。

本发明不限制于所展示的实施例以及概述的实施方案。相反，根据本发明的热成形材料还可为定制产品的零件，例如作为定制的焊接坯料和/或定制轧制坯料的零件。

	C	Si	Mn	P	S	Al	Cr	Nb	Ti	B	Rm(Mpa)
												D3	0.003	0.02	0.13	0.01	0.012	0.325	0.05	0.005	0.007	0.0004	305
D2	0.0375	0.04	0.25	0.015	0.015	0.04	0.06	0.004	0.004	0.0006	319
												D1	0.07	0.205	0.8	0.02	0.006	0.04	0.075	0.02	0.004		458

表1

	C	Si	Mn	P	S	Al	Cr	Ni	Nb	Ti	V	B	Ca	Rm(Mpa)
															K1	0.35	0.25	1.3	0.01	0.0015	0.035	0.14		0.0015	0.0325		0.0028		1911
K2	0.42	0.225	1.3	0.02	0.003	0.035	0.35		0.003	0.0275		0.003	0.0013	2093
															K3	0.45	0.07	0.62	0.01	0.004	0.04	0.22		0.002	0.026		0.003		2304
K4	0.48	0.22	1.2	0.01	0.002	0.035	0.24		0.002	0.03		0.0032	0.002	2400
															K5	0.53	0.23	1.19	0.01	0.003	0.03	0.58	0.2	0.002	0.025	0.02	0.003		2518
K6	0.61	0.39	1.6	0.01	0.003	0.04	0.73		0.0025	0.03		0.0035	0.002	2731

表2

表3