CN100471595C - 使用钢板的高强度部件的热压方法和热压部件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供使用了高温成形后可得到1200MPa以上的强度、且氢脆的可能性极小的热轧·冷轧钢板、镀Al系钢板或镀Zn系钢板的热压方法和热压部件。本发明的高强度汽车部件的热压方法，其特征在于，使用钢成分中含有0.05～0.5质量%的C的钢板、或实施了以Al或Zn为主体的镀覆的钢板，采用热压法制造汽车部件时，将冲压前的加热温度规定为Ac3以上、1100℃以下，将加热气氛的氢浓度规定为6体积%以下，露点规定为10℃以下。本发明的热压部件使用所述的热压方法制成。
Description
技术领域
本发明涉及使用冷轧、热轧钢板或者镀Al系或镀Zn系的钢板制造汽车的立柱、车门内防撞梁、保险杠梁等强度部件时的热压方法和热压部件。
背景技术
由于因地球环境问题而引发的汽车的轻量化，需要尽可能使汽车所使用的钢板高强度化，但一般对钢板进行高强度化时，延伸率和r值降低，成形性劣化。为了解决这样的课题，特开2000-234153号公报中公开了一种在中温进行成形、利用此时的热来谋求强度提高的技术。在该技术中，适当控制钢中成分，在铁素体温度区进行加热，利用在该温度区中的析出强化来使强度提高。
另外，特开2000-87183号公报出于提高冲压成形精度的目的，提出了一种在成形温度下的屈服强度比在常温下的屈服强度大大降低的高强度钢板。可是，在这些技术中，具有所得到的强度有限的可能性。另一方面，出于得到更高的强度的目的，特开2000-38640号公报提出了一种成形后加热至高温的奥氏体单相区，在其后的冷却过程中相变成为硬质相的技术。
可是，当成形后进行加热·急速冷却时，存在在形状精度上产生问题的可能性。作为克服该缺点的技术，文献(SAE、2001-01-0078)、和特开2001-181833号公报公开了这样的技术：将钢板加热至奥氏体单相区，其后在冲压成形过程中，采用由钢成分确定的马氏体相变的临界冷却速度以上的冷却速度实施冷却。前者的文献中公开了下述内容：为了抑制加热时表面的氧化皮发生而使用镀Al钢板。在本发明中将这样的冲压工序称为热压。
作为与使用这样的镀覆钢板的热压相关的现有技术，可举出以下的技术。在特开2003-147499号公报中，公开了将采用由Fe-Zn合金构成的镀层被覆的钢板用于热压的例子，另外，特开2003-41343号公报公开了将采用由Fe-Al合金构成的镀层被覆的镀Al系钢板用于热压的例子。
另外，特开2002-282951号公报公开了这样的例子：作为使用冲模(dies)和冲头来冲压被加热的金属板材的方法，从成形性和淬火性的观点出发规定了模具的间隙。
发明内容
这样，汽车等所用的高强度钢板，越是高强度化就越存在上述的成形性问题，特别是在超过1000MPa那样的高强度材料中，象以往所知的那样存在氢脆(也有时称为应变时效开裂、滞后破坏)这一本质的课题。因此，用作为热压用钢板的场合，降低坯材的氢量变得重要。
本发明是为解决上述课题而作出的发明，提供一种使用了在高温成形后可得到1200MPa以上的强度，并且氢脆的可能性极小的热轧冷轧钢板、镀Al系钢板或镀Zn系钢板的热压方法和热压部件。
本发明者们为了解决上述课题而实施了各种研讨。其结果发现，控制冲压前的加热至奥氏体单相区时的气氛和温度对制造耐氢脆性优异的热压部件是极为重要的。也就是说，当该加热时的气氛中含有氢时，该氢侵入钢板中，另外，即使含有水分，也同样具有氢侵入钢板中的可能性，因此减少这些成分是重要的。另外，为了防止氢脆，适当选择模具的间隙是重要的。基于所述的知识见解的本发明的要旨如下。
(1)一种高强度汽车部件的热压方法，其特征在于，使用钢成分中含有0.05～0.5质量％的C的钢板、或实施了以Al或Zn为主体的镀覆的钢板、采用热压法制造汽车部件时，将冲压前的加热温度规定为Ac3以上、1100℃以下，将加热气氛中的氢浓度规定为6体积％以下，露点规定为10℃以下。
(2)如(1)所述的高强度汽车部件的热压方法，其特征在于，加热气氛中的氢浓度为1体积％以下，露点为10℃以下。
(3)如(1)或(2)所述的热压方法，其特征在于，将加热后的钢板导入压力机进行成形时的冲模和冲头间的间隙(clearance)是所用钢材的板厚度的1.0～1.8倍。
(4)一种热压部件，其特征在于，使用(1)～(3)的任1项所述的热压方法制成。
附图说明
图1是实施例的加工试验所使用的帽形状的模具的外形图。
具体实施方式
下面说明本发明的限定理由。
如上述那样，本发明将热轧、冷轧钢板、或镀Al系、镀Zn系的钢板加热至700℃以上之后，进行热成形，立即在模具中冷却、淬火，得到所希望的强度，在本发明中，对加热、冲压成形前的钢板作了规定。作为钢板成分，需要淬火性优异，为此需要C量为0.05％以上，优选为0.1％以上。关于其他的钢中元素，有时添加Si、Mn、Ti、B、Cr、Mo、Al、P、S、N等元素。Si对疲劳特性有效果，含有Si的场合优选为0.05～1％。Mn、B、Cr、Mo有助于提高淬火性，在含有这些元素的场合，优选为Mn：0.5～3％、B：0.05％以下、Cr：2％以下、Mo：0.5％以下。Ti、Al提高镀Al系钢板的抗氧化性，在含有这些元素的场合优选为Ti：0.5％以下、Al：0.1％以下。
可想到作为镀层种类施加了Al系或Zn系镀层的钢板，当将这些钢板用于热压时，能够抑制表面的氧化铁生成，并赋予耐蚀性。
首先对Al系镀层的构成进行叙述。现在已面向各种用途制造了镀Al系钢板，本发明能够使用这些钢板。有这样的钢板：作为Al系镀层的构成，以Al为主成分，为了抑制热浸镀Al时的合金层生成，优选含有3～15％的Si。此外，作为使镀层的耐蚀性更加提高的元素，有Cr、Mg、Ti、Sn等，也可以添加这些元素。此时，优选含有Cr：0.1～1％、Mg：0.5～10％、Ti：0.1～1％、Sn：1～5％。再者，Al系镀层中以杂质形式含有Fe，该Fe的量通常为0.05～0.5％。
再者，加热后表面可生成FeAl3、Fe2Al5、Fe3Al、Fe2Al8Si等金属间化合物。这些相有形成多层结构的倾向，典型的成为5层结构，但这些相的结构为怎样的相结构并不损害本申请发明的要旨。另外，作为其组成，以Al、Fe为主成分，在Al镀浴中添加有Si时，也含有5～10％左右的Si。这些元素的组成合计占90％以上。另外也可以有残存微量的未合金化的AI的情况，但如果为少量则对性能没有特别影响。加热后Al系的氧化物、氮化物覆盖表面，但关于它们的量不作特别规定。
接着对Zn系镀层的构成进行叙述。镀Zn系钢板现在已制造了各种组成的钢板，本发明能够使用这些钢板。作为代表性的Zn系镀层的构成，可举出如下的构成：Zn-0.2％Al、Zn-5％Al-0.1％Mg、Zn-5％Al-0.1％Mg-混合稀土合金、Zn-7％Al-3％Mg、Zn-11％Al-3％Mg-0.1％Si、Zn-55％Al-1.6％Si等等。此外，也有用Zn-0.1％Al浴镀覆之后进行加热从而变成为Zn-10％Fe那样的构成。此外，作为使镀层的耐蚀性更加提高的元素，有Cr、Mg、Ti、Sn等，也可以添加这些元素。此时，优选含有Cr：0.1～1％、Mg：0.5～10％、Ti：0.1～1％、Sn：1～5％。
再者，加热后表面上可生成ζ、δ1、Γ、Γ1相等金属间化合物、固溶了Zn的铁素体相。这些相可层状地分布、或粒状地分布，但它们的相结构为怎样的相结构并不损害本申请发明的要旨。另外，作为其组成，如果是含有Al的镀层，则也会有生成上述的Fe-Al系化合物的情况。Zn系镀层的场合，加热后生成Zn系、或Al系的氧化膜，但即使生成这些物质也并不损害本发明的要旨。
关于Al系、Zn系镀层的附着量、镀前处理、镀后处理，并不特别限定，但镀层附着量优选为单面50g/m2以上。原因是镀层附着量越多，加热时的抑制氧化的效果、加热、成形后制成部件时的耐蚀性越提高。作为镀后处理，以一次防锈、润滑性为目的，可有铬酸盐处理、树脂被覆处理等，但由于有机树脂一加热就消失，因此不优选。铬酸盐处理若考虑近年的6价铬限制，也优选电解铬酸盐等的3价的处理皮膜。在耐蚀性优异的镀Al系钢板的场合，不赋予铬酸盐皮膜，只进行涂油也可以。
在本发明中对加热时的温度和气氛进行了规定，该温度规定为Ac3以上、1100℃以下。这是因为，为了使钢板完全相变成奥氏体单相区，需要为Ac3温度以上，另一方面，若加热温度过高则表面将发生氧化、或氢向钢中的侵入变得活跃。在使用Zn系镀层的场合，除此以外，由于Zn的沸点为约910℃，因此当为太高的温度时，Zn完全蒸发，钢板的氧化变得激烈，因此优选1000℃为上限。更优选上限温度为920℃。下限温度优选为800℃。原因是即使加热至Ac3温度以上，加热后从炉中取出钢板转送至压力机期间温度也会降低，从而会生成铁素体。
加热气氛中，将氢浓度规定为6体积％以下。这是因为，如上述那样，氢向钢中侵入，从而提高氢脆的可能性的缘故。氢浓度的下限不特别设定，氢浓度低为好。更优选氢量为1％以下。本发明发现气氛中的水分也同样能够以氢的形式容易地侵入到钢中。因此，优选气氛中的水分也低，从实用上看，通过测定露点来测定水分量，将露点的上限规定为10℃。再者，关于露点和水分量的换算已知有下式，作为此时的水分量为1.2体积％。特别是使用镀Zn系钢板时，气氛中含有氧时存在在钢板表面形成Zn的氧化物，抑制Zn的蒸发的倾向。因此，使用镀Zn系钢板时，优选在气氛中含有1～21％的氧。另外，不仅镀覆钢板，对于未实施镀覆的钢板(裸材)，在加热中也有氢的侵入，因此加热气氛中的氢浓度和水分量的管理是必要的。
数学式1
pH2O：氢浓度(体积分率)；Tdp：露点(绝对温度)
关于加热方法不设特别的规定，可以采用辐射管等进行辐射加热，也可以采用感应加热、通电加热等。此时的加热速度也不限定。这当然大大依赖于板厚度、形状。
热压具有下述特征：从奥氏体相冷却，得到淬火组织，当然加热后的冷却速度的影响也大。本发明中，需要在由钢成分决定的用于得到马氏体组织的临界冷却速度以上进行冷却，作为目标值的、从700℃到350℃的平均冷却速度优选为15℃/秒以上。可以认为，该冷却速度依赖于钢成分，对于淬火性良好的钢而言，即使采用20℃/秒左右的冷却速度，也可得到所希望的以马氏体为主体的组织，根据钢种不同，有时需要30℃/秒左右的冷却速度。
冲压时，冲模和冲头的间隙(clearance)是重要的因子之一，在本发明中，该间隙优选是板厚度的1.0～1.8倍。可以认为，若间隙狭窄则板难以进入，变成减薄拉深加工，因此钢板表面会发生粘着，存在成为氢脆的起点的可能性。另外可认为，若间隙宽，则存在难以被淬透的倾向，在部件中产生强度不匀，部件内残留残余应力，氢脆化的可能性提高。
实施例
下面利用实施例更详细地说明本发明。
实施例1
将具有如表1所示那样钢成分的板厚度1.4mm的冷轧钢板在各种条件下加热，然后用图1所示的帽形状的模具进行成形。间隙规定为板厚度的1.1倍。然后在帽的边缘部进行10个点的Φ5mm、间隙0.5mm(两侧)的冲孔，经过7天后用20倍的放大镜观察冲孔部，判定有无微小裂纹。加热是将试样***到已控制气氛的电炉内来进行的。直到900℃为止的升温时间大致为4分钟，从炉到压力机的时间为约10秒，冲压开始温度为约750℃。冷却在模具中进行，从700℃到350℃的平均冷却速度为40℃/秒。表2示出加热条件和有无微小裂纹。再者，进行帽状成形后切取一部分在载荷10kgf下测定维氏硬度，结果总体的水平在Hv：410～510的范围，组织显示出马氏体组织。另外，热压后在这些钢板的表面产生了氧化铁。
实施例1的No.7由于露点高，因此发生了5个以上的微小裂纹。No.1和No.3由于氢量为1％以上，因此发生了少量的裂纹。
表1
| 符号 | C | Si | Mn | P | S | Al | N | Ti | Cr | Mo | B |
| A | 0.15 | 0.1 | 2.1 | 0.01 | 0.004 | 0.03 | 0.004 | 0.02 | 0.4 | 0.01 | 0.003 |
| B | 0.21 | 0.2 | 0.9 | 0.02 | 0.005 | 0.015 | 0.005 | 0.01 | 0.9 | 0.4 | 0.004 |
| C | 0.27 | 0.15 | 0.88 | 0.01 | 0.002 | 0.02 | 0.004 | 0.02 | 0.23 | 0.5 | 0.003 |
表2
微小裂纹的发生情况的评分
10个点中的微小裂纹的个数合计量：o：0个；○：1个；△：小于5个；×：5个以上。
实施例2
将经过通常的热轧、冷轧工序的、如表3所示那样的钢成分的冷轧钢板(板厚度1.4mm)作为材料进行热浸镀Al。热浸镀Al使用无氧化炉-还原炉类型的生产线，镀后采用气体摩擦法将镀层附着量调节成单面80g/m2，然后冷却。此时的镀浴组成为Al-10％Si-2％Fe，浴温为660℃。浴中的Fe是由镀覆设备或板条供给的不可避免的元素。镀层外观没有未镀覆等，为良好。将这样制造的热浸镀Al钢板在各种的条件下加热，然后用图1所示的帽形状的模具进行成形。间隙规定为板厚度的1.1倍。然后在帽的边缘部进行10个点的Φ5mm、间隙0.5mm(两侧)的冲孔，经过7天后用20倍的放大镜观察冲孔部，判定有无微小裂纹。加热是将试样***到已控制气氛的电炉内来进行的。直到900℃为止的升温时间大致为4分钟，从炉到压力机的时间为约10秒，冲压开始温度为约750℃。冷却在模具中进行，从700℃到350℃的平均冷却速度为40℃/秒。表4示出加热条件和有无微小裂纹。再者，进行帽状成形后切取一部分在载荷10kgf下测定维氏硬度，结果总体的水平在Hv：410～510的范围，组织显示出马氏体组织。另外，热压后在这些钢板的表面未发生氧化铁。
表3
| C | Si | Mn | P | S | Al | N | Ti | Cr | Mo | B |
| 0.22 | 0.21 | 1.20 | 0.02 | 0.003 | 0.027 | 0.003 | 0.002 | 0.18 | 0.02 | 0.0018 |
表4
微小裂纹的发生情况的评分
10个点中的微小裂纹的个数合计量：○：0个；○：1个；△：小于5个；×：5个以上。
如表4所示，根据加热气氛和温度不同，侵入到钢中的氢量也发生变化，对微小裂纹的敏感性也发生变化。氢浓度为10vol％的No.5、露点为15℃的No.7可看到发生了5个以上的裂纹。随着氢浓度、露点降低，裂纹的发生越发被抑制，但在No.6、10、15那样的场合，发生了少许的裂纹。
实施例3
使用具有如表5所示那样的钢成分的板厚度1.4mm的冷轧钢板，实施了各种的Zn系镀覆。此时的镀层种类和浴成分、浴温示于表6。使用这些镀Zn系钢板，与实施例1同样地进行帽状成形，冲孔加工后观察了微小裂纹的进入方式。此时的加热条件和裂纹发生状况的关系示于表7。冷却在模具中进行，从700℃到350℃的平均冷却速度为20℃/秒。与实施例1同样地测定了成形后的截面硬度，全部在Hv：410～510之间，组织也显示出马氏体组织。另外，热压后在这些钢板的表面未发生氧化铁。
表5
| 符号 | C | Si | Mn | P | S | Al | N | Ti | Cr | Mo | B |
| A | 0.15 | 0.1 | 2.1 | 0.01 | 0.004 | 0.03 | 0.004 | 0.02 | 0.4 | 0.01 | 0.003 |
| B | 0.21 | 0.2 | 0.9 | 0.02 | 0.005 | 0.015 | 0.005 | 0.01 | 0.9 | 0.4 | 0.004 |
| C | 0.27 | 0.15 | 0.88 | 0.01 | 0.002 | 0.02 | 0.004 | 0.02 | 0.23 | 0.5 | 0.003 |
表6
| 符号 | 镀层组成 | 单面附着量(g/m<sup>2</sup>) | 浴温(℃) |
| GI | Zn-0.2％Al | 85 | 460 |
| GA | Zn-10.5％Fe | 70 | 460 |
| GL | Zn-55％Al-1.6％Si | 75 | 610 |
| GAM | Zn-6％Al-3％Mg | 65 | 420 |
| GAMS | Zn-11％Al-3％Mg-0.1％Si | 80 | 430 |
表7
微小裂纹的发生情况的评分
10个点中的微小裂纹的个数合计量：○：0个；○：1个；△：小于5个；×：5个以上。
与实施例1、2同样，表7的No.7由于露点高，因此发生了微小的裂纹。No.1、No.3由于氢量大于1％，因此发生了少许的微小裂纹。另外，No.1～3由于氧浓度低，因此可看到与炉内的Zn的蒸发相伴的炉内的污染、钢板表面的劣化。
实施例4
使用经过通常的热轧、冷轧工序的、如表8所示那样的钢成分的冷轧钢板(板厚度1.4mm)作为材料。其一部分实施了热浸镀Al、或热浸镀Zn系。热浸镀使用无氧化炉-还原炉类型的生产线，镀后采用气体摩擦法调节镀层附着量，然后冷却，所得到的镀层的外观没有未镀覆等，为良好。镀层种类和浴成分、浴温示于表9。
表8
| C | Si | Mn | P | S | Al | N | Ti | Cr | Mo | B |
| 0.22 | 0.21 | 1.20 | 0.02 | 0.003 | 0.027 | 0.003 | 0.002 | 0.18 | 0.02 | 0.0018 |
表9
| 符号 | 镀层组成 | 单面附着量(g/m<sup>2</sup>) | 浴温(℃) |
| AL | Al-10％Si-2％Fe | 80 | 660 |
| GI | Zn-0.2％Al | 85 | 460 |
| GA | Zn-10.5％Fe | 70 | 460 |
将这样制造的钢板在各种的条件下加热，然后用图1所示的帽形状的模具进行成形。热压时的间隙示于表10。然后在帽的边缘部进行10个点的Φ5mm、间隙0.5mm(两侧)的冲孔，经过7天后用20倍的放大镜观察冲孔部，判定有无微小裂纹。加热是将试样***到已控制气氛的电炉内来进行的。直到900℃为止的升温时间大致为4分钟，从炉到压力机的时间为约10秒，冲压开始温度为约750℃。冷却在模具中进行，从700℃到350℃的平均冷却速度为40℃/秒。表10示出加热条件和有无微小裂纹。再者，进行帽状成形后切取一部分在载荷10kgf下测定维氏硬度，结果总体的水平在Hv：410～510的范围，组织显示出马氏体组织。
表10
微小裂纹的发生情况的评分
10个点中的微小裂纹的个数合计量：○：0个；○：1个；△：小于5个；×：5个以上。
表10的No.1、7、13，由于热压时的模具的间隙在规定的下限以下，因此可看到5个以上的微小裂纹。表10的No.6、12、18，由于热压时的模具的间隙在规定的上限以上，因此发生强度不匀，部件内残留残余应力，可看到5个以上的微小裂纹。No.5、11、17，由于热压时的模具的间隙大，因此显示出发生强度不匀、部件内残留残余应力的倾向，因此发生了少许的微小裂纹。
产业上的可利用性
根据本发明，能够使用热轧、冷轧钢板、镀Al系钢板或镀Zn系钢板，采用热压工艺法制造高强度部件，并且能够不发生氢脆地使用。
Claims (4)
1.一种高强度汽车部件的热压方法，其特征在于，使用钢成分中含有0.05～0.5质量％的C、2质量％以下的Cr的、未实施镀覆的热轧或冷轧钢板，采用热压法制造汽车部件时，将冲压前的加热温度规定为Ac3以上、1100℃以下，将加热气氛的氢浓度规定为2体积％以下，露点规定为-10℃以上、6℃以下，将氧浓度规定为0.3～21体积％。
2.一种高强度汽车部件的热压方法，其特征在于，使用在钢成分中含有0.05～0.5质量％的C、2质量％以下的Cr的钢板上实施了以Al为主体的镀覆的钢板，采用热压法制造汽车部件时，将冲压前的加热温度规定为Ac3以上、1100℃以下，将加热气氛的氢浓度规定为2体积％以下，露点规定为-20℃以上、7℃以下，将氧浓度规定为0.3～21体积％。
3.一种高强度汽车部件的热压方法，其特征在于，使用在钢成分中含有0.05～0.5质量％的C、2质量％以下的Cr的钢板上实施了以Zn为主体的镀覆的钢板，采用热压法制造汽车部件时，将冲压前的加热温度规定为800℃以上、1000℃以下，将加热气氛的氢浓度规定为2体积％以下，露点规定为-10℃以上、6℃以下，将氧浓度规定为1～21体积％。
4.一种热压部件，其特征在于，使用权利要求1～3的任1项所述的热压方法制成。
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