CN111618146A - 一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法及热冲压成型构件 - Google Patents

一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法及热冲压成型构件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法，属于冶金材料以及热冲压工艺技术领域，包括以下步骤：对锌基镀层涂覆钢材进行预热；加热预热后的钢材，完成钢材的完全奥氏体化，转移后热冲压成型、淬火。该热冲压方法能够有效减少钢板裂纹，降低裂纹深度，进而提升钢板力学性能。本发明还公开一种锌基镀层涂覆钢材热冲压成型构件。

Description

一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法及热冲压成型构件
技术领域
本发明属于冶金材料以及热冲压工艺技术领域，具体的，涉及一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法及热冲压成型构件。
背景技术
汽车“轻量化”可直接减少排放，降低油耗，是当今汽车制造业发展的主要方向和目标。高强度和超高强度钢的使用对汽车车身轻量化具有积极有效的作用，但随着车身用钢强度不断提高，其塑性出现大幅度下降、成形性能大大降低，成形过程中易产生开裂和回弹，严重影响零件的形状和尺寸精度。热冲压成形技术利用高温下易成型无回弹特性和模具的淬火冷却，可获得大于1300MPa的超高强度零件，可很好的解决冷成型易开裂、回弹严重等问题。
现有的热冲压成型方法主要有两种，即直接热冲压和间接热冲压。直接热冲压方法中，钢板直接加热至奥氏体化温度以上，并保温一定时间使钢板组织达到完全奥氏体化。之后，将加热的钢板转移至成型模具并且在其中以一步成型工艺成型为成品构件并同时借助于模具的冷却(模具的冷却速度大于钢板的临界冷却速度)实现淬硬完成马氏体转变。间接热冲压方法中，首先以多步骤成型工艺，将构件成型至几乎完全完成(一般是预成型90％)。再将其放到加热炉中加热至完全奥氏体化并保温一段时间。之后将加热的元件转移到元件最终尺寸的成型模具中，这里需要特别注意的是需考虑到预先成型的元件的热膨胀。在具体的冷却模具结束后，预先成型的元件在模具中以大于临界冷却速度的冷速冷却从而达到硬化。直接热冲压方法更容易实现，但是仅允许生产形状上相对简单的零件。间接热冲压工艺更复杂，但是同时可以生产更复杂形状的零件。
另外，为避免热冲压钢板表面产生氧化皮和脱碳，同时使热冲压钢板耐腐蚀性高，目前，用于热冲压成形钢的镀层主要包括Al～Si镀层、Gl镀层、GA镀层、X～TEC镀层和 Zn～Ni镀层。Al～Si镀层、Gl镀层和GA镀层已经商业化应用，然而很少见到X～TEC镀层和ZnNi镀层的商业化应用。锌基镀层的热冲压钢板，不仅可以防止加热过程中的表面氧化和脱碳，后续无需喷丸工序，还能提供牺牲阳极保护作用，提高漆装后的防腐蚀性能。
然而，在直接热冲压过程中，锌基镀层的热冲压钢板存在的问题是：钢板脆化、零件产生表面裂纹并扩展至基体，导致强度降低等问题，从而影响钢板的使用。使用间接热冲压工艺在随后的成型后淬硬过程中，可减少基体裂纹的数量，但同样无法避免裂纹，而且多步骤预成型提高了零件的生产成本。
申请号为CN108138282A的热压用镀锌钢板和热压成形品的制造方法，提供一种在热压工序中，能够使用于抑制LME龟裂的发生的加热短时间化的镀锌钢板，和使用该镀锌钢板，进行热压而得到的热压用镀特钢板，其具有的特征在于，其镀锌层与基体钢板的界面在基体钢板侧存在内部氧化物，能够缩短用于抑制LME的加热时间，未涉及冲压成形方法。
授权号为CN107127238B的一种锌系镀覆钢板或钢带的热冲压成型方法，通过使用钢板离开退火炉时施加预冷装置，将钢板以大于30℃/s的冷却速度冷却至650～700℃，再根据零件形状和尺寸进行落料，之后将钢板快速转移至模具中进行热冲压成形，在所述模具中以高于30℃/s的速度淬硬，热冲压成形温度保持在400℃到650℃之间。可避免由于局部应力和液态金属脆性(LME)导致的基板裂纹，用以解决目前的锌基热冲压成型钢无法避免基板裂纹的问题。此专利通过预冷却至较低温度进行热冲压，较低温度成形增加了变形抗力，增加模具损耗成本，同时增加预冷却装置，提高了生产成本。
发明内容
为了解决锌基镀层的热冲压钢板产生裂纹的技术问题，本发明提供了一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法，该热冲压方法能够有效减少钢板裂纹，降低裂纹深度，进而提升钢板强度。
本发明还公开一种锌基镀层涂覆钢材热冲压成型构件。
本发明通过以下技术方案实现：
一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法，包括：
对锌基镀层涂覆钢材进行预热，预热温度为500～800℃，保温60～300s，预热过程中，室温至430℃间的加热速率V1＜15℃/s，达到430℃后加热速率V2＜10℃/s；
加热预热后的钢材，完成钢材的完全奥氏体化，转移后热冲压成型、淬火。
其中，所述加热预热后的钢材的方法为：预热后的钢材加热至Ac3以上温度，保温60～200s。
进一步的，完全奥氏体化的钢材转移时间＜10S，热冲压成型温度为550～720℃，热冲压保压压力200～1000吨，保压时间3～15秒。
一种锌基镀层涂覆钢材，锌基镀层涂覆钢材基板的化学成分，按重量百分比为，C：0.15～0.40，Si：0.02～0.5，Al：0.02～1.5，Mn：0.5～3.6，Cr：0.01～0.7，Mo： 0.01～0.7，B：0.001～0.005，S：≤0.005，P：≤0.01，N：≤0.015，0：≤0.003；
其中，0.1％≤(Cr+Mo)≤1.0％；还添加Ti：0.01～0.15，Nb：0.01～0.15，V：0.01～0.15中的任一种或多种，且需同时满足：
0.03％≤(Ti+Nb+V)≤0.45％；其余为Fe和不可避免杂质。
进一步的，基板上锌基镀层厚度为3-30μm，锌基镀层包含重量百分比≤3％的铝。
一种锌基镀层涂覆钢材的制备方法，包括：
铸坯经热轧、酸洗和冷轧形成冷硬钢带；
冷硬钢带退火镀锌处理，经光整，拉矫调整板形，卷取成钢卷。
其中，所述冷硬钢带制备工艺如下：
原料经冶炼、铸造得所述铸坯，铸坯加热出炉温度1100～1280℃，热轧终轧温度750～950℃，热轧卷取温度500～700℃，得到热轧卷，热轧后酸洗，然后冷轧形成钢带，冷轧压下量为40～80％。
进一步的，所述退火镀锌处理方法如下：
将所述冷硬钢带升温至720-850℃，保温后连续退火，以5-50℃/s冷却至热浸镀温度后在锌锅进行热镀锌；所述锌锅温度为400℃-520℃，热浸镀时间2-20s，热浸镀后以3-50℃/s冷却至200℃以下。
一种锌基镀层涂覆钢材热冲压成型构件，采用上述一种锌基镀层涂覆钢材通过上述热冲压方法制得。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法，将制得的锌基镀层涂覆钢材经热冲压方法成型，通过调整钢板成分配比，改进热冲压工艺，在保障钢板的抗拉强度、屈服强度、延伸率等性能不低于传统热冲压钢板的同时，将热冲压成型构件裂纹扩展至基板的深度降低至≤5μm，有效解决了现有热冲压工艺产生的钢板脆化和裂纹问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明热冲压成型的工艺流程图。
图2是本发明实施例1预热后镀层组织扫描电镜(SEM)图：图中底部灰色部分为基体，基体上方灰白色部分为镀层。
图3为本发明实施例3预热后镀层组织扫描电镜(SEM)图：图中底部灰色部分为基体，基体上方灰白色部分为镀层。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
我们在研究中发现，锌基镀层的热冲压钢板存在的脆化、裂纹问题，主要原因在于，锌基镀层在900℃的高温下液化致使钢板脆化，即LME(Liquid Metal Embrittlement，液体金属脆化)，从而使零件在高温冲压成型过程易产生表面裂纹并扩展至基体，导致强度降低等问题，从而影响钢板的使用。
本申请对钢材(钢板、钢带或钢卷)热冲压成型工艺进行改进。通过在钢材的奥氏体化工艺前，增加预热工序，预热温度在500～800℃，保温120～300s，预热过程中，室温至430℃间的加热速率V1＜15℃/s，达到430℃后加热速率V2＜5℃/s。
预热温度超过锌元素熔点后，减小预热升温速率，使钢板表面的Fe原子充分扩散至锌层，形成部分Zn-Fe合金，镀层中Fe元素含量＞10％，锌铁合金可有效提高镀层熔点，避免镀层融化，减少Zn元素挥发。避免了锌基镀层在900℃的高温下液化致使钢板脆化，致使冲压成型过程产生裂纹。并且，还避免了为了防止镀层中Zn的蒸发，较窄的奥氏体化窗口对钢板应用的限制。
热冲压成型工艺结合申请人对钢材成分及配比的调整，二者协同作用下，可以进一步减少裂纹的发生，减小裂纹深度。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的锌基镀层涂覆钢材热冲压成型工艺进行详细说明。
实施例1
本实施例一种锌基镀层涂覆钢材热冲压成型构件，其基板各成分重量百分比(wt，％)含量为：C：0.22，Si：0.43，AI：0.039，Mn：1.3，Cr：0.2，Mo：0.02，B： 0.003，Ti：0.025，Nb：0.045，V：0.06，S：0.0030，P：0.009，N：0.0050，0： 0.001，其余为Fe和不可避免杂质。
具体制造方法如下：
1)经冶炼、铸造、热轧、酸洗冷轧形成冷硬钢带：
经冶炼、铸造得铸坯；铸坯加热出炉温度1100～1280℃，热轧终轧温度890℃，热轧卷取温度620℃，得到热轧卷；热轧后常规酸洗，去取表面氧化皮；酸洗后冷轧形成钢带，冷轧压下量为65％。
2)镀锌前处理工序，主要包括碱性或酸性溶液去油、水清洗、电解去油、酸洗、水清洗等，主要目的为去除酸轧后基板表面的油脂，残铁等杂质，使带钢表面保持洁净。
3)退火镀锌处理工序：
将所述冷硬钢带进行涂覆热镀锌退火，具体为，冷硬钢带升温至720-850℃，保温后连续退火，以15℃/s冷却至热浸镀温度后在锌锅进行热镀锌；所述锌锅温度为450℃，锌液铝含量≤3％，热浸镀时间4s，热浸镀后以10℃/s冷却至200℃以下，镀锌3-30μm。
4)经剪切、落料，并预加热至760℃保温60s，在室温至430℃间的加热速率V1为 10℃/s，在430℃至750℃加热速率V2为7℃/s。
5)将预加热钢板输送至930℃的加热炉中保温140s，再将钢板转移出加热炉冷却至 720℃，然后转移至模具中冲压成型淬火，淬火冷却速度≥30℃/s，保压压力700吨，模内淬火8s，然后取出冷却到室温。
由于本发明钢板C含量较高，冷轧压下易导致轧机负担过大，同时为保证相当的压下率控制晶粒尺寸满足力学性能要求，因此压下率优选80％以下、可进一步优选为40-75％。
具体的，所述的热冲压成型构件，预加热后基板Fe元素向锌基镀层中扩散，所述的预加热后构件镀层体系中Fe元素含量约为40％；提高了镀层熔点，有效抑制了LME。
优选的，热冲压成形温度为720℃，可有效提高生产效率。
步骤5)中，奥氏体化还可通过横向磁通感应加热等方式加热Ac3以上温度，并保温60-180s，采用横向磁通感应加热时，相对于传统的燃料加热不仅具有加热速度快、加热精度高、产生污染少，便于实现自动化管理等优点，还具有无功功率小，有效节约能源等优势。
实施例2
本实施例提供的一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法及其热冲压成型构件，其基板成分重量百分比(wt，％)含量为：C：0.32，Si：0.43，Al：0.039，Mn：1.6，Cr：0.12， Mo：0.12，B：0.003，Ti：0.025，Nb：0.045，S：0.0025，P：0.006，N：0.0045，0： 0.001，其余为Fe和不可避免夹杂；其制造方法主要包括以下步骤：
1)经冶炼、铸造、热轧、酸洗冷轧形成冷硬钢带：
经冶炼、铸造得铸坯；铸坯加热出炉温度1100～1280℃，热轧终轧温度900℃，热轧卷取温度660℃，得到热轧卷；热轧后常规酸洗，去取表面氧化皮；酸洗后冷轧形成钢带，冷轧压下量为55％。
2)镀锌前处理工序，主要包括碱性或酸性溶液去油、水清洗、电解去油、酸洗、水清洗等，主要目的为去除酸轧后基板表面的油脂，残铁等杂质，使带钢表面保持洁净；
3)退火镀锌处理工序，将所述冷硬钢带进行涂覆热镀锌退火，具体为，冷硬钢带升温至790℃，保温后连续退火，以15℃/s冷却至热浸镀温度后在锌锅进行热镀锌；所述锌锅温度为440℃，锌液铝含量≤3％，热浸镀时间3s，热浸镀后以16℃/s冷却至200℃以下，镀锌3-30μm。
4)经剪切、落料，并预加热至550℃保温160s，在室温至430℃间的加热速率V1为13℃/s，在430℃至最550℃加热速率V2为8℃/s。
5)将预加热钢板输送至900℃的加热炉中保温120s，将钢板转移处加热炉冷却至700℃，然后转移至模具中冲压成型淬火，模内淬火9s，淬火冷却速度≥25℃/s，保压压力800吨，保压时间9s，然后取出冷却到室温。
具体的，由于本发明钢板C含量较高，冷轧压下易导致轧机负担过大，同时为保证相当的压下率控制晶粒尺寸满足力学性能要求，因此压下率优选80％以下、可进一步优选为 35-70％。
具体的，所述的热冲压成型构件，预加热后基板Fe元素向锌基镀层中扩散，所述的预加热后构件镀层体系中Fe元素含量为20％；提高了镀层熔点，有效抑制了LME。
优选的，热冲压成形温度为700℃，可有效提高生产效率。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：
1、锌基镀层涂覆钢材的基板不同。
具体为：本实施例提供的一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法及其热冲压成型构件，其基板成分重量百分比(wt，％)含量为：C：0.35，Si：0.28，Al：0.035，Mn：1.4，Cr： 0.16，Mo：0.1，B：0.003，Ti：0.055，Nb：0.051，S：≤0.0028，P：≤0.010，N：≤ 0.0047，0：≤0.002，其余为Fe和不可避免杂质。
2、预加热工艺不同。
具体为：4)经剪切、落料，并预加热至800℃保温180s，在室温至430℃间的加热速率V1为12℃/s，在430℃至最550℃加热速率V2为4℃/s。
3、冲压工艺不同
具体为：将预加热钢板输送至900℃的加热炉中保温160s，再将钢板转移出加热炉冷却至680℃，然后转移至模具中冲压成型淬火。淬火冷却速度≥25℃/s(补充)，保压压力700吨，保压时间8s，然后取出冷却到室温。实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：1、锌基镀层涂覆钢材的基板不同。
本实施例提供的一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法及其热冲压成型构件，其基板各成分重量百分比(wt，％)含量为：C：0.22，Si：0.50，Al：0.55，Mn：2.3，Cr：0.2， Mo：0.02，B：0.003，Ti：0.018，Nb：0.045，V：0.10，S：0.0028，P：0.009，N： 0.004，O：0.0015，其余为Fe和不可避免杂质。
2、保压时间(模内淬火)不同：将钢板转移出加热炉冷却至720℃，然后转移至模具中冲压成型淬火，冷却速度≥30℃/s，保压压力700吨，保压时间6s，然后取出空气中自然冷却到室温。
以下为对比实施例
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于：去掉预加热工艺。
步骤5)为：钢板输送至900℃的加热炉中加热，完成完全奥氏体化，再将钢板转移处加热炉冷却至660-700℃，然后转移至模具中冲压成型淬火，模内淬火9s，保压压力 800吨，然后取出冷却到室温。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于：预加热工艺不同
具体预加热工艺为：4)经剪切、落料，并预加热至550℃保温200s，在加热速率始终维持在12℃/s。
对实施例1-6制备的钢板构件进行测试。利用INSTRON拉伸实验机分别测试钢的抗拉强度Rm，屈服强度Rp0.2，总延伸率，利用扫描电子显微镜以及EDS测量微观裂纹扩展至基板的深度，裂纹密度和镀层Fe含量。
测试结果如下表所示：
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
Rm(MPa) 1526 1826 1966 1488 1516 1540
Rp0.2(MPa) 995 1215 1289 903 1105 1011
总延伸率(％) 6.5 4.5 4.3 8 6 5.5
平均裂纹深度(μm) 4 4 3 5 6.5 5.5
预加热镀层铁含量(％) 39 20 46 38 无预加热 8.5
由上表可知：
实施例1-4制备的钢板构件，其抗拉强度、屈服强度、总延伸率与现有钢板相当，裂纹深度小于5μm，预加热后镀层Fe含量＞10％，优于现有锌基镀层热冲压钢板构件，略优于实施例6的钢板构件，显著优于实施例5的钢板构件。
实施例6制备的钢板构件，其抗拉强度、屈服强度、总延伸率与现有钢板相当，裂纹深度略大于实施例1-4的钢板，但明显优于实施例5制备的钢板构件。
实施例5-6制备的钢板构件，其抗拉强度、屈服强度、总延伸率与现有钢板相当，裂纹深度大于5μm，最大可达到7-8μm，制得的钢板脆性高，裂纹明显。
综上所述，本发明通过通过调整钢板成分配比，改进热冲压工艺，在保障钢板的抗拉强度、屈服强度、延伸率等性能不低于传统热冲压钢板的同时，将热冲压成型构件裂纹扩展至基板的深度降低至4μm，有效解决了现有热冲压工艺产生的钢板脆化和裂纹问题。
这对锌基热冲压用钢的发展具有重要意义。本发明获得优良性能的工艺简单，具有工业实际应用的广泛前景。可应用于制造汽车白车身A/B柱、车门防撞梁、前后保险杠等结构件部件。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法，其特征在于，包括：
对锌基镀层涂覆钢材进行预热，预热温度为500～800℃，保温60～300s，预热过程中，室温至430℃间的加热速率V1＜15℃/s，达到430℃后加热速率V2＜10℃/s；
加热预热后的钢材，完成钢材的完全奥氏体化，转移后热冲压成型、淬火。
2.根据权利要求1所述的一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法，其特征在于，所述加热预热后的钢材的方法为：预热后的钢材加热至Ac3以上温度，保温60～200s。
3.根据权利要求1所述的一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法，其特征在于，完全奥氏体化的钢材转移时间＜10S，热冲压成型温度为550～720℃，热冲压保压压力200～1000吨，保压时间3～15秒。
4.一种锌基镀层涂覆钢材，其特征在于，锌基镀层涂覆钢材基板的化学成分，按重量百分比为，C：0.15～0.40，Si：0.02～0.5，Al：0.02～1.5，Mn：0.5～3.6，Cr：0.01～0.7，Mo：0.01～0.7，B：0.001～0.005，S：≤0.005，P：≤0.015，N：≤0.01，0：≤0.003；
其中，0.1％≤(Cr+Mo)≤1.0％；还添加Ti：0.01～0.15，Nb：0.01～0.15，V：0.01～0.15中的任一种或多种，且需同时满足：0.03％≤(Ti+Nb+V)≤0.45％；其余为Fe和不可避免杂质。
5.根据权利要求4所述的一种锌基镀层涂覆钢材，其特征在于，基板上锌基镀层厚度为3-30μm，锌基镀层包含重量百分比≤3％的铝。
6.一种如权利要求4或5所述的一种锌基镀层涂覆钢材的制备方法，其特征在于，包括：
铸坯经热轧、酸洗和冷轧形成冷硬钢带；
冷硬钢带退火镀锌处理，经光整，拉矫调整板形，卷取成钢卷。
7.根据权利要求6所述的一种锌基镀层涂覆钢材的制备方法，其特征在于，所述冷硬钢带制备工艺如下：
原料经冶炼、铸造得所述铸坯，铸坯加热出炉温度1100～1280℃，热轧终轧温度750～950℃，热轧卷取温度500～700℃，得到热轧卷，热轧后酸洗，然后冷轧形成钢带，冷轧压下量为40～80％。
8.根据权利要求6所述的一种锌基镀层涂覆钢材的制备方法，其特征在于，所述退火镀锌处理方法如下：
将所述冷硬钢带升温至720-850℃，保温后连续退火，以5-50℃/s冷却至热浸镀温度后在锌锅进行热镀锌；所述锌锅温度为400℃-520℃，热浸镀时间2-20s，热浸镀后以3-50℃/s冷却至200℃以下。
9.一种锌基镀层涂覆钢材热冲压成型构件，其特征在于，采用权利要求4或5所述的一种锌基镀层涂覆钢材通过权利要求1-3中任一项所述的热冲压方法制得。
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