CN110180957B - 一种镀锌钢板的热处理方法及热冲压工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镀锌钢板的热处理方法及热冲压工艺，其步骤包括：将一定规格的镀锌钢板采用预先加热处理的方法以改善锌层结构，满足直接热冲压工艺的要求；随后在一定条件下完成钢板奥氏体化并冲压成型。本发明对镀锌钢板规格、预先热处理工艺、热冲压工艺具有明确的限定，以保证成品件具有较好的涂镀性、耐蚀性、耐高温型，并避免基体中产生大的冲压裂纹。采用本发明提供的工艺方法，无需对冲压后的成品件进行喷丸处理表面的氧化锌层来提高涂镀性能，且该方法避免了冲压时基体大裂纹的产生。此外，经过预先热处理的镀锌钢板在奥氏体化过程中可以采用较快的加热速率进行加热而不发生锌层失效的问题。

Description

一种镀锌钢板的热处理方法及热冲压工艺

技术领域

本发明涉及热冲压工艺技术领域，特别是涉及一种镀锌钢板的热处理方法以及本发明产品的应用，如在涂镀和冲压方面的应用，并涉及到镀锌冲压钢的冲压成型工艺。

背景技术

近年来，为了满足对车身的碰撞安全性和减轻车重的需求，超高强度钢板在车身上的应用越来越多。超高强钢由于强度高，成型时会遇到很多问题，如冷加工时形状不良、加工成型载荷高、成型时易产生划伤和开裂、回弹量高等问题。为了解决此问题，热成型技术已经得到广泛的应用，在较高的温度下钢板具有优良的成型性能并且经热成型制备的冲压零件抗拉强度可以达到1500MPa以上。

由于在热冲压过程之前需要对钢板进行奥氏体化，加热过程中钢板表面会发生氧化和脱碳，在随后的冲压过程中氧化铁皮会脱落粘附在模具上，不仅会造成钢板与模具之间的摩擦系数增加影响模具的冷却能力，而且会影响随后的涂镀性能。目前，常采用喷丸的方法去除加热时钢板表面生成的氧化皮，不仅增加了成本，而且喷丸环境条件恶劣，喷丸后钢板表面会产生微裂纹。现有技术中为了防止和减轻加热过程中钢板表面的氧化，常采用在氮气的环境下进行奥氏体化，这也导致了设备成本及维护费用的大幅增加。

为了降低成本和提高作业环境，法国安赛乐公司公开专利CN 101583486A中提出了采用铝硅镀层来防止钢板加热过程中钢板的氧化和脱碳。专利中的铝硅镀层具有良好的耐高温性能和耐蚀性，但是在奥氏体化处理后镀层的不具备牺牲性保护性能，价格要高于镀锌板并且加热时镀层易与加热炉内的陶瓷辊发生粘结而影响生产。

日本住友金属公开专利CN 1575348A中提出通过采用涂覆的方法在镀锌钢板预先形成氧化层的方法来提高镀锌钢板的耐高温性能，可以使得镀层的耐高温性达到1000℃，镀锌钢板具有较好的耐切口腐蚀和划痕腐蚀性能，但是锌层上的涂覆氧化层工艺增加了设备投资和生产成本。

丰田铁工朱氏会社公开专利CN 1600877A中提出，将镀锌钢板在氧气浓度为0％或0％以上，露点为0℃或0℃以上的气氛中加热钢板后进行热冲压。该专利只对镀锌板进行了说明，并未对不同加热工艺热冲压工艺进行限定。镀锌板在氧气浓度较低时，奥氏体化过程中，钢板表面锌层易产生挥发。且GA镀层在加热过程中表面形成的氧化层需要喷丸进行处理。

韩国浦项公司公开专利CN 102781601A中提出，通过二次加热的方法将镀锌板在400-600℃保温20min以下，后采用较快的加热速率加热至奥氏体化温度，该方法能够抑制锌层的挥发和氧化皮的产生，但是前段加热时间过长降低了生产效率，对于冲压开裂问题没有介绍，并且二次加热过快的话会易导致锌层的烧蚀。

对于镀锌钢板，GA钢板由于在生产中增加了合金化工艺，使得成本提高，且GA钢板间接成型时易产生粉化现象，影响镀层在高温下的保护性能。GA镀层成型的热成品件，为了提高涂镀性能一般需要喷丸除去表面的氧化锌层。

对于GI钢板，在直接热冲压过程中，镀层有液态锌相的存在，基体容易产生较大的裂纹而影响成品件的使用，因此GI钢板一般只适用于间接热冲压成型。但是为了防止GI镀层在冲压时有液态锌相而影响冲压性能，常增加奥氏体化时间，这样不仅降低了生产效率而且冲压后锌层中的铁含量过高反而降低了对基体的保护性能。

本发明以上述介绍为背景，提供一种镀锌钢板的热处理方法及热冲压工艺。在不用喷丸处理的情况下冲压钢板也具有较好的涂镀性能，同时可以适用于直接热冲压成型。

发明内容

本发明提供一种镀锌钢板的热处理方法及热冲压工艺，它可以解决镀锌钢板热冲压过程中存在涂镀性能差、冲压开裂的问题。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种镀锌钢板的热处理方法，是用于使镀锌钢板在热冲压之前预先加热该镀锌钢板的加热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S11：将镀锌钢板加热至预定温度区间内的任一温度，随后将其以与所述预定温度区间相对应的保温时间进行保温，所述预定温度区间按照下述方式确定：以保温时间(秒)为横坐标轴和退火温度(℃)为纵坐标轴，分别以下列坐标点对应连接四条直线：(0，600)和(200，600)之间；(200，600)和(30，910)之间；(30，910)和(0，910)之间；(0，910)和(0，600)之间，这四条直线所包围的温度区域即是预定温度区间。

S12：随后将镀锌钢板冷却至550℃以下。

优选地，所述S11中所述的预定温度区间按照下述方式确定：以保温时间(秒)为横坐标轴和退火温度(℃)为纵坐标轴，分别以下列坐标点对应连接四条直线：(0，780)和(90，780)之间；(90，780)和(20，900)之间；(20，900)和(0，900)之间；(0，900)和(0，780)之间，这四条直线所包围的温度区域即是预定温度区间。

优选地，所述S12中将所述镀锌钢板冷却至420℃以下。

优选地，所述S12中采用空冷、气冷或者气雾对镀锌钢板进行冷却。

优选地，经过加热处理后镀锌钢板镀层中的组织主要由Γ相、δ(ζ)组成或者α-Fe(Zn)相、Γ(δ)相组成，且镀层中的铝元素基本扩散至镀层表面处。

本发明镀锌钢板的热处理方法中：

经过多次实验发现将镀锌钢板进行加热预处理后，锌层中的铝元素基本富集到镀层表面，在随后的冷却过程中，在热应力的作用下表层氧化铝膜会破裂，在奥氏体化加热过程中镀层表面不会形成氧化铝膜，而是形成氧化锌，阻挡锌层被氧化。此外，经过预加热处理后，由于铝与氧具有较高的亲和力而扩散至镀层表面，在随后的奥氏体化过程中锌铁的反应要比预加热过程时的反应剧烈，因此会减少了镀层中的液态锌或锌铁相，避免冲压时基体产生大裂纹。

由实验数据得到当钢板加热温度低于600℃，锌层的铝需要较长的扩散时间才能够扩散到镀层表处，降低了生产效率。当加热温度高于910℃，保温30s以上时锌的挥发会降低镀层的耐蚀性，且镀层中的铁含量较高在随后的奥氏体化过程中会形成较厚的氧化层而影响涂镀性能。考虑上述因素，本发明中将镀锌钢板加热至预加热区域1内的任一温度，随后将其以与所述预定温度区间1相对应的保温时间进行保温，所述预加热区域1按照下述方式确定：以保温时间(秒)为横坐标轴和退火温度(℃)为纵坐标轴，分别以下列坐标点对应连接四条直线：(0，600)和(200，600)之间；(200，600)和(30，910)之间；(30，910)和(0，910)之间；(0，910)和(0，600)之间，这四条直线所包围的温度区域即是预加热区域1，随后将钢板冷却至550℃以下。

而当镀锌钢板加热至预加热区域2内的任一温度，随后将其以与所述预加热区域2相对应的保温时间进行保温，会在镀层与基体的界面处形成一层α-Fe(Zn)相，特别有利于防止锌层对奥氏体晶界的腐蚀，是优选的预加热处理工艺区域，所述预加热区域2按照下述方式确定：以保温时间(秒)为横坐标轴和退火温度(℃)为纵坐标轴，分别以下列坐标点对应连接四条直线：(0，600)和(200，600)之间；(200，600)和(30，910)之间；(30，910)和(0，910)之间；(0，910)和(0，600)之间，这四条直线所包围的温度区域即是预加热区域2。当镀锌钢板在预加热区域2中进行加热后，冷却至550℃以下时，镀层表面固态相的形成会破坏表层的氧化铝薄膜，而当镀锌钢板冷却至420℃以下时，镀层表面处的液态锌或者锌铁相发生凝固，表层氧化铝膜在热应力的作用下破裂更为完全，在随后的奥氏体化过程中表层会形成以氧化锌为主的氧化层。

加热处理后冷却速率过慢会影响生产效率，过快会使镀锌钢板变形过大。因此，本发明中采用空冷、气冷、气雾冷却等方式或者采用组合的方式进行冷却。

经过加热处理后的镀锌钢板的镀层与钢基板结合处形成Γ相或者α-Fe(Zn)相。从Fe-Zn相图可知，Γ相和α-Fe(Zn)相具有较高的熔点，该相的存在会阻止奥氏体加热过程中液态锌相对奥氏体晶界的腐蚀，从而防止直接热冲压过程中产生较大的裂纹。

本发明的第二方面，提供一种镀锌钢板的热冲压工艺，用于对采用权利要求1-5中任一项所述热处理方法后的镀锌钢板进行热冲压，所述热冲压工艺包括如下步骤：

S21：采用权利要求1-5中任一项所述的热处理方法对镀锌钢板进行预先热处理，随后对热处理后的镀锌钢板加热至830-920℃之间，在20-830℃之间的加热速率大于10℃/s，830-920℃之间的加热速率小于10℃/s，然后保温时间小于10min进行奥氏体化。

S22：将经过奥氏体化的镀锌钢板快速转移至冲压模具中进行冲压成型，冲压成型温度为650-830℃，镀锌钢板在模具中的冷却速率大于30℃/s，即得成品件。

优选地，所述S21中采用电加热、感应加热或者辐射加热进行加热。

优选地，经过热冲压后的成品件表层为锌的氧化物，其厚度不超过5μm，成品件的镀层扩散层由α-Fe(Zn)相或者α-Fe(Zn)相与微量的Γ相构成。

本发明镀锌钢板的热冲压工艺中：

由于镀锌钢板在热处理过程中形成的Fe-Zn相具有较高的熔点，因此可以采用较快的加热速率进行奥氏体化。为了提高生产效率可采用电加热、感应加热或者辐射加热的方式，在20-830℃之间的加热速率大于10℃/s，有较好的效果。在大于830℃下进行快速加热时对镀层的厚度均匀性有较大的影响，因为在高温下，液态相易发生聚集不仅影响镀锌钢板镀层厚度的均匀性而且会造成镀层的烧蚀，因此在830-920℃之间以小于10℃/s进行加热，特别有利于提高镀层的均匀性及热冲压性能，并且对提高镀层的耐高温性能也比较有利。另外，考虑到奥氏体化程度及锌层的耐高温性，奥氏体化温度范围为830-920℃。奥氏体化时间过长，表层会生成过厚的氧化锌层，影响随后的涂镀性能，因此保温时间设置小于10min。

为了获得马氏体组织，镀锌钢板从加热炉内转移到模具时的冲压成型温度不能低于650℃，低于该温度后会发生马氏体向铁素体、珠光体或者贝氏体的转变而影响冲压后的力学性能。对于直接热冲压成型温度不能高于830℃，高于该温度后会使得基体易产生较大的冲压裂纹。实验中发现，冲压温度在650-830℃之间时，基体裂纹长度较小。优选冲压温度为650-800℃，在此条件下基体中的冲压裂纹小于3μm，且裂纹尖端较钝。镀锌钢板在模具的冷却速度不能低于30℃，低于该温度就会发生奥氏体向贝氏体的转变而影响力学性能。

本发明与现有技术相比，具有以下的优点：

(1)本发明对预先热处理工艺、热冲压工艺具有明确的限定，以保证成品件具有较好的涂镀性、耐蚀性和耐高温性，并避免基体中产生大的冲压裂纹；

(2)采用本发明提供的工艺方法，成品件较好的涂镀性能，且表面的氧化锌层无需进行进行处理；

(3)此外，经过预先热处理的镀锌钢板可以采用较快的奥氏体化加热速率进行加热，而不会发生锌层失效的问题。

附图说明

图1为镀锌钢板的热处理及热冲压工艺示意图；

图2为镀锌钢板的预加热处理工艺参数范围；

图3为实施例1中镀锌钢板镀层加热至780℃保温20s的GDS图谱；

图4为实施例1中镀锌钢板镀层加热至780℃保温20s的金相组织；

图5为实施例1中热冲压后弯曲处的截面金相；

图6为实施例1中热冲压后的表面照片；

图7为实施例1中热冲压后钢板的涂镀性能；

图8为实施例1中盐雾腐蚀60h后划痕处的表面照片；

图9为实施例2中镀锌钢板镀层加热至600℃保温2min的GDS图谱；

图10为实施例2中镀锌钢板镀层加热至600℃保温2min的金相组织；

图11为实施例2中热冲压后的表面照片；

图12为实施例2中热冲压后弯曲处的截面金相；

图13为实施例2中热冲压后钢板的涂镀性能；

图14为实施例2中盐雾腐蚀60h后划痕处的表面照片；

图15为实施例3中镀锌钢板镀层加热至910℃保温5s的GDS图谱；

图16为实施例3中镀锌钢板镀层加热至910℃保温5s的金相组织；

图17为实施例3中热冲压后的表面照片；

图18为实施例3中热冲压后弯曲处的截面金相；

图19为实施例3中热冲压后钢板的涂镀性能；

图20为实施例3中盐雾腐蚀60h后划痕处的表面照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明予以详细描述：

实施例中选用了生产成本相对较低，生产率较高的镀锌(GI)热冲压钢板。

经常规的热轧和冷轧步骤制备冷轧态热冲压钢板，其设计的成分见表1，其它为不可避免的杂质。将钢板进行除油污处理，后清洗干净进行吹干，保证钢板表面没有残留的油存在。

表1实验设计的三种钢板的化学成分及热冲压后的力学性能

镀锌工艺：按照传统的热镀锌工艺进行镀锌，即得镀锌钢板。锌液中铝的成分在0.11-1.0wt％，且镀层的厚度要大于3μm，根据热镀锌工艺的特点及成本的控制，浸镀后镀层最大厚度为20μm。对浸镀后的锌层进行“0T”折弯实验，评价镀层的附着力和成型性能。表2为不同镀液成分对镀层组织和附着性能的影响。

表2不同铝含量对锌层组织及成型性能的影响

锌液中的铝含量(wt％)	Fe-Zn化合物	Fe-Al抑制层	0T弯曲实验
				0.11	形成	未形成	附着性良好
0.25	未形成	形成	附着性良好
				0.51	未形成	形成	附着性良好
1.0	未形成	形成	附着性良好

实施例1：

镀锌钢板的加热处理：将在镀锌过程中镀液铝含量为0.25wt％条件下制备的镀锌钢板(镀层厚度为11um)进行加热处理。将镀锌钢板放在电阻炉内加热至780℃保温20s，加热平均速率为15℃/s，加热后采用空冷的方式冷却至550℃。图3为钢板以15℃/s的速率加热至780℃保温20s后镀层的GDS图谱，从图3中可以看出镀层中的铝元素基本已富集到表面处。图4为金相组织，从组织上看镀层主要由γ相和少量δ相组成。保温时间和加热温度可以进行最小化组合，只要使得镀层中铝元素基本扩散至镀层表面即可。

镀锌钢板的奥氏体化工艺：将冷却至550℃的试样以50℃/s的加热速率加热至830℃，后以6℃/s的速率加热至900℃保温90s。

镀锌钢板的热冲压工艺：将加热后的镀锌钢板，快速转移至冲压模具中，通过焊接在钢板上的热电偶来控制冲压时的温度，并靠带有冷却系统的模具对钢板进行淬火，以50℃/s的冷却速率冷却至室温，以获得全马氏体。试样冲压时的温度为800℃左右，弯曲处的金相照片如图5所示。从金相组织上看镀层主要为α-Fe(Zn)相，冲压裂纹的长度小于3um。从图6中冲压后的表面照片上看，镀层表面形成了均匀的氧化层并且镀层没有产生起皮现象。

热冲压后钢板涂镀性能评价：将制备的试样经过磷化和电泳处理后，采用画网格的方法评价涂层的附着性能，网格边长为1mm。网格通过胶带粘接后的照片如图7所示。从图7中可以看出网格完整，没有发生脱落的现象，说明涂镀性能较好。

热冲压后钢板的耐蚀性评价：对涂镀的试样进行刻画使划痕穿透涂层和锌层到达基体。对刻画后的试样进行盐雾腐蚀实验，图8为腐蚀60h后的照片，从图中可以看出锌基镀层具有较好的耐划伤性能。

实施例2

镀锌钢板的加热处理：将在镀锌过程中镀液铝含量为0.11wt％条件下制备的镀锌钢板(镀层厚度为15um)进行预加热处理，将镀锌钢板放在电阻炉内加热至600℃保温2min，加热平均速率为15℃/s，加热后采用喷气的方式冷却至420℃。图9为加热至600℃保温2min后的镀层GDS图谱，从图中可以看出镀层中的铝元素基本已富集到表面处。图10为金相组织，从组织上看镀层主要由γ相和δ相组成。

将冷却至420℃的试样以100℃/s的加热速率加热至830℃，后以6℃/s的速率加热至900℃保温2min。对加热后的试样进行热冲压成形并完成冷却，以50℃/s的冷却速率冷却至室温，冲压时的温度为750℃左右。图11为冲压后的表面照片，图12为弯曲处的界面金相。从图11中可以看出镀层表面具有较为完成，没有起皮现象，从图12的金相组织上看镀层主要为α-Fe(Zn)相，没有明显的裂纹在基体中产生。

图13为冲压后试样涂镀性能的评价结果。从图中可以看出网格完整，没有发生脱落的现象，说明涂镀性能较好。图14为盐雾腐蚀60h后划痕处的表面照片，可以看出，镀层具有较好耐划伤性能。

实施例3

镀锌钢板的加热处理：将在镀锌过程中镀液铝含量为1.0wt％条件下制备的镀锌钢板(镀层厚度为5um)进行预加热处理。将镀锌钢板放在电阻炉内加热至910℃保温5s，加热后采用喷气的方式冷却至200℃。图15为预加热处理后的镀层GDS图谱，从图中可以看出镀层中的铝元素基本已富集到表面处。图16为金相组织，从组织上看镀层主要由α-Fe(Zn)相和γ相组成。

将冷却至200℃的试样以200℃/s的加热速率加热至830℃，后以3℃/s的速率加热至880℃保温4min。图17为加热后镀层的表面照片，从图中可以看出镀层表面较为完成，没有起皮现象。从图18弯曲处的金相组织上看，镀层主要为α-Fe(Zn)相，没有明显的裂纹产生。

图19为冲压后试样涂镀性能的评价结果。从图中可以看出网格完整，涂镀性能较好。图20为涂层刻画处盐雾腐蚀60h的表面照片，可以看出，镀层具有较好耐划伤性能。

综上所述，热冲压钢的镀锌产品具有较好的焊接、涂镀等优点。但是镀锌钢板直接热冲压过程中易产生裂纹，现只能进行间接热冲压成型。本发明中通过对镀锌钢板进加热处理后，不仅可以适用于直接热冲压成型，而且成品件具有较好的涂镀性能，不需要进行喷丸处理。该加热处理工艺加热时间短、加热温度低不会影响生产效率，并且加热炉采用常规的加热技术，设备投资成本少。因此，本发明具有很好的推广应用前景。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (8)

1.一种镀锌钢板的热处理方法，是用于使镀锌钢板在热冲压之前预先加热该镀锌钢板的加热处理方法，其特征在于，所述镀锌钢板在制备过程中使用的镀液中铝含量为0.11-1.0wt％,包括以下步骤：

S11：将镀锌钢板加热至预定温度区间内的任一温度，随后将其以与所述预定温度区间相对应的保温时间进行保温，所述预定温度区间按照下述方式确定：以保温时间(秒)为横坐标轴和退火温度(℃)为纵坐标轴，分别以下列坐标点对应连接四条直线：(0，600)和(200，600)之间；(200，600)和(30，910)之间；(30，910)和(0，910)之间；(0，910)和(0，600)之间，这四条直线所包围的温度区域即是预定温度区间；

S12：随后将镀锌钢板冷却至550℃以下。

2.根据权利要求1所述的一种镀锌钢板的热处理方法，其特征在于，所述S11中所述的预定温度区间按照下述方式确定：以保温时间(秒)为横坐标轴和退火温度(℃)为纵坐标轴，分别以下列坐标点对应连接四条直线：(0，780)和(90，780)之间；(90，780)和(20，900)之间；(20，900)和(0，900)之间；(0，900)和(0，780)之间，这四条直线所包围的温度区域即是预定温度区间。

3.根据权利要求1或2所述的一种镀锌钢板的热处理方法，其特征在于，所述S12中将所述镀锌钢板冷却至420℃以下。

4.根据权利要求1所述的一种镀锌钢板的热处理方法，其特征在于，所述S12中采用空冷、气冷或者气雾对镀锌钢板进行冷却。

5.根据权利要求1所述的一种镀锌钢板的热处理方法，其特征在于，经过加热处理后镀锌钢板镀层中的组织主要由Γ相、δ(ζ)组成或者α-Fe(Zn)相、Γ(δ)相组成，且镀层中的铝元素基本扩散至镀层表面处。

6.一种镀锌钢板的热冲压工艺，用于对采用权利要求1-5中任一项所述热处理方法后的镀锌钢板进行热冲压，其特征在于，所述热冲压工艺包括如下步骤：

S21：采用权利要求1-5中任一项所述的热处理方法对镀锌钢板进行预先热处理，随后对热处理后的镀锌钢板加热至830-920℃之间，在20-830℃之间的加热速率大于10℃/s，830-920℃之间的加热速率小于10℃/s，然后保温时间小于10min进行奥氏体化；

S22：将经过奥氏体化的镀锌钢板快速转移至冲压模具中进行冲压成型，冲压成型温度为650-830℃，镀锌钢板在模具中的冷却速率大于30℃/s，即得成品件。

7.根据权利要求6所述的一种镀锌钢板的热冲压工艺，其特征在于，所述S21中采用电加热、感应加热或者辐射加热进行加热。

8.根据权利要求6所述一种镀锌钢板的热冲压工艺，其特征在于，所述成品件表层为锌的氧化物，其厚度不超过5μm，成品件的镀层扩散层由α-Fe(Zn)相或者α-Fe(Zn)相与微量的Γ相构成。

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