CN110423945B - 一种抗拉强度1800MPa级以上的冷弯性能优良的含锌涂覆层热成形构件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗拉强度1800MPa级以上的冷弯性能优良的含锌涂覆层的热成形构件及其制备方法，所述含锌涂覆层的热成形构件的基板包括以下重量百分比的化学成分：C：0.29‑0.35％，Si：≤0.5％，Mn：0.5‑1.5％，P：≤0.020％，S：≤0.010％，Cr：≤0.50％，Al：0.01‑0.06％，Nb：0.01‑0.06％，V：0.01‑0.06％，Mo：≤0.5％，其余为Fe和不可避免的杂质；经冶炼、连铸、热轧、酸洗、退火、热浸镀锌、在线合金化、切边、热成形步骤制备得到，本发明公开的含锌涂覆层的热成形构件具有优异的力学性能、耐腐蚀性能和焊接性能。
Description
技术领域
本发明属于热成形钢技术领域，具体涉及一种抗拉强度1800MPa级以上的冷弯性能优良的含锌涂覆层热成形构件及其制备方法。
背景技术
汽车轻量化技术是适应现代汽车安全、节能、环保趋势的关键技术之一，目前越来越多的汽车车身零部件使用热成形技术(如：汽车保险杠、防撞梁、A柱、B柱、车门防撞杠等)。热成形技术是将成形与强化分为两个步骤生产超高强度汽车零部件的一种新工艺，生产的零件具有超高强度、成型精度高、无回弹等优点。
随着热成形技术的不断发展，热冲压成形钢用量也在日益增加。目前市场上广泛使用的热成形钢是1500MPa强度级别。和无镀层板相比，带镀层的热成形钢因加热时不需要保护气氛、成形后无需抛丸涂油处理，且高温摩擦系数小，模具使用寿命高，因此越来越多的被应用。目前应用最为广泛的是Al-Si镀层，而Zn基镀层(GI、GA)相比Al-Si镀层具有牺牲阳极保护作用，目前也成为国内外研究热点。
另一方面，在复杂的载荷条件下不仅要求热成形零件具有高强度，同时也需要良好的塑韧性。然而，由于热成形淬火后得到的全部为马氏体组织，强度非常高，但是韧性不足，其强度可达1500MPa以上，而延伸率只有5％左右，带镀层的热成形钢产品在热处理后三点弯曲角度一般在45°～55°。
随着汽车碰撞安全性的要求越来越严格，越来越高强度的热成形钢被逐渐开发出来，热成形钢的强度增加主要依靠添加C、Mn等合金元素。然而强度增加的同时，相应的塑韧性会降低，评价热成形钢塑韧性的重要指标是三点弯曲性能(试验标准参考VDA238-100)。汽车用材料或零件冷弯性能(弯曲极限角度)不足会导致在车辆碰撞过程中零件容易出现过早脆断，无法有效吸收碰撞产生的能量，也不利于乘员安全。
因此，在开发Zn镀层热成形用钢的同时，研究钢板的生产工艺和热成形工艺，以提高Zn镀层板热成形后的冷弯性能就非常有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗拉强度1800MPa级以上的冷弯性能优良的含锌涂覆层热成形构件及其制备方法，其具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、冷弯性能和焊接性能。
本发明采取的技术方案为：
一种抗拉强度1800MPa级以上的冷弯性能优良的含锌涂覆层的热成形构件，所述含锌涂覆层的热成形构件的基板包括以下重量百分比的化学成分：C：0.29-0.35％，Si：≤0.5％，Mn：0.5-1.5％，P：≤0.020％，S：≤0.010％，Cr：≤0.50％，Al：0.01-0.06％，Nb：0.01-0.06％，V：0.01-0.06％，Mo：≤0.5％，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，所述含锌涂覆层的热成形构件的基板优选为包括以下重量百分比的化学成分：C：0.29-0.33％，Si：0.18～0.26％，Mn：0.80～1.10％，P：≤0.010％，S：≤0.003％，Cr：0.17～0.22％，Al：0.042～0.048％，Nb：0.032～0.038％，V：0.033-0.036％，Mo：0.08～0.14％，其余为Fe和不可避免的杂质。
所述含锌涂覆层的热成形构件的基体金相组织在热成形之前为铁素体+珠光体组织，其晶粒尺寸≤12μm；在热成形之后为完全的马氏体组织，其原始奥氏体晶粒尺寸≤10μm。
本发明还提供了所述的抗拉强度1800MPa级以上的冷弯性能优良的含锌涂覆层的热成形构件的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：冶炼、连铸、热轧、酸洗、退火、热浸镀锌、在线合金化、切边、热成形。
所述热轧工艺中，铸坯在弱氧化性气氛的加热炉中进行加热，加热时间为120min～180min，空燃比为0.8～1.0；铸坯出炉温度为1000～1230℃。
所述热轧工艺中，精轧采用CVC轧机进行轧制，并开启边部加热器，保证热轧带钢板形均匀，且沿宽度方向组织均匀；热轧卷边部厚度减薄区域宽度控制在单边25mm内，以确保因边部减薄造成的边部不均匀脱碳区域能在后续切边工序切除；
终轧温度870～920℃，在此温度下进行终轧可保证带钢过层流冷却段后能够冷却至目标卷取温度；
采用前段层流冷却，使得带钢在进卷取机之前完成相变，从而消除塌卷风险；并在层流冷却段采用侧喷(气体)处理，消除带钢上表面层流冷却积水，从而保证带钢上下表面冷却均匀，降低不均匀脱碳的风险；
卷取温度650～700℃，确保卷取后在冷却过程中均匀脱碳，且在该温度范围内进行卷取，热轧卷脱碳层厚度为15～25μm；热轧卷厚度≤2.5mm。
所述退火工艺中，对钢板表面进行脱脂清洗，然后在充满还原气氛的退火炉内进行退火，退火段温度750～820℃，退火时间4min～8min，退火炉内露点温度控制在≤-30℃，经过退火可进一步消除带状组织以得到组织均匀的带钢，退火温度不宜超过820℃，退火时间不宜超过8min，否则会出现晶粒异常长大，对热成形后冷弯性能不利。
进一步地，所述还原气氛为5％～15％H2+85％～95％N2。
所述热浸镀锌工艺中，热浸镀温度：440～480℃；热浸镀时间：3～10s；所得镀层的厚度为单面5～15μm，镀层过薄，耐腐蚀性能降低；镀层过厚，成本增加。
所述在线合金化工艺中，在线合金化后镀层中含铁量为10％～20％，通过在线合金化工艺调整，使得镀层优得到一定程度的合金化，从而减少热成形加热温度和时间；但是合金化程度不能过高，若初始镀层含铁量≥20％，则在后续的热成形过程中镀层合金化程度过高，无法获得具有一定耐腐蚀性能的镀层结构；合金化程度不能过低，若初始镀层含铁量≤10％，则在后续的热成形过程中镀层合金化程度不足，镀层熔点低，在热成形时容易出现镀层融化粘辊，不利于实际生产。
所述切边工艺中，成品双切边量25mm～50mm，保证热卷因边部厚度减薄造成的边部脱碳区域全部被切除。
所述热成形工艺中，加热温度850℃-900℃，优选为860℃～890℃，在保证基体能够完全奥氏体化的情况下尽可能的低；一方面降低镀层的合金化程度，使镀层耐腐蚀性能增加；另一方面，使基体靠近镀层一侧的脱碳层保证一定厚度，从而提高成形后的冷弯性能；但是加热温度不能＜850℃，否则加热过程中基体组织无法完全奥氏体化，从而在淬火过程中无法获得马氏体组织，进而无法保证成形后零件强度；加热温度不能＞900℃，否则合金镀层在加热过程中融化并挥发，不利于镀层的保护；另一方面，加热温度过高会导致镀层合金化程度过高，从而降低镀层的耐腐蚀性能；
加热时间2-5min，在保证基体能够完全奥氏体化的情况下尽可能的短；一方面降低镀层的合金化程度，使镀层耐腐蚀性能增加；另一方面，使基体靠近镀层一侧的脱碳层保证一定厚度，从而提高成形后的冷弯性能；结合上述加热温度范围，加热时间不能＜2min，否则无法完全奥氏体化；加热时间不能＞5min，否则奥氏体晶粒会变粗大，从而影响成品零件的冷弯性能；而且保温时间过长会导致镀层合金化程度过高，从而降低镀层的耐腐蚀性能；另一方面，加热时间越长脱碳层厚度在加热均匀化的过程中会减薄，从而影响冷弯性能和焊接性能。
转移时间：7-10s；转移时间不能＜7s，否则镀层出炉后尚未完全凝固，在冲压成形过程中会出现液致裂纹脆性的风险；转移时间同样不能＞10s，因为超过10s后，会出现铁素体+珠光体等组织转变，导致最终零件组织中马氏体含量不足，从而达不到力学性能要求。
保压时间4-10s；在上述工艺基础上，保压时间不宜＜4s，否则零件出模具温度较高，在空气中冷却时会导致零件冷却变形，保压时间不宜＞10s，否则会影响生产节奏。
冷却速度≥25℃/s，保证零件成形后基体组织为完全的马氏体组织。
所述热成形工艺中，加热炉内炉内露点≤-45℃，若露点＞-45℃，成形后的零件会存在延迟开裂的风险。
构件出模具后进行激光切割处理。
本发明提供的抗拉强度1800MPa级以上的冷弯性能优良的含锌涂覆层的热成形构件的制备方法中，经热轧后即得到含有15～25μm的脱碳层的热轧卷，热轧卷经退火、镀锌、热成形之后得到热成形构件，其抗拉强度在1800MPa级以上，并具有优异的冷弯性能、焊接性能和耐腐蚀性能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)通过在提高C含量的基础上，复合添加Cr、Nb、V、Mo等合金元素，C的添加主要使热成形后强度满足Rm≥1800MPa；合金元素的添加，一方面扩大奥氏体相区，降低奥氏体化温度；另一方面，细化晶粒，获得组织均匀细小的基体；再者，合金元素在原材料制备及热成形过程中充分析出，获得弥散细小分布的析出物，从而改善抗延迟开裂性能；
2)制备过程中，通过加热炉内气氛控制，以及TMCP控制，使得热卷脱碳层厚度为15～25μm；
3)带有Zn镀层未经热成形的钢带，力学性能为：屈服强度为350MPa～600MPa，抗拉强度为500MPa～800MPa，延伸率≥15％；
4)带有Zn镀层的钢带，热成形后脱碳层厚度随加热时间的增加而减薄，且冷弯角随脱碳层的减薄而降低；
5)热成形后得到的构件或者零件的屈服强度＞1250MPa，抗拉强度为＞1800MPa，延伸率A80≥4.5％，冷弯角大于等于55°；
6)热成形后镀层中Г相比例≥15％，耐腐蚀性能优于铝硅镀层和裸板；
7)热成形后，焊接性能优于铝硅镀层产品。
附图说明
图1为实施例3中的含锌涂覆层的热轧板经退火之后的显微组织；
图2为实施例3中的含锌涂覆层的热成形构件的显微组织图；
图3为实施例3中的含锌涂覆层的热成形构件与的镀层的形貌，图中A为α-Fe，B为Γ相；
图4为实施例3中的含锌涂覆层的热成形构件与无镀层板的热成形构件的、含Al-Si镀层的热成形构件的极化曲线；
图5为实施例3中的含锌涂覆层的热成形构件的循环腐蚀240h的性能结果；
图6为实施例3中的含锌涂覆层的热成形构件的可焊性范围；
图7为比较例1中的含Al-Si涂覆层的热成形构件的循环腐蚀240h的性能结果；
图8为比较例1中的含锌涂覆层的热成形构件的可焊性范围。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
各实施例中的所述含锌涂覆层的热成形构件的基板的化学成分及重量百分比如表1所示。
表1含锌涂覆层的热成形构件的基板的化学成分(wt％)
各实施例中的所述含锌涂覆层的热成形构件采用以下步骤制备：冶炼、连铸、热轧、酸洗、退火、热浸镀锌、在线合金化、切边、热成形。
其中，热成形之前的制备工艺参数及性能分别如表2、3所示，热成形工艺参数及性能分别如表3、4所示。
表2热成形之前的制备工艺参数
表3热成形前钢板或钢带的性能
表4热成形工艺参数
表5热成形后力学性能
分别改变实施例1中的热成形加热温度与加热保温时间为表6中的数值，其所得的含锌涂覆层的热成形构件的Γ相比例(％)如表6所示。
表6Γ相比例与加热温度及时间的关系
| 实施例 | 加热温度℃ | 保温时间min | Γ相比例％ |
| 1 | 860 | 5 | 24.63 |
| 2 | 880 | 5 | 8.04 |
| 3 | 890 | 3 | 40.44 |
| 4 | 890 | 4 | 23.07 |
| 5 | 890 | 5 | 7.27 |
| 6 | 890 | 6 | 1.17 |
| 7 | 890 | 7 | 0.00 |
从表6中可以看出，在相同保温时间条件下，随加热温度升高，Γ相减少；在相同加热温度条件下，随保温时间延长，Γ相减少。本发明制备的含锌涂覆层的热成形构件脱碳层的存在不会影响构件的力学性能，而且有利于其冷弯性能，如表7所示：
表7热成形后性能与脱碳层之间的关系
| 全脱碳层μm | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 延伸率/％ | 硬度/HV1 | 冷弯角° |
| 5 | 1288 | 1965 | 5.2 | 581 | 55 |
| 10 | 1306 | 1914 | 5.9 | 599 | 58 |
| 15 | 1292 | 1938 | 5.4 | 588 | 62 |
实施例3所得到的含锌涂覆层的热成形构件在热成形前后的显微组织分别如图1、2所示，从1、2图中可以看出退火后带钢的脱碳层厚度为25μm，经热成形之后的脱碳层厚度为15μm，从3图中可以看出冲压成形后镀层Г相比例≈25％。
实施例3所得到的含锌涂覆层的热成形构件无镀层板的热成形构件的、比较例1中的含Al-Si镀层的热成形构件的极化曲线如图4所示，从图中可以看出含Zn镀层电极电极电位相比基体和铝硅镀层更低，因此，在腐蚀环境中具有牺牲阳极保护作用，从而提高耐腐蚀性能。
实施例3所得到的含锌涂覆层的热成形构件的腐蚀性能和焊接性能分别如图5、6所示，从图5中可以看出腐蚀仅发生在锌镀层部分，基板没有发生腐蚀；从图6中可以看出.含锌涂覆层的热成形构件可焊性窗口≥1，满足工业生产焊接要求。
比较例1
其他同实施例3，只是热成形构件的表面是Al-Si镀层，其在热成形时的加热温度和时间分别为930℃、5min，得到的含Al-Si涂覆层的热成形构件所得的循环腐蚀240h的性能结果如图7所示，从图中可以看出，腐蚀已经穿过镀层而腐蚀基体了。本比较例得到的含Al-Si涂覆层的热成形构件可焊性范围如图8所示，从图中可以看出：虽然其可焊性范围≥1，但小于含锌涂覆层的热成形构件可焊性范围。
上述参照实施例对一种抗拉强度1800MPa级以上的冷弯性能优良的含锌涂覆层热成形构件及其制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种抗拉强度1800MPa级以上的冷弯性能优良的含锌涂覆层的热成形构件，其特征在于，所述含锌涂覆层的热成形构件的基板由以下重量百分比的化学成分组成：C：0.29-0.35%，Si：≤0.5%，Mn：0.5-1.5%， P：≤0.020%，S：≤0.010%，Cr：≤0.50%，Al：0.01-0.06%，Nb：0.01-0.06%，V：0.01-0.06%，Mo：≤0.5%，其余为Fe和不可避免的杂质；
所述的抗拉强度1800 MPa级以上的冷弯性能优良的含锌涂覆层的热成形构件的制备方法包括以下步骤：冶炼、连铸、热轧、酸洗、退火、热浸镀锌、在线合金化、切边、热成形；经热轧后即得到含有15~25μm的脱碳层的热轧卷；
所述退火工艺中，对钢板表面进行脱脂清洗，然后在充满还原气氛的退火炉内进行退火，退火段温度750~820℃，退火时间4min~8min，退火炉内露点温度控制在≤-30℃；
所述热浸镀锌工艺中，热浸镀温度：440~480℃；热浸镀时间：3~10s；所得镀层的厚度为单面5~15μm；
所述在线合金化工艺中，在线合金化后镀层中含铁量为10%~20%；
所述热成形工艺中，加热温度850℃-900℃，加热时间2-5min；转移时间7-10s；保压时间4-10s；冷却速度≥25℃/s；
所述热成形工艺中，加热炉内炉内露点≤-45℃。
2.根据权利要求1所述的抗拉强度1800 MPa级以上的冷弯性能优良的含锌涂覆层的热成形构件，其特征在于，所述含锌涂覆层的热成形构件的基板由以下重量百分比的化学成分组成：C：0.29-0.33%，Si：0.18~0.26%，Mn：0.80~1.10%， P：≤0.010%，S：≤0.003%，Cr：0.17~0.22%，Al：0.042~0.048%，Nb：0.032~0.038%，V：0.033-0.036%，Mo：0.08~0.14%，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的抗拉强度1800 MPa级以上的冷弯性能优良的含锌涂覆层的热成形构件，其特征在于，所述热轧工艺中，铸坯在加热炉中进行加热，加热时间120min~180min，空燃比为0.8~1.0；铸坯出炉温度为1000~1230℃。
4.根据权利要求1所述的抗拉强度1800 MPa级以上的冷弯性能优良的含锌涂覆层的热成形构件，其特征在于，所述热轧工艺中，精轧采用CVC轧机进行轧制，并开启边部加热器；热轧卷边部厚度减薄区域宽度控制在单边25mm内；终轧温度870~920℃；采用前段层流冷却；卷取温度650~700℃；卷取后得到的热轧卷脱碳层厚度为15~25μm。
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