CN115747437A - 一种降低热镀锌热成形钢表面色差的热成形工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低热镀锌热成形钢表面色差的热成形工艺，其工艺步骤为：S1、将板料利用预冲压模具进行冲压至中间形状，形成预成形钢板；S2、将加热炉升温至奥氏体化区间且温度稳定后，板料与炉内的温度差不超过±10℃、炉内露点温度≤0℃，将预成形后板料放进炉内进行奥氏体化保温，保温过程控制加热炉炉内含氧量为10%～40vol%；S3、板料在加热炉中保温结束后拿出，进行校正淬火；S4、将校正淬火后的板料进行保压，即可得到热成形钢板。本方法能获得良好的表面氧化物的组成和镀锌厚度来改善色差，能够有效的降低镀层的色差值；能够减少热镀锌钢间接热成形后，由于表面氧化物组成分布不均和裂纹导致的色差严重、外观不均匀等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种板材热成形工艺，尤其是一种降低热镀锌热成形钢表面色差的热成形工艺。
背景技术
用于热成形的镀锌高强钢主要包括纯锌镀层（GI）和合金化锌基镀层（GA）两种类型，镀锌热成形钢克服了Al-Si镀层产品耐切口腐蚀、复杂零部件制造等技术难题，代表了汽车行业热成形钢应用的最新需求和发展趋势。相比较于冷成形工艺冲压时产生的回弹严重、成形性差、模具寿命低等问题，热成形技术极大地改善了这些问题。
实际生产过程中，热成形工艺可以分为直接热成形和间接热成形两种工艺。前者适用于变形小的零件，主要是直接将钢板加热奥氏体化，转移到模具中成形；而后者间接热成形工艺则是将钢板在冷成形模具中成形至接近最终形状，然后将其加热奥氏体化后，转移至另一模具中热成形，适用于形状复杂的零部件。汽车业都投入了巨大的人力物力来研宄高强度热镀锌热成形技术。在热成形使用水冷模具时钢板组织为全马氏体，目前业界热冲压成形工艺中适用最多的钢种为22MnB5钢等硼合金钢。为了满足良好的焊接性能，碳含量通常低于0.25%，用来稳定奥氏体相，锰含量则为1.4%，来提高钢板的力学性能和淬透性；硼的存在可以避免生成铁素体。
但目前热镀锌热成形钢存在镀层元素分布不均匀，加热制度和炉内气氛控制不合理，使得加热奥氏体化及后续淬火过程中镀层熔化和元素烧损、以及LME锌致裂纹等问题。尤其以镀层中Zn含量不足导致表面色差严重，影响后续涂装和焊接性能等问题。因此这类缺陷近年来在行业受到了广泛的关注，成为了研究的热点问题，国内外的专家学者为解决这类问题做了许多研究。
经检索，现有主要关于热成形钢表面质量问题的，如德国大众汽车TL 4225在《Alloyed Quenched and Tempered Steel for Press Quenching -Uncoated or Pre-Coated》规定了由锰硼钢制成未涂层或预涂层的的热轧或冷轧薄板或焊接管，用于压力淬火或感应淬火和部分淬火和回火，厚度在0.65mm-6.00mm。对于轧制的坯料，预轧件的机械性能和最小涂层厚度做出了相关解释。德国GS 93032-06《Steels for direct andindirect hot forming-- Quality specification, technical delivery conditions》标准对适用于以硼钢为主要材料的直接和间接热成形的钢板做出了规定，包括钢板的化学成分、力学性能和包含锌、铁、铝元素的镀层成分，确定了质量规范技术交货条件。德国WS01006《Materials for components made of hot-formed steels with ZnFe coating》宝马企业标准，对热镀锌热成形钢产品化学成分、机械特性、组织结构、镀层、连接技术、及交货状态等做出了规定。如文献“The Effect of Silicon Content on Liquid-metal-embrittlement Susceptibility in Resistance Spot Welding of Galvanized Dual-phase Steel”研究了硅含量对镀锌双相钢电阻点焊中液态金属脆化敏感性的影响，在双相钢中，硅含量从0.7%增加到1.8%，提高了液态金属脆化的敏感性，在电阻点焊过程中，随着硅含量的增加，材料的热输入强度增加和材料的过早排出导致表面色差加剧。
中国专利申请号为CN201711049844.5的文献，公开了《一种消除含磷高强IF钢表面色差缺陷的方法》，其在于对含磷高强IF钢板进行加热处理，对加热后的所述含磷高强IF钢板坯进行粗轧和精轧、卷取，冷轧对钢板表面连续退火处理。中国专利申请号为CN201510247134.8的文献，公开了《一种消除热轧带钢表面色差缺陷的控制轧制方法》，其为解决热轧钢表面色差缺陷，将连铸成形的钢板置于加热炉中进行加热处理，一定程度消除了热轧带钢表面色差缺陷。中国专利申请号为CN201410529046.2的文献，公开了《一种22MnB5高强度薄钢板热冲压成形工艺》，其选择22MnB5钢板奥氏体化温度区间为920-970℃，保温4-10min；后进行热冲压，通过通入20℃的水和强风进行淬火来获得强度高、硬度大的零件。中国专利申请号为CN202110518498.0的文献，公开了《降低热成形过程中液态金属致脆的富铝系锌基镀层材料及其制备方法》，其通过调整镀液中铝镁含量，控制元素比，制备出新型合金镀层，来抑制LME并改善腐蚀问题。但这些专利申请均未涉及到后续成形后色差的解决措施。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种降低热镀锌热成形钢表面色差的热成形工艺，以有效的提升热镀锌热成形钢的质量。
为解决上述技术问题，本发明所采取的工艺步骤为：S1、将板料利用预冲压模具进行冲压至中间形状，形成预成形钢板；
S2、将加热炉升温至奥氏体化区间且温度稳定后，板料与炉内的温度差不超过±10℃、炉内露点温度≤0℃，将预成形后板料放进炉内进行奥氏体化保温，保温过程控制加热炉炉内含氧量为10%～40vol%；
S3、板料在加热炉中保温结束后拿出，进行校正淬火；
S4、将校正淬火后的板料进行保压，即可得到热成形钢板。
进一步的，所述步骤S2中，奥氏体化温度区间为870～890℃，奥氏体化保温时间为2～10min。
优选的，所述步骤S2中，板料与炉内的温度差控制在±5℃。
优选的，所述步骤S2中，露点温度控制在-15℃～-5℃。
优选的，所述步骤S2中，炉内含氧量为20～30vol%。
进一步的，所述步骤S3中，在空气气氛中进行风冷4～6s后再进行校正淬火。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明所述带有镀锌层的钢板不需要保护气氛，同时表面不会发生脱碳；通过合理控制奥氏体化温度，能够减小加热炉内的板料温度差，使得板料力学性能均匀，晶粒尺寸变化小同时有稳定的碰撞吸能功；使得能够使得镀层厚度增加；炉内的氧含量会影响表面氧化物的组织和含量，表面形成的大量氧化物对锌层起到了保护作用，减少了锌的挥发，表面的锌层表面氧化物的尺寸增大、保持连贯致密；镀层表面由ZnO、Al2O3和Fe氧化物组成；ZnO、Al2O3氧化物交替分布，Fe氧化物呈现连续分布趋势，有效避免在高温下镀层表面Zn的挥发，保持Zn含量在一定范围内，使得镀层具有阴极保护的作用；镀层组织由纯锌η相转变为α-Fe(Zn)相，表层仅存在微量Г相。同时合理控制露点能够缓解氢致延迟开裂现象，露点温度升高，表面氧化物也随之减少。
本发明通过选择合适的奥氏体化温度和时间，通过控制含氧量、露点温度、板料温度均匀性，获得良好的表面氧化物的组成和镀锌厚度来改善色差，能够有效的降低镀层的色差值；能够减少热镀锌钢间接热成形后，由于表面氧化物组成分布不均和裂纹导致的色差严重、外观不均匀等问题，降低了成形过程中生成的表面色差不均匀性，提升了热镀锌热成形钢耐黄性以及表面质量，提升了涂装性能以及焊接性能，有利于后续涂装以及焊接。本发明工艺程序简单、能有效较低能耗和成本，可推广用于热镀锌热成形钢的热加工领域。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例1-3所得热成形产品镀层表面形貌图；
图2是本发明实施例1-3所得热成形产品镀层表面色差值对比图；
图3是本发明实施例4-5所得热成形产品镀层表面SEM及EDS图；
图4是本发明实施例4所得热成形产品875℃下、-5℃露点温度的镀层界面图；
图5是本发明实施例4所得热成形产品875℃下、-15℃露点温度的镀层界面图。
具体实施方式
本降低热镀锌热成形钢表面色差的热成形工艺适用于22MnB5热镀锌热成形钢板的热成形；22MnB5热镀锌热成形钢板的基板成分重量百分比为：C 0.01～0.4％，Si 0.1～1％，Mn 1～5％，P 0.001～0.2％，S 0.001～0.1％，Al 0.001～0.2％，Ti 0.001～0.4％，B0.0005～0.1％，Nb 0.001～0.4％，Cr 0.001～0.5％，N 0.001～0.5％，其余为Fe及杂质；钢板厚度为1～1.5mm；镀层元素主要为Zn、Fe、Al；镀层厚度约为10μm，重量为60g/m2；热成形部件的屈服强度为600～1400MPa，抗拉强度800～1800MPa，延伸率≥3％。
本降低热镀锌热成形钢表面色差的热成形工艺采用下述工艺步骤：
S1、将钢板板料清洗后吹干，在空气气氛中利用预冲压模具进行冲压至90～95%中间形状；
S2、将加热炉炉温升温至奥氏体化区间，奥氏体化温度区间为870～890℃，待炉膛温度稳定后，炉内露点温度≤0℃，将与炉内温度差不超过±10℃的板料放进箱式加热炉内进行奥氏体化保温、保温时间为2～10min，保温过程控制加热炉炉内含氧量为10%～40vol%、最好为20～30vol%；所述加热炉最好为箱式加热炉，板料与炉内温度差最好控制在±5℃内，露点温度最好控制在-15℃～-5℃；
S3、保温结束后，板料拿出转移，先在空气气氛中进行风冷4～6s，再进行校正淬火；
S4、校正淬火后的板料保压2～12s，然后放进烘干箱烘干，即可得到的热成形钢板。
实施例1-5：本降低热镀锌热成形钢表面色差的热成形工艺具体如下所述。
（1）工艺参数：采用上述工艺过程，各实施例的工艺参数见表1。
表1：各实施例的工艺参数
（2）色差检测：实施例1-6中的钢镀层表面色差利用色差仪来进行分析，结果见图1。以每组温度中第一个表面质量较好的试样为基础，分别测量45as-15～45as110共6个几何条件下的色差结果，对结果取平均值，每组设置一个平行样，光源视角为D65/10，结果见图2。测出表面色差值ΔE*ab，如下式（1）所示；
ΔE*=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2 （1）
式（1）中，ΔE为色差值，ΔL为亮度值，Δa红绿值，Δb为黄蓝值。
可以看出，随着加热时间的增加，色差值ΔE有增大的趋势，奥氏体化时间对于GI镀层的结构、Al、Zn、Fe扩散有很大关系，同时对于镀层厚度也有影响。GI镀层钢板合适的奥氏体化温度区间和时间为850～950℃、2～10min，时间增加导致F和P发生转变，A含量增加但F降低，M的晶粒大小和此时的加热时间成正相关趋势，同时表面色差和温度变化趋势也相同；当奥氏体化时间达到处在10min时，镀层变得不稳定，表面色差值趋于稳定。
表2为实施例4和5在875℃下25%、35%含氧量时镀层表面SEM及EDS结果。
表2：镀层表面SEM及EDS结果
所述表2中P1、P2、P3、P4分别为EDS元素能谱检测的四个位置点。
实施例1-6中的钢镀层表面形貌，如图1所示：通过实施例对比分析，不同保温时间热处理后的镀层表面颜色从原先光洁的亮白色逐渐变为深黄色。经过6min热处理后，镀层表面颜色开始转变为黄色；随着时间增加，镀层逐渐颜色不均匀，表面质量愈发变差，出现高低不平的缺陷。
如图3和表2所示为实施例4和5在875℃下25%、35%含氧量时镀层表面SEM及EDS结果，对试样表面氧化物进行能谱分析，其中，图3上半部分的（a）、（b）以及二者之间的元素扫描结果为实施例4的扫描结果，图3下半部分的（c）、（d）以及二者之间的元素扫描结果为实施例5的扫描结果。图3（a）中此时纯锌镀层表面氧化物形状不统一、含量较少，EDS点扫描结果显示，为富Zn氧化物；同时P1和P3点Fe含量为27.53%和27.16%，可能为Fe的氧化物；Al元素含量可以判定为Al2O3。图3（c）为875℃、35%含氧量的试样表面氧化物形貌，圆球状氧化物Mn含量较高，主要是基体中Mn元素迁移至镀层表面，O的含量较高，此时氧化严重、Fe元素含量降低，主要由Zn和O元素组成的ZnO逐渐覆盖表面，起到保护元素蒸发的作用。图4及图5分别是实施例4和5在875℃下-5℃和-15℃露点温度的镀层界面，其中，图4是实施例4的镀层界面，镀层厚度是12μm左右，图5是实施例5的镀层界面，镀层厚度20μm左右；可见，增大加热时间会使得镀层变厚，同时表面氧化物高度增加，也能起到抑制元素蒸发的作用；同时较少镀层烧损，降低镀层色差值。
Claims (6)
1.一种降低热镀锌热成形钢表面色差的热成形工艺，其特征在于，其工艺步骤为：S1、将板料利用预冲压模具进行冲压至中间形状，形成预成形钢板；
S2、将加热炉升温至奥氏体化区间且温度稳定后，板料与炉内的温度差不超过±10℃、炉内露点温度≤0℃，将预成形后板料放进炉内进行奥氏体化保温，保温过程控制加热炉炉内含氧量为10%～40vol%；
S3、板料在加热炉中保温结束后拿出，进行校正淬火；
S4、将校正淬火后的板料进行保压，即可得到热成形钢板。
2.根据权利要求1所述的一种降低热镀锌热成形钢表面色差的热成形工艺，其特征在于：所述步骤S2中，奥氏体化温度区间为870～890℃，奥氏体化保温时间为2～10min。
3.根据权利要求1所述的一种降低热镀锌热成形钢表面色差的热成形工艺，其特征在于：所述步骤S2中，板料与炉内的温度差控制在±5℃。
4.根据权利要求1所述的一种降低热镀锌热成形钢表面色差的热成形工艺，其特征在于：所述步骤S2中，露点温度控制在-15℃～-5℃。
5.根据权利要求1所述的一种降低热镀锌热成形钢表面色差的热成形工艺，其特征在于：所述步骤S2中，炉内含氧量为20～30vol%。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种降低热镀锌热成形钢表面色差的热成形工艺，其特征在于：所述步骤S3中，在空气气氛中进行风冷4～6s后再进行校正淬火。
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