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CN116751935A - 一种锌基镀层热成形钢构件的成形工艺 - Google Patents

一种锌基镀层热成形钢构件的成形工艺 Download PDF

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CN116751935A CN202310569286.4A CN202310569286A CN116751935A CN 116751935 A CN116751935 A CN 116751935A CN 202310569286 A CN202310569286 A CN 202310569286A CN 116751935 A CN116751935 A CN 116751935A
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熊自柳
薛仁杰
王立辉
宋帅
张青
弓俊杰
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Abstract

本发明公开了一种锌基镀层热成形钢构件的成形工艺，包括下述工艺步骤：奥氏体化：采用锌基镀层热成形钢或预成形构件进行生产；当采用锌基镀层热成形钢时，将所述锌基镀层热成形钢进行两阶段加热，第一阶段将锌基热成形钢加热至530℃～620℃、保温5～12min，第二阶段将锌基镀层热成形钢加热至奥氏体化温度、保温3～5min；当采用预成形构件时，直接加热至奥氏体化温度；气雾冷却：对处于奥氏体化状态的锌基镀层热成形钢或预成形构件采用气雾冷却的方式，以15～180℃/s的冷却速率快速降温至保证入模温度。本方法保证了后续构件的焊接性能并降低LMIE裂纹，最终提高产品综合性能、产品质量和生产效率。

Description

一种锌基镀层热成形钢构件的成形工艺
技术领域
本发明涉及一种热成形方法，尤其是一种锌基镀层热成形钢构件的成形工艺。
背景技术
随着国家“双碳”战略的深入推进，汽车工业对轻量化的需求日益提高，而抗拉强度在1500MPa上的热冲压成形用钢是迄今为止最经济高效的车身轻量化用材解决方案。
传统的无镀层热成形钢在热冲压加热过程中高温导致裸板表面发生氧化，产生大量的氧化铁皮不仅降低了钢板与模具之间的热传导效率，影响了钢板的淬火效果，同时因为氧化铁皮的存在，改变了钢板表面的摩擦系数，降低了热冲压零件的成形精度。另一方面模具表面附着的氧化物颗粒降低了模具的使用寿命。为了避免表面氧化和脱碳，裸板热冲压前会在其表现涂上耐高温润滑油，但是当钢板加热被加热到高温时，表面的润滑油形成液态膜，在一定程度上避免了热成形钢表面的氧化和脱碳，但是这种工艺需要后续的酸除去氧化皮，还需要清洗、涂油干燥等工序，不仅增加钢板的吸氢，导致氢脆，还影响了热成形工艺效率较低。
为了避免裸板热成形钢在高温加热时发生的表面氧化起皮和脱碳，降低避免使用酸洗和喷丸处理，Al-Si镀层的应用最为广泛。Al-Si镀层的组织主要成分为共晶Al-Si合金，钢基体与镀层之间有一层Fe2SiAl7抑制层，而在抑制层与铁基体之间还有FeAl3和Fe2Al5层。因为FeAl3和Fe2Al5层的塑性很差，Al-Si镀层在热冲压过程中容易开裂产生裂纹，导致复杂的冲压零部件无法用Al-Si镀层热成形钢冲压完成，只能进行直接热冲压成形，另外Al-Si镀层不具有阴极保护作用，在开裂处会加速基体腐蚀。为了提供阴极保护，近年来锌基镀层的研究成为热点。Zn基镀层拥有良好的金属外观、成形性能、可以提供牺牲阴极保护性能、避免表面高温氧化起皮和脱碳等优点，但是因为Zn的熔点(420℃)和沸点(900℃)比较低，所以Zn基镀层的加热工艺窗口较窄；因为Zn的低熔点，在热成形过程中不可避免的会有液态Zn存在，液态Zn沿着奥氏体和铁素体晶界拓展，从而诱发液态金属导致脆断(LMIE)。另外Zn基镀层加热过程中，随着温度增加，Al逐渐迁移到镀层表面形成氧化铝层，对表面Zn进行保护，镀层表面的状态由低温时的平整逐渐转变成高温时的凹凸不平，表面组织也由纯锌变成一层氧化锌和氧化铝，同时伴有少量的Γ相。氧化物的存在避免了镀层表面Zn的挥发，使得镀层拥有较好的阴极保护性能，但是由于氧化层的存在，使得焊接时接触电阻增加，需要进行表面清理。因此，研究锌基镀层热成形钢的热成形工艺，提高加热过程中的表面质量并减少液态金属致脆(LMIE)就显得尤为重要。
公开号CN 112139335 A的中国专利提供了一种高耐蚀易焊接热压零部件的制备方法、公开号CN 113751410 A的中国专利提供了一种高耐蚀易焊接热压零部件的热浴成形工艺，这两种工艺在成形过程中的核心步骤均是将加热后的板料转移至沸水箱中进行高压沸水除氧化层，并同时在沸水中进行成形和淬火。但是该技术存在以下问题：首先，在实际生产过程中不适合大规模、大尺寸零件的工业化生产，热成形模具制造复杂、体积庞大，虽然仅将下模置于沸水中进行成形和淬火，但依旧存在难度；另外沸水的温度必然造成淬火冷速的降低，目标组织控制难度大，性能无法得到保障。其次，利用钢板与沸水之间热量的释放实现钢板表层汽化破裂、这种气泡产生的冲击力及周边水流快速移动将氧化物去除的均匀性难以保证。另外一方面，该技术中提到若板料经过加热阶段和沸水浴中清洗阶段后，镀层表面状态不满足后续焊接等工艺，在取出零部件进行吹风或在干燥炉中干燥处理之前，零部件移出沸水箱转移至无氧室温水中进行超声波清洗，说明镀层表面的状态不可控，另外增加了多道额外工序。
公开号为CN 112170662 A的中国专利申请提供了一种锌基镀层高强钢的热成形工艺，该项技术中锌基镀层高强钢半成品在惰性气氛下加热，并在移出加热炉后，以30～50℃/s的冷却速度冷却至600～700℃进行保压淬火处理，虽然在一定程度上能够调控镀锌层的合金化，但是惰性气氛中加热，氧分压较低，会造成高温下钢表面Zn挥发严重，在镀层表面几乎没有氧化物生成，对Zn起不到保护作用，严重影响镀层中Zn含量，减弱了阴极保护性能。另外，并未明确给出30～50℃/s的冷却速度控制手段。
公开号CN 114260350 A的中国专利申请提供了一种降低成本、提高生产效率的镀锌板热成形方法，该项技术通过高压雾化喷头喷出的冷却液控制液态金属深入基体导致裂纹的目的，并能够进行双级冷却，实现对料片进行有目的均匀或者不均匀处理。该项技术存在以下问题；一是根据该文献中描述，一级冷却喷头从模具内部喷向入口处料片，射程长，空间小，难以实现有限均匀冷却；其次，二级冷却装置配置在模具上下模面处，但是在实际冲压过程中，上下模面紧密贴合，再加上镀层钢板表面不可避免的粘接，喷雾口很容易堵塞受损。另外，根据专利文献中描述，并未给出该技术具体实施效果，难以对成形构件的质量进行预测评估。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能有效地减少液态金属致脆的锌基镀层热成形钢构件的成形工艺。
为解决上述技术问题，本发明包括下述工艺步骤：(a)奥氏体化：采用锌基镀层热成形钢或预成形构件进行生产；
当采用锌基镀层热成形钢时，将所述锌基镀层热成形钢进行两阶段加热，第一阶段将锌基热成形钢加热至530℃～620℃、保温5～12min，第二阶段将锌基镀层热成形钢加热至奥氏体化温度、保温3～5min；
当采用预成形构件时，直接加热至奥氏体化温度；
(b)气雾冷却：对步骤(a)中处于奥氏体化状态的锌基镀层热成形钢或预成形构件采用气雾冷却的方式，以15～180℃/s的冷却速率快速降温至保证入模温度；
(c)快速移送：将步骤(b)得到的锌基镀层热成形钢或预成形构件快速移送至热冲压成形模具中，且保证移送过程中温降不超过50℃；
(d)热冲压成形：采用冲压成形模具将锌基镀层热成形钢或预成形构件热冲压成形。
进一步的，所述步骤(b)中，气雾冷却速率≥40℃/s，冷却时间控制在1～5s，保证入模温度在680～785℃。
进一步的，所述步骤(b)中，通过控制不同区域的冷却速率对锌基镀层热成形钢或预成形构件进行分区气雾冷却，不同区域之间的温差≤200℃。
更进一步的，所述不同区域为软区部分和硬区部分；所述软区部分，气雾冷却速率控制在20～40℃/s，冷却时间控制在8～15s；所述硬区部分，气雾冷却速率控制≥40℃/s，冷却时间控制在1～5s。
进一步的，所述步骤(d)热冲压成形：锌基镀层热成形钢或预成形构件在冲压成形模具中以不小于30℃/s的平均冷却速率冷却至230℃及以下，并保压10～30s。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明对钢材奥氏体化阶段采用二阶段式加热来实现预合金化，可有效避免热冲压过程中液态Zn导致的LMIE裂纹，并充分发挥了气雾冷却阶段的冷却能力，不仅能够冷却借助高压气雾喷吹高温板材表面形成的激冷作用，有效地去除表面氧化层，降低焊接时接触电阻。本发明综合了加热阶段镀层组织调控以及冷却控制保证了镀层质量，能够在满足锌基镀层热成形钢良好的金属外观及阴极保护性能优势下，保证后续构件的焊接性能并降低LMIE裂纹，最终提高产品综合性能、产品质量和生产效率。本发明所述气雾冷却还能够根据零件服役特性调控温度分区来实现性能的梯度分布，能实现零部件性能梯度控制。
(1)锌基镀层热成形钢直接热成形时采用两阶段加热，第一阶段的目的是实现预合金化，保证镀层中全为α-Fe(Zn)相，可有效避免热冲压过程中液态Zn导致的LMIE裂纹，且镀层中的Zn含量可起到阴极保护的作用。第二阶段的奥氏体化加热温度和时间，进一步促进镀层中的α-Fe(Zn)相逐渐增加，Γ相逐渐减少并远离钢板基体。预成形构件采用间接热成形，因为已完成预成型90％，基本不会诱发LMIE裂纹，采用一阶段直接加热即可。
(2)采用气雾冷却相比于已公开的文献及专利中提到的沸水浸泡、喷吹空气等手段，更便于建立终点温度可控机制，只需要调节水量就能对冷却速度予以监督，从而保证相应的处理模式都在可控范围内。另外，冷却借助高压气雾喷吹高温板材表面形成的激冷作用，诱导表面氧化层与镀层基体因膨胀系数的差异使得氧化层快速破碎、脱落，能有效地去除表面氧化层，在此阶段即可降低焊接时接触电阻，避免热冲压完成后的再处理，同时更快的冷速能够减少冷却时间，提升生产节拍。
(3)因为气雾冷速可控可调，通过控制喷吹压力、时间等参数即可控制合适的的冷却速率，这种情况十分便于实现零件的梯度分度，根据采用热冲压成形方式的不同，当采用直接热成形时，可以对板材进行分区冷却，然后再进行保压淬火，采用间接热成形时，根据零件的服役性能进行温度分区，以实现性能梯度分布，满足车身零部件的碰撞吸能效果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本锌基镀层热成形钢构件的成形工艺包括下述工艺步骤：
(a)奥氏体化：采用锌基镀层热成形钢或预成形构件进行生产；所述锌基镀层热成形钢以热成形钢为基板镀锌而成；所述预成形构件以锌基镀层热成形钢预成形90％而成。
当采用锌基镀层热成形钢时，将所述锌基镀层热成形钢进行两阶段加热，第一阶段将锌基热成形钢加热至530℃～620℃、保温5～12min，第二阶段将锌基镀层热成形钢加热至奥氏体化温度850～920℃、保温3～5min；优选辊式加热炉。
当采用预成形构件时，采用间接热成形，直接加热至奥氏体化温度，优选工艺为：奥氏体化温度850～920℃，保温3～6min；优选箱式加热炉。因预成形构件已完成预成型90％，基本不会诱发LMIE裂纹，采用上述一阶段直接加热即可。
(b)气雾冷却：对步骤(a)中处于奥氏体化状态的锌基镀层热成形钢或预成形构件采用气雾冷却的方式，以15～180℃/s的冷却速率快速降温至入模温度。所述气雾冷却采用喷吹气体和/或液体的方式，其中喷吹气体优选空气、氮气、氩气或其他惰性气体，喷吹液体优选水、或者其他冷却液体；气雾喷吹压力在0.3～1.0MPa，通过控制水量(气量)、气雾喷吹时间及喷吹压力保证气雾的冷却速度15～180℃/s范围可调。
可以通过控制不同区域的冷却速率对锌基镀层热成形钢或预成形构件进行分区气雾冷却，以实现材料性能、尤其是强度的梯度分布；也可根据需要对锌基镀层热成形钢或预成形构件进行整体(不分区)气雾冷却，材料性能不会出现梯度分布。
采用整体气雾冷却时，优选的气雾冷却工艺为：气雾冷却速率≥40℃/s、最好为40～120℃/s，冷却时间控制在1～5s，冷却到能保证后续的入模温度为680～785℃。
采用分区气雾冷却时，不同区域为软区部分和硬区部分；优选的气雾冷却工艺为：所述软区部分，气雾冷却速率控制在20～40℃/s，冷却时间控制在8～15s，保证软区温度在Ms点以上；所述硬区部分，气雾冷却速率≥40℃/s、最好为40～120℃/s，冷却时间控制在1～5s；不同区域之间的温差≤200℃，以保证热成形后强弱区过渡区域宽度≤50mm。
(c)快速移送：将步骤(b)得到的锌基镀层热成形钢或预成形构件快速移送至热冲压成形模具中，且保证移送过程中温降不超过50℃。
(d)热冲压成形：入模温度为680～785℃，采用冲压成形模具将锌基镀层热成形钢或预成形构件进行热冲压成形，锌基镀层热成形钢或预成形构件在冲压成形模具中以不小于30℃/s的平均冷却速率冷却至230℃及以下，并保压10～30s；即可得到热成形构件成品。
(e)采用整体气雾冷却方式的热成形构件成品：组织基本为板条马氏体组织和少量铁素体组织、或全马氏体组织，马氏体体积分数≥85％；具有1300～2000MPa的抗拉强度、以及5～12％的延伸率；可用于汽车车身安全结构件，包括A柱、B柱、前后防撞梁、车门防撞梁等。
采用分区气雾冷却方式的热成形构件成品：软区组织为铁素体组织和片状珠光体组织，硬区组织基本为板条马氏体组织和少量铁素体组织、或全马氏体；软区强度可达550MPa～1000MPa，硬区强度可达800MPa～1800MPa，过渡区域宽度范围≤50mm；可用于汽车车身安全结构件，包括前纵梁、B柱、地板纵梁等。
实施例1.1-1.5：本锌基镀层热成形钢构件的成形工艺采用下述具体工艺。
(1)实施例1.1-1.5均采用锌基镀层热成形钢进行生产，均采用整体气雾冷却方式；各实施例所采用的的工艺参数具体如表1所示。
表1：实施例1.1-1.5的工艺参数
(2)各实施例所得热成形构件成品的镀层结构及性能如表2所示。
表2：镀层结构及性能
实施例2.1-2.5：本锌基镀层热成形钢构件的成形工艺采用下述具体工艺。
(1)实施例2.1-2.5均采用锌基镀层热成形钢进行生产，均采用分区气雾冷却方式；各实施例所采用的的工艺参数具体如表3所示。
表3：实施例2.1-2.5的工艺参数
(2)各实施例所得热成形构件成品的软区的镀层结构及性能如表4所示，硬区的镀层结构及性能如表5所示。
表4：软区的镀层结构及性能
表5：硬区的镀层结构及性能
实施例3.1-3.5：本锌基镀层热成形钢构件的成形工艺采用下述具体工艺。
(1)实施例3.1-3.5均采用预成形构件进行生产，均采用整体气雾冷却方式；各实施例所采用的的工艺参数具体如表6所示。
表6：实施例3.1-3.5的工艺参数
(2)各实施例所得热成形构件成品的镀层结构及性能如表7所示。
表7：镀层结构及性能
实施例4.1-4.5：本锌基镀层热成形钢构件的成形工艺采用下述具体工艺。
(1)实施例4.1-4.5均采用预成形构件进行生产，均采用分区气雾冷却方式；各实施例所采用的的工艺参数具体如表8所示。
表8：实施例4.1-4.5的工艺参数
(2)各实施例所得热成形构件成品的软区的镀层结构及性能如表9所示，硬区的镀层结构及性能如表10所示。
表9：软区的镀层结构及性能
表10：硬区的镀层结构及性能

Claims (5)

1.一种锌基镀层热成形钢构件的成形工艺，其特征在于，其包括下述工艺步骤：（a）奥氏体化：采用锌基镀层热成形钢或预成形构件进行生产；
当采用锌基镀层热成形钢时，将所述锌基镀层热成形钢进行两阶段加热，第一阶段将锌基热成形钢加热至530℃～620℃、保温5～12min，第二阶段将锌基镀层热成形钢加热至奥氏体化温度、保温3～5min；
当采用预成形构件时，直接加热至奥氏体化温度；
（b）气雾冷却：对步骤（a）中处于奥氏体化状态的锌基镀层热成形钢或预成形构件采用气雾冷却的方式，以15～180℃/s的冷却速率快速降温至保证入模温度；
（c）快速移送：将步骤（b）得到的锌基镀层热成形钢或预成形构件快速移送至热冲压成形模具中，且保证移送过程中温降不超过50℃；
（d）热冲压成形：采用冲压成形模具将锌基镀层热成形钢或预成形构件热冲压成形。
2.根据权利要求1所述的一种锌基镀层热成形钢构件的成形工艺，其特征在于：所述步骤（b）中，气雾冷却速率≥40℃/s，冷却时间控制在1～5s，保证入模温度在680～785℃。
3.根据权利要求1所述的一种锌基镀层热成形钢构件的成形工艺，其特征在于：所述步骤（b）中，通过控制不同区域的冷却速率对锌基镀层热成形钢或预成形构件进行分区气雾冷却，不同区域之间的温差≤200℃。
4.根据权利要求3所述的一种锌基镀层热成形钢构件的成形工艺，其特征在于：所述不同区域为软区部分和硬区部分；所述软区部分，气雾冷却速率控制在20～40℃/s，冷却时间控制在8～15s；所述硬区部分，气雾冷却速率控制≥40℃/s，冷却时间控制在1～5s。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种锌基镀层热成形钢构件的成形工艺，其特征在于：所述步骤（d）热冲压成形：锌基镀层热成形钢或预成形构件在冲压成形模具中以不小于30℃/s的平均冷却速率冷却至230℃及以下，并保压10～30s。
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