CN102031456A

CN102031456A - 冲压淬火用钢板及其热成型方法

Info

Publication number: CN102031456A
Application number: CN2009101877946A
Authority: CN
Inventors: 时晓光; 刘仁东; 韩斌; 敖列哥; 李桂艳; 于宁; 郭金宇; 高晓龙; 谷春阳; 王越
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: CN102031456B

Abstract

本发明公开一种冲压淬火用钢板及其热成型方法，钢板化学成分质量百分比为：C0.14％～0.28％，Si0.40％以下，Mn0.4％～2.0％，P≤0.010％，S≤0.004％，Al0.016％～0.040％，Cr0.15％～0.8％，Ti0.015％～0.12％，B0.0001％～0.005％，N≤0.005％，余量为Fe和不可避免杂质。热成型方法为：钢板经剪切下料后在Ac3～Ac3+80℃加热，进行奥氏体化，在加热炉中经过5～10分钟保温后立刻转移至一个内部通水冷却的金属模具内，在650～850℃的高温条件下进行冲压；成形的工件在密闭的模具中冷却，模具本身依靠水循环进行冷却，冷却速度大于奥氏体形成马氏体的临界冷速，最后工件离开热冲压生产线时的温度在150℃以下，之后空冷至室温。本发明成分系简单，具有良好的淬透性，基板组织为铁素体及珠光体，经热冲压淬火后，可以得到全马氏体结构。拉伸强度可达1300N/mm²以上。

Description

冲压淬火用钢板及其热成型方法

技术领域

本发明涉及一种冲压淬火用钢板及其热成型方法，本发明的钢板所制备的热成型制品，主要用于汽车的防撞件及强度加强件。

背景技术

为了提高汽车的有效燃料利用率、安全性和环境标准，迫使汽车制造业降低汽车自重并同时保证碰撞安全性，因而要求提高零部件强度。使用超高强度钢板是实现汽车轻量化的重要途径。采用超高强度钢板在室温生产汽车件的最大问题是成形的限制及回弹。传统设计中汽车A柱、B柱、加强板及防撞梁等部件，大部分采用高强度钢板的冷冲压工艺制作。高强度钢板强度高，在常温下冲压变形，易开裂、回弹严重，复杂形状零件冲压成形困难。冲压淬火工艺主要是利用金属在高温下，其塑性和延展性迅速增加，屈服强度迅速下降的特点，通过模具使零件成形，同时利用装有水冷却系统的模具使钢板成形同时在模具中淬火以获得马氏体组织。

中国专利CN1600877A公开的“热冲压用镀敷钢板的加热处理方法”，在热冲压之前，将用于加热镀敷钢板的加热炉内的氧浓度设为1～5容积％的氧浓度时，从加热炉取出时，钢板的表面不会急速被氧化，可以得到均匀的外观。另一权利要求是一种热冲压用镀敷钢板的加热处理方法，是用于使镀敷钢板在冲压金属模具内急冷而实施淬火的热冲压之前预先加热该镀敷钢板的热冲压用镀敷钢板的加热处理方法。其特征在于，使该镀敷钢板在氧浓度是0容积％或0容积％以上而且露点是0℃或0℃以上的气氛气体下进行加热。镀敷钢板为热浸镀锌系钢板，使用该钢板进行热冲压可以在钢板表面上形成氧化锌和氢氧化锌等的阻挡层，可以抑制从加热炉取出时的急速氧化，因而可以稳定地得到具有充分的涂装密合性和耐蚀性的热冲压成形品。该专利文献对加热炉内的气氛要求较高，实际控制较难；另外，镀锌层能否满足热冲压成形的要求不能确定，锌的熔点较低为420℃，沸点为907℃，钢板加热至900℃左右，会导致钢板表面有污染物产生，影响后续的涂漆等工序。

专利CN1809650A公开了“热冲压成形品及其制造方法”，介绍了一种改善了耐蚀性和喷涂结合性的热冲压成形品，对镀锌系钢材进行热冲压成形，而备有包含铁-锌固溶相的锌系层以及其上部的氧化锌层，表层的氧化锌层的厚度平均厚度在2μm以下。在实际的热冲压作业中，通过将镀锌系钢板的热冲压成形品的表面所产生的氧化锌由喷丸等处理完全除去或将其平均厚度减到2μm以下，能够稳定并改善热冲压成形品的喷涂结合性。但是，镀锌钢板同样存在热冲压时锌的熔化污染模具的问题，另外，经喷丸完全去除氧化锌较困难，会影响到后续的喷涂，且工序较为复杂，同时喷丸会对成形品的尺寸公差有影响。

专利文献CN1829813A公开了“热成型法与热成型构件”，介绍对于热冲压钢板通过热冲压而制作兼具有稳定的强度和韧性的热冲压构件。所公开的钢板成分以质量计为：C：0.15％～0.45％、Mn：0.5％～3.0％、Cr：0.1％～0.5％、Ti：0.01％～0.1％、B：0.0002％～0.004％、Si：0.5％以下、P：0.05％以下、S：0.05％以下、Al：1％以下、N：0.01％以下；并且还含有Ni：2％以下、Cu：1％以下、Mo：1％以下、V：1％以下、以及Nb：1％以下的一种或2种以上；剩余部分为Fe和不可避免的杂质。在热冲压时的冷却过程中，以大于临界冷却速度以上冷却至Ms点，从Ms点至200℃的温度范围的冷却速度为25～150℃/s。根据该发明，在钢板成形后的冷却期间，也就是钢板在金属模具冷却时，通过将Ms点(马氏体形成的开始温度)以下的温度区域的平均冷却速度控制在一定范围内，从而通过热成型制造兼具稳定的强度和韧性的热成型构件。该钢板成分较复杂，冶炼时较难控制，而且会导致成本增加；在成形工艺方面，具体操作时Ms点以下的冷却速度较难控制，且会增加生产成本；马氏体转变为非扩散性相变，亦即切变型相变，当奥氏体的冷却速度大于临界冷速且温度低于Ms点时即发生马氏体转变，在此温度下的冷却速度不会影响马氏体的组织变化。

专利文献CN101280352A公开了“高安全高精度热成型马氏体钢零件制备方法”。介绍了一种高安全高精度热成型马氏体零件制备方法，属于获得以马氏体为基体组织的合金钢板的热冲压成型零件的控制冷却工艺领域。工艺为：将钢板加热到Ac3温度以上20-250℃，从而保证钢获得奥氏体组织，随后移送到冲压模具上进行冲压成型；此时，控制冲压模具的温度在100-400℃的区域，冲压成型后保持5-60秒后，从冲压模具中取出成型零件。优点在于，获得优良的塑性和安全性，并大幅度提高钢的抗氢脆敏感性。此成型零件在热成型时通过模具温度控制，得到的最终组织为非全马氏体结构，会影响零件的强度；同样，没有说明热成型过程中钢板的抗氧化保护，这一点对热冲压零件十分重要。

发明内容

本发明目的在于提供一种冲压淬火用钢板及其冲压成型方法。钢板具有良好的淬透性，通过热冲压法制造出1500MPa以上超高强度结构件，用于汽车的碰撞部件、支撑部件及加强部件，解决现有技术中所存在的钢板成分较为复杂，冶炼及冲压成型工艺较难控制，生产成本增加以及热成型件表面氧化等问题。

本发明的目的是这样实现的：

1.冲压淬火用钢板

钢板化学成分的质量百分比(Wt％)为：C：0.14％～0.28％，Si：0.40％以下，Mn：0.4％～2.0％，P：≤0.010％，S：≤0.004％，Al：0.016％～0.040％，Cr：0.15％～0.8％，Ti：0.015％～0.12％，B：0.0001％～0.005％，N：≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。该钢种具有较高的淬透性，作为热冲压用钢的基板材料，可进行热轧及冷轧生产。钢板厚度为0.70～4.0mm。

本发明合金元素作用说明如下：

C：0.14％～0.28％

碳主要决定钢的淬硬性，是形成马氏体的元素。中低碳钢中，随碳量增加，钢的CCT曲线右移，增大钢的淬透性，但与锰、铬、硼等元素相比，效果很小。碳含量增加，降低Ac3点，促进奥氏体低温下形成，有利于淬火处理，但C含量低于0.14％时效果不明显，另外，C含量高于0.28％时会导致淬火开裂倾向。

Si：0.40％以下

Si为提高钢板淬透性及强度元素，但过高会影响热冲压件喷涂质量，并增加生产成本。

Mn：0.4％～2.0％

锰是扩大奥氏体区元素，锰量增加，淬透性提高，且在淬火后对稳定强度是非常有效果的元素。Mn含量增加，降低Ac3点，促进奥氏体低温下形成，有利于淬火处理，但Mn含量低于0.4％时效果不明显，另外，Mn含量高于2.0％时会导致淬火开裂倾向。

Cr：0.15％～0.8％

Cr是提高钢淬透性元素，且在淬火后，有利于稳定确保强度的有效元素。不过，Cr含量低于0.15％此效果不明显，另一方面，若Cr含量超过0.8％此效果饱和，只会导致成本的增加。

Ti：0.015％～0.12％

钛在硼钢中主要用于固定氮，以保证硼的淬透效果得以发挥。此外，还具有使淬火处的韧性提高的效果。但是，Ti含量低于0.015％时效果不显著，另外，若Ti含量超过0.12％则达到饱和，会导致成本增长。

B：0.0001％～0.005％

钢中加入硼能显著提高淬透性，淬火后可以保证强度的稳定性。B含量低于0.0001％时效果不显著，而B含量高于0.005％时，过剩的B与钢中的N形成B的化合物，降低钢板的性能。

S、P为对钢板性能影响不良元素，在生产可能的情况下，越低越好。

Al：0.016％～0.040％

Al为钢中的强化元素，低于0.016％达不到效果，但高于确定上限0.04％会造成钢中氧化物增多，影响钢的质量。

N：≤0.005％

对于含B的热冲压用钢，N的含量越低越好，但过低会导致生产困难，增加成本，因此确保在上限0.005％以下。

2.冲压淬火用钢板制造方法

1)本发明钢板化学成分的质量百分比为：C：0.14％～0.28％，Si：0.40％以下，Mn：0.4％～2.0％，P：≤0.010％，S：≤0.004％，Al：0.016％～0.040％，Cr：0.15％～0.8％，Ti：0.015％～0.12％，B：0.0001％～0.005％，N：≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2)生产工艺路线：

热轧板：转炉冶炼→炉外精炼→板坯连铸→加热→轧制→卷取→酸洗→涂油→包装。

冷轧板：热轧钢卷→酸洗联轧机组→卷取→罩式炉退火→涂油→包装。

3)生产步骤：

钢板的制造方法为：具有本发明的冶炼成分的连铸坯料，加热到1150～1250℃，保温2.5～4小时后进行粗轧，然后多道次大压下精轧，终轧温度830～950℃，轧后采用层流冷却，以大于10℃/s冷却速度冷至卷取温度，卷取温度600～680℃。热轧后钢带经酸洗、涂油后进行包装。对于冷轧钢板是将热轧钢带进行冷轧，经纯氢气体罩式炉退火后涂油包装。退火温度为550～650℃，保温时间3～5h。

4)冲压淬火用钢板的组织特征及性能：

本发明的冲压淬火用基板的微观结构应具有均匀的铁素体和珠光体组织。钢板应具有的性能为，热轧板：规格1.70-4.00mm：Rel：320-630N/mm²、Rm：480-800N/mm²、A₈₀≥13％；冷轧板：规格0.70-3.2mm：ReL：280-450N/mm²，Rm＞450N/mm²，A₈₀≥16％。对于热轧及冷轧热冲压钢板的选择根据所需钢板厚度及实际热成型零件制造的需要而确定。

3.热成型方法

1)在冲压淬火过程中，成形和固化合成为一个单一的步骤，主要采用的方法如下：

钢板经落料在Ac3～Ac3+80℃加热，进行奥氏体化，奥氏体化温度范围为820～900℃，在连续炉中经过5-10分钟保温后立刻转移至一个内部通水冷却的金属模具内，在高温(650～850℃)条件下进行冲压，使形状复杂的零件可以一次成型。根据钢板的厚度，当其拉伸深度达到后，保持压力一定时间，同时冷却至150℃后取出零件，空冷至室温。在这个阶段，热成型工件在密闭的模具中冷却，模具本身依靠水循环进行冷却，成型工件的冷却速度应大于奥氏体形成马氏体的临界冷速，一般在25～100℃/s之间。

2)在模具中，一个传送、冲压和冷却的过程需要10～25s。最后工件离开热冲压生产线时的温度在150℃以下，空冷至室温，热冲压件具有很好的机械性能，拉伸强度为1300～1800N/mm²，屈服强度在900～1300N/mm²之间，延伸率大于或等于8％。热冲压件的室温组织为全马氏体组织。

3)保护气氛

钢板在加热过程中采用纯氢气保护，以避免钢板表面氧化脱碳，影响性能。氢气的热传导性及附着性良好，可以保证钢板及工件加热均匀，并防止氧化脱碳。

本发明所提供的钢板未添加Mo、Ni、Nb等元素，成分系简单，具有良好的淬透性，基板组织为铁素体及珠光体，经热冲压淬火后，可以得到全马氏体结构。拉伸强度可达1300N/mm²以上。是作为汽车行走部分的构件和各种加强构件的理想材料，可以起到汽车减重节能的效果。加热钢板时进行纯氢气体保护，保证了零件的表面质量并且无氧化脱碳，减少了后续的喷丸等处理手段，可以直接进行后续的涂漆等工序。冲压淬火钢主要用于制作轿车的A、B柱加强板、前后保险杠、防撞梁、车顶加强梁及底盘结构件等汽车零件。

具体实施方式

1.冲压淬火基板生产工艺路线

热轧板：转炉冶炼→炉外精炼→板坯连铸→加热→轧制→层流冷却→卷取→酸洗→涂油→包装。

对于热轧及冷轧热冲压钢板的选择根据所需钢板厚度及实际热成型零件制造的需要而确定。

2.钢板成分：表1为本发明钢板的化学成分，以质量百分比计。

表1钢板的化学成分wt％

3.热轧制度及冷轧退火制度

具有本发明冶炼成分的连铸坯料，经过加热、保温、粗轧并精轧，轧后采用层流冷却，以相应冷却速度冷至卷取温度，热轧后钢带经酸洗、涂油后进行包装；对于冷轧钢板是将平整后的热轧钢带进行冷轧。冷轧后钢板在罩式炉中进行退火处理，保护气氛为纯氢气体。具体的热轧制度及冷轧退火制度见表2。

表2热轧制度及冷轧退火制度

注：钢号“1-”、“2-”、“3-”、“4-”、“5-”、“6-”分别表示以原钢号1、2、3、4、5、6所轧制的钢板。

4.热成型方法：热冲压成型生产工艺条件见表3。

表3热冲压成型生产工艺条件

5.冲压淬火前后的性能：表4给出了冲压淬火用钢热冲压前后的性能情况。

表4热冲压前后的性能

Claims

1.一种冲压淬火用钢板，其特征在于：钢板化学成分的质量百分比为：C：0.14％～0.28％，Si：0.40％以下，Mn：0.4％～2.0％，P：≤0.010％，S：≤0.004％，Al：0.016％～0.040％，Cr：0.15％～0.8％，Ti：0.015％～0.12％，B：0.0001％～0.005％，N：≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的冲压淬火用钢板，其特征在于：C：0.18％～0.26％，Mn：0.8％～1.8％，Cr：0.15％～0.6％，Ti：0.02％～0.10％，B：0.0003％～0.003％。

3.根据权利要求1所述的冲压淬火用钢板，其特征在于：C：0.18％～0.26％，Mn：1.6％～2.0％，Cr：0.15％～0.6％，Ti：0.06％～0.12％，B：0.0003％～0.003％。

4.根据权利要求1所述的冲压淬火用钢板，其特征在于钢板厚度为0.70～4.0mm。

5.一种利用权利要求1～4任意一项所述钢板进行热成型的方法，其特征在于：钢板经剪切下料后在Ac3～Ac3+80℃加热，进行奥氏体化，在加热炉中经过5～10分钟保温后立刻转移至一个内部通水冷却的金属模具内，在650～850℃的高温条件下进行冲压；成形的工件在密闭的模具中冷却，模具本身依靠水循环进行冷却，冷却速度大于奥氏体形成马氏体的临界冷速，最后工件离开热冲压生产线时的温度在150℃以下，之后空冷至室温。

6.根据权利要求5所述的热成型方法，其特征在于：钢板在加热过程中采用纯氢气保护。

7.根据权利要求5所述的热成型方法，其特征在于：奥氏体化温度范围为820℃～900℃。

8.根据权利要求5所述的热成型方法，其特征在于：热成型时钢板冷却速度为25℃/s～100℃/s。

9.根据权利要求5所述的热成型方法，其特征在于：在模具中一个传送、冲压和冷却的过程需要10s～25s。