CN102782188B - 热压成形构件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热压成形构件的制造方法。在能够利用热压成形从镀锌类钢板稳定地批量生产涂装后的耐腐蚀性良好的热压成形构件的方法中,利用使升温至600℃的升温速度为50℃/sec以下地将镀锌类钢板加热至600℃~750℃的温度区域之后,将该镀锌类钢板冷却至550℃以下的热处理,获得具有最外层部的氧化锌层和该氧化锌层的下侧的Fe的含量为25质量%以上的锌-铁合金相的钢板坯料。在将该钢板坯料加热至Ac3点以上的温度之后,立即在Ac3点以上的温度下开始冲压成形,接着进行骤冷,从而制造在表层部具有氧化锌层及锌-铁固溶相,且不具有金属间化合物相和纯锌层的热压成形构件。

Description

热压成形构件的制造方法
技术领域
本发明涉及一种热压成形构件的制造方法。 
背景技术
近年来,为了谋求推进汽车的轻量化及提高汽车的安全性,积极地实施通过钢材的高强度化来减少钢材的使用重量。但是,汽车用的各种钢板的冲压成形性因其高强度化而降低,难以实施具有复杂形状的钢制板部件的成形。 
在此,作为用于获得具有复杂形状的高强度的钢制部件的技术,热压成形法正被实用化。在热压成形中,对被加热至高温的、呈软质且高延性的状态的钢板实施冲压加工,因此,即使是高强度钢板,也能够实施复杂形状的成形。并且,将钢板加热至奥氏体区域进行冲压成形,之后,在冲压成形中所使用的模具内进行骤冷,由此,能够在成形的同时进行淬火,也能够利用由马氏体相变带来的高强度化。 
对表面未特意形成覆盖层的钢板(例如通常的热轧钢板、冷轧钢板)应用热压成形法时,在大气等氧化性气氛下进行了冲压成形前的加热的情况下,不可避免地会在钢板的表面上形成氧化皮(铁的氧化物)。形成在钢板表面上的氧化皮易于剥离,会在冲压成形中导致模具受到损伤,会引起涂装后的热压成形品上的涂膜剥离、由涂膜剥离而导致的耐腐蚀性降低。因此,在制造热压成形品时,需要在非氧化性气氛中进行加热来抑制产生氧化皮,或在氧化性气氛下进行热压成形后通过进行喷丸(Shot blast)处理来充分地去除形成在成形品的表面上的氧化皮,以上任一种方法均会导致制造成本上升。 
为了抑制在热压成形中产生氧化皮,提出了对表面形成有覆盖层的镀敷钢板进行热压成形的技术方案。例如,在专利文献1~4中公开有以镀锌类钢板为加工材料进行热压成形的方法。 
专利文献1:日本特开2001-353548号公报 
专利文献2:日本特开2003-73774号公报 
专利文献3:日本特开2003-126920号公报 
专利文献4:日本特开2003-126921号公报 
在使用镀锌类钢板进行了热压成形的情况下,明确有如下问题,即,所获得的冲压成形构件在涂装后的耐腐蚀性未必稳定。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种在使用了镀锌类钢板的热压成形中,能够稳定地制造具有良好的涂装后的耐腐蚀性的热压成形构件的热压成形构件的制造方法。 
本发明人发现,暂先对镀锌类钢板进行热处理,在使其形成为指定的表面状态之后,再进行热压成形,由此,能够稳定且可靠地批量生产具有包括涂装后的耐腐蚀性在内的各种所期望的特性的热压成形构件。 
本发明是一种热压成形构件的制造方法,其特征在于,通过对镀锌类钢板实施包括第1加热工序及第1冷却工序在内的热处理而形成钢板坯料,该钢板坯料在钢板表面上具有构成最外层的氧化锌层和位于该氧化锌层的下侧的Fe的含量为25质量%以上的锌-铁合金相,上述第1加热工序在含氧气氛下以升温至600℃的平均升温速度为50℃/sec以下地将该镀锌类钢板加热至600℃以上、750℃以下的温度区域,上述第1冷却工序将由第1加热工序加热后的钢板冷却至550℃以下,通过对该钢板坯 料进行热压成形工序而获得热压成形构件,该热压成形构件在表层部具有氧化锌层及铁-锌固溶相,并且不具有金属间化合物相和纯锌相,上述热压成形工序在第2加热工序中将该钢板坯料加热至构成上述钢板的钢的Ac3点以上的温度之后、钢板坯料的温度仍处于Ac3点以上时开始对钢板坯料进行冲压成形,并对成形后的构件进行骤冷。 
采用本发明,利用将镀锌类钢板作为材料的热压成形,能够稳定且可靠地批量生产具有涂装后的耐腐蚀性等各种所期望的性能的热压成形构件。 
具体实施方式
在本发明的热压成形构件的制造方法中,通过对镀锌类钢板实施包括第1加热工序及第1冷却工序在内的热处理,获得使表面的镀膜变为规定的结构的钢板坯料。利用第2加热工序将该钢板坯料加热至通过淬火实现的高强度化所需的温度,之后,利用热压成形工序进行冲压成形。以下,依次说明上述工序。 
第1加热工序及第1冷却工序
在热压成形前,对镀锌类钢板实施如下热处理,即,在第1加热工序中对镀锌类钢板进行加热之后,在第1冷却工序中对该镀锌类钢板进行冷却。利用该热处理获得钢板坯料,该钢板坯料在钢板表面上具有构成最外层的氧化锌层和位于该氧化锌层下侧的、Fe的含量为25质量%以上的锌-铁合金相。通过对经过第1加热工序和第1冷却工序而被赋予了上述表面状态的钢板坯料进行热压成形,与直接对镀锌类钢板进行热压成形的情况相比,能够获得更加稳定且良好的涂装后的耐腐蚀性。 
最外层的氧化锌层主要是通过锌类镀膜的表面氧化而产生的。该氧化锌层也可以含有氢氧化物,而且,也可以含有少量 镀敷成分、来自于合金化的成分(Al、Fe等)。同样地,锌-铁合金相也可以含有来自于加热前的镀膜、钢的成分。 
锌-铁合金相是存在于最外层的氧化锌层与钢板基体之间的含锌层。在本发明中,该锌-铁合金相具有25质量%以上这样较高的Fe的含量。在大气中500℃~550℃左右的温度下对热浸镀锌钢板进行热处理而制造的合金化热浸镀锌钢板的镀膜中的Fe的含量为5质量%~20质量%左右,典型的Fe的含量为15质量%以下。 
锌-铁金属间化合物有数个种类,但即使是Fe的含量最高的Г(Fe3Zn10),在平衡相图上,其Fe的含量也大约为20质量%。因而,Fe的含量为25质量%以上的锌-铁合金相被认为是锌-铁金属间化合物相与铁-锌固溶相混在一起的合金相,该铁-锌固溶相是锌与铁彼此固溶而成的。 
在第1加热工序中,利用镀膜中的锌与基材中的铁彼此扩散而进行合金化,从而形成Fe的含量为25质量%以上的锌-铁合金相。即,继续合金化直到形成一部分锌与铁固溶而成的相为止。因此,使加热温度为能使锌与铁的合金化充分进行的600℃以上。此时,镀膜的表面氧化也一并进行,在最外层形成氧化锌层。 
在此,根据Zn-Fe二元相图,例如在782℃以上的温度下,Zn-30质量%Fe合金的一部分作为液相而存在,若Fe的含量较小,则能够从更低的温度开始形成液相(以下,有时将能够产生液相的温度称为“熔点”)。 
因而,在第1加热工序中,例如若高速地加热至高温,则有可能没怎么进行合金化就达到熔点以上而在钢板表面形成液相,从而导致锌向加热设备付着或发生锌的蒸发、消失。 
因此,使第1加热工序中的加热温度不为过高的温度,并且 不使升温速度过快。具体的说,使加热温度为750℃以下,使升温至600℃的平均升温速度为50℃/sec以下。由此,能够抑制锌的蒸发、消失。优选该升温速度为25℃/sec以下,更优选为10℃/sec以下。 
为了形成最外层的氧化锌层,使加热气氛为含氧气氛。气氛中的氧浓度为0.5vol%以上即可,优选为1vol%以上。对氧浓度的上限并没有特别限定,氧浓度的上限达到大气(氧浓度21vol%)的程度就足够。氧浓度比21vol%低的气氛气体可以是空气与氮气混合而成气体。气氛气体的露点在10℃~60℃的范围内较为适宜。 
如上所述,第1加热工序的加热温度为600℃以上、750℃以下,优选该加热温度为630℃以上、720℃以下,更优选为650℃以上、700℃以下。在第1加热工序中,由于加热气氛为含氧气氛,因此从加热初期开始作为最外层会不可避免地形成氧化锌层,即使镀膜局部地熔化,也能够利用该氧化锌层来抑制锌的蒸发。 
在第1加热工序中进行加热的镀锌钢板可以是钢带或钢板剪切件(cut sheet),或者,也可以是为了后续的热压成形工序而已被冲切的材料。此外,也可以是将钢板成形·切断为中间形状的材料。 
对第1加热工序的加热设备并没有特别限定,例如能够使用直接加热炉、煤气炉、辐射炉、通电加热炉,还能够使用高频炉等惯用的设备。适当地设定加热条件,使得能够获得具有上述表面状态的镀锌类钢板即可。 
使在第1加热工序中的加热温度下的保持时间为镀锌类钢板的镀膜变为Fe的含量为25质量%以上的锌-铁合金相所需的时间。该时间根据加热温度的不同而不同,通常优选在从最高 温度至比该最高温度低50℃的温度下的滞留时间为1分钟~30分钟的范围内。 
暂先利用第1冷却工序将利用第1加热工序加热后的镀锌类钢板冷却至550℃以下。对冷却方法并没有特别限定。可以是等待自然冷却,也可以利用空气冷却、水冷等强制地进行冷却。一定程度强制地使温度下降的话会易于使表面状态稳定。作为冷却速度的大致目标,优选是550℃以上的滞留时间为30秒以内这样的速度,特别优选是550℃以上的滞留时间为15秒以内这样的速度。 
但是,根据钢的化学成分的不同,存在第1加热工序中的加热温度为Ac3点以上的情况。在该情况下,有可能会因从该温度区域开始的骤冷而对钢板进行淬火从而使其硬化,而使之后的处理过程中的作业性显著恶化。因此,仅限于该情况,期望使第1冷却工序的冷却速度为能够回避淬火这样的速度。例如,在冷却至400℃以下的情况下,优选使冷却速度为30℃/sec以下。 
在钢板未被冲切的情况下,在第1冷却工序中将钢板冷却至室温并进行冲切加工,获得所期望形状的钢板坯料。在钢板为坯料材料的情况下,也可以在550℃以下的适当温度下结束第1冷却工序,并立即对仍为高温的钢板坯料实施接下来的工序(用于热压成形工序的第2加热工序)。 
利用上述热处理,能够获得在最外层的氧化锌层与钢板母材之间形成有Fe的含量为25质量%以上的锌-铁合金相的钢板坯料。对氧化锌层与锌-铁合金相的厚度并没有特别限制。氧化锌层或锌-铁合金相的厚度根据镀着量、镀种和加热条件的不同而变化。 
能够通过S EM观察钢板截面、X射线衍射来确认氧化锌层与锌-铁合金相的存在,根据需要还可以并用下述的元素分析 单元。能够通过X射线显微分析仪(EPMA),例如能量色散X射线分析装置(EDXA)等适当的元素分析单元来测量锌-铁合金相中的Fe的含量。 
第2加热工序
在第2加热工序中,将经过了第1冷却工序的钢板坯料加热至构成钢板的钢的Ac3点以上的温度。从使淬火后的构件的机械特性稳定的方面出发,优选根据钢的化学成分加热至800℃~1100℃左右。若考虑到至接下来的冷却工序过程中的降温,则为了在Ac3点以上的温度下开始冲压成形,优选使加热温度为比Ac3点高出50℃以上的温度。更优选的加热温度为880℃~1000℃。 
在第2加热工序的加热中,若在钢板的表面上形成液相,则也有可能导致锌发生蒸发或消失,或在后续的热压成形工序中锌附着在冲压模具上而阻碍成形等,对热压成形构件的性能、成形时的加工性造成不良影响的情况。特别是如上述那样加热至800℃以上时,由于超过作为Zn-30%Fe合金的熔点即782℃,因此在急速加热中必然容易形成液层。 
因此,在第2加热工序中,也优选使加热速度不要过高而使Fe与锌彼此进行扩散,其结果,一边形成锌固溶于Fe中而成的铁-锌固溶相一边进行加热。具体的说,优选使升温至800℃的平均升温速度为100℃/sec以下,更优选为50℃/sec以下。 
对第2加热工序的加热气氛并没有特别限制。可以是大气气氛、含氧量更低的气氛(例如空气-氮混合气体)、不含有氧的气氛(例,氮气氛、惰性气体气氛等)中的任一种。气氛气体的露点优选在0~60℃的范围内。 
将在第2加热工序中的加热温度下的保持时间设定为,在该加热中,在热压成形后的镀层上锌与铁完全地固溶,在表层的 含锌层中不存在金属间化合物相、纯锌相。因此,保持时间根据加热温度的不同而不同,但通常优选在从最高温度至比该最高温度低50℃的温度下的滞留时间为30秒~5分钟。 
热压成形工序
利用冲压模具,在仍处于Ac3点以上的温度区域时,对在第2加热工序中被加热至Ac3点以上,优选被加热至比Ac3点高出50℃以上的温度的钢板坯料进行冲压成形而形成所期望的形状,并且通过骤冷对其进行淬火。由此,制造出具有所期望的形状的高强度的热压成形构件。此时,若以利用冲压模具约束了形状的状态进行骤冷,则会使热压成形构件的形状精度良好,因此优选以上述状态进行骤冷。 
在本说明书中,骤冷是指使用液体作为冷却介质进行的冷却。作为骤冷的方法,可以举出使用在模具的表面正下方具有水冷管的模具、或使用在成形表面上设置有供冷却介质通过的流路(槽等)的模具的方法。优选骤冷的冷却速度为40℃/sec以上,更优选为50℃/sec以上。 
使所获得的热压成形构件为在其表层部(即,含有锌的表层部分)上具有氧化锌层和铁-锌固溶相,但不具有金属间化合物相和纯锌相的构件。作为产品的热压成形构件由于被不具有较脆的金属间化合物的含锌层覆盖,因此其表面的微小裂缝等较少。而且,其涂装后的耐腐蚀性也良好。 
在第2加热工序和热压成形工序中,若钢板处于高温中的时间过长,则对于形成铁-锌固溶相是有利的,但在钢板的表面上产生的氧化皮会增多。因而,优选从第2加热工序至热压成形工序的过程中尽可能地缩短处于高温区域内的时间。其意思是优选从第2加热工序至热压成形工序的过程中尽可能地迅速地输送钢板。具体的说,优选从完成第2加热工序中的加热起至利 用热压成形工序中的骤冷使钢板温度下降至700℃为止的时间(将该时间称为700℃以上的滞留时间)为15秒以下。 
根据本发明,可明确若在第1加热工序中进行锌-铁的合金化直至Fe的含量达到25质量%以上,之后,进行热压成形,成为锌与铁完全固溶而成的组织,则在热压成形中氧化锌层难以氧化皮化,氧化锌层的粘附性提高。一般认为该氧化锌层的粘附性的提高与能够稳定地获得良好的涂装后的耐腐蚀性相关。 
另外,通过并用X射线衍射和EPMA等元素分析装置,能够区分钢板表层的锌-铁的金属间化合物相、固溶相和纯锌相。由于氧化锌相、金属间化合物相和纯锌相的结晶结构与α-Fe(母材)不同,因此仅利用X射线衍射就能够识别。另一方面,固溶相虽然具有与母材相同的结晶结构(体心立方晶格),但是其晶格常数比母材大,因此能够区分。利用EPMA等从截面进行元素分析,确认存在锌和铁这两种两元素,由此,能够确定该固溶相是铁-锌固溶相。 
对在本发明中所使用的镀锌类钢板并没有特别限定,能够从通常的热浸镀锌类钢板及电镀锌类钢板中进行选择。作为合适的镀锌类钢板的具体例子,可以举出电镀锌钢板、热浸镀锌钢板、合金化热浸镀锌钢板。镀着量为通常数值即可,其适当的范围根据镀法的不同而不同。 
根据镀种、镀法、镀着量等的不同,上述合金化的进行情况也不同。因此,第1加热工序及第2加热工序中的加热条件、特别是第1加热工序的加热条件是根据所使用的镀锌类钢板来设定的,使得在该加热之后钢板表层部的组织形成为规定的组织。 
例如,对于热浸镀锌钢板而言,由于其镀层的熔点较低(大约为420℃),而且,因镀浴中的Al而在镀层/钢界面上形成有 Fe-Al合金层,因此为了充分地进行合金化,优选不使第1加热工序中的升温速度过快。在这点上,由于电镀锌钢板、合金化热浸镀锌钢板在镀层/钢界面上不具有会阻碍合金化的界面合金层,而且,在合金化热浸镀锌钢板中,镀层的熔点也较高(Zn-10%Fe合金为大约600℃),因此能够容许的加热温度、加热速度的范围较广,从而易于操作,因此优选使用电镀锌钢板、合金化热浸镀锌钢板。 
适当地设定在本发明中所使用的镀锌类钢板的钢板母材的化学成分,使得热压成形构件具有所期望的强度等特性并且能够进行淬火即可。 
实施例 
使用具有表1所示的镀着量的合金化热浸镀锌钢板(GA)、热浸镀锌钢板(GI)或电镀锌钢板(EG)的试验片(板厚为1.6mm、70mm×150mm),以表1所述的条件,经过第1加热工序、第1冷却工序、第2加热工序以及热压成形工序而制作成热压成形构件。但是,热压成形工序是在第2加热工序后通过立即将试验片夹入平板的模具内而进行冷却来进行的,并没有施加成形(变形)。在各工序中,利用安装在试验片上的热电偶监视试验片的温度变化。基于如此监视而得的温度,求得了各工序中的升温速度、保持时间和滞留时间等。 
母材钢板以质量%计均含有C:0.2%、Si:0.2%、Mn:1.3%、P:0.005%、S:0.001%、Cr:0.2%、Ti:0.02%、sol.Al:0.045%、B:0.0015%,其Ac3点为830℃。 
在第1加热工序及第2加热工序中,使用间歇式箱式加热炉进行了加热。加热气氛为空气(含氧量为21vol%)、空气与氮的混合气体或纯氮气体(含氧量为0%)。在第1冷却工序中,利用空气冷却、水冷、油冷等,一边改变冷却条件一边冷却至规 定温度。 
如下述那样对所获得的平板状的热压成形构件(No.1~No.24)的涂装后的耐腐蚀性进行了调查。 
对各成形构件进行碱脱脂及磷酸锌处理,之后,使用市场上销售的环氧树脂类阳离子型电沉积涂料进行电沉积涂装及烘干固化,获得了在两面上具有15μm的电沉积膜的涂装试验片。利用窄刃的刀片在该试验片上划出划痕,并在60℃的5%Na Cl水中浸渍了200小时。测量浸渍后自划痕部的膨胀宽度,并求得了膨胀宽度的平均值。以该平均膨胀宽度在1mm以下为A、超过1mm且在3mm以下为B、超过3mm且在5mm以下为C、超过5mm为D的方式进行了评价。A、B为合格,C、D为不合格。该涂装后的耐腐蚀性的评价方法与专利文献1~4所述的评价方法相比相当严格,如果以该评价方法评价为合格,则可以判断为在实际使用中会显示稳定的涂装后的耐腐蚀性。 
如下述那样对经过了第1加热工序和第1冷却工序的试验片及热压成形工序后的试验片的表层部的成分、组织等进行了调查。在此,在对第1冷却工序后的钢板表层部的调查中,使用了使相同的镀锌类钢板的其他的试验片以相同的条件经受了第1加热工序及第1冷却工序而得的试验片。在第1冷却工序后的温度为50℃以上的情况下,在结束冷却工序之后立即进行水冷并进行乾燥,对进行干燥后的试验片进行了调查。 
1)第1冷却工序后的Fe的含量(质量%):切下钢材,利用SEM以500倍~1000倍的倍率从截面方向进行观察,以在钢材表层部由E DXA分析而得的在氧化锌层正下方的部位上Fe相对于Fe和Zn的总量的比例来求得。 
2)热压成形后的金属间化合物相及纯锌层的有无:切下钢材,利用X射线衍射法从表面获得衍射图案,根据是否能够在 该图案上发现由锌-铁金属间化合物相或η-锌相(纯锌相)产生的峰值来进行判断。另外,在试验片No.1~No.24的X射线衍射图案中,均看到由氧化锌产生的峰值,判断为在下述的3)中所观察到的表层部的氧化物层是以氧化锌为主体的层,即,是氧化锌层。在未观察到由锌-铁金属间化合物相或纯锌相产生的峰值的情况下,判断为表层部的含锌层是由氧化锌层和铁-锌固溶相构成的。实际上,通过使用热压成形构件的截面样品,利用表层部的EDXA分析,确认到表层部的主体是铁-锌固溶相。 
3)热压成形后的截面观察:截取热压成形后的试验片的截面并将其嵌入树脂中,以500倍~1000倍的倍率对表面付近的截面进行了SEM观察。在最外面观察到氧化物层(氧化锌层),在该氧化物层的正下方观察到与母材不同的层(由铁-锌固溶相构成的含锌层)。在氧化锌层中,观察到粘着在其下方的含锌层的部分和产生氧化皮而发生了剥离的部分。观察最少10处氧化锌层,求得了氧化锌层的粘着部分的每20μm的观察长度的总长度的平均值。将该平均值总和为14μm以上(剥离部分的总和为6μm以下)的情况作为○,将不足14μm的情况作为×。如下所述,由于氧化锌层的粘着性会影响涂装后的耐腐蚀性,因此能够将该粘着性作为大致标准来评价涂装后的耐腐蚀性。 
在表1中一并记载以上的调查结果。虽然在表1中未表示,但是经过了第1加热工序和第1冷却工序的热压成形前的试验片与热压成形后的试验片相同,在No.1~No.24的所有试验片中,通过S EM观察截面确认到在最外层上形成有氧化锌层。 
表1
Figure BDA00002060585200131
如表1所示,在第1加热工序的升温速度为70℃/sec以上的情况、第1加热工序的加热温度超过750℃的情况、第1加热工序的加热温度不足600℃的情况、第1加热工序后的冷却温度超过550℃的情况、以及未进行第1加热工序的情况下,没有获得涂装后的耐腐蚀性的改善效果。 
涂装后的耐腐蚀性不佳的试验材料除了检测出金属间化合物相(Г相)的No.25之外,其氧化锌层的粘着性的评价也为×(不佳)。一般认为,在为了截面观察用而截取试验片并对其进行加工时,氧化锌层有可能发生了分离,因此,由上述观察方法得到的氧化锌层的粘着性的评价的偏差较大,终归只是作为大致目标的评价。但是,一般认为氧化锌层的粘着性会对涂装后的耐腐蚀性产生较大的影响,而且,推测到加热温度、加热速度会对氧化锌层的粘着性产生影响。 
No.25在第1加热工序及第1冷却工序后的钢板表层部的Fe的含量为非常低的3质量%,因此,在热压成形后的成形品表面检测出金属间化合物相(Г相)。在该例子中,虽然氧化锌层的粘着性良好,但是涂装后的耐腐蚀性非常差。 

Claims (2)

1.一种热压成形构件的制造方法,其特征在于,
通过对镀锌类钢板实施包括第1加热工序及第1冷却工序在内的热处理而形成钢板坯料,该钢板坯料在钢板表面上具有构成最外层的氧化锌层和位于该氧化锌层的下侧的Fe的含量为25质量%以上的锌-铁合金相,上述第1加热工序在含氧气氛下使升温至600℃的平均升温速度为50℃/sec以下地将该镀锌类钢板加热至600℃以上、750℃以下的温度区域,上述第1冷却工序将由第1加热工序加热后的钢板冷却至550℃以下,
通过对该钢板坯料进行热压成形工序而获得热压成形构件,该热压成形构件在表层部具有氧化锌层及铁-锌固溶相,并且不具有金属间化合物相和纯锌相,上述热压成形工序在第2加热工序中将该钢板坯料加热至钢板的Ac3点以上且1100℃以下的温度之后、钢板坯料的温度仍处于Ac3点以上时开始对钢板坯料进行冲压成形,并对成形后的构件进行骤冷。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
使升温至800℃的平均升温速度为100℃/sec以下地进行上述第2加热工序。
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