CN105050743B - 冲压成形品及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过热冲压成形法对镀锌钢板或合金化熔融镀锌钢板进行成形来制造冲压成形品的方法，其中，在加热、保持所述钢板后，在钢板表面存在液态锌的状态下，在680℃以上、750℃以下的温度开始成形，使所述钢板中的塑性变形部的应变速度为0.5秒‑1以下进行成形。

Description

冲压成形品及其制造方法
技术领域
本发明涉及汽车零件的结构部件所使用的要求强度以及耐腐蚀性的冲压成形品及其制造方法，特别是涉及加热镀锌钢板或合金化熔融镀锌钢板后冲压成形加工成规定形状时，在赋予形状的同时进行淬火而得到规定强度的冲压成形品，以及该冲压成形品的制造方法。
背景技术
近年，由于汽车轻量化，高强度钢在车体上的应用推进，抗拉强度超过980MPa的钢板的应用在扩大。另一方面，随着高强度化，存在零件加工时的模具的寿命低下，或弹性回复导致的形状偏差变大的问题。因此，开发有如下方法，即通过将低强度的钢板在冲压成形前加热到Ac1相变点以上的温度(约900℃左右以上)使钢板奥氏体化后在高温域成形，由此，降低变形阻抗，同时，也降低弹性回复，还有，在成形的同时进行淬火来确保成形品的强度的方法，即所谓热冲压成形法(以下，也称为“热压”)。该热压特别是作为用于制造要求抗拉强度为1470MPa以上级的高强度的零件(冲压成形品)的方法得到推广。
另一方面，汽车结构材中，适用于要求高耐腐蚀性的侧部构件、侧梁、横梁、柱下部等的零件，必须赋予牺牲防腐蚀效果，一直以来，应用镀锌钢板和合金化熔融镀锌钢板的冷加工零件。现在，通过热压工艺对镀锌钢板和合金化熔融镀锌钢板进行零件成形，由此，需求具有能够适用于侧部构件、侧梁、横梁、柱下部等的高强度且高耐腐蚀性的冲压成形品。
图1是显示用于实施上述的热压的模具结构的概要说明图，图中分别表示为，1是冲头，2是冲模，3是压边圈，4是钢板，BHF是压边力，rp是冲头肩半径，rd是冲模肩半径，CL是冲头/冲模间间隙。另外，这些零件中，冲头1和冲模2的构成方式为，在各自的内部形成有能够使冷却介质(例如水)通过的通路1a、2a，使该通路中通过冷却介质而使这些构件得到冷却。
使用这样的模具进行热冲压(例如，热深拉加工)时，将钢板4加热至(Ac1相变点～Ac3相变点)的二相域温度或Ac3相变点以上的单相域温度，在使之软化的状态下开始成形。即，在将处于高温状态的钢板4夹在冲模2与压边圈3间的状态下，由冲头1将钢板4压入冲模2的孔内(图1的2、2间)，一边缩小钢板4的外径一边成形为冲头1的外形所对应的形状。另外，通过与成形同时对冲头1和冲模2进行冷却，进行从钢板4向模具(冲头1和冲模2)的排热，并且在成形下死点(冲头前端位于最深部的时刻：图1所示的状态)进一步保持冷却而实施原材的淬火。通过实施这样的成形法，能够得到尺寸精度良好的1470MPa以上级的成形品，而且与冷态下成形同等强度级别的零件的情况比较，能够减小成形载荷，因此压力机的容量很小就行。
但是，在将镀锌钢板或合金化熔融镀锌钢板供与热压时，由于在高温液化(熔融)的锌侵入钢板的晶界而钢板脆化的液体金属脆化(以下，称为“LME”)，在冲压成形时裂纹发生，由此存在作为零件(冲压成形品)的耐冲击特性和疲劳强度降低的问题。
为了抑制这种由LME导致的裂纹(以下，称为“LME裂纹”)，例如，在专利文献1中提出了如下方法：通过使冲压成形前的高温保持时间比较的长(例如300秒以上)，促进镀层的合金化，提高镀层中的Fe浓度在冲压成形加工时来抑制裂纹发生。但是，该方法需要在热压工序中长时间的加热保持，存在损害生产性的缺点。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本国特表2012－512747号公报
发明内容
【发明所要解决的课题】
本发明鉴于上述情况而形成，其目的在于，提供用于制造在使用镀锌钢板或合金化熔融镀锌钢板进行热冲压成形时，即使成形前的加热保持时间短，也能够回避LME裂纹的发生，同时发挥高强度的冲压成形品的有用的方法，以及根据该方法得到的冲压成形品。
能够实现上述目的的本发明方法，其特征在于，是通过热冲压成形法对镀锌钢板或合金化熔融镀锌钢板进行成形来制造冲压成形品的方法，其中，在加热、保持所述钢板后，在钢板表面存在液态锌的状态下，在680℃以上且750℃以下的温度开始成形，使所述钢板中的塑性变形部的应变速度为0.5秒－1以下进行成形。
在本发明方法中，优选所述钢板的加热、保持在880℃以上且920℃以下的温度进行10秒～4分钟。
另外，作为用于将所述钢板中的塑性变形部的应变速度作为0.5秒－1以下而成形的具体基准有如下构成：在钢板的板厚为t(mm)，塑性变形部的弯曲半径(内径)为R(mm)时，塑性变形部的形成进行[t/(R+t/2)]秒以上。另外，通过采用上述构成，即使在成形开始时钢板表面有若干液态锌存在，也能够回避LME裂纹的发生同时进行冲压成形。
在本发明中，也包含根据上述方法制造的冲压成形品。
发明效果
根据本发明，在使用镀锌钢板或合金化熔融镀锌钢板进行热冲压成形时，通过适当控制成形前的加热条件和成形时的钢板中的塑性变形部的应变速度，即使缩短成形前加热时间也能够回避LME裂纹的发生，同时能够生产性良好地制造发挥良好特性的冲压成形品。
附图说明
图1是显示用于实施热冲压成形的模具构成的概要说明图。
图2是显示实施本发明时的模具的机理的概要说明图。
图3是说明对钢板的R部，将R的棱线垂直等分的截面的图。
具体实施方式
本发明者们对在将镀锌钢板或合金化熔融镀锌钢板加热到规定温度后，进行热冲压成形制造冲压成形品时，即使缩短加热保持时间，也能够生产性良好地制造在冲压成形中能够回避LME裂纹的发生同时发挥良好特性的冲压成形品进行了各种研究。
其结果是，发现如果降低热压成形时的变形速度(应变速度)，则能够抑制LME裂纹的发生。进一步进行研究时发现，如果在规定温度和时间加热钢板后，从规定温度范围开始冲压成形，并且，使成形时的钢板中的塑性变形部的应变速度为0.5秒－1以下进行冲压成形，则能够圆满实现上述目的，完成了本发明。
认为：LME裂纹是由于熔融的液态锌，基体钢板在脆化的状态实施冲压成形而发生。在对附着有液态锌的钢板进行冲压成形时，液态锌在晶界浸润，由于晶界的屈服强度小时，所以产生裂纹。在冲压成形前的加热中，镀锌层液化，在和钢板的界面中，Fe/Zn的固体的合金相生成的生成反应进行，镀层中的Fe浓度增加。并已知加热开始后经过一定以上的时间时，镀层中的液态锌大体消失，其后即使冲压成形也难以发生LME裂纹(所述专利文献1)。但是，由于在加热后需要长时间保持到冲压成形，所以生产性降低。
在这种情况下，本发明们对各种的工艺条件的影响进行了研究，发现通过使成形时的钢板中的塑性变形部的应变速度为0.5秒－1以下进行成形，即使冲压成形前的加热工序中进行保持的时间(保持时间)比较短，在4分钟以内也能够抑制LME导致的裂纹。此时的应变速度，优选为0.4秒－1以下(更优选为0.3秒－1以下)。但是，应变速度慢时，会导致生产性降低，因此，优选0.1秒－1以上。另外，如上所述保持时间在4分钟以内即可(优选为3分钟以下)，但从钢组织全体的奥氏体化的观点出发，优选为10秒以上(更优选为30秒以上，进一步优选为1分钟以上)。
作为用于使钢板(镀锌钢板或合金化熔融镀锌钢板)中的塑性变形部的应变速度为0.5秒－1以下而进行成形的具体基准有如下构成：在所述钢板的板厚为t(mm)，塑性变形部的弯曲半径(内径)为R(mm)时，塑性变形部的形成进行t/(R+t/2)秒以上。利用附图对这种情况进行说明。
图2是显示实施本发明时的模具的机理的概要说明图。另外，为了方便说明，图2所示的模具构成与所述图1所示的模具构成呈上下相反的状态。另外，塑性变形部(图2中表示为“弯曲部”)的弯曲半径(内径)R(mm)相当于图1所示的冲模肩半径rd。
应变速度为W(秒－1)，加工所要时间为Δt(秒)，钢板的板厚为t(mm)，冲头速度为V(mm/秒)，塑性变形部的弯曲半径(内径)为R(mm)时，根据Δt＝(R+t)/V的表示(参照图2)，应变速度W(秒－1)由下述(1)式表示。
W＝t/{2(R+t/2)}/Δt＝V×t/{2(R+t)×(R+t/2)}…(1)
为了满足W≤0.5，意味着冲头速度V(mm/秒)满足下述(2)式的关系而进行成形。从这些关系可知，如果塑性变形部的成形以[t/(R+t/2)]秒以上进行即可。例如板厚1.4mm、弯曲半径(内径)5mm或10mm时，相当于分别施加0.25秒以上或0.13秒以上进行成形的速度。或者，在板厚0.8mm、弯曲半径(内径)5mm或10mm时，相当于分别施加0.15秒以上且0.08秒以上进行成形的速度。
V≤{(R+t)×(R+t/2)}/t…(2)
以上述的应变速度进行冲压成形的范围，至少在塑性变形部(图2所示区域)即可，但对其以外的钢板区域也可以以相同的应变速度进行成形。但是，对于塑性变形部以外的区域，由于LME裂纹难以发生，所以使应变速度比0.5秒－1大进行冲压成形即可。
通过本发明所得到的上述效果的机理的详情还不清楚，但推定为希望浸润的液态锌和基体钢板的合金化反应速度和基体钢板的变形速度的平衡所致。冲压成形后的镀层中，固体的合金层部分不会追随冲压成形时的基体钢板的变形，而是各处发生断裂形成间隙。而且，认为在镀层中液态锌残留时，液态锌进入该间隙，与基体钢板新出现的表面接触，进行新的合金化反应。因此认为，如果以比所发生的合金化反应进行更快的应变速度进行冲压成形，则液态锌在晶界浸润，而发生LME裂纹。相反，应变速度慢时，由于新的合金化反应，液态锌被阻断，同时加工变形进行，因此，基体钢板的脆化不会发生。
在本发明方法中，在使用模具对在基体钢板表面实施了镀敷处理的镀锌钢板或合金化熔融镀锌钢板(总称为“表面处理钢板”)进行冲压成形制造冲压成形品时，表面处理钢板首先被加热、保持。优选此时的加热为880℃以上且920℃以下的温度。为了发挥热冲压法的效果，加热温度至少为880℃以上为佳。加热温度低于880℃时，加热时不能得到适量的奥氏体，不能确保良好的成形性。另外，加热温度超过920℃时，表面处理钢板的镀层中的锌沸腾并蒸发，耐腐蚀性劣化，因此，不为优选。另外，加热温度更优选的下限为900℃以上(使全体成为奥氏体的温度)，更优选上限为910℃以下。还有，本发明中的加热温度是根据钢板的表面温度测定的值(以下的温度也相同)。
上述温度范围的保持时间(冲压成形前的加热工序中进行保持的时间)，如上述，4分钟以下(优选为3分钟以下)即可。即，即使该保持时间为4分钟以下，在其后的冲压成形中，也能够抑制LME导致的裂纹。但是，该保持时间过短时，加热时不能得到适量的奥氏体，不能确保良好的成形性，因此，优选为至少10秒以上(更优选为30秒以上，进一步优选为1分钟以上)。
在通常的热冲压成形中，将钢板加热到规定温度后，从提高生产性以及降低冲压反力的观点出发，在进行冲压成形时，在从加热炉取出后在尽可能高的温度开始成形，是在确保良好成形性的成形上必要的要件。在这种情况下，即使在对形成有锌系镀层的表面处理钢板进行冲压成形制造热冲压成形品时，在从加热炉取出后尽可能高的温度开始成形也是必要的。但是，在这种思想下进行热冲压成形时，在冲压成形中，容易发生镀层的剥离和晶界裂纹，不能实现良好的表面性状的热冲压成形品。
在对表面处理钢板加热、保持后，冷却到规定温度，从使镀层中的液态锌尽可能降低的状态开始成形即可。从这个观点出发，需要冲压成形开始温度为750℃以下。但是，大型的零部件的冷却花费过多时间时，由于冲压生产加工工序的生产性恶化，另外，为了避免不均匀的冷却导致的冲压后的材料特性偏差，需要将下限设为680℃以上。由此，在成形中能够防止镀层发生剥离。另外，能够消除历来在对熔融状态的镀层进行冲压成形而发生的镀层剥离和晶界裂纹。但是，在以上述应变速度进行冲压成形时，即使在钢板表面液态锌多少存在的情况下，也能够确保良好的冲压成形性。
另外，对表面处理钢板进行加热，先暂时冷却后，再开始冲压成形，对成形性的进一步提高也有效。这是因为，通过在加热后冷却到规定温度，过冷奥氏体的n值(加工硬化系数)增大。通常，n值增大时，有助于均匀的变形，因此针对收缩翻边成形、拉伸翻边成形、胀大成形、弯曲成形的全部的成型模具能够提高成形性。
上述冷却时的平均冷却速度，为了使镀层尽可能地容易凝固，优选确保20℃/秒以上的平均冷却速度。更优选为30℃/秒以上。但是，该冷却中的冷却停止温度(即，冲压成形开始温度)过低时，不能确保良好的冲压成形性，从这个观点出发需要为680℃以上。优选为700℃以上。
本发明所用的表面处理钢板是镀锌钢板或合金化熔融镀敷钢板，关于作为这些表面处理钢板的原材的钢板(基体钢板)的钢种，只要是作为高强度钢板的通常的化学成分组成即可(参照后述实施例的表1)。热冲压成形中，对零件进行成形的目的主要是高强度化，在模具中进行冷却的工艺中，进行淬火，确保强度。为此，通常使用在C之外还添加有B和Mn等提高淬火性的元素的钢板。可以使用对热轧钢板或热轧钢板进行冷轧而得到的冷轧钢板。
本发明所用的镀锌钢板是通过对热轧钢板或冷轧钢板进行镀锌处理而得到的。镀锌层希望的镀敷附着量每单面为30～200g/m2左右，由此，能够得到充分的耐腐蚀性。作为镀敷处理的方法有熔融镀敷、电镀。通过镀敷处理后在规定的温度(470℃～580℃)保持1分钟～10分钟，作为镀层和基体钢板中的铁合金化的合金化镀锌钢板(通常为合金化熔融镀锌钢板)，也可以使用其。
以下，通过实施例更具体地显示本发明的效果，但下述实施例并非限定本发明，在符合前后宗旨进行设计变更也均包含在本发明的技术范围内。
【实施例】
对具有下表1所示的化学成分组成(钢种A～F)的钢材进行板坯熔炼，进行热轧作为板厚3.2mm的热轧钢板。通过对其进行冷轧制作板厚：0.8mm或1.4mm的冷轧钢板。对这些钢板实施镀锌处理，并作为镀锌钢板。此时，通过间歇式气氛控制退火镀敷处理装置进行了镀锌处理。另外，关于一部分钢板，实施合金化处理，制作了合金化镀锌钢板。镀锌处理以及合金化处理使用具备可以控制气氛的由加热冷却机构和镀锌浴构成的坩埚，镀敷处理、合金化处理使用可连续工序进行的实验炉。
镀敷处理条件在460℃的Zn浴(含有Al：0.13％)中浸渍3秒。合金化处理在5％H2－N2(露点－45℃)的气氛下保持550℃×20秒，其后通过喷吹Ar气体进行了冷却。此时的平均冷却速度为15℃/秒。
镀锌钢板以及合金化镀锌钢板的镀敷附着量通过截面SEM(扫描型电子显微镜)观察以及镀敷中的Fe浓度测定进行了评价。
【表1】
余量：铁，和P、S以外的不可避免的杂质。
从如此得到的镀锌钢板或合金化熔融镀锌钢板切出拉伸试验片，使用单轴拉伸型加工模拟试验装置，模拟热压工序的温度过程进行加工，进行评价其塑性变形部(弯曲部)中的LME裂纹深度的试验。
研磨除去试验片单面的镀锌，通过在除去镀层一侧的面上设置的热电偶进行温度控制。加热方式有诱导加热或通电加热等，本试验是对试验片柄部附近进行诱导加热，同时通过通电加热进行试验片平行部的加热。
温度过程为，从室温加热到温度T1(900℃程度)，保持规定时间t1分钟后冷却到加工温度T2，在试验片表面液态锌残存的状态下，以一定的应变速度(秒-1)加工到规定目标应变量为止。加热以及加工在大气气氛中进行。仅冷却工艺进行喷吹Ar气体的冷却。还有，关于试验时试验片表面液态锌的残存，在试验后进行的“最大龟裂深度的测定”的截面SEM(扫描型电子显微镜)观察中，确认到在镀层的一部可见白色的锌层残存。
关于应变量的实际值，是预先以评测点间距离20mm对试验片的背面(除去镀层一侧)刻画标线，通过对数应变量测定评测点间距离的延伸率(％)。
[最大龟裂深度的测定]
对于在试验片的背面帽式模成形的钢板的R部，以将R的棱线垂直等分的截面(参照图3)切断，制作埋入树脂的研磨试料。通过SEM观察该截面。在与镀层相比的下侧(龟裂进入基体钢板的位置)，在R部测定进入深度最大的龟裂的龟裂深度。以各试验条件，确认从加工开始应变速度W和最大龟裂深度的对应。
而且，如果基体钢板表面进展的龟裂深度低于10μm，则判断为对于零件的耐冲击特性没有影响，龟裂深度为10μm以上，则判断为耐LME裂纹性(耐LME龟裂性)差。
将这些结果，和板厚、镀敷附着量、合金化处理的有无、冲压成形条件[加热温度、加热保持时间、成形前平均冷却速度、成形开始温度)，应变量(目标，实际)、应变速度(目标，实际)以及成形时间]等一起显示在下表2～4中。
【表2】
【表3】
【表4】
从该结果可以进行如下的考察。试验No.1～3、5～7、10～12、14～16、19、22、24、26、28、30、32、33、35～37、39、40、42、43、45、46、48、49是满足本发明规定的要件的实施例，LME裂纹的发生得到抑制，能够得到良好的热冲压成形品。还有，这些实施例的成形时间全部满足[t/(R+t/2)]秒以上的条件。
相对于此，试验No.4、8、9、13、17、18、20、21、23、25、27、29、31、34、38、41、44、47是在不满足本发明规定的要件的条件，即应变速度大的条件下进行了冲压成形，因此，最大龟裂深度变大。
参照特定的实施方式对本发明进行了详细说明，但不脱离本发明宗旨和范围也可以进行各种变更和修正，这对于本领域技术人员是清楚地。
本申请基于2013年3月26日申请的日本专利申请(特愿2013－065233)，援引参照其内容。
【工业上的利用可能性】
本发明作为对镀锌钢板或合金化熔融镀锌钢板进行冲压成形而制造，侧部构件和侧梁、横梁、柱下部等的汽车零件的结构零件的方法有用。
【符号说明】
1 冲头
2 冲模
3 压边圈
4 钢板

Claims (3)

1.一种冲压成形品的制造方法，其特征在于，是通过热冲压成形法对镀锌钢板或合金化熔融镀锌钢板进行成形来制造冲压成形品的方法，其中，在加热、保持所述钢板后，在钢板表面存在液态锌的状态下，在680℃以上且750℃以下的温度开始成形，使所述钢板中的塑性变形部的应变速度为0.5秒－1以下进行成形，
其中，所述钢板的加热、保持在880℃以上且920℃以下的温度进行10秒～4分钟。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述钢板的板厚为t，塑性变形部的弯曲半径为R时，以[t/(R+t/2)]秒以上进行塑性变形部的成形，所述t、R的单位为mm。
3.一种冲压成形品，是根据权利要求1或2所述的方法得到的。
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