CN107119225A - 热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热压成型用铌钛复合强化镀层钢板，钢板包括以下化学成分及其重量百分数：C：0.14～0.4％，Si：0.1～0.4％，Mn：0.8～2.0％，Cr：0.1～0.8％,B：0.002～0.01％,Ti：0.01～0.1％,Nb：0.01～0.05％，Al≤0.08％，N≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；镀层包括以下化学成分及其重量百分数：Al：0.1～0.2％，Fe：5～14％，其余为Zn和不可避免的杂质。本发明制造的热压成型用铌钛复合强化镀层钢板，在满足热压成型后抗拉强度为1300～1500MPa，断后伸长率大于5％的前提下，经高温加热冲压成型后镀层连续完整，无扩展至基体的裂纹；镀层合金相中形成两相组织Γ‑Fe4Zn9(30Zn‑70Fe)和α‑Fe(Zn)(80Zn‑20Fe)，合金相中Zn含量整体高于30％，镀层抗腐蚀性能极其优良；本发明钢能满足耐蚀高强度汽车板轻量化需求。

Description

热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及冶金技术，具体地指一种热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板及其制造方法。
背景技术
热成型钢在高温加热成型后具有很高的抗拉强度，具有在高温下良好的成型性，可以成型形状复杂、超高强度的零件，成型精确，焊接性良好，没有回弹等优点。热成型钢作为汽车用钢中强度级别最高的钢种，广泛应用于汽车防碰撞的安全部件。无镀层钢板热冲压最早由瑞典HARDTECH(即现在的GESTAMP-HARDTECH)公司应用于汽车零部件。为提高钢板的耐蚀性，还开发了热浸镀Al-Si镀层、热镀纯锌(GI)、电镀锌镍(Zn-10Ni)及Al-X等镀层钢板。但Al-Si镀层在成型弯曲时容易开裂，影响高温保护性能。热镀纯锌(GI)镀层在高温加热时易挥发，耐蚀性较差，其它镀层在生产时难度较大，增加了生产成本。
中国专利申请CN103987868A公开了980MPa以上的最大拉伸强度合金化热浸镀锌钢板，母材钢板按质量％计含有C：0.1～0.40％、Si：0.5～3.0％、Mn：1.5～3.0％，O被限制在0.006％以下、P被限制在0.04％以下、S被限制在0.01％以下、Al被限制在2.0％以下、N被限制在0.01％以下，热浸锌镀层含有低于7％的Fe，余量由Zn、Al和不可避免的杂质组成。中国专利申请CN105543685A公开了一种抑制热冲压过程氧化层脱落的热冲压成型用钢钢板及其生产方法，钢板化学成分重量百分比为C:0.19～0.27％,Si≤0.50％,Mn:1.00～1.50％,Al≤0.010％,N≤0.010％,Ti:0.01～0.055％,Cr≤0.35％,B:0.0005～0.004％,Mo、W、Cu、Ni中一种或多种≤0.50％，Nb、Zr、V中一种或多种≤0.10％。中国专利申请CN105483531A公开了一种用于冲压成型的钢材及其成型构件与热处理方法，钢板化学成分重量百分比为：C：022～0.48％，Mn：5～9.5％，Si+Al：0.5～3.0％，Fe和不可避免的杂质，力学性能：屈服强度：0.5～1.2GPa，抗拉强度：1.0～1.5GPa，强塑积25GPa％以上。前述现有技术均难以同时兼顾钢板的力学性能与镀层质量。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板及其制造方法，该钢板力学性能好，且镀层质量优良。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板，钢板包括以下化学成分及其重量百分数：C：0.14～0.4％，Si：0.1～0.4％，Mn：0.8～2.0％，Cr：0.1～0.8％,B：0.002～0.01％,Ti：0.01～0.1％,Nb：0.01～0.05％，Al≤0.08％，N≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；镀层包括以下化学成分及其重量百分数：Al：0.1～0.2％，Fe：5～14％，其余为Zn和不可避免的杂质。
进一步地，所述钢板包括以下化学成分及其重量百分数：C：0.25～0.3％，Si：0.25～0.35％，Mn：1.0～1.8％，Cr：0.4～0.8％,B：0.0029～0.005％,Ti：0.027～0.059％,Nb：0.025～0.035％，Al≤0.08％，N≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，所述镀层包括以下化学成分及其重量百分数：Al：0.1～0.2％，Fe：9～12％，其余为Zn和不可避免的杂质。
更进一步地，所述镀层厚度为15～40μm。
上述热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板的制造方法，依次包括冶炼步骤，连铸步骤，热连轧步骤，冷连轧步骤，合金化热浸镀步骤，光整步骤，热压成型步骤，所述合金化热浸镀步骤中，先将钢带在-30～30℃的露点范围内加热到780～840℃，然后在体积百分数≤30％的H2还原和保护氛围下，以10～30℃/s的冷速冷却至445～510℃，并保温0～100s，随后浸镀到镀液中进行热镀，镀液温度为440～480℃，浸镀时间≤15s；钢带热镀后进行合金化热处理，加热温度为460～560℃，保温时间为0～30s，随后以≥30℃/s的冷却速度冷却至室温。
进一步地，所述热压成型步骤中，将合金化热处理后的板坯加热至850～950℃完全奥氏体化，保温1～10min进行热冲压成型，以10～30℃/s的冷却速度冷却至室温。
进一步地，所述热压成型步骤中，经高温加热冲压成型后镀层形成两相组织Γ-Fe4Zn9(30Zn-70Fe)和α-Fe(Zn)(80Zn-20Fe)。
进一步地，所述热连轧步骤中，控制终轧温度为860～900℃，总压下率为80～95％，卷取温度为650～710℃。
进一步地，所述冷连轧步骤中，控制总压下率为58～65％。
更进一步地，所述合金化热浸镀步骤中，H2的体积百分数为5～15％。
本发明钢中各元素的机理及作用分析如下：
C：碳可稳定奥氏体相，因而降低Ac3点，降低热成型温度，减少能源消耗，碳原子在马氏体中起到间隙固溶强化作用，对马氏体的强化效果远大于其与置换固溶强化合金元素，但由于热成型零件都需要用点焊的方式装配到汽车车身，为了满足良好的焊接性能，碳含量限定为0.14～0.4％。
Si：硅是固溶强化元素，可以改变奥氏体转变温度，还可以抑制渗碳体析出，稳定奥氏体，但过高的硅会使钢板表面的氧化膜难以去除，因此，硅含量范围限定为0.1～0.4％。
Mn：锰是提高淬透性最常用的合金元素。由于焊接硬化层的出现而使裂纹敏感性增高，同时冲压性能降低，为了确保较高的冲压性能和焊接性能，锰含量限定为0.8～2.0％，优选为1.0～1.8％。
B：热成型钢中加入极少量的硼会聚集到奥氏体晶界处，延迟铁素体形核，从而非常有效地防止转移和在成型过程中形成铁素体，含量为0.002～0.01％。
Cr：铬比锰更有效地提高钢的淬透性，含量为0.1～0.8％。
Ti、Nb：钛元素和铌元素主要起到细晶强化和析出强化作用，其中Ti与钢中的N优先结合形成TiN，避免BN的形成而使B失去阻止铁素体形成的作用，添加Nb可使得成型前的基板晶粒尺寸小且均匀，并在热轧冷却过程中形成细小的Nb(C，N)沉淀相，在冷轧退火过程中有效的细化晶粒，阻止或减慢晶粒粗化。同时在热冲压奥氏体化过程中也起到阻碍晶粒粗化的作用。Ti、Nb含量分别限定为0.01～0.1％、0.01～0.05％。
Al:铝在钢中起脱氧作用，应保证钢中有一定量的酸溶铝，否则不能发挥其效果，但过多的铝也会使钢中产生铝系夹杂，且不利于钢的冶炼和浇铸。同时钢中加入适量的铝可以消除钢中氮、氧原子对性能的不利影响。故将其含量限定在0.08％以下。
N:氮在加钛的钢中可与钛结合形成氮化钛，这种在高温下析出的第二相有利于强化基体，并提高钢板的焊接性能。但是氮含量高于0.005％，氮与钛的溶度积较高，在高温时形成颗粒粗大的氮化钛，严重损害钢的塑性和韧性；另外，较高的氮含量需增加相应的微合金元素，从而增加成本。故将其含量控制在0.005％以下。
镀层中Fe：镀层中铁含量低于5％，不能形成锌铁合金相；铁含量高于14％，形成硬脆合金相，对后期热压成形有不利影响。故将其含量控制为5～14％，优选为9～12％。
镀层中Al、Zn：镀层中的铝可防止锌铁快速反应，在镀层与钢基之间形成中间层。故镀层中除铁外，其余为Al、Zn和不可避免的杂质。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
其一，本发明制造的热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板，在满足热压成型后抗拉强度为1300～1500MPa，断后伸长率大于5％的前提下，经高温加热冲压成型后合金化镀层连续完整，无扩展至基体的裂纹。
其二，镀层合金相中形成两相组织Γ-Fe4Zn9(30Zn-70Fe)和α-Fe(Zn)(80Zn-20Fe)，合金相中Zn含量整体高于30％，镀层抗腐蚀性能极其优良。
其三，本发明钢能满足耐蚀高强度汽车板轻量化需求。
附图说明
图1为基板热成型前的组织形貌图。
图2为基板热成型后的组织形貌图。
图3为热成型前合金化镀层表面形貌图。
图4为热成型前合金化镀层截面形貌图。
图5为Ω型试样及取样分析部位示意图。
图6为热成型后侧边处镀层形貌图。
图7为热成型后弯角处镀层形貌图。
图8为热成型后底面处镀层形貌图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
实施例1
一种热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板，钢基板组分及重量百分比为：C：0.25％，Si：0.4％，Mn：1.3％，Cr：0.4％，B：0.0029％，Ti：0.027％，Nb：0.028％，余为Fe及不可避免的杂质。镀层的化学成分重量百分数为：Fe:10.2％，其余为Al、Zn和不可避免的杂质。
镀层钢板生产步骤如下：
1)按照钢板化学成分冶炼并连铸成坯；
2)热连轧控制终轧温度897℃，总压下率95％，卷取温度710℃；
3)冷连轧控制总压下率59％；
4)将钢带在-30℃的露点加热到840℃，H2体积百分数不超过5％，以30℃/s的冷速冷却至475℃，保温时间20s，随后浸镀到镀液中，镀液温度455℃，浸镀时间15s；
5)钢带热镀后经气刀吹扫进入感应加热炉进行合金化热处理，加热温度为533℃，保温时间24s，以30℃/s的冷速冷却至室温并制成钢卷；
6)合金化热处理后的钢卷落料成板坯，加热到900℃，保温5min进行热冲压成型，以10～30℃/s的冷速冷却至室温。
钢基板热成型前的组织为铁素体+珠光体，热成型后为全马氏体组织，金相组织如图1和图2所示。热成型前的合金化镀层表面和截面扫描形貌如图3和图4所示，图4中含有3个Zn-Fe合金相，分别为δ、ζ和Γ相，主要为δ相(FeZn7)。本实施例制得的热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板热成型后的力学性能及镀层质量见下表1。
实施例2
一种热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板，其组分及重量百分比为：C：0.25％，Si：0.25％，Mn：1.35％，Cr：0.4％，B：0.0031％，Ti：0.034％，Nb：0.025％，余为Fe及不可避免的杂质。镀层的化学成分重量百分数为：Fe:11.4％，其余为Al、Zn和不可避免的杂质。
镀层钢板生产步骤如下：
1)按照化学成分冶炼并连铸成坯；
2)热连轧控制终轧温度884℃，总压下率84％，卷取温度703℃；
3)冷连轧控制总压下率64％；
4)将钢带在-30℃的露点加热到820℃，H2体积百分数不超过7％，以25℃/s的冷速冷却至490℃，保温时间20s，随后浸镀到镀液中，镀液温度458℃，浸镀时间12s；
5)钢带热镀后经气刀吹扫进入感应加热炉进行合金化热处理，加热温度为514℃，保温时间21s，以40℃/s的冷速冷却至室温并制成钢卷；
6)合金化热处理后的钢卷落料成板坯，加热到890℃，保温4min进行热冲压成型，以10～30℃/s的冷速冷却至室温。
本实施例制得的热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板热成型后的力学性能及镀层质量见下表1。
实施例3
一种热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板，其组分及重量百分比为：C：0.3％，Si：0.35％，Mn：1.8％，Cr：0.4％，B：0.005％，Ti：0.059％，Nb：0.035％，余为Fe及不可避免的杂质。镀层的化学成分重量百分数为：Fe:9.8％，其余为Al、Zn和不可避免的杂质。
镀层钢板生产步骤如下：
1)按照化学成分冶炼并连铸成坯；
2)热连轧控制终轧温度868℃，总压下率91％，卷取温度681℃；
3)冷连轧控制总压下率61％；
4)将钢带在-10℃的露点加热到800℃，请H2体积百分数不超过15％，以35℃/s的冷速冷却至486℃，保温时间20s，随后浸镀到镀液中，镀液温度462℃，浸镀时间14s；
5)钢带热镀后经气刀吹扫进入感应加热炉进行合金化热处理，加热温度为526℃，保温时间18s，以50℃/s的冷速冷却至室温并制成钢卷；
6)合金化热处理后的钢卷落料成板坯，加热到870℃，保温5min进行热冲压成型，以10～30℃/s的冷速冷却至室温。
如图5所示，合金化镀层钢板热成型后制备成Ω型试样，分别取侧边、弯角和底部进行镀层质量分析。如图6～8所示，热成型后侧面镀层由Fe含量较高的(α-Fe(Zn))组成，且未发现微裂纹，表面有一层薄且不连续分布的氧化物层ZnO；弯角处出现微裂纹但未扩展到基体，由Zn含量较高的(Γ-Fe4Zn9)和Fe含量较高的(α-Fe(Zn))组成；底部镀层与弯角处类似，微裂纹未扩展到基体。本实施例制得的热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板热成型后的力学性能及镀层质量见下表1。
表1
由表1数据可以看出，实施例1～3制得的热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板，热压成型后抗拉强度≥1315MPa，断后延伸率≥10.3％，镀层连续完整，满足耐蚀高强度汽车部件用钢要求。

Claims (10)

1.一种热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板，其特征在于：钢板包括以下化学成分及其重量百分数：C：0.14～0.4％，Si：0.1～0.4％，Mn：0.8～2.0％，Cr：0.1～0.8％,B：0.002～0.01％,Ti：0.01～0.1％,Nb：0.01～0.05％，Al≤0.08％，N≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；镀层包括以下化学成分及其重量百分数：Al：0.1～0.2％，Fe：5～14％，其余为Zn和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板，其特征在于：所述钢板包括以下化学成分及其重量百分数：C：0.25～0.3％，Si：0.25～0.35％，Mn：1.0～1.8％，Cr：0.4～0.8％,B：0.0029～0.005％,Ti：0.027～0.059％,Nb：0.025～0.035％，Al≤0.08％，N≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板，其特征在于：所述镀层包括以下化学成分及其重量百分数：Al：0.1～0.2％，Fe：9～12％，其余为Zn和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板，其特征在于：所述镀层厚度为15～40μm。
5.一种根据权利要求1所述热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板的制造方法，依次包括冶炼步骤，连铸步骤，热连轧步骤，冷连轧步骤，合金化热浸镀步骤，光整步骤，热压成型步骤，其特征在于：所述合金化热浸镀步骤中，先将钢带在-30～30℃的露点范围内加热到780～840℃，然后在体积百分数≤30％的H2还原和保护氛围下，以10～30℃/s的冷速冷却至445～510℃，并保温0～100s，随后浸镀到镀液中进行热镀，镀液温度为440～480℃，浸镀时间≤15s；钢带热镀后进行合金化热处理，加热温度为460～560℃，保温时间为0～30s，随后以≥30℃/s的冷却速度冷却至室温。
6.根据权利要求5所述的热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板的制造方法，其特征在于：所述热压成型步骤中，将合金化热处理后的板坯加热至850～950℃完全奥氏体化，保温1～10min进行热冲压成型，以10～30℃/s的冷却速度冷却至室温。
7.根据权利要求5或6所述的热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板的制造方法，其特征在于：所述热压成型步骤中，经高温加热冲压成型后镀层形成两相组织Γ-Fe4Zn9(30Zn-70Fe)和α-Fe(Zn)(80Zn-20Fe)。
8.根据权利要求5或6所述的热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板的制造方法，其特征在于：所述热连轧步骤中，控制终轧温度为860～900℃，总压下率为80～95％，卷取温度为650～710℃。
9.根据权利要求5或6所述的热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板的制造方法，其特征在于：所述冷连轧步骤中，控制总压下率为58～65％。
10.根据权利要求5或6所述的热压成型用铌钛复合强化合金化镀层钢板的制造方法，其特征在于：所述合金化热浸镀步骤中，H2的体积百分数为5～15％。
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