CN111926248A - 一种添加Ce合金的热冲压成形钢及热冲压成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢材制备技术领域，尤其涉及一种添加Ce合金的热冲压成形钢及热冲压成形工艺。所述添加Ce合金的热冲压成形用钢，按质量百分比计，由如下化学成分组成：C 0.22~0.40%，Mn 1.0~2.5%，Si 1.2~2.0%，Al 0.05~0.5%，Cr 1.2~2.5%，Mo＜0.6%，Nb＜0.1%，V＜0.15%，Ti 0~0.1%，B 0~0.01%，P 0.01~0.03%，O小于0.004%，S＜0.002%，Ce 0.03~0.08%，Ca＜0.01%，Mg＜0.01%，余量为Fe及不可避免夹杂物。所述热冲压成形用钢采用全新的成分设计，采用常规生产流程进行生产和热冲压。通过改变热成形钢加热和冲压过程中氧化铁皮的厚度和结构，解决其加热和冲压过程中脱落问题，最终使冲压零件表面形成一层很薄，且结构稳定致密的氧化层。解决热冲压钢氧化层脱落造成的模具磨损问题，同时可以免去喷丸处理，具备直接涂装应用条件，不污染环境。

Description

一种添加Ce合金的热冲压成形钢及热冲压成形工艺

技术领域

本发明属于钢材制备技术领域，尤其涉及一种添加Ce合金的热冲压成形钢及热冲压成形工艺。

背景技术

随着社会对节能减排的持续关注，汽车轻量化设计是实现汽车工业节能减排的核心技术之一，采用更高强度的材料，替代低强度材料，在保障安全前提下，通过材料减薄，实现零件减重，成为目前汽车用钢铁材料研究的热门课题。热压成形技术，是将热压成形钢通过加热后成形，并在模具内淬火，具有强度高，零件尺寸精度高的特点，可制备任意复杂形状零件，得到广泛应用。部分欧洲车型热压成形用量已经占到白车身重量的40％以上。

热成形技术的原理是把热压成形钢加热使其奥氏体化，再将热的板料送入带冷却系统的冲压模具内成形，同时在模具内采用冷却系统对其进行淬火，钢板材料从奥氏体组织转变成马氏体组织，获得超高强度的钢板。与冷成形技术相比，具有消除回弹影响；成形件精度高和质量好；极大提高车身的抗撞性和整体安全性；钢板减薄实现降重和节约耗材等优势。因热成形钢生产特性，冲压前需对钢板进行重新奥氏体化处理，即二次加热，加热温度一般在900～950℃，为了避免表面形成氧化铁皮，加热炉采用惰性气体进行保护，但料片从加热炉转移至冲压机时，在空气中裸露，无法避免的形成疏松的氧化铁皮，对冲压模具造成损害，制备零件为了满足涂装要求，还需要增加喷丸处理工序，这也是困扰热成形工艺生产的瓶颈。

目前，现有技术主要采用表面涂层的方法解决，即在冲压前钢板进行涂镀处理，目前普遍应用的是该技术方法是镀Al-Si涂层方法，阻碍氧化铁皮形成，该技术成熟，应用广泛，但制备成本高，需要特殊设备生产，对设备依赖性高。并且加热过程中，Al-Si涂层脱落有“黏辊”问题，严重影响生产效率。热成形钢制造零件过程，需要先将材料切割成料片，料片加热到奥氏体化(需要采用气氛保护，避免材料氧化)以后，通过机械臂、或者机械手再将热的板料送入带冷却系统的冲压模具内成形，同时在模具内采用冷却系统对其进行淬火。并对冲压后零件表面形成的氧化铁皮进行喷丸处理。因此，氧化铁皮厚度对最终产品尺寸有明显的影响，目前通过控制加热炉气氛的方法可将氧化铁皮厚度控制到10～25微米；另一方面，冲压过程不可避免的导致冲压过程中氧化铁皮大量脱落，对模具造成严重损害，生产过程不得不停机进行清理；此外，因氧化铁皮大量脱落，也导致严重的环境污染，危害生产线工人的健康。现有技术的主要问题：涂层板价格昂贵，工艺复杂；传统冷轧退火板，需要加热炉保护气氛，同时不可避免的产生氧化铁皮脱落问题，影响生产效率，污染环境。对于大规格零件，以及薄规格热成形钢零件，喷丸处理导致应力释放，将造成零件尺寸变化，影响后续使用；已开发带氧化层产品，生产不稳定，氧化层厚度相对较厚，严重影响产品韧性，无法批量应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种添加Ce合金的热冲压成形钢及热冲压成形工艺。本发明提供的冲压成形用钢采用适当Cr合金，满足改善表面氧化层结构效果，同时采用Si合金，在氧化层内部形成富Si层，防止进一步氧化，减少氧化层厚度。为了迅速形成富Si层，本技术采用足够量Ce合金，加速富Si层形成，从而实现改善表面氧化层结构，并严格控制氧化层厚度的方法。本发明提供的添加Ce合金的热冲压成形钢，在加热过程中形成不脱落的特殊氧化产品，解决了现有技术热压成形零件生产问题。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案。

一种添加Ce合金的热冲压成形用钢，按质量百分比计，由如下化学成分组成：C0.22～0.40％，Mn 1.0～2.5％，Si 1.2～2.0％，Al 0.05～0.5％，Cr 1.2～2.5％，Mo＜0.6％，Nb＜0.1％，V＜0.15％，Ti 0～0.1％，B 0～0.01％，P 0.01～0.03％，O小于0.004％，S＜0.002％，Ce 0.03～0.08％，Ca＜0.01％，Mg＜0.01％，余量为Fe及不可避免夹杂物。

优选的，所述添加Ce合金的热冲压成形用钢，按质量百分比计，由如下化学成分组成：C 0.26～0.33％，Mn 1.0～1.5％，Si 1.2～1.8％，Al 0.06～0.08％，Cr 1.5～2.0％，Mo 0～0.2％，Nb 0～0.03％，V 0～0.06％，Ti 0.02～0.03％，B 0.0008～0.0025％，P0.015～0.025％，O 0～0.003％，S 0～0.001％，Ce 0.04～0.08％，Ca+Mg 0.0005～0.005％，余量为Fe及不可避免夹杂物。

所述添加Ce合金的热冲压成形用钢的热冲压成形工艺，包括以下步骤。

步骤1、加热温度920～980℃，保温时间3～5分钟确保实现完全奥氏体化，并保障成分均匀。

步骤2、料片转移后，冲压合模温度大于750℃。

步骤3、合模后冷却速率不低于15℃/s、开模温度小于200℃。

所述添加Ce合金的热冲压成形用钢，其中富含Cr-Si氧化层的厚度不大于3微米。

添加Ce合金的热冲压成形用钢化学成分各元素的作用。

碳元素为必要合金元素，C是保障淬透性和强度的基本元素，0.23～0.35％保障合理强度范围，碳含量过高导致脆性增加，韧性降低。碳含量过低，强度降低。

硅元素为必要合金元素，Si是促进表面形成特殊氧化层结构的核心元素，Si会富集于表面氧化层下，阻碍氧化层向基体内生长。本发明利用Si这一作用，保障材料形成致密氧化层，抑制后续热成形加热过程表面形成结构疏松的氧化铁皮结构。少量的Si无法有效形成富Si氧化层，过量Si对材料综合性能不利。

铈元素为必要合金元素，充分发挥Ce元素合金作用，Ce具有合金化作用，可以有效促进富Si氧化层的迅速形成，但是Ce需要以固溶形式并且Ce含量需要足够高才能发挥作用。Ce本身是极易氧化的元素，生产需要特殊控制。

铬元素为必要合金元素，常规热成形钢中添加Cr为了提高材料淬透性，添加量较少，一般小于0.5％。本发明利用Cr改变氧化层结构的特点，将疏松的富氏体结构改为致密的尖晶石结构。

锰元素添加需要在适当范围，一方面Mn是保障淬透性的元素，提高材料强度，另一方面，Mn与残余S相互作用，抑制FeS产生。

铝元素是钢中脱氧剂，本发明中添加Al高于正常22MnB5，由于Ce合金极其易氧化，必须保障钢中足够洁净才能添加，因此需要进行深脱氧，需要钢中残余Al含量高于正常生产水平。

钛元素是碳氮化物形成元素，本发明中主要起到固定钢中N的作用，以保障B以固溶形式存在，发挥B提高淬透性的作用。

硼元素是碳氮化物形成元素，本发明中需要B以固溶形式存在，固溶B是提高淬透性最有效，最经济的元素。

磷元素在钢中通常作为有害元素，P偏聚在晶界会提高材料脆性显著增加。本发明中由于添加Ce合金可以有效避免P在界面的偏聚，因此P以固溶形式存在，具有抑制碳化物形成的作用，并且具有固溶强化效果。

钼元素是推迟铁素体转变有效元素之一，但价格昂贵，并且需要添加的量较多。

铌元素是碳化物形成元素，具有细化组织的效果。

钒元素是碳化物形成元素，具有显著的析出强化效果。

氧元素通常为钢中残余元素，对钢材性能不利，本发明添加Ce极易与氧结合，因此，需要严格控制钢中O在稳定的较低水平。本发明要求O小于0.004％。

硫元素通常为钢中残余元素，对钢材性能不利，本发明添加Ce极易与硫结合，因此，需要控制钢中S在较低水平。此外S对氧化层致密性有影响，因此S小于0.002％。

钙和镁元素。本发明为了获得稳定的Ce微合金赋存形式，可以通过控制钢中Ca或Mg的方法，保障钢液洁净度，保障生产顺行。并且Ca和Mg可作为夹杂物变质剂，控制钢中夹杂物，有利于控制钢中Ce以固溶形式存在，起到相变控制的作用。但Ca+Mg含量过高，反而污染钢液。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下。

本发明提供的热冲压成形用钢采用全新的成分设计，采用常规生产流程进行生产和热冲压。通过改变热成形钢加热和冲压过程中氧化铁皮的厚度和结构，解决其加热和冲压过程中脱落问题，最终使冲压零件表面形成一层很薄，且结构稳定致密的氧化层。解决热冲压钢氧化层脱落造成的模具磨损问题，同时可以免去喷丸处理，具备直接涂装应用条件，不污染环境。

本发明提供的冲压成形用钢采用适当Cr合金，满足改善表面氧化层结构效果，同时采用Si合金，在氧化层内部形成富Si层，防止进一步氧化，减少氧化层厚度。为了迅速形成富Si层，本技术采用足够量Ce合金，加速富Si层形成，从而实现改善表面氧化层结构，并严格控制氧化层厚度的方法。

附图说明

图1是富Ce与富Si氧化层改变热成形钢表面结构原理图。

图2是实施例3成分热冲压后零件形貌。

图3是实施例3成分热冲压后零件表面氧化层形貌与成分。其中a为表面形貌，b为氧元素分布，c为硅元素分布。

图4是实施例3成分热冲压后零件带锈层工业化涂装后形貌。

图5是热冲压成形后零件表面质量对比。其中a为传统22MnB5热成形钢工件，b为发明例4热形成钢工件。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。应当理解此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。本发明产品表面为裸板应用，即酸洗状态或退火状态。

实施例1富Ce与富Si氧化层改变热成形钢表面结构原理。

采用传统热成形钢22MnB5的化学成分设计。热冲压成形钢采用加热后，奥氏体冲压淬火，因此，采用高碳成分设计，传统热成形钢22MnB5成分：C 0.20～0.25％，Mn 0.1～1.5％，Si小于0.8％，Cr小于0.5％，Al小于0.5％，Ti小于0.1％，B不小于0.001％，余量为Fe及不可避免夹杂物。

正常热成形钢原料表面无氧化层。连退生产时，经过光亮退火，获得100％纯铁表面；酸洗板交货，采用热轧后酸洗工艺，去除表面氧化层，获得表面为纯铁结构的材料。热成形钢使用过程中，需先将料片(退火板)加热至奥氏体化，即900℃以上，然后转移至模具，进行冲压，冲压温度一般大于780℃，在这个过程中，钢板表面将被氧化，形成疏松的富氏体结构(FeO)，富氏体结构疏松，不稳定，易分解，因此，热冲压成形过程中，裸板表面形成的氧化铁皮极易脱落。加热炉采用惰性气体保护，只能减轻，无法消除这种氧化层结构，并且在料片转移过程中，依然无法避免铁接触空气后发生氧化发应，也就无法解决氧化铁皮脱落这一问题。

本发明采用特殊成分设计，采用高Cr成分设计，可在加热过程改善氧化层致密性，利用高Si和高Ce的成分设计，使得材料在加热过程中，迅速在氧化层下面形成富Si层，起到阻碍氧化层向钢基体内部生长的作用。而通过添加Ce，可以保障富Si层快速形成，并保持结构稳定，促使初生氧化层减薄，如图1所示。从而，起到抑制材料进一步氧化，解决氧化层脱落等带来的一系列问题。

实施例2。

一、本发明热压成形钢板化学成分及用量成分筛选实验。

热成形工艺：热成形材料落料→加热→热冲压→淬火→激光切割→成品。

所述添加Ce合金的热冲压成形用钢的热冲压成形工艺，所述热冲压成形工艺包括以下步骤。

步骤1、加热温度920～950℃，保温时间3～5分钟即可实现奥氏体化，满足热压成形工艺要求。

步骤2、料片转移后，冲压合模温度大于750℃。

步骤3、合模后正常保压冷却、开模温度小于200℃。

按照表1热冲压钢不同组成成分制备试验钢，并对制备试验钢的性能进行对比分析，模拟热冲压性能如表2所示，氧化层厚度如表3所示。

表1.试验热冲压钢成分对比，质量分数％。

	C	Si	Mn	Cr	Ti	B	<u>Ce</u>
								发明例1	0.23	1.53	1.34	1.58	0.021	0.0020	0.0415
发明例2	0.24	1.63	1.22	1.86	0.023	0.0022	0.0504
								发明例3	0.24	1.58	1.43	1.83	0.027	0.0035	0.0319
比较例1	0.25	0.25	1.35	0.21	0.031	0.0015	——
								比较例2	0.22	0.28	1.25	0.98	0.018	0.0018	——
比较例3	0.21	0.38	1.31	2.21	0.021	0.0019	——
								比较例4	0.25	1.58	1.35	1.56	0.017	0.0009	0.0128

表2.不同成分制备的试验热冲压钢相关性能对比。

表3不同成分制备的试验热冲压钢氧化层厚度对比。

样品	氧化层情况	锈层厚度(μm)
			发明例1	致密，最薄	1.0～2.2
发明例2	致密，略薄	1.3～2.4
			发明例3	致密，略薄	1.5～2.8
比较例1	酥松，最厚	10.1～15.2
			比较例2	酥松，很厚	6.3～8.8
比较例3	致密，较厚	4.6～7.1
			比较例4	致密，略厚	3.8～6.5

不同成分样品经加热至930℃，保温3min，快冷至150℃，后缓冷。不同成分制备的试验热冲压钢性能分析见表2，均符合应用要求，强度大于等于1500MPa，延伸率不小于5％。比较例1为常规22MnB5无抗氧化效果，因氧化层较厚，脱碳严重强度最低，延伸率最大。对比不同方案，本发明获得表面氧化层最薄，其中Ce具有显著影响，比较例4添加Ce较少，氧化层较厚。发明例1氧化层厚度最薄，并且结构致密不脱落。采用发明例产品制备热冲压零件时，表面获得致密氧化层，避免冲压过程氧化层脱落引起的模具清理问题，也避免喷丸带来应力释放引起的零件瓢曲问题。

实施例3一种添加Ce合金的热冲压成形用钢的制备方法。

按照如下制备方法进行本发明添加Ce合金的热冲压成形用钢的制备。

一、炼钢。

1、冶炼与精炼。

铁水经预处理，采用转炉炼钢、炉外精炼技术，以及连铸工序，最后获得满足设计要求的成分合格的连铸坯。其中，钢包Al按0.01～0.015％控制。精炼末期，保障氧含量足够低时，通过喂线机添加富含Ce的包芯线(也可通过添加Ce金属，Ce-Fe合金等富含Ce的原料以粉、块等方式添加)。

2、连铸工序。

全程进行保护浇注，保障浇注过程无钢液裸露，严格控制水口吸气，中包过热度按15～30℃控制。最终硫印坯取样成分如表4所示。

表4.冶炼成分，质量分数％。

元素	C	Si	Mn	Al	Cr	Ti	B	Ce
									成分	0.24	1.62	1.44	0.06	1.53	0.022	0.0022	0.0482

二、热轧。

板坯加热温度1200～1300℃，控制加热炉炉膛气氛，减少铸坯氧化铁皮的生成，高压水除磷全开。保证轧制稳定性；终轧温度：860～910℃；卷取温度：640～680℃。

三、酸轧工艺。

利用酸洗去除表面锈层，酸洗温度为85～95℃，酸洗速度≤120m/min。按照设定规格进行轧制，由2.8mm轧制成1.2mm厚度，用于连退生产。

四、连退工艺。

连退工艺参数如下：连退温度780～820℃，采用光亮退火工艺，保障表面洁净，无氧化层残留，并涂油保护。

五、热冲压成形工艺。

本发明工业生产厚度1.2mm热成形钢，加热温度930℃，无需气氛保护，保温时间3.5min，冲压合模温度800℃，开模温度180℃。热冲压后表面质量良好，如图2所示。无需喷丸处理，氧化层结构如图3所示，带氧化层进行漂洗、表调、磷化和涂装。冲压零件带氧化膜进行工业化生产，制备零件如图4所示，涂装均匀，涂装效果良好。

实施例4工业生产对比实际应用效果。

本发明工业生产厚度1.2mm热成形钢，与传统22MnB5热冲压钢，采用相同模具进行对比冲压试验，成分如表5所示。

热冲压工艺：采用箱式炉，无气氛保护，加热温度910～930℃，保温时间4～5min，冲压合模温度780～800℃，开模温度150～180℃。

表5对比试验热冲压钢成分，质量分数％。

C	Si	Mn	Cr	Ti	B	Ce
								0.24	1.62	1.44	1.53	0.022	0.0022	0.0482	发明例4
0.25	0.25	1.35	0.21	0.031	0.0015	——	比较例1

传统22MnB5热成形钢工件和本发明热形成钢工件表面热冲压后表面质量对比如图5所示。22MnB5材料，表面氧化严重，氧化层分布不均，有明显脱落现象。本发明设计热冲压零件，表面质量均匀一致，氧化层完整(局部为滴落油污)。

Claims (4)

1.一种添加Ce合金的热冲压成形用钢，其特征在于，按质量百分比计，由如下化学成分组成：C 0.22~0.40%，Mn 1.0~2.5%，Si 1.2~2.0%，Al 0.05~0.5%，Cr 1.2~2.5%，Mo＜0.6%，Nb＜0.1%， V＜0.15%，Ti 0~0.1%，B 0~0.01%，P 0.01~0.03%，O 小于0.004%，S ＜0.002%，Ce 0.03~0.08%，Ca ＜0.01%，Mg ＜0.01%，余量为Fe及不可避免夹杂物。

2.如权利要求1所述的添加Ce合金的热冲压成形用钢，其特征在于，按质量百分比计，由如下化学成分组成：C 0.26~0.33%，Mn 1.0~1.5%，Si 1.2~1.8%，Al 0.06~0.08%，Cr 1.5~2.0%，Mo 0~0.2%，Nb 0~0.03%， V 0~0.06%，Ti 0.02~0.03%，B 0.0008~0.0025%，P 0.015~0.025%，O 0~0.003%，S 0~0.001%，Ce 0.04~0.08%，Ca ＋Mg 0.0005~0.005%，余量为Fe及不可避免夹杂物。

3.如权利要求1所述的添加Ce合金的热冲压成形用钢的热冲压成形工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、加热温度920～980℃，保温时间3~5分钟确保实现完全奥氏体化，并保障成分均匀；

步骤2、料片转移后，冲压合模温度大于750℃；

步骤3、合模后冷却速率不低于15℃/s、开模温度小于200℃。

4.如权利要求1所述的添加Ce合金的热冲压成形用钢，其特征在于，其中富含 Cr-Si氧化层的厚度不大于3微米。

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