CN115369317A - 镀镍镀锌热成形钢板及制备方法和热成形件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于涂镀钢板领域，尤其涉及一种镀镍镀锌热成形钢板及制备方法和热成形件的制备方法。所述热成形钢板包括：热成形钢板基板、锌层和金属镍层，所述锌层覆盖于所述热成形钢板基板，所述金属镍层覆盖于所述锌层；通过形成Zn‑Ni合金，在热成形过程中提高镀层熔点，从而抑制裂纹延伸至基板；在后续热成形工艺中，热成形的温度下镀层中的Zn‑Ni合金依旧处于固态，从而抑制液态裂纹致脆现象的发生，并且扩大了成形的温度区间，降低了生产难度。
Description
技术领域
本发明属于涂镀钢板领域，尤其涉及一种镀镍镀锌热成形钢板及制备方法和热成形件的制备方法。
背景技术
新能源汽车产业蓬勃发展，随着对新能源汽车续航的要求逐步提升，对车身轻量化的需求就提出了更高的要求。此外，对于碰撞安全性的要求也逐年提高，这些都需要从车身设计上入手。提高白车身上高强钢的使用比例既可以起到减轻车身重量的作用又可以提高车身的碰撞安全性。
目前，车身上常用的先进高强钢(AHSS)包括：低合金高强钢(HSLA)、DP钢、CP 钢、热成形钢等。热成形钢是白车身上用量最大的单一钢种，主流车型上热成形钢用量都在15％以上，所以，国内热成形钢也得到快速发展。目前，热成形钢常用的是1500MPa 级别，但随着一体化门环等相关技术的快速发展，现在热成形钢强度级别已经延伸至 500MPa-2000MPa。对于无镀层热成形钢在热成形过程中存在一些问题，比如：加热炉内需要通入保护气、成形过程中会产生氧化铁皮、材料在加热过程中会产生脱碳层影响性能和成形后零件需要抛丸等。现在常用的是带有镀层的热成形钢材料，用量最大的是Al-Si 镀层热成形钢，Al-Si镀层具有优异的耐高温性，材料在热成形过程中无氧化皮产生且生产后无需抛丸。然而，Al-Si镀层的耐腐蚀性较差仅能起到物理防腐的作用，所以纯锌镀层热成形钢越来越受到关注。
纯锌镀层具有优异的耐腐蚀性能，即使在热成形后依旧具有阴极保护的作用，但纯锌镀层也有其缺点，比如：容易产生液态锌裂纹致脆(LME)现象等，制约了纯锌热成形钢的发展。目前，对于纯锌热成形钢常使用间接热成形技术，在室温下对材料先进行90％左右的预变形，然后进行常规热成形加热和成形，通过减少热成形的变形量减轻LME，但间接成形需要两台冲压设备增加生产成本和维护成本、减慢生产节奏。
专利CN 112779474 A，一种锌基镀层2000MPa级热成形带钢及其生产方法公开了一种锌基镀层2000MPa级热成形带钢及其生产方法，所用基板成分(wt％)：C：0.25-0.4，Mn：1.1-1.7，S≤0.012％，P≤0.02％，Si：0.1-0.3％，Al：0.03-0.05％，Cr：0.2-0.4，B：0.001-0.003％，Ti：0.035-0.05％，V：0.15-0.3％，N≤0.0030％。此专利中为了提高材料的延伸率加入了较多量的V元素，大幅度提高了材料的成本和生产难度。此外，专利中材料热成形后还需要进行5-30min的回火处理，严重减慢生产节奏，提高了生产成本。
专利CN 112170662 A，锌基镀层高强钢的热成形工艺公开一种锌基镀层高强钢的热成形工艺，其工艺步骤为：将镀锌板在惰性气氛下加热至500-600℃，保温3-5min，再加热至基板奥氏体化温度保温至完全奥氏体化，随后出炉以30～50℃/s的冷却速度冷却至600～ 700℃，转移至冲压定型模具中进行保压淬火处理，淬火温度为450～650℃，淬火冷速为30～ 50℃/s。采用上述热成形工艺可以减轻或抑制LME裂纹，但上述工艺需要两段加热，整体加热时间较长，且加热过程中需要通入保护气氛。此外，在出炉以后还需要进行预冷却，增加生产难度和对设备的要求，增加生产成本。
发明内容
本申请提供了一种镀镍镀锌热成形钢板及制备方法和热成形件的制备方法，以解决镀锌热成形钢板表面的液态裂纹致脆的技术问题。
第一方面，本申请提供了一种镀镍镀锌热成形钢板，所述热成形钢板包括：热成形钢板基板、锌层和金属镍层，所述锌层覆盖于所述热成形钢板基板，所述金属镍层覆盖于所述锌层。
可选的，所述锌层的厚度为5μm-15μm。
可选的，所述热成形钢板基板的组分包括：以质量分数计，C：0.05％-0.25％，Mn：1％-4％，Al：0.05％-1％，Si：0.2％-0.5％，Cr：0.05％-0.25％，V：0.01％-0.1％，Ti：0.01％-0.1％，B：0.0015％-0.004％，P：0-0.005％，N：0-0.005％，S：0-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
可选的，所述锌层的组分包括：以质量分数计，Al：0.05％-0.25％，余量为Zn和不可避免的杂质。
第二方面，本申请提供了第一方面所述的镀镍镀锌热成形钢板的制备方法，所述方法包括以下步骤：
得到退火后钢板；
将所述退火后钢板进行热镀锌和第一冷却，得到热镀锌钢板；
将所述热镀锌钢板进行电镀镍处理，得到镀镍钢板；
将所述镀镍钢板光整和卷曲，得到热成形钢板。
可选的，所述电镀镍处理中，电流密度为40A/dm2-80A/dm2，单面电镀层厚度为200nm-1μm。
可选的，所述热镀锌的锌锅温度为430℃-470℃，所述热镀锌的时间为2s-6s。
可选的，所述第一冷却的终点温度≤200℃。
第三方面，本申请提供了一种镀镍镀锌热成形件的制备方法，所述方法包括以下步骤：将第一方面所述的镀镍镀锌热成形钢板，或第二方面所述的方法制得的所述的镀镍镀锌热成形钢板进行热成形处理，得到目标热成形件。
可选的，所述热成形处理包括加热、转移、保压和第二冷却，所述加热的目标温度为 880℃-950℃，所述加热的时间为3min-6min。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本申请实施例提供的所述热成形钢板包括：热成形钢板基板、锌层和金属镍层，所述锌层覆盖于所述热成形钢板基板，所述金属镍层覆盖于所述锌层；由于金属镍层位于锌层表面，所以在后续奥氏体化加热过程中，Ni元素可以快速扩散至锌层内生成Zn-Ni合金从而提高镀层的熔点，并且由于金属镍层位于锌层表面，从而在加热过程中可以减少镍向基板内的扩散，提高镀层内镍的含量；通过形成Zn-Ni合金，在热成形过程中提高镀层熔点，从而抑制裂纹延伸至基板；在后续热成形工艺中，热成形的温度下镀层中的Zn-Ni合金依旧处于固态，从而抑制液态裂纹致脆现象的发生，并且扩大了成形的温度区间，降低了生产难度。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种镀镍镀锌热成形钢板的制备方法的流程示意图；
图2为本申请实施例1提供的热成形后零件表面EDS分析图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。例如，室温可以是指10～35℃区间内的温度。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种镀镍镀锌热成形钢板，所述热成形钢板包括：热成形钢板基板、锌层和金属镍层，所述锌层覆盖于所述热成形钢板基板，所述金属镍层覆盖于所述锌层。
本申请实施例中，在热成形过程中，Ni元素可以快速扩散至锌层，生成Zn-Ni合金，会提高镀层熔点，从而抑制裂纹延伸至基板，避免液态裂纹致脆现象。具体地，Zn-Ni合金的熔点在880℃左右而Zn-Fe合金仅为780℃。通过形成Zn-Ni合金可以保证在700℃-800℃成形温度下镀层依旧处于固态，从而抑制LME现象的发生。
另外，在热镀锌钢板表面上的一层金属镍层，可以提高钢板表面质量并且代替镀后涂油处理；与锌相比金属镍具有更高的硬度，可以避免材料在运输过程中造成刮蹭和划伤；由于金属镍层通过电镀方式附着在锌层表面，镍可以填充镀层表面的沟壑处使镀层表面更加平整有利于后续的落料工序；
在一些实施方式中，所述锌层的厚度为5μm-15μm。
控制锌层的厚度为5μm-15μm，可以有效地提高Ni扩散的完全性；锌层过厚会导致Ni 扩散不完全并且加热后锌层会继续增厚，随着厚度增加在冲压过程中容易产生裂纹；锌层过薄会导致材料的耐腐蚀性降低。
在一些实施方式中，所述热成形钢板基板的组分包括：以质量分数计，C：0.05％-0.25％， Mn：1％-4％，Al：0.05％-1％，Si：0.2％-0.5％，Cr：0.05％-0.25％，V：0.01％-0.1％，Ti： 0.01％-0.1％，B：0.0015％-0.004％，P：0-0.005％，N：0-0.005％，S：0-0.005％，余量为Fe 和不可避免的杂质。
热成形钢板基板各组分的作用：
C：0.05％-0.25％，C是钢中的主要成分，主要起到调节热成形钢强度级别的作用，并且可以稳定奥氏体，但是C含量过多会引起塑性降低和焊接性能下降等一系列问题，所以要控制C含量。
Mn：1％-4％，Mn主要起到固溶强化的作用，并且可以降低材料奥氏体化的温度，提高材料的淬透性。
Al：0.05％-1％，Al的作用主要是细化晶粒，提高材料的低温韧性和延伸率。
Si：0.2％-0.5％，Si的主要作用是抑制渗碳体的析出，稳定奥氏体。
Cr：0.05％-0.25％，Cr用于提高钢的淬透性和回火稳定性，保证零件直接成形后或成形回火后具有良好综合力学性能。
V：0.01％-0.1％，添加少量的V可以提高基板的热稳定性，细化基板在奥氏体化过程中的晶粒，还可以提高马氏体的回火稳定性。
Ti：0.01％-0.1％，主要作用是为了细化奥氏体晶粒，并且与C、N结合成析出物起到固N的作用。
B：0.0015％-0.004％，B是热成形钢中的主要元素，主要起到提高材料淬透性的作用，保证成形后材料的强度级别。
在一些实施方式中，所述锌层的组分包括：以质量分数计，Al：0.05％-0.25％，余量为Zn和不可避免的杂质。
控制Al：0.05％-0.25％的原因在于：镀液中添加Al元素是为了在基板表面生成抑制层从而控制镀层厚度，如果铝含量不在上述范围，镀层厚度将超出专利限制范围，影响材料使用性能。
第二方面，本申请提供了第一方面所述的镀镍镀锌热成形钢板的制备方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1.得到退火后钢板；
S2.将所述退火后钢板进行热镀锌和第一冷却，得到热镀锌钢板；
S3.将所述热镀锌钢板进行电镀镍处理，得到镀镍钢板；
S4.将所述镀镍钢板光整和卷曲，得到热成形钢板。
具体地，将铁水进行预处理、转炉冶炼、合金微调、LF炉精炼、连铸、热轧、冷轧和退火后得到退火后钢板。热轧过程中，铸坯出炉温度1100℃-1250℃，终轧温度850℃以上。热轧卷经酸洗后进行冷轧，冷轧压下量50％-80％；进行连续退火处理，连续退火温度控制在750℃-880℃之间，连续退火的时间在150s-300s之间，露点温度控制在-20℃-5℃，退火炉内气氛为(按体积百分含量)：3％-8％H2，其余为N2，随后以10℃/s-50℃/s的冷速冷至 450℃-490℃，得到退火后钢板。
通过本申请的方法，得到的热成形钢板以钢卷形式存放，无需进行涂油或者钝化处理；热成形钢板的力学性能包括：抗拉强度：550MPa-1200MPa、屈服强度： 300MPa-1000MPa、断后延伸率A50：12％-30％。
在一些实施方式中，所述电镀镍处理中，电流密度为40A/dm2-80A/dm2，单面电镀层厚度为200nm-1μm。
控制电镀镍处理中电流密度为40A/dm2-80A/dm2的原因在于：使用上述电流密度时电流效率最佳，如果电流密度不在上述范围，电流效率将降低造成能源浪费；控制单面电镀层厚度为200nm-1μm的原因在于：电镀层厚度超过1μm时，电镀层厚度分布不均匀容易造成表面缺陷，如果单面电镀层厚度小于200nm，不能有效的提高镀层熔点。
在一些实施方式中，所述热镀锌的锌锅温度为430℃-470℃，所述热镀锌的时间为2s-6s。
控制热镀锌的锌锅温度为430℃-470℃，所述热镀锌的时间为2s-6s的原因在于：当热镀时间控制在2s-6s时可以提高镀层的附着力从而提高镀层的使用性能。
第三方面，本申请提供了一种镀镍镀锌热成形件的制备方法，所述方法包括以下步骤：将第一方面所述的镀镍镀锌热成形钢板，或第二方面所述的方法制得的所述的镀镍镀锌热成形钢板进行热成形处理，得到目标热成形件。
本申请实施例中，热成形后件的力学性能包括：抗拉强度：800MPa-1500MPa、屈服强度：400MPa-1100MPa、断后延伸率A50:9％-20％。
在一些实施方式中，所述热成形处理包括加热、转移、保压和第二冷却，所述加热的目标温度为880℃-950℃，所述加热的时间为3min-6min。
控制加热时间在3min-6min内，可以有效保证Ni元素有效且完全地扩散到锌层；加热时间过长会导致过量的Fe元素扩散入镀层内导致镀层的塑性下降从而造成开裂；加热时间短会导致基板奥氏体化不完全影响成形后性能。
具体地，所述热成形处理包括：转移时间3s-7s，保压时间8s-15s，冷至200℃以下后出模。其中，加热炉气氛为空气，露点≤-20℃。
下面将结合实施例、对比例及实验数据对本发明的方法进行详细说明。
本申请提供了一种镀镍镀锌热成形钢板，所述热成形钢板包括：热成形钢板基板、锌层和金属镍层，所述锌层覆盖于所述热成形钢板基板，所述金属镍层覆盖于所述锌层；所述锌层的厚度为5μm-15μm。实施例和对比例中热成形钢板基板的化学组分如表1所示，电镀镍工艺和镀锌工艺如表2所示；热成形工艺如表3所示；
表1实施例1-4及对比例1-3基板的化学组分表(余量为Fe及不可避免的杂质元素)。
| 序号 | C | Mn | Al | Si | Cr | V | Ti | B |
| 实施例1 | 0.05 | 1 | 0.05 | 0.2 | 0.05 | 0.01 | 0.01 | 0.0015 |
| 实施例2 | 0.1 | 2 | 0.2 | 0.3 | 0.1 | 0.03 | 0.03 | 0.002 |
| 实施例3 | 0.2 | 3 | 0.5 | 0.4 | 0.2 | 0.05 | 0.06 | 0.003 |
| 实施例4 | 0.25 | 4 | 1 | 0.5 | 0.25 | 0.1 | 0.1 | 0.004 |
| 对比例1 | 0.3 | 5 | 0.5 | 0.4 | 0.2 | 0.05 | 0.06 | 0.003 |
| 对比例2 | 0.2 | 3 | 0.5 | 0.4 | 0.2 | 0.05 | 0.06 | 0.003 |
| 对比例3 | 0.2 | 3 | 0.5 | 0.4 | 0.2 | 0.05 | 0.06 | 0.003 |
表2不同实施例下电镀镍工艺和镀锌工艺表。
表3不同实施例下热成形工艺。
表4不同实施例下成形前后力学性能和裂纹深度表。
本发明提供一种电镀镍层镀锌热成形钢板的制备方法，述方法包括以下步骤：
S1.得到退火后钢板；
S2.将所述退火后钢板进行热镀锌和第一冷却，得到热镀锌钢板；
S3.将所述热镀锌钢板进行电镀镍处理，得到镀镍钢板；
S4.将所述镀镍钢板光整和卷曲，得到热成形钢板。
具体包含以下步骤：
1)按照表1所述基板成分，其余为Fe和不可避免夹杂，经铁水预处理、转炉冶炼、合金微调、LF炉精炼、连铸、热轧和冷轧得到热镀铝硅用中锰钢基板。其中热轧过程中，铸坯出炉温度1100℃-1250℃，终轧温度850℃以上。热轧卷经酸洗后进行冷轧，冷轧压下量50％-80％。
2)将上述冷轧基板进行连续退火处理，连续退火温度控制在750℃-880℃之间，退火时间控制在100s-200s之间，炉内露点温度控制在-20℃-5℃，退火炉内气氛为(按体积百分含量)：3％-8％H2，其余为N2。随后以10℃/s-50℃/s的冷速冷至450℃-490℃，所述锌锅温度和热镀时间如表2所示。镀后以一定冷速冷至200℃以下，得到如表4所示热镀锌钢板。
3)随后进行电镀镍工序，冷却后的热镀锌钢板进入电镀液槽中进行电镀，所用电流密度和电镀时间如表2所示。
4)经光整，拉矫调整板形后卷取成钢卷，后续经过剪切和落料得到用于生产零件用料片。
5)按照表3所示的热成形工艺进行成形加工，成形后材料的理化性能如表4所示，图2为实施例1制得的热成形件的表面图。
由对比例1可得，基板中添加过量C和Mn后基板的抗拉强度和屈服强度得到提高但是延伸率发生降低，后续工艺与实施例3相同但成形后裂纹深度为5μm，表明基板成形前后的延伸率会对成形过程中裂纹的产生造成影响。
由对比例2可得，采用与实施例3相同的成分、热镀工艺与热成形工艺，但热成形后裂纹深度为8μm，表明当电镀电流密度较小时电镀层厚度较薄，在加热过程中Ni扩散入镀层的量少不能有效提高镀层熔点，所以成形过程中产生裂纹。
由对比例3可得，采用与实施例3不同的热镀时间，单面锌层厚度22μm，其余工艺均与实施例3相同。由结果可得，当镀层厚度超厚时，Ni不能均匀分布在镀层内，并且加热过程中镀层厚度会继续增加，过厚的Zn-Fe合金层增加开裂的风险，故对比例3中裂纹深度增加为10μm。
附图2的详细说明：
如图2所示，为实施例1制得的热成形件的表面图，图中热成形后表面Ni元素含量较高，图中每个位置的元素含量如下表所示，说明在加热过程中表面的Ni元素与Zn元素形成Zn-Ni合金。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
(1)通过在纯锌镀层表面电镀一层金属镍可以提高镀层熔点，从而减轻和抑制热成形过程中LME的现象。
(2)通过电镀镍可以代替传统的钝化和涂油处理，减少污染物的排放更加环保。
(3)通过电镀镍可以提高镀锌热成形钢表面质量和耐腐蚀性，有利于后续使用。综上所述，采用本专利方法可以减轻、抑制直接热成形过程中LME裂纹、代替热镀后涂油、钝化处理和提高镀锌钢板的表面质量和耐腐蚀性。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性地包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种镀镍镀锌热成形钢板，其特征在于，所述热成形钢板包括：热成形钢板基板、锌层和金属镍层，所述锌层覆盖于所述热成形钢板基板，所述金属镍层覆盖于所述锌层。
2.根据权利要求1所述的热成形钢板，其特征在于，所述锌层的厚度为5μm-15μm。
3.根据权利要求1所述的热成形钢板，其特征在于，所述热成形钢板基板的组分包括：以质量分数计，C：0.05％-0.25％，Mn：1％-4％，Al：0.05％-1％，Si：0.2％-0.5％，Cr：0.05％-0.25％，V：0.01％-0.1％，Ti：0.01％-0.1％，B：0.0015％-0.004％，P：0-0.005％，N：0-0.005％，S：0-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的热成形钢板，其特征在于，所述锌层的组分包括：以质量分数计，Al：0.05％-0.25％，余量为Zn和不可避免的杂质。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述的镀镍镀锌热成形钢板的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
得到退火后钢板；
将所述退火后钢板进行热镀锌和第一冷却，得到热镀锌钢板；
将所述热镀锌钢板进行电镀镍处理，得到镀镍钢板；
将所述镀镍钢板光整和卷曲，得到热成形钢板。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电镀镍处理中，电流密度为40A/dm2-80A/dm2，单面电镀层厚度为200nm-1μm。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述热镀锌的锌锅温度为430℃-470℃，所述热镀锌的时间为2s-6s。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一冷却的终点温度≤200℃。
9.一种镀镍镀锌热成形件的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将权利要求1-4任意一项所述的镀镍镀锌热成形钢板，或权利要求5-8任意一项方法制得的所述的镀镍镀锌热成形钢板进行热成形处理，得到目标热成形件。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述热成形处理包括加热、转移、保压和第二冷却，所述加热的目标温度为880℃-950℃，所述加热的时间为3min-6min。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20221122 |
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