CN116463572A - 一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板及其热冲压方法 - Google Patents

一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板及其热冲压方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有Al‑Zn‑Mg‑Si镀层的热冲压钢板及其热冲压方法，该Al‑Zn‑Mg‑Si镀层在热冲压前的初始组织由富Zn相，富Al相，MgZn2相，MgSi2相以及Fe‑Al‑Si合金层组成，在热冲压后，镀层组织在保温时间t≦3min时，镀层由上下两层组成，第一层组织由富Al相，富Zn相和MgZn2相组成，且富Zn相与MgZn2相两相之和的体积百分比例在20％到80％之间；第二层由FeAl3相和富Zn相组成，且富Zn相体积百分比例不超过5％；在保温时间t>3min时，镀层由单层合金层组成，合金层的主要组成为FeAl3相，在FeAl3相之间存在有富Zn相与MgZn2相，且富Zn相和MgZn2相两相之和的体积百分比例为5％～50％；还涉及到热冲压方法。本发明的钢板在热冲压后镀层具有良好的耐腐蚀性能，还能够避免基板上因液态金属脆性导致的裂纹。

Description

一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板及其热冲压方法
技术领域
本发明涉及热成形技术领域，特别涉及一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板及其热冲压方法。
背景技术
汽车轻量化技术是适应现代汽车安全、节能、环保趋势的关键技术之一。对冲压成形工艺而言，减薄和高强是恶化成形性的双重因素，不仅使得车身零件在成形过程中容易开裂，而且容易产生过量回弹，影响车身后续的装配。通过热处理的方式实现最终零件的高强度是其中的一种途径，而热冲压成形技术是一种通过热处理和高温成形相结合的方式来实现零件高强度，能较好的解决高强度与冷成形的矛盾问题。
热成形技术生产的零件具有超高强度、成型精度高、无回弹等优点。越来越多的汽车车身零部件采用热成形技术，如A柱、B柱、汽车保险杠、防撞梁、车门防撞梁等。传统的无镀层热冲压件在加热过程中会引起冲压钢板表面脱碳和氧化起皮，为避免热冲压钢板表面的氧化和脱碳，使热冲压钢板具备耐高温性和耐腐蚀性，目前已开发出适合于热冲压钢用的镀层技术。目前热冲压镀层主要由铝硅镀层(Al-10Si)镀层、热镀纯锌(GI)镀层、合金化锌铁(GA)镀层和电镀锌镍(Zn-10Ni)镀层等。
而在直接热冲压过程中，能提供阴极腐蚀保护的锌基镀层热冲压用钢，由于液态金属脆性(LME)的作用会导致钢板基体中产生微裂纹(10um至100um)，甚至可延伸至整个板厚方向的宏观裂纹，因此阻碍了锌基热冲压镀层钢板的应用及发展。目前广泛应用的铝/硅镀层无法提供阴极腐蚀保护，为进一步提高镀层的耐腐蚀性，镀锌材料也由纯锌向锌合金方向发展。自从Inland Steel关于在Zn中适量添加Al和Mg进一步具有良好的耐腐蚀性的三个专利申请：德国专利GB1125965A、美国US3505043A和US3505042A。一直以来人们对于这种Zn-Al-Mg系镀层钢板进行各种开发研究，主要工作集中为混合其它各种添加元素，或者限制生产工艺参数来进一步改善耐腐蚀性或者使之利于制造，降低生产成本。
另外，现有技术中的专利CN100334250提出了一种耐腐蚀性优良的Zn-Al-Mg-Si合金镀覆钢材及其制造方法，其主要是对添加到Zn-Al类镀层中的Mg和Si的含量进行控制，并对具有提高耐腐蚀性作用的MgSi2相的析出量和析出形态进行控制，其不仅能解决在涂装后的切断面的耐边缘蠕变性问题，还能提供性能特别优异的合金镀层。专利CN103805930B通过Galvalume镀层(Zn-55Al)中添加Mg和/或Cr，研究Cr在界面合金层中的分布，提供了加工性能和耐蚀性能都优异的热浸镀Zn-Al-Mg-Cr镀层钢板。但是以上的现有专利技术，都只是针对冷成型钢板所使用的Zn-Al-Mg系镀层，针对于热冲压的Al-Zn-Mg-Si镀层钢板及其热冲压方法目前尚没有这方面的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板及其热冲压方法。采用本发明方法制作的热冲压部件具有优良的耐腐蚀性能，要能有效避免Al-Zn-Mg-Si镀层钢板热冲压成形过程中由于局部应力和液态金属脆性(LME)导致的基板裂纹。
为了达到上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板，该热冲压钢板包括基板和镀覆于基板上的Al-Zn-Mg-Si镀层，所述Al-Zn-Mg-Si镀层在热冲压后，所述Al-Zn-Mg-Si镀层中组织在厚度方向由表层的氧化层和下部的合金层两种结构组成，所述合金层的厚度为15～45um，该合金层的组织与奥氏体化过程中的保温时间t呈如下关系：
(1)在保温时间t≦3min时，所述Al-Zn-Mg-Si镀层的合金层由上下两层组成，第一层组织由富Al相，富Zn相和FeAl3相组成，且富Zn相与FeAl3相两相之和所占的体积百分比例在20％到80％之间；第二层由FeAl3相和富Zn相组成，且富Zn相所占的体积百分比例不超过5％。
(2)在保温时间t>3min时，所述Al-Zn-Mg-Si镀层的合金层由单层合金层组成，所述的单层合金层的主要组成为FeAl3相，富Zn相与MgZn2相存在于FeAl3相之间，且富Zn相和MgZn2相两相之和所占的体积百分比例为5％～50％。
在本发明一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板中，所述钢板在热冲压前Al-Zn-Mg-Si镀层的初始组织由富Zn相、富Al相、FeAl3相、MgSi2相以及Fe-Al-Si合金层组成，所述Al-Zn-Mg-Si镀层的厚度为8-30um。
在本发明一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板中，所述钢板在热冲压后镀层表面的氧化层包含(Zn，Al，Mg，Si)氧化物，且Al-Zn-Mg-Si镀层的氧化层厚度在3um以内。
在本发明一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板中，所述Al-Zn-Mg-Si镀层的化学成分质量百分比为：Al:45-65％，Mg：0.2-5％，Si:0.1-3％，余量为Zn和其它不可避免的杂质。
在本发明一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板中，所述基板的组成成分按质量百分比计包含：C：0.1％～0.5％；Si：0.05％～2.0％；Mn：0.5％～3.0％；P：≤0.1％；S：≤0.05％；Al：0.01～0.05％；N：0.01％以下；还包括Nb：0.01％～0.1％，V：0.01％～1.0％，Mo：0.01％～1.0％，Ti：0.01％～0.1％，Cr：0.01％～0.1％，Ni：0.01％～1.0％，B：0.001％～0.01％中的至少一种，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述的钢板中的各化学元素设计原理如下所述：
C：0.1％～0.5％
C含量是决定钢板强度、硬度等力学性能的最主要因素，钢板的强度、硬度随着C含量的升高而提高，钢板的塑性、韧性随着C含量的升高而降低，钢板的冷脆倾向性和时效倾向性随着C含量的升高而提高。而且C含量对刚才淬火后力学性能也有显著影响，因此本发明将C含量的上限规定为0.5％，优选为0.35％，保证钢板具有一定塑性和韧性；下限规定为0.1％，保证钢板具有一定强度。
Si：0.05％～2.0％
Si是置换固溶合金元素，可以促进C在奥氏体中的富集，使得奥氏体稳定性增加，提高钢板的强度，并在一定程度上提高其韧性，因此，本发明将Si含量的下限规定为0.05％，但是当Si含量较大时，热轧时产生红色氧化铁皮的表面缺陷概率增大，且轧制力增大，导致热轧钢板的延展性劣化，因此，本发明将Si含量的上限规定为1.0％。为保证钢板的可镀性，Si的上限优选为1.0％。
Mn：0.5％～3.0％
Mn是提高钢板的淬透性，扩大奥氏体相区以及有效保证淬火后钢板强度的元素，同时Mn作为扩大奥氏体相区的元素，可以降低Ac3的温度和Ac1的温度，延缓珠光体相变，从而降低热冲压加热温度。Ac3是指碳钢加热时的相变实际温度，Ac1是钢加热时开始形成奥氏体的温度。Mn含量不足0.5％时，提高钢板的淬透性能力不足。另一方面，Mn含量超过3％时，会产生偏析，导致基体钢板和热冲压零件性能均匀性下降。
P:≤0.1％
P在钢中使钢的可塑性及韧性明显下降，特别是在低温下会导致“冷脆”现象，因此要严格控制，限制在0.1％以下。
S：≤0.05％
S含量维持在较低水平，因为由S形成FeS而引起热脆性问题，因而S含量限于0.05％以下。下限不定义，因为由于相同的原因S含量越低越好。
N：≤0.01％
N含量超过0.01％时，在热轧时会形成AlN的氮化物，导致钢板的冲裁加工性能和淬透性降低。因此，N含量越低越好，设定在≤0.01％。
Al：0.01％～0.05％
Al具有脱氧的作用。当Sol.Al(有效Al)含量＜0.01％时，添加效果不明显；当Sol.Al含量＞0.05％时，脱氧作用饱和且成本增加。因此，本发明将Al含量限定在0.01％～0.05％。
Nb：0.01％～0.1％
Nb是钢中重要的微合金元素，在钢中添加微量的Nb可保证钢在碳当量较低的情况下，通过其碳、氮化物质点(尺寸小于5nm)的弥散析出及Nb的固溶，细化晶粒，极大地提高钢的强度、韧性，特别是低温韧性，同时使钢具有良好的冷弯性能和可焊性。因此，本发明将Nb的含量限定在0.01％～0.1％，可有效细化钢基板的原始奥氏体晶粒，目的在于提高热成形后零件的韧性和冷弯性能。
V：0.01％～1.0％
V是通过形成碳化物使组织微细化的元素。在将钢板加热至Ac3点以上时，微细的V的碳化物抑制再结晶及晶粒生产使奥氏体晶粒细化，改善韧性。当V含量＜0.01％时，添加效果不明显；当V含量＞1.0％时，添加效果饱和且成本增加。
Mo：0.01％～1.0％
Mo与V一样，是奥氏体细化的元素，当Mo含量＜0.01％时，添加效果不明显；当Mo含量＞1.0％时，添加效果饱和且成本增加。
B：0.001％～0.01％
B是钢中晶界偏聚剧烈的元素，能降低奥氏体的晶界能，抑制先共析铁素体晶核的形成，对于提高钢的淬透性具有三大特点：提高淬透性的能力很强；极少量的B元素相当于其他多种贵重合金元素的添加作用；B元素具有提高淬透性的最佳含量且十分微小，不同于一般合金元素提高淬透性的效果随其在钢中含量增加而增加。因此，本发明中B元素含量限定在0.001％～0.01％。
在本发明中，钢板基板的化学成分还可以包括以下至少一种：Ti：0.01％～0.1％，Cr：0.01％～0.1％，Ni：0.01％～1.0％。
Ti：0.01％～0.1％
Ti通过其氮化物的形成起到稳定地发挥前述B的作用，所以是可以有效地利用的元素。为此需要0.01％以上的添加，但是若过多地添加则氮化物变得过剩，会导致韧性的劣化因此上限规定为0.10％。
Cr：0.01％～1.0％
Cr能增加钢的淬透性并有二次硬化作用。铬与铁形成连续固溶体，缩小奥氏体相区域，铬，还可以使珠光体的碳浓度及奥氏体中碳的极限溶解度减少。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。当Cr含量＜0.01％时，添加效果不明显；当Cr含量＞1.0％时，添加效果饱和且成本增加。
Ni：0.01％～1.0％
Ni能扩大钢的奥氏体区，是形成和稳定奥氏体的主要合金元素，镍还可以强化铁素体并细化和增多珠光体，提高钢的强度。其添加效果在0.01％以上很明显，但由于其是高价元素，因此控制在1.0％以下。
本发明还涉及到一种适用于具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压方法，使钢板在限定的工艺范围内实现奥氏体化再进行热冲压成型与模内淬火，使热冲压后的部件具有良好的耐腐蚀性能，同时避免热成形过程中由于局部应力和液态金属脆性导致的基板裂纹。该热冲压成形方法的操作步骤如下：
(1)加热：将含有Al-Zn-Mg-Si镀层的钢板传送于加热炉中，以大于5℃/s且小于1000℃/s的加热速度将钢板加热到高于Ac3的温度，加热温度T的范围需满足以下关系式：
其中，[Al]为镀层中Al的含量％，[Zn]为镀层中Zn的含量％，V为加热过程中的升温速度，单位为℃；
(2)保温：将奥氏体化的钢板进行保温，保温时间t的设定满足以下关系式：
其中，[Al]为镀层中Al的含量％，[Zn]为镀层中Zn的含量％，单位为min；
(3)热冲压成形与模内淬火：将加热后的钢板快速移动到热冲压模具上冲压成型淬火，热冲压成型完成后形成坯料，该坯料先在模具中进行淬硬冷却，再在模具中冷却至室温，或从模具取出后冷却至室温。
在本发明一种适用于具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压方法中，所述步骤(1)中钢板的奥氏体化温度控制在930℃及以下，且高于Ac3温度。
在本发明一种适用于具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压方法中，所述步骤(2)中，所述钢板在奥氏体化的保温时间控制在1分钟到7分钟之间。
在本发明一种适用于具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压方法中，作为步骤(2)进一步地，所述的保温时间控制在大于1分钟且小于3分钟，也就是说在优化方案中控制保温时间大于1分钟且小于3分钟。
在本发明一种适用于具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压方法中，所述步骤(3)中热冲压的冲压力为300～1000吨，保压时间为3～15秒。
基于上述技术方案，本发明的具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板及热冲压方法经过了实践应用，取得了如下有益效果：
1.本发明提供具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压成型方法，在限定的工艺范围内，热冲压后的部件具有良好的耐腐蚀性能。因为在加热过程中首先会优先发生Al-Fe扩散，此时原始镀层中的富Zn相(η-Zn)和MgZn2相会集中存在于镀层厚度的表层1/3～1/2处，这种表层由富Zn相(η-Zn)，MgZn2相和富Al相组成，界面层由AlFe3相组成的双层合金相结构，在处于腐蚀介质中时，由于表层的富Zn相或者MgZn2相的电位更低，可以与界面合金层，或者基体形成原电池，从而对基体起到牺牲阳极保护的功能。
2.本发明提供具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压成型方法，在本发明限定的工艺范围内，能够避免由于液态金属脆性(Liquid Metal Embrittlement，LME)导致的基板裂纹，也使得热冲压后的镀层具有良好的耐腐蚀性能。
3.本发明所述的具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板，在加热过程中首先会优先发生Al-Fe扩散，此时原始镀层中的富Zn相(η-Zn)和MgZn2相会集中存在于镀层厚度的表层1/3～1/2处，但如果加热温度过高，Al-Fe充分扩散后由于Zn-Fe扩散的驱动力，镀层中的富Zn相则会扩散到AlFe3相的晶界中，在模具成形过程中，由于低熔点的富Zn相仍为液态，在应力的作用下，会降低AlFe3相的结合力，引起液态金属脆性导致的宏观裂纹，因此将加热温度限定在以下。
4.本发明所述的具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板，将热冲压成形用的钢板的保温时间做了详细限定，若保温时间低于1min，钢板无法完全奥氏体化，而保温时间过长，同样镀层会转变程(Al，Fe)相和富Zn相共存的单层合金层结构，引起液态金属脆性(LiquidMetal Embrittlement，LME)导致的宏观裂纹，因此将保温时间限定在以下。
附图说明
图1是本发明实施例1在热冲压之前的微观组织。
图2是本发明实施例1在热冲压之后的微观组织。
图3是本发明实施例2在热冲压之后的微观组织。
图4是本发明实施例5在热冲压之后的微观组织。
图5是本发明实施例6在热冲压之后的微观组织。
图6是本发明实施例8在热冲压之后的截面形貌。
图7是本发明对比例4在热冲压之后的LME特征以及镀层高倍下的截面形貌。
图8是本发明对比例图7中位置A的高倍形貌。
图9是本发明对比例图7中位置B的高倍形貌。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明先涉及到一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板，该钢板包括基板和镀覆于基板上的Al-Zn-Mg-Si镀层。在热冲压前所述Al-Zn-Mg-Si镀层的初始组织由富Zn相、富Al相、FeAl3相、MgSi2相以及Fe-Al-Si合金层组成，所述Al-Zn-Mg-Si镀层的厚度为8-30um。在热冲压后，所述镀层组织在厚度方向由两种结构组成，即：由表层的氧化层和表层下部的合金层组成，所述合金层的厚度为15～45um，该合金层的组织与奥氏体化过程中的保温时间t呈如下关系：
(1)在保温时间t≦3min时，所述Al-Zn-Mg-Si镀层的合金层由上下两层组成，第一层组织由富Al相，富Zn相和FeAl3相组成，且富Zn相与FeAl3相两相之和占所有组织的体积百分比例在20％到80％之间；第二层由FeAl3相和富Zn相组成，且富Zn相占所有组织体积百分比例不超过5％。
(2)在保温时间t>3min时，所述Al-Zn-Mg-Si镀层的合金层由单层合金层组成，所述的单层合金层的主要组成为FeAl3相，富Zn相与MgZn2相存在于FeAl3相之间，且富Zn相和MgZn2相两相之和在所有组织中所占的体积百分比例为5％～50％。
在本发明一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板中，所述Al-Zn-Mg-Si镀层的化学成分质量百分比为：Al:45-65％，Mg：0.2-5％，Si:0.1-3％，余量为Zn和其它不可避免的杂质。
在本发明一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板中，所述钢板在热冲压后镀层表面的氧化层包含(Zn，Al，Mg，Si)氧化物，且镀层的氧化层厚度在3um以内。(Zn，Al，Mg，Si)氧化物是指锌氧化物、铝氧化物、镁氧化物和硅氧化物的混合物。
在本发明一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板中，所述基板的组成成分按质量百分比计包含：C：0.1％～0.5％；Si：0.05％～2.0％；Mn：0.5％～3.0％；P：≤0.1％；S：≤0.05％；Al：0.01～0.05％；N：0.01％以下；还包括Nb：0.01％～0.1％，V：0.01％～1.0％，Mo：0.01％～1.0％，Ti：0.01％～0.1％，Cr：0.01％～0.1％，Ni：0.01％～1.0％，B：0.001％～0.01％中的至少一种，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述热冲压成形用的具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的生产过程如下：
1)对生产钢板用的原料进行冶炼；
2)连铸生产铸坯；
3)热轧：将铸坯加热到1100～1250℃后控制轧制，开轧温度为950～1150℃，终轧温度为750～900℃，热轧板厚度小于等于20mm；
4)轧后在500～850℃进行卷取，冷却至室温后组织为铁素体和珠光体组织；
5)酸洗以去除热轧过程中产生的氧化铁皮；
6)冷轧：将钢卷冷轧至2.0mm以下的厚度，冷轧压下量≥35％；
7)连续退火、热镀：将获得的轧硬带钢开卷、清洗，加热至均热温度780～850℃，保温30～200s，其中，加热速率为1～20℃/s，加热段和保温段的气氛采用N2-H2混合气体，其中H2含量为0.5～20％，退火气氛的露点为-40～10℃；之后快冷浸入锌锅中热浸镀，镀液的温度范围为565-605℃，钢板离开镀液后进行分段冷却，获得镀覆钢板，即在基板上镀覆有Al-Zn-Mg-Si镀层。
在上述热冲压钢板的生产过程中，步骤7)中将镀液的温度控制在565-605℃，是因为当镀液的温度低于565℃时，镀液在锌锅内流动性降低，镀层的厚度控制变得困难，导致镀层的均匀性难以保证，特别是镀层厚度较薄时均匀性更差。当锌锅温度高于605℃时，钢板在锌锅中的溶解以及锌锅表面镀液的氧化都将加剧，会导致热浸镀过程中镀液底渣、面渣都增多；此外，镀液温度高于605℃，也会导致热浸镀装置例如炉箅子内Zn的蒸发加剧，从而引起钢板表面锌灰等缺陷增多。
本发明特别地对镀层钢板在热冲压后的镀层组织在不同的保温时间下的不同相组成做了清晰界定。这是因为发明人在经过大量研究发现，镀层的组织中各相的组成与奥氏体化过程中的保温时间关系最大，且热冲压后镀层内不同相组成对其后续的耐腐蚀性能影响很大，因此在大量实验的基础上，结合后续的热冲压方法，对产生最优耐蚀性组织的热冲压方法也做了界定。
本发明还涉及到一种适用于具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压方法，使钢板在限定的工艺范围内实现奥氏体化再进行热冲压成型与模内淬火，使热冲压后的部件具有良好的耐腐蚀性能，该热冲压方法中包括奥氏体化环节和热冲压成形与模内淬火环节：
奥氏体化环节：将作为基板的钢板输送至温度高于Ac3的加热炉中，将钢板完全奥氏体化并保温；
热冲压成型与模内淬火环节：将加热后的钢板快速移动到热冲压模具上冲压成型淬火，热冲压成型完成后形成坯料，该坯料先在模具中进行淬硬冷却，再在模具中冷却至室温，或从模具取出后冷却至室温。
在前面的奥氏体化环节中，将热冲压成型用的钢板的加热温度和加热时间做了详细限定，这是因为发明人在通过大量研究发现，奥氏体化过程中的加热温度和保温时间影响了加热后镀层的组织组成，从而影响材料的耐腐蚀性能。如果加热温度低于钢板的Ac3温度以下，钢板无法进入单相奥氏体区，在后续的淬硬过程中无法完成马氏体转变。在加热过程中首先会优先发生Al-Fe扩散，此时原始镀层中的富Zn相(η-Zn)和MgZn2相会集中存在于镀层厚度的表层1/3～1/2处。这种表层由富Zn相(η-Zn)，MgZn2相和富Al相组成，界面层由AlFe3相组成的双层合金相结构，在处于腐蚀介质中时，由于表层的富Zn相或者MgZn2相的电位更低，可以与界面合金层，或者基体形成原电池，从而对基体起到牺牲阳极保护的功能。如果加热温度过高，Al-Fe充分扩散后由于Zn-Fe扩散的驱动力，镀层中的富Zn相则会扩散到AlFe3相的晶界中，镀层的耐腐蚀性能大大降低，因此本发明将加热温度限定在930℃以下，但要高于Ac3温度。
在前面的奥氏体化环节中，将热冲压成型用的钢板在奥氏体化的保温时间控制在1分钟到7分钟。将奥氏体化过程中的保温时间做了详细限定，其基本原理与上述加热温度的选择相同。若保温时间低于1min，钢板无法完全奥氏体化，而保温时间过长，同样镀层会转变程AlFe3相和富Zn相共存的单层合金层结构，耐腐蚀性能降低，因此将保温时间限定在7min以内，进一步的，推荐将保温时间控制在3分钟以内。
另外，为了避免Al-Zn-Mg-Si镀层钢板热成形过程中由于局部应力和液态金属脆性(Liquid Metal Embrittlement，缩写为LME)导致的基板裂纹，本发明深入研究了适用于具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压成形方法，目的是使钢板在限定的加热温度和保温时间下加热完成后，进行热冲压成形与模内淬火，可避免进而基板裂纹，该热冲压成形方法的操作步骤如下：
(1)加热：将含有Al-Zn-Mg-Si镀层的钢板传送于加热炉中，以大于5℃/s小于1000℃/s的加热速度将钢板加热到高于Ac3的温度，此处加热方式可以有多种选择，属于常规技术，加热温度T的范围需满足以下关系式：
其中，[Al]为镀层中Al的含量％，[Zn]为镀层中Zn的含量％，V为加热过程中的升温速度，单位为℃；
(2)保温：将奥氏体化的钢板进行保温，保温时间t的设定满足以下关系式：
其中，[Al]为镀层中Al的含量％，[Zn]为镀层中Zn的含量％，单位为min；
(3)热冲压成形与模内淬火：将加热后的钢板快速移动到热冲压模具上冲压成型淬火，热冲压成型完成后形成坯料，该坯料先在模具中进行淬硬冷却，再在模具中冷却至室温，或从模具取出后冷却至室温。本步骤中热冲压的冲压力为设定300～1000吨，保压时间设定为3～15秒。
实施例1-7
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的一种耐腐蚀性能优良的具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板及其热冲压方法做进一步的解释和说明。
根据本发明所描述的，具有以下合金成分组成(质量％)的钢适用于本发明：
C Si Mn P S Al Cr Ti B N
0.22 0.19 1.14 0.006 0.0001 0.05 0.25 0.031 0.0025 0.0040
其余由Fe和不可避免的杂质组成。
上述热冲压钢板的生产过程如下：
(1)按上述成分对生产钢板用的原料进行冶炼；
(2)连铸生产铸坯；
(3)热轧：将铸坯加热到1250℃后控制轧制，开轧温度为1050℃，终轧温度为880℃，热轧板厚度小于等于20mm；
(4)轧后在550℃进行卷取，冷却至室温后组织为铁素体和珠光体组织；
(5)酸洗以去除热轧过程中产生的氧化铁皮；
(6)冷轧：将钢卷冷轧至2.0mm以下的厚度，冷轧压下量≥35％；
(7)连续退火、热镀；
上述钢板进一步处理以形成镀层，以作为热冲压钢板来使用。其过程如下：
1)基板预处理：采用1.2mm厚度的轧硬板作为基板，经脱脂处理后，在780℃下保温120s，加热段和保温段的气氛采用N2-5％H2混合气体，退火气氛的露点为-40℃。
2)将基板浸入镀液中热浸镀，所述镀液的温度为565～605℃，各实施例所采用的镀液的化学成分配比详见表1。
3)浸镀3秒钟后，钢板离开镀液，通过气刀吹扫强度控制镀层的厚度。随后进行分段冷却，在离开镀液至480℃范围内，控制钢板的冷却速度为15～25℃/s，在480～280℃范围内，控制钢板的冷却速度为40～60℃/s，冷却到280℃以下，钢板进入水淬槽中冷却至室温；
(8)将上述步骤生产的不同成分配比的Al-Zn-Mg-Si镀层钢板落料，并将落料片传送至高于钢板奥氏体化温度(即Ac3温度)的加热炉中；
(9)将镀层钢板快速转移至模具中进行热冲压成形并淬硬。
实施例A1-A7和对比例B1-B3
表1中所列对比例1为AlSi镀层钢板，对比例2为纯锌镀层热冲压钢板，对比例3为无镀层钢板，分别加热至930℃，保温3min，转移到模具中进行热冲压成形并淬硬。
对上述各实施例和对比例的样板取样，采用Zeiss扫描电子显微镜对镀层表面组织进行分析，并采用EBSD对相组织比例进行解析。在Gamry Reference 600恒电位仪上进行电化学试验测定各样板的自腐蚀电位。参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，试样为工作电极，测试面积为1cm2。试验在常温下的3.5wt％NaCl溶液中进行。试验前，先将工作电极固定在电解液中浸泡30min，以获得稳定的开路电位。获得的动电位极化曲线用恒电位仪配套的Gamry Echem Analyst软件进行Tafel拟合出镀层的自腐蚀电位。
图1为本发明实施例1镀层钢板在热冲压之前的微观组织，如图1所示，热冲压前镀层的微观组织由富Zn相，富Al相，Mg-Zn合金相，Mg-Si合金相以及Fe-Al-Si合金层组成。图2为本发明实施例2镀层钢板板在加热温度930℃，保温时间为3分钟之后的微观组织，如图2所示，镀层由两层组成，第一层为80％的η-Zn+MgZn2和20％的AlFe3，第二层为2％的η-Zn+MgZn2和98％的AlFe3组成。图3为本发明实施例3镀层钢板在加热温度930℃，保温时间为7分钟之后的微观组织，如图3所示，可以发现随着保温时间的延长，镀层由两层转变成单层，即20％的η-Zn+MgZn2和80％的AlFe3组成。图4为本发明实施例6镀层钢板在加热温度900℃，保温时间为3分钟之后的微观组织，如图4所示，镀层由两层组成，第一层为43％的η-Zn+MgZn2，37％的富Al相和20％的AlFe3相组成，第二层为100％的AlFe3相。图5为本发明实施例7镀层钢板在加热温度900℃，保温时间为7分钟之后的微观组织如图5所示，镀层也由两层组织转变为35％的η-Zn+MgZn2相和65％的AlFe3相。上述图1至图5中微观组织的相比例均采用EBSD测定。
表1 实施例1-7和对比例1-3的镀层相结构与表面电位
注：表中“-”表示含量为0。
根据表1可知，与本发明所列举的实施例A1-A7相比，对比例B1-B3热冲压钢板的自腐蚀电位比实施例高。特别是与对比例B3无镀层的基板电位(-531mV)相比，可以发现传统的AlSi镀层的电位(-505mV)更高，因此一旦处于腐蚀介质中，基板会比AlSi镀层更早发生腐蚀，从而失去镀层的保护作用。对比例B2纯锌镀层热冲压钢板，其电位-772mV比无镀层的基板低，可以有效形成原电池，从而起到牺牲阳极的保护作用。但是，与本发明的实施例A1-A7相比，其电位还是偏高，因此本发明的实施例镀层样板，在热冲压后具有更好的保护基板耐腐蚀效果。特别需要注意到是，在奥氏体化保温时间更短的情况下，其腐蚀电位最低，如实施例1(-1117mV)，实施例3(-1097mV)，实施例4(-1013mV)，实施例5(-1105mV)，实施例6(-1145mV)，因此推荐使用较短的保温温度。
实施例8-13
实施例A8-A13和对比例B4-B5。
基于本发明的研究发现，在成形阶段必须尽可能避免熔化的锌与奥氏体接触，本发明的热冲压成形工艺具体过程如下：
(1)加热：将Al-Zn-Mg-Si镀层钢板传送于加热炉中，以大于5℃/s且小于1000℃/s的加热速度将钢板或钢带加热到高于Ac3的温度，加热温度T的范围需满足以下关系式：
其中，[Al]为镀层中Al的含量％，[Zn]为镀层中Zn的含量％，V为加热过程中的升温速度，单位为℃；
(2)保温：将奥氏体化的钢板进行保温，保温时间t的设定满足以下关系式：
其中，[Al]为镀层中Al的含量％，[Zn]为镀层中Zn的含量％，单位为min；
(3)热冲压成形与模内淬火：将加热后的钢板快速移动到热冲压模具上冲压成形淬火，热冲压成形完成后，坯料在模具中进行淬硬冷却，然后可以在模具中冷却至室温，或从模具取出后冷却至室温。
对上述各实施例和对比例的样板取样，采用Zeiss扫描电子显微镜对镀层截面组织进行分析基板的LME裂纹情况。图6所示为本发明实施例8热冲压后带镀层的截面金相组织，可以发现基板无LME裂纹。图7所示为本发明对比例4热冲压后带镀层的截面金相组织，可以发现基板位置有深度约700um的LME裂纹。图8为本发明对比例图7中的位置A的高倍形貌，可以发现富Zn相扩散至基板。图9为本发明对比例图7中位置B的高倍形貌，可以发现镀层的组织与实施例(图6)明显不同。实施例中镀层为双层结构，靠近基体为熔点很高的AlFe3相，富Zn相集中于镀层表层中；而对比例中低熔点的富Zn相聚集在FeAl3相晶界。主要原因是对比例本发明中对应设计基板的Ac3温度为825℃，加热炉的加热速度V＝5℃/s,根据表2中镀液成分的[Al]/[Zn]比，可以发现实施例A8-A13的保温温度在范围内，保温时间在/>范围内，而对比例的加热温度和保温时间均超过了本发明界定的范围，因此热冲压成形过程中产了严重的LME裂纹。
表2 实施例8-13和对比例4-5的基板LME情况对比
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注：○为无基板无LME裂纹，△为基板有LME裂纹
本发明所述的热冲压工艺可以避免Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板冲压成形后由于液态金属脆性(Liquid Metal Embrittlement，以下标记为LME)引起的基体裂纹，对Al-Zn-Mg-Si镀层热冲压用钢的发展具有重要意义。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括做出若干简单推演或替换，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板，该热冲压钢板包括基板和镀覆于基板上的Al-Zn-Mg-Si镀层，其特征在于，所述Al-Zn-Mg-Si镀层在热冲压后，镀层在厚度方向由两种结构组成，即表层的氧化层和下部的合金层，所述合金层的厚度为15～45um，该合金层的组织与奥氏体化过程中的保温时间t呈如下关系：
(1)在保温时间t≦3min时，所述Al-Zn-Mg-Si镀层的合金层由上、下两层组织组成，第一层组织由富Al相、富Zn相和FeAl3相组成，且富Zn相与FeAl3相两相之和所占的体积百分比例在20％到80％之间；第二层组织由FeAl3相和富Zn相组成，且富Zn相所占的体积百分比例不超过5％；
(2)在保温时间t>3min时，所述Al-Zn-Mg-Si镀层的合金层由单层合金层组成，所述的单层合金层的主要组成为FeAl3相，在FeAl3相之间存在有富Zn相与MgZn2相，且富Zn相和MgZn2相两相之和所占的体积百分比例为5％～50％。
2.根据权利要求1所述的一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板，其特征在于，所述热冲压钢板在热冲压前Al-Zn-Mg-Si镀层的初始组织由富Zn相、富Al相、FeAl3相、MgSi2相以及Fe-Al-Si合金层组成，所述Al-Zn-Mg-Si镀层的厚度为8-30um。
3.根据权利要求1所述的一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板，其特征在于，所述热冲压钢板在热冲压后Al-Zn-Mg-Si镀层表层的氧化层中包含Zn氧化物、Al氧化物、Mg氧化物和Si氧化物，且Al-Zn-Mg-Si镀层的氧化层厚度在3um以内。
4.根据权利要求1所述的一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板，其特征在于，所述Al-Zn-Mg-Si镀层的化学成分质量百分比为：Al:45-65％，Mg：0.2-5％，Si:0.1-3％，余量为Zn和其它不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的一种具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板，其特征在于，所述基板的组成成分按质量百分比计包含：C：0.1％～0.5％；Si：0.05％～2.0％；Mn：0.5％～3.0％；P：≤0.1％；S：≤0.05％；Al：0.01～0.05％；N：0.01％以下；还包括Nb：0.01％～0.1％，V：0.01％～1.0％，Mo：0.01％～1.0％，Ti：0.01％～0.1％，Cr：0.01％～0.1％，Ni：0.01％～1.0％，B：0.001％～0.01％中的至少一种，余量为Fe和不可避免的杂质。
6.一种适用于具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压方法，其特征在于，该热冲压方法的操作步骤如下：
(1)加热：将含有Al-Zn-Mg-Si镀层的钢板传送于加热炉中，以大于5℃/s且小于1000℃/s的加热速度将钢板加热到高于Ac3的温度，加热温度T的范围需满足以下关系式：
其中，[Al]为镀层中Al的含量％，[Zn]为镀层中Zn的含量％，V为加热过程中的升温速度，单位为℃；
(2)保温：将奥氏体化的钢板进行保温，保温时间t的设定满足以下关系式：
其中，[Al]为镀层中Al的含量％，[Zn]为镀层中Zn的含量％，单位为min；
(3)热冲压成形与模内淬火：将加热后的钢板快速移动到热冲压模具上冲压成型淬火，热冲压成型完成后形成坯料，该坯料先在模具中进行淬硬冷却，再在模具中冷却至室温，或从模具取出后冷却至室温。
7.根据权利要求6所述的具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述热冲压钢板的奥氏体化温度控制在930℃及以下，且高于Ac3温度。
8.根据权利要求6所述的具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述热冲压钢板在奥氏体化的保温时间控制在1分钟到7分钟。
9.根据权利要求8所述的具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压方法，其特征在于，所述的保温时间控制在大于1分钟且小于3分钟。
10.根据权利要求6所述的一种适用于具有Al-Zn-Mg-Si镀层的热冲压钢板的热冲压方法，其特征在于，步骤(3)中热冲压保压时间为3～15秒，冲压力为300～1000吨。
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