CN116607093A - 可变厚度热成形用预涂层钢板及生产方法、利用其热成形的部件及其制造方法 - Google Patents

可变厚度热成形用预涂层钢板及生产方法、利用其热成形的部件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了可变厚度热成形用预涂层钢板及生产方法、利用其热成形的部件及其制造方法；本发明控制预涂层的厚度为13～20μm，连续变截面轧制压下率≤30％，进一步预涂层中加入任选的Ti、Sr可有效抑制铝硅涂层钢板经过连续变截面轧制热成形后涂层中出现大而密集的空洞缺陷。使连续变截面轧制后的预涂层厚度≤14μm，所制备的可变厚度的铝硅预涂层钢板经过热冲压淬火成形后能够获得冷弯韧性更优异的部件，涂层质量优异，具有较好的机械性能、涂层质量和冷弯韧性。

Description

可变厚度热成形用预涂层钢板及生产方法、利用其热成形的 部件及其制造方法
技术领域
本发明属于汽车用钢以及热成形零部件制造领域，具体涉及可变厚度热成形用预涂层钢板及生产方法、利用其热成形的部件及其制造方法，可以用于汽车制造。
背景技术
近年来，随着汽车工业的发展，伴随而来的能源危机和环境问题日益突出，节能减排已成为汽车行业亟待解决的重大难题，其中汽车轻量化是节能减排的有效手段。
随着汽车轻量化要求的提高，高强度热冲压钢零件由于强度高、无回弹、成形精度高、可很大程度减轻汽车重量、提高汽车安全碰撞性能、节能减排等优点，被大量用于汽车车身结构件，如：A、B柱加强板、前后门防撞杆、前后防撞梁等。
随着汽车轻量化要求的进一步提高，连续变截面轧制(TRB)热成形技术和激光拼焊(TWB)热成形技术也随之发展起来，利用这两种技术对汽车结构件进行优化设计能够进一步减轻零部件的质量。TWB技术可对不同强度和厚度的板料进行任意拼接，具有很大的灵活性，但由于厚度突变和焊缝的影响，为后续热成形加工带来不利影响，相比之下TRB技术具有较好的机械性能和成形性能，且成本更低。
目前市场中主要以铝硅涂层热成形钢的应用为主，利用TWB热成形技术进行轻量化设计时，在铝硅涂层板拼焊过程中，涂层中的Al进入焊缝形成高温铁素体影响热成形后的机械性能，利用TRB技术则不存在这一问题。
专利EP3358037B1公开了用于生产适用于热机械成型的轧制坯料的涂层钢带的生产方法、由此生产的钢带和这种涂层钢带的用途，其特点是在热轧涂敷(铝或铝合金、锌或锌合金)带材之后，冷轧带材，使得带材在其长度方向上获得可变厚度，至少具有较厚部分、较薄部分以及较厚部分和较薄部分之间的过渡部分，较薄部分比较厚部分的厚度至少薄15％，涂敷涂层厚度1～50μm，之后加热成形获得产品，但对于铝硅涂层板，轧制之后钢基体与涂层界面处的金属间化合物层会被破坏，影响热成形后涂层质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可变厚度热成形用预涂层钢板及生产方法，针对现有的利用TRB热成形技术制造铝硅涂层热成形钢部件时，涂层中出现大而密集的空洞缺陷，涂层容易脱落，影响后续的涂装和焊接性能的问题，提供的可变厚度热成形用预涂层钢板经TRB连续变截面轧制，热成形后有效抑制涂层空洞缺陷。
本发明还有一个目的在于提供一种利用可变厚度热成形用预涂层钢板热成形的部件及其制造方法，热冲压成形部件具有较好的涂层质量和冷弯韧性。
本发明具体技术方案如下：
一种可变厚度热成形用预涂层钢板，包括基础钢板和预涂层；
所述预涂层厚度≥13μm；所述可变厚度热成形用预涂层钢板经过连续变截面轧制，控制压下率≤30％；本发明控制连续变截面轧制压下率≤30％，预涂层厚度≥13μm，可减轻涂层中Fe-Al-Si金属间化合物层的破碎，减少热成形后涂层中的大空洞缺陷。
优选的，控制预涂层厚度≥13μm，连续变截面轧制压下率≤15％；涂层热成形后均能够获得较好的涂层质量。
优选的，所述预涂层的厚度为13μm≤预涂层的厚度≤20μm，预涂层经过连续变截面轧制后的厚度≤14μm，所制备的涂层板经热冲压淬火成形后部件的冷弯韧性更优异。
进一步的，当连续变截面轧制压下率＞15％时，所述预涂层中含有0～0.5wt％的Ti，且Ti不为0；
进一步的，所述当连续变截面轧制压下率＞15％时，所述预涂层中还含有0～0.1wt％的Sr；Ti+Sr≤0.5wt％；
本发明中，Ti的加入可减少金属间化合物层的厚度，同时可形成TiAl3金属化合物，增加凝固过程中的形核密度，细化涂层组织，使涂层组织更均匀，Sr的加入可减少初晶硅粒子尺寸，改善涂层的塑性加工性能。
所述预涂层设置在基础钢板至少一个表面。
所述预涂层中含Fe、Al、Si成分；
所述预涂层包括靠近基础钢板的Fe-Al-Si金属间化合物层和远离基础钢板的表面铝层，所述表面铝层的厚度占预涂层总厚度的60％以上，能够更有效的抑制加工过程中涂层组织破碎。
所述预涂层包括以下质量百分比成分：7～15wt％的Si，0～5wt％的Fe和不可避免的杂质元素，其余为Al。
优选的，所述预涂层中含有8～13wt％的Si；更优选的含有8.5～12wt％的Si；
Fe-Al-Si金属间层在涂镀过程中必然会形成，如不添加Si等抑制金属间化合物层生长的元素，涂镀过后金属间化合物层会很厚，比较硬且脆，在后续的开卷加工或TRB轧制等过程容易造成大量的破碎，破碎的地方失去阻挡作用，加之轧制后镀层变薄，在加热过程中Fe、Al元素扩散剧烈导致形成较大的空洞，因此本发明预涂层包括7～15wt％的Si。
优选的，所述预涂层还含有0～0.5wt％的Ti且Ti不为0；
更优选的，所述预涂层含有0～0.5wt％的Ti且Ti不为0，0～0.1wt％的Sr，所述预涂层中Ti+Sr≤0.5wt％；最优选的0.2％≤Ti+Sr≤0.5wt％；
优选的，所述预涂层中含有Ti+Sr≤0.4wt％。
所述基础钢板为热冲压成形用钢板；
所述基础钢板可包括以下质量百分比成分：
C：0.2～0.3wt％，Si：0.1～0.4wt％，Mn：1.0～2.0wt％，Al≤0.06wt％，Ti：0.01～0.05wt％，Cr：0.1～0.4wt％，B：≤0.003wt％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
或，C：0.25～0.4wt％，Si：0.1～0.4wt％，Mn：1.0～2.5wt％，Al≤0.06wt％，Ti：0.01～0.05wt％，Cr：0.1～0.4wt％，B：≤0.003wt％，Nb：0.01～0.06wt％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
本发明提供的一种可变厚度热成形用预涂层钢板的生产方法，包括以下工艺流程：炼钢→连铸→热轧→酸洗→冷轧→退火-热浸镀-连续变截面轧制。
经过上述炼钢→连铸→热轧→酸洗→冷轧→退火生产后，获得基础钢板；
所述热浸镀，镀液中包括以下质量百分比成分：7～15％的Si，0～5％的Fe和不可避免的杂质元素，其余为Al。
优选的，所述镀液中还包括0～0.5wt％的Ti且Ti不为0；
更优选的，所述镀液中0～0.5wt％的Ti且Ti不为0，0～0.1wt％的Sr，Ti+Sr≤0.5wt％；最优选的0.2％≤Ti+Sr≤0.5wt％；
所述热浸镀，热浸镀温度为640℃～700℃，优选650℃～690℃，热浸镀时间为2s～8s，优选2s～5s。
热浸镀后，以10℃/s～30℃/s的冷却速度冷却至350～380℃，之后空冷至室温，获得预涂层钢板。
热浸镀后获得的预涂层钢板，预涂层的厚度优选13～20μm，进一步优选为14～20μm，更优选为14～18μm；
所述预涂层中表面铝层的厚度比例占整个预涂层的60％以上；若低于60％，抑制加工过程中涂层组织破碎的效果不明显。
热浸镀后获得的预涂层钢板经过连续变截面轧制，获得可变厚度的热成形用预涂层钢板；所述的连续变截面轧制，轧制压下率≤30％。
所述预涂层经过连续变截面轧制后的厚度优选9～14μm，更优选9～12μm。
本发明提供的一种利用可变厚度热成形用预涂层钢板热成形的部件的制造方法，具体为：将可变厚度热成形用预涂层钢板加热保温后，置于模具冷却冲压淬火成形，制成部件。
所述加热保温是指860℃～970℃，保温1min～10min；可以通过箱式加热炉、辊底式加热炉或电磁感应加热。
所述冷却冲压淬火是指以≥30℃/s冷却速度冲压淬火成形。
所获得的本发明提供的一种利用可变厚度热成形用预涂层钢板热成形的部件，采用上述制造方法获得，所述部件的组织为马氏体，或马氏体和少量贝氏体，其中马氏体体积含量≥95％。
以上制造方法制造的部件，其涂层中每2000μm2内尺寸大于3μm的空洞平均数量为0。
申请人研究发现，利用TRB热成形技术制造的铝硅涂层热成形钢部件机械性能虽好，但铝硅涂层板在经过不同程度压下的连续变截面轧制热成形后，涂层中出现大而密集的空洞，缺陷处涂层容易脱落，不能提供良好的保护，影响后续的涂装和焊接性能，针对存在的问题，本发明提供一种连续变截面轧制热成形后有效抑制涂层空洞缺陷的热成形用预涂层钢板、利用其成形零部件的制造方法。申请人经过研究发现，铝硅涂层板在进行连续变截面轧制过程中，连续的金属间化合物(即镀液中的铝、硅和基体中的铁元素相互扩散形成的Fe-Al-Si金属间化合物层)脆硬层会被破坏，热成形后被破坏的部位由于缺少金属间化合物层的阻挡作用，导致Fe、Al元素扩散剧烈，形成大而密集的空洞，造成涂层容易脱落。针对这一问题，发明人进一步研究发现，铝硅涂层板经过连续变截面轧制后，压下率越大，涂层中Fe-Al-Si金属间化合物层破碎越严重，热成形后涂层中空洞缺陷越严重。此外，预涂层厚度越薄，经过轧制后金属间化合物层越容易破碎，即使在较小的压下率条件下，涂层中Fe-Al-Si金属间化合物层破碎较也较严重，热成形后涂层质量较差，分析主要是因为涂层减薄后，涂层表面较软的铝层占整个涂层的比例小，轧制时缓冲作用小，更容易压到较硬的金属间化合物层，导致破碎较严重，热成形后涂层质量较差。进一步，本发明人研究发现，在涂层中加入一定量的Ti或Sr，可进一步细化涂层组织、减少金属间化合物层的厚度，增加表面铝层的厚度占比，改善涂层塑性加工性能。通过控制预涂层厚度、轧制压下率和加入一定量的Ti以及任选的Sr可有效抑制经过连续变截面轧制热成形后涂层中出现的空洞缺陷。经过研究，发明人还发现经过连续变截面轧制后的涂层厚度控制在14μm以下时，由于涂层减薄，热冲压后，基体与涂层界面处的C富集层度明显减少，形成韧性优异的马氏体组织，使得热冲压淬火成形后零部件的冷弯韧性能够得到较好的提升。还有，在浸镀过程中由于Fe、Al元素的相互扩散会形成Fe-Al-Si金属间化合物层，此金属间化合物层脆而硬，如金属间化合物层过厚，在后续的加工过程中容易破碎。在热成形过程中，此金属间化合物层可抑制高温下Fe、Al元素剧烈扩散，避免形成较大的空洞，如热成形前此金属间化合物层破碎严重，将影响热成形后的涂层质量，因此不希望此金属间化合物层过厚，避免后续加工过程中造成较大破碎。本发明增加此金属间化合物层外侧铝层的厚度，表面铝层的厚度占预涂层总厚度的60％以上，也可减少加工过程中的破碎。
与现有技术相比，本发明控制预涂层的厚度为13～20μm，连续变截面轧制压下率≤30％，进一步在压下率＞15％时，预涂层中加入Ti以及任选的Sr可有效抑制铝硅涂层钢板经过连续变截面轧制热成形后涂层中出现大而密集的空洞缺陷。使连续变截面轧制后的预涂层厚度≤14μm，所制备的可变厚度的铝硅预涂层钢板经过热冲压淬火成形后能够获得冷弯韧性更优异的部件，涂层质量优异，具有较好的机械性能、涂层质量和冷弯韧性。
附图说明
图1为预涂层截面形貌；
图2为15％压下率下不同厚度预涂层经变截面轧制热成形后涂层截面形貌；图中a为对比例1预涂层厚度10μm，b为实施例4预涂层厚度13μm，c为实施例5预涂层厚度20μm；
图3为30％压下率下不同厚度和成分的预涂层经变截面轧制热成形后涂层截面形貌；图中d为对比例2预涂层厚度13μm，e为对比例3预涂层厚度20μm，f为实施例2预涂层中含Ti、Sr厚度13μm，g为对比例实施例3预涂层中含Ti、Sr厚度20μm；
图4为45％压下率下20μm厚的预涂层经变截面轧制热成形后涂层截面形貌；图中h为对比例5预涂层中含Ti、Sr，i为对比例6预涂层中无Ti、Sr。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步描述。以下实施例或实验数据旨在示例性地说明本发明，本领域的技术人员应该清楚的是本发明不限于这些实施例或实验数据。
本发明提供的一种可变厚度热成形用预涂层钢板，包括基础钢板和预涂层，所述预涂层钢板截面形貌如图1所示；以下选用1.8mm厚的钢板作为基础钢板对本发明实施例进行说明，特别说明本发明中所述基础钢板并不局限于某一种成分，不受制造方法限制。
本发明所用基础钢板的化学成分为C：0.23wt％，Si：0.24wt％，Mn：1.24wt％，Al:0.049wt％，Ti：0.031wt％，Cr：0.17wt％，B：0.003wt％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
所述预涂层形成在所述基础钢板的两侧表面，获得所述预涂层钢板。
所述预涂层钢板通过以下过程制造：炼钢→连铸→热轧→酸洗→冷轧→连续退火→热浸镀。
所述热浸镀具体为：将基础钢板穿入640℃～700℃的浴锅中进行热浸镀，浸镀2～8s后，优选2～5s，排出浴锅，并以20℃/s～30℃/s的冷却速度冷却至350℃～380℃，之后冷却至室温获得预涂层钢板，预涂层厚度优选13～20μm，进一步优选为14～20μm，更优选为14～18μm，所述预涂层中表面铝层的厚度比例占整个涂层的60％以上。
所述镀液包含以下质量百分比成分：7～15wt％的Si，0～5wt％的Fe和不可避免的杂质元素，其余为Al；
优选的，所述镀液中还包括0～0.5wt％的Ti且Ti不为0；
更优选的，所述镀液中0～0.5wt％的Ti且Ti不为0，0～0.1wt％的Sr，Ti+Sr≤0.5wt％；
所述镀液中Si含量以7～15wt％为宜，优选8～13wt％，更优选8.5～12wt％，若硅含量过低，抑制Fe-Al-Si金属间层生长的效果不明显，造成脆硬的金属间层过厚，在连续变截面轧制过程中易破碎剥离，硅含量过高涂层中会形成粗大的初晶硅，影响涂层的切削加工性能。
所述镀液中包含任选的Ti、Sr，Ti+Sr≤0.5wt％，优选Ti+Sr≤0.4wt％，Ti可细化涂层组织、减少金属间层的厚度，Sr可使涂层中的β-FeAlSi相转变为α-FeAlSi相，减小初晶硅尺寸，改善塑性加工性能。Ti+Sr含量超过0.5wt％后上述改善效果不再增加。
将按照上述方法制备的22MnB5预涂层钢板进行连续变截面轧制，获得可变厚度的22MnB5预涂层钢板，所述连续变截面轧制的压下率优选≤30％，更优选≤15％。
利用生产的可变厚度的22MnB5预涂层钢板热成形的部件的制造方法，具体为：将可变厚度的22MnB5预涂层钢板通过箱式加热炉加热至860℃～970℃，保温3min～10min，迅速转移至模具以≥30℃/s冷却速度冲压淬火成形制成所需部件。
本发明针对铝硅基镀液中具有的Ti、Sr、预涂层厚度和连续变截面轧制的压下率对铝硅基涂层连续变截面轧制热成形后涂层质量的影响进行实验，具体如下表1中实施例1-6和对比例1-6所示；所选基础钢板的厚度为1.8mm，并得出以下表1结果。每个镀液的组成、预涂层厚度、连续变截面轧制的压下率及所对应热成形后的涂层质量如下表1所示。热成形后涂层中每2000μm2内尺寸大于3μm(正常涂层中的空洞尺寸一般小于2μm)的空洞平均数量为0，表示涂层质量良好，数量为1～3，表示涂层质量一般，数量大于3，表示涂层质量不足。
表1各实施例和对比例预涂层参数
对比例2、对比例3和对比例4可减少铝硅涂层变截面轧制热成形后涂层中出现的大空洞缺陷，但是没有实施例1-实施例6抑制铝硅涂层变截面轧制热成形后涂层中出现的大空洞缺陷的效果好。
对比例1热成形后的涂层截面形貌如图1中a所示，可知预涂层厚度为10μm时，经过15％压下率的变截面轧制热成形后，涂层中大的空洞数量较多，涂层质量不足。实施例4、实施例5热成形后的涂层截面形貌如图2中b和c所示，可知预涂层厚度为13μm和20μm时，经过15％压下率的连续变截面轧制热成形后，涂层中无大的空洞缺陷，涂层质量较好。对比例2、对比例3热成形后涂层截面形貌如图3中d和e所示，预涂层厚度为13μm和20μm时，经过30％压下率的连续变截面轧制热成形后，涂层中出现大的空洞缺陷，但较少。实施例1在涂层中复合加入Ti、Sr，经过15％压下率的连续变截面轧制热成形后，涂层质量较好。对比例1、实施例4和实施例5和实施例1对比可知，预涂层厚度≥13μm，压下率不超过15％时，加或不加Ti、Sr，涂层热成形后均能够获得较好的涂层质量。
实施例2、3热成形后涂层截面形貌如图3中f和g所示，涂层中复合加入0.4wt％的Ti+Sr后，与无添加的对比例2、3相比，厚度为13μm和20μm的预涂层在经过30％压下率的连续变截面轧制热成形后，涂层未发现大的空洞缺陷，表现出更好的质量。对比例2、对比例4和实施例6和实施例2相比发现，涂层加入0.2wt％的Ti+Sr，预涂层在经过30％压下率的连续变截面轧制热成形后涂层中大的空洞数量减少，加入加入0.4wt％的Ti+Sr后，涂层大的空洞数量减少；加入0.5wt％的Ti+Sr后，涂层质量的改善效果不再增加。
对比例5、对比例6热成形后涂层截面形貌如图4中h和i所示，轧制压下率为45％时，涂层中加或不加Ti、Sr，热成形后涂层中大的空洞缺陷较严重，涂层容易剥离，质量较差，对后续的涂装和焊接不利。
总的来说，使预涂层厚度≥13μm，变截面轧制压下率≤30％，可减少铝硅涂层变截面轧制热成形后涂层中出现的大空洞缺陷；当变截面轧制压下率＞15％时，涂层中加入任选的≤0.5wt％的Ti+Sr，进一步有效抑制铝硅涂层变截面轧制热成形后涂层中出现的大空洞缺陷，获得涂层质量良好的部件；当预涂层厚度≥13μm且变截面轧制压下率≤15％时，涂层中加入Ti+Sr或者不加入Ti+Sr，也能有效抑制铝硅涂层变截面轧制热成形后涂层中出现的大空洞缺陷，获得涂层质量良好的部件。
此外，本发明还对不同厚度预涂层板经变截面轧制热成形后的冷弯韧性进行实验(测试标准：VDA238-100)，并得出以下结果,如下表2所示。
表2各实施例和对比例的弯曲性能
基于上述发明结果，采用30％的压下率对13μm、20μm、25μm厚度的预涂层进行轧制，轧制后对应的涂层厚度为8.96μm、13.89μm、17.64μm，热压后的弯曲角平均值分别为65°、63°、58°。以上结果对比得出，在保证热成形后涂层质量良好的前提下，实施例7、实施例8轧制后的涂层厚度更薄，对应弯曲角度更大，冷弯韧性更好。为了得到良好的涂层质量和冷弯韧性的部件，预涂层厚度应≤20μm。总的来说，预涂层厚度≤20μm，变截面轧制后涂层厚度≤14μm，可使冷弯角度提升5度以上，有利于改善铝硅涂层热成形部件的冷弯韧性，这主要因为涂层减薄，热成形后基体/涂层界面处的C富集层度明显减少，形成韧性较好的低碳马氏体组织，使得热冲压淬火成形后部件的冷弯韧性得到较好的提升。
通过以上所述发明方案实施，控制预涂层的厚度为13～20μm之间，连续变截面轧制压下率≤30％，进一步预涂层中复合加入任选的Ti、Sr可有效抑制铝硅涂层钢板经过连续变截面轧制热成形后涂层中出现大而密集的空洞缺陷，获得涂层质量良好的可变厚度的热成形部件。进一步控制连续变截面轧制后的涂层厚度≤14μm，所制备的可变厚度的铝硅基涂层板经过热冲压淬火成形后能够获得冷弯韧性更优异的部件。综上所述，本发明可提供一种变厚度热冲压成形部件、热冲压成形用预涂层钢板，该热冲压成形部件热成形后具有较好的涂层质量、机械性能和冷弯韧性。
上述实施方式对本发明的目的、实施效果进行了详细阐述，所应理解的是，上述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，凡在本发明的精神和原则之内，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员或采用了本发明的技术构思和技术方案进行的各种修改、等同替换、改进等，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变厚度热成形用预涂层钢板，其特征在于，所述可变厚度热成形用预涂层钢板包括基础钢板和预涂层；
所述预涂层厚度≥13μm；所述可变厚度热成形用预涂层钢板经过连续变截面轧制，控制压下率≤30％。
2.根据权利要求1所述的可变厚度热成形用预涂层钢板，其特征在于，预涂层厚度≥13μm，压下率≤15％。
3.根据权利要求1所述的可变厚度热成形用预涂层钢板，其特征在于，当连续变截面轧制压下率为：15％＜压下率≤30％时，所述预涂层中含有0～0.5wt％的Ti，且Ti不为0。
4.根据权利要求1或3所述的可变厚度热成形用预涂层钢板，其特征在于，当连续变截面轧制压下率为：15％＜压下率≤30％时，所述预涂层中含有0～0.5wt％的Ti，0～0.1wt％的Sr，且Ti不为0，Ti+Sr≤0.5wt％。
5.根据权利要求3或4所述的可变厚度热成形用预涂层钢板，其特征在于，所述预涂层中，表面铝层的厚度占预涂层总厚度的60％以上。
6.一种权利要求1-5任一项所述的可变厚度热成形用预涂层钢板的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下工艺流程：炼钢→连铸→热轧→酸洗→冷轧→退火-热浸镀-连续变截面轧制。
7.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述热浸镀，镀液中包括以下质量百分比成分：7～15％的Si，0～5％的Fe和不可避免的杂质元素，其余为Al。
8.根据权利要求6或7所述的生产方法，其特征在于，所述热浸镀，镀液中包括以下质量百分比成分：所述镀液中0～0.5wt％的Ti且Ti不为0，0～0.1wt％的Sr，Ti+Sr≤0.5wt％。
9.一种利用权利要求1-5任一项可变厚度热成形用预涂层钢板热成形的部件的制造方法，其特征在于，所述制造方法为：将可变厚度热成形用预涂层钢板加热保温后，置于模具冷却冲压淬火成形，制成部件。
10.一种权利要求9所述的制造方法制造的热成形的部件。
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