TW201742933A - 熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之製造方法及其熱衝壓成形方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之製造方法及其熱衝壓成形方法，該製造方法包括以下步驟：提供一鋼板；將該鋼板浸入一含鋁之鋅浴中進行熱浸鍍鋅；及取出鍍鋅後之鋼板，並移除鋼板上之多餘鋅液，以使該鋼板表面形成一鋅基合金鍍層，該鋅基合金鍍層具有面積比大於8%之鋅-鋁層狀共晶組織相，即製得熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板。藉此，可製得具抗高溫氧化能力及具耐液態金屬脆裂能力之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板。

Description

熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之製造方法及其熱衝壓成形方法

本發明係關於一種鋼板之製造方法，特別係關於一種熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之製造方法及其熱衝壓成形方法。

目前汽車製造業皆致力於車體輕量化，以因應日趨嚴格的二氧化碳排放法規。而藉由提升鋼板之強度，以達到薄化鋼板厚度之技術手段，已為現今汽車輕量化的主要發展策略。且汽車製造業為克服因鋼板強度提高所衍生之成形性下降的缺點，已廣泛採用熱衝壓成形技術。

然而，習知熱衝壓製程之熱處理過程中，鋼板常於高溫下發生嚴重氧化與脫碳，進而危害成形鋼板之強度、影響鋼板後續銲接品質及縮短模具使用壽命。因此，為克服上述問題，習知皆會在熱衝壓製程之熱處理過程中加入氮氣氣氛保護，以減緩鋼板的氧化與脫碳程度，並會在熱衝壓後，再以表面噴砂的方式去除鋼板表面生成的氧化鐵皮膜。

除了上述之方法外，於鋼板表面形成鋁矽鍍層亦是習知用以防止鋼板氧化之方法之一，惟鋁矽鍍層因無法提供鋼板陰極防蝕保護，使得衝壓部件在後續使用上會面臨腐蝕威脅。

為改善陰極防蝕問題，習知已有提出以鋅鍍層取代鋁矽鍍層，惟鋅鍍層雖具優異之陰極防蝕能力，卻仍存在以下缺點：

1.高溫氧化：鋅鍍層不具抗高溫氧化能力，在熱衝壓成形時鋅鍍 層表面將因高溫而發生嚴重氧化，並生成5至10微米厚度之氧化鋅皮膜，此氧化鋅皮膜會導致後續電阻點銲性質大幅劣化(銲接時發生嚴重飛爆，銲核表面有毛刺生成)。因此，採用鋅鍍層之鋼板在熱衝壓成形後，仍需以表面噴砂處理去除氧化鋅皮膜，如此才能獲得足夠的點銲品質。

2.液態金屬脆裂：鋅鍍層經合金化後的鋅鐵介金屬相之最高熔點為782℃，此溫度低於熱衝壓製程的熱處理溫度，故鋅鍍層在高溫成形前有極大風險存在液態相，而鋅鍍層若存在液態相，將會在熱成形的變形過程中使鋼板生成裂紋，並大幅降低衝壓部件的強度。因此，採用鋅鍍層的熱衝壓鋼板只能搭配生產效率較差的間接式熱衝壓製程，如此才能避免鋼板在熱成形時因鋅鍍層含有液態相而導致裂紋於鋼板中生成。

因此，有必要提供一創新且具進步性之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之製造方法及其熱衝壓成形方法，以解決上述問題。

本發明提供一種熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之製造方法，包括以下步驟：提供一鋼板；將該鋼板浸入一含鋁之鋅浴中進行熱浸鍍鋅；及取出鍍鋅後之鋼板，並移除鋼板上之多餘鋅液，以使該鋼板表面形成一鋅基合金鍍層，該鋅基合金鍍層具有面積比大於8%之鋅-鋁層狀共晶組織相，即製得熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板。

本發明另提供一種熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之熱衝壓成形方法，包括以下步驟：提供一熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板；對該熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板進行一沃斯田鐵化熱處理；及轉移該熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板至一模具中進行熱衝壓，以成形一物件，並使該物件表面形成一熱衝壓後鍍層。

本發明之製造方法所製得之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板具抗高溫 氧化能力，故不需表面噴砂處理，即可具有優良點銲品質。此外，本發明所製得之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板亦具耐液態金屬脆裂能力，故不會影響衝壓部件的強度，且可搭配高生產效率之直接式熱衝壓製程。再者，本發明所製得之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板可在不需控制熱處理氣氛的條件下完成熱衝壓。

為了能夠更清楚瞭解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明所述目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。

S11~S13‧‧‧步驟

S21~S23‧‧‧步驟

圖1顯示本發明熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之製造方法流程圖；及圖2顯示本發明熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之熱衝壓成形方法流程圖。

圖1顯示本發明熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之製造方法流程圖。參閱圖1之步驟S11，提供一鋼板。在本實施例中，該鋼板之組成包括0.1-0.5wt%碳、0.5-3.0wt%錳、0.01-1.20wt%鉻、0.1-1.2wt%矽、小於0.22wt%鈦、小於0.12wt%鋁、小於0.12wt%磷、小於0.06wt%硫、0.0005-0.01wt%硼及其餘之鐵與不可避免之雜質。

配合參閱圖1之步驟S12，將該鋼板浸入一含鋁之鋅浴中進行熱浸鍍鋅。較佳地，該鋅浴的鋁含量為1.2至16wt%，而該鋅浴的溫度為430至480℃。

配合參閱圖1之步驟S13，取出鍍鋅後之鋼板，並移除鋼板上之多餘鋅液，以使該鋼板表面形成一鋅基合金鍍層，該鋅基合金鍍層具有面積比大於8%之鋅-鋁層狀共晶組織相，即製得熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板。

在本實施例中，為能形成該鋅-鋁層狀共晶組織相及降低鍍層中 鋅的相對濃度，使該鋼板具備足夠之抗高溫氧化能力，該鋅基合金鍍層應包括1.2-16.3wt%鋁。

圖2顯示本發明熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之熱衝壓成形方法流程圖。配合參閱圖2之步驟S21，提供一熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板。

配合參閱圖2之步驟S22，對該熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板進行一沃斯田鐵化熱處理。在此步驟中，該沃斯田鐵化熱處理包括先將該熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板置於不需控制氣氛之加熱爐中，再以5至20℃/秒之升溫速率加熱該熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板至850至950℃。且較佳地，該沃斯田鐵化熱處理時間為3至10分鐘。

配合參閱圖2之步驟S23，轉移該熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板至一模具中進行熱衝壓，以成形一物件，並使該物件表面形成一熱衝壓後鍍層。在此步驟中，該熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之轉移時間應小於或等於10秒，以避免該熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之溫度下降。此外，為使該物件能具有全麻田散鐵組織，在熱衝壓後係以大於30℃/秒之冷卻速率淬冷對該物件至室溫。

在本實施例中，該熱衝壓後鍍層之表面具有厚度為0.2至1.8微米之氧化皮膜，該氧化皮膜之組成包括氧化鋅及氧化鋁。此外，該熱衝壓後鍍層之化學成份係包括10.3-26.8at%鋅、0.2-2.6at%鋁及其餘之鐵，且較佳地，該熱衝壓後鍍層之厚度應控制在10.2至35.5微米。

本發明之製造方法所製得之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板具抗高溫氧化能力，故不需表面噴砂處理，即可具有優良點銲品質。此外，本發明所製得之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板亦具耐液態金屬脆裂能力，故不會影響衝壓部件的強度，且可搭配高生產效率之直接式熱衝壓製程。再者，本發明所製得之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板可在不需控制熱處理氣氛的條件下完成熱衝壓。

茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意謂本發明僅侷限 於此等實例所揭示之內容。

[發明例及比較例]

參閱表1，其係顯示發明例1-8及比較例1-4之鋅基合金鍍層參數。發明例1-8及比較例1-4使用相同化學組成之鋼板。發明例1-8之鋁濃度分別為1.6at%、2.3at%、2.2at%、5.4at%、4.7at%、7.4at%、9.8at%及14.2at%，而發明例1-8之鋅-鋁層狀共晶組織相面積比分別為11.5%、70.3%、68.2%、98.6%、96.7%、60.4%、37.3%及9.3%。比較例1-4之鋁濃度分別為0.17at%、0.22at%、0.11at%及0.73at%，且比較例1-4無鋅-鋁層狀共晶組織相。

以表一中發明例1-8及比較例1-4之鍍覆鋼板進行熱衝壓熱處理測試，其係將發明例1-8及比較例1-4之鍍覆鋼板試片置於大氣氣氛之加熱爐中，以8℃/秒之升溫速率由室溫升至880~920℃進行沃斯田鐵化熱處理，升溫加持溫時間為3-10分鐘，隨後將高溫之鍍覆鋼板試片於5~8秒內由加熱爐移至模具，並以模具施予50℃/秒之冷卻速率淬冷 至室溫。表2顯示發明例1-8及比較例1-4之熱衝壓分析結果。

使用電子顯微鏡進行熱衝壓熱處理前的鍍層微觀組織與熱衝壓熱處理後的鍍層及氧化皮膜的結構觀察，並以X-ray繞射儀確認鍍層與氧化皮膜的組成相，再以能量光譜儀分析鍍層與氧化皮膜的化學組成，分析結果已分別彙整於表1及表2中。

以電阻點銲進行經過熱衝壓熱處理後的鋼板銲接特性測試，電極頭壓力為4kN，擠壓時間為50週期，銲接與保持時間為15週期。銲接過程發生之飛爆程度、銲核表面毛刺程度及電極頭沾黏程度將作為評估鍍層銲接性質之標準。「◎」表示無發生；「○」表示程度輕微；「△」表示程度中等；「×」表示程度嚴重，其測試結果已彙整於表2。

鋼板試片於大氣氣氛下，以8℃/秒之升溫速率由室溫升至880℃進行沃斯田鐵化熱處理，升溫加持溫時間為3分鐘，隨後以10℃/秒之 冷卻速率降溫至850℃，並進行25%變形量之熱衝壓成形模擬。熱衝壓成形後之鍍覆鋼板試片以電子顯微鏡進行鍍層與鋼底材界面的微觀結構觀察，藉由鍍層下方鋼底材是否生成裂紋來判斷是否有液態金屬誘發脆裂之發生。

表2之分析結果顯示發明例1-8之鍍層表面生成之氧化皮膜係由氧化鋅及氧化鋁所組成，且氧化皮膜之厚度介於0.5至1.3微米的範圍內。鍍層經熱處理後，厚度介於13.8至33.3微米，且皆轉變為單一α鐵(鋅)相，其化學成分包括15.7-23.73at%鋅、0.5-1.8at%鋁，其餘部分為鐵。發明例1-8之鍍覆鋼板經熱衝壓熱處理後的點銲特性呈現良好的點銲品質，且無液態金屬誘發脆裂現象發生。此外，發明例1-8之鍍覆鋼板經熱衝壓熱處理後，鋼板呈現全麻田散鐵組織，強度高於1470MPa。

表2之分析結果亦顯示比較例1-4之鍍覆鋼板經熱衝壓熱處理後，其鍍層表面生成之氧化皮膜僅由氧化鋅組成，且氧化皮膜厚度介於4.1至5.8微米的範圍內。鍍層經熱處理後，厚度介於18.5至20.3微米，除了比較例3之鍍層為單一α鐵(鋅)相，其化學成分包含17.5at%鋅，其餘部分為鐵。比較例1、2及之4鍍層由Γ-ZnFe與α鐵(鋅)組成，其化學成分包括28.6-30.2at%鋅，其餘部分為鐵。比較例1-4之鍍覆鋼板經熱衝壓熱處理後，其點銲特性呈現嚴重程度之飛爆、銲核表面毛刺與電極頭沾黏皆呈現不良的點銲品質，並且除比較例3之鍍覆鋼板外，比較例1、2及4之鍍覆鋼板皆有液態金屬誘發脆裂現象發生。

上述結果亦顯示鋅-鋁層狀共晶組織相可有效提高鋅基合金鍍層表面之鋁含量，並降低熱衝壓熱處理過程中的氧化鋅生成量，進而有助於提升後續電阻點銲品質。同時，發明例1-8之鍍覆鋼板表面鍍層經熱衝壓熱處理後，皆已完全轉變為熔點高於熱處理溫度之α鐵(鋅) 相，故可有效避免因鍍層存在液態相所導致之液態金屬誘發脆裂發生。

由於本發明所製得之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板同時具備抗高溫氧化能力、優良點銲品質及耐液態金屬脆裂能力，故可用於高生產效率之直接式熱衝壓製程，且衝壓後不需表面噴砂處理即可進行後續電阻點銲。

上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

S11~S13‧‧‧步驟

Claims (13)

1. 一種熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之製造方法，包括以下步驟：(a)提供一鋼板；(b)將該鋼板浸入一含鋁之鋅浴中進行熱浸鍍鋅；及(c)取出鍍鋅後之鋼板，並移除鋼板上之多餘鋅液，以使該鋼板表面形成一鋅基合金鍍層，該鋅基合金鍍層具有面積比大於8%之鋅-鋁層狀共晶組織相，即製得熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板。
2. 如請求項1之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之製造方法，其中步驟(a)之該鋼板之組成包括0.1-0.5wt%碳、0.5-3.0wt%錳、0.01-1.20wt%鉻、0.1-1.2wt%矽、小於0.22wt%鈦、小於0.12wt%鋁、小於0.12wt%磷、小於0.06wt%硫、0.0005-0.01wt%硼及其餘之鐵與不可避免之雜質。
3. 如請求項1之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之製造方法，其中步驟(b)之鋅浴的鋁含量為1.2至16wt%。
4. 如請求項1之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之製造方法，其中步驟(b)之鋅浴的溫度為430至480℃。
5. 如請求項1之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之製造方法，其中步驟(c)之該鋅基合金鍍層包括1.2-16.3at%鋁。
6. 一種熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之熱衝壓成形方法，包括以下步驟：(a)提供一如請求項1之方法所製得之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板；(b)對該熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板進行一沃斯田鐵化熱處理；及(c)轉移該熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板至一模具中進行熱衝壓，以成形一物件，並使該物件表面形成一熱衝壓後鍍層。
7. 如請求項6之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之熱衝壓成形方法，其中步驟(b)之沃斯田鐵化熱處理包括以5至20℃/秒之升溫速率加熱該熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板至850至950℃。
8. 如請求項6之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之熱衝壓成形方法，其中步驟(b)之沃斯田鐵化熱處理時間為3至10分鐘。
9. 如請求項6之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之熱衝壓成形方法，其中步驟(c)之轉移時間為小於或等於10秒。
10. 如請求項6之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之熱衝壓成形方法，其中步驟(c)另包括以大於30℃/秒之冷卻速率淬冷對該物件至室溫，以使該物件具有全麻田散鐵組織。
11. 如請求項6之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之熱衝壓成形方法，其中步驟(c)之該熱衝壓後鍍層之厚度為10.2至35.5微米。
12. 如請求項6之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之熱衝壓成形方法，其中步驟(c)之該熱衝壓後鍍層之表面具有厚度為0.2至1.8微米之氧化皮膜，該氧化皮膜之組成包括氧化鋅及氧化鋁。
13. 如請求項6之熱成形硬化鋅基鍍覆鋼板之熱衝壓成形方法，其中步驟(c)之該熱衝壓後鍍層之化學成份包括10.3-26.8at%鋅、0.2-2.6at%鋁及其餘之鐵。