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宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si 合金体系涂覆 钢板及其制备和 热 冲压成形工艺

阅读：2发布：2021-06-10

专利汇可以提供宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si 合金体系涂覆钢板及其制备和热冲压成形工艺专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si 合金体系涂覆钢板及其制备和热冲压成形工艺，涂覆钢带所用液浴含有以下重量百分比的原料：5-11％Si、0-4％Fe、0.4-3％Mg，剩余部分为Al和加工中所固有的杂质，涂覆层厚度为10-33μm，所制备的热冲压零件的涂装、冷弯、抗氢致延迟开裂性能优异，焊接接头损耗低。，下面是宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si 合金体系涂覆钢板及其制备和热冲压成形工艺专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si 合金体系涂覆钢板，其特征在于，涂覆钢带所用液浴含有以下重量百分比的原料：5-11％Si、0-4％Fe、0.4-3％Mg，剩余部分为Al和不可避免的杂质，涂覆层厚度为10-33μm。
2.根据权利要求1所述的具有宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板，其特征在于，所述含Mg的Al-Si合金体系涂覆钢板的基板包括以下重量百分比的化学成分：
C：0.18-0.35％，Si：≤0.5％，Mn：0.5-1.5％，P：≤0.020％，S：≤0.010％，Cr：≤0.50％，Al：
0.01-0.06％，Ti：≤0.04％，Nb：≤0.06％，V：≤0.06％，Mo：≤0.5％，B：≤0.005％，且Nb+V≥0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的具有宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：炼钢→铸坯→热轧→酸洗冷轧→退火→涂镀。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，热轧层流冷却采用前段冷却，并在层流冷却段采用侧喷气体处理，热轧卷取温度600～700℃；热卷脱碳层厚度为8～15μm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，对于1.6～2.5mm厚度的钢卷，退火温度为780-820℃，退火时间为6min～10min，炉内加热段为微氧化性气氛，均热段为还原性气氛，加热段露点控制在-30℃～10℃，均热段露点≤-30℃；对于厚度＜1.6mm厚度的钢卷，在其退火工艺段，退火温度为750-800℃，退火时时间为4min～8min，炉内加热段为微氧化性气氛，均热段为还原性气氛，加热段露点控制在-30℃～10℃，均热段露点≤-30℃。
6.如权利要求1所述的具有宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板的热冲压成形工艺，其特征在于，对于厚度小于等于1.8mm的涂覆钢板，则温度和时间限定在ABCD坐标内，A(2min，950℃)、B(5min，950℃)、C(13min，880℃)、D(3min，880℃)，其中时间为横坐标，温度为纵坐标。
7.根据权利要求6所述的具有宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板的热冲压成形工艺，其特征在于，对于厚度小于等于1.8mm的涂覆钢板，温度和时间如果限定在AA1D1D坐标内，A(2min，950℃)、A1(2.5min，950℃)、D1(4.5min，880℃)、D(3min、880℃)，则得到表层为未完全合金化Al层仍具有较高粗糙度的冲压件。
8.如权利要求1所述的具有宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板的热冲压成形工艺，其特征在于，对于厚度大于1.8mm且不超过3.0mm的涂覆钢板，则温度和时间限定在EFGH坐标内，E(2.5min、970℃)、F(7min，970℃)、G(13min、900℃)、H(4min、900℃)，其中时间为横坐标，温度为纵坐标。
9.根据权利要求8所述的具有宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板的热冲压成形工艺，其特征在于，对于厚度大于1.8mm且不超过3.0mm的涂覆钢板，温度和时间如果限定在EE1H1H坐标内，E(2.5min、970℃)、E1(3.5min、970℃)、H1(6min、900)、H(4min、
900℃)，则得到表层为未完全合金化Al层仍具有较高粗糙度的冲压件。
10.根据权利要求6-9任意一项所述的具有宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板的热成形工艺，其特征在于，所述含Mg的Al-Si合金体系涂覆钢板热冲压成形后的镀层结构由基础钢向外依次为：
(1)相互扩散层Fe3Al层；
(2)中间层与金属间化合物层：该层为FeAl3层中含有FeAl或τ1或τ2的不连续次生相金属间化合物，或者Fe2Al5层中含有FeAl或τ1或τ2的不连续次生相金属间化合物；
(3)表层未完全合金化的Al层，Al层中固溶Fe和Si，该层厚度≤5μm。

说明书全文

宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si 合金体系涂覆 钢板及其制

备和热冲压成形工艺

技术领域

[0001] 本发明属于钢铁制备技术领域，具体涉及一种宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板及其制备和热冲压成形工艺。

背景技术

[0002] 近年来，高强减薄、节能减排一直是汽车行业的主要发展趋势，其中，热冲压是实现产品高强化的一种常用方式，它是通过热处理和高温成形相结合的方式来实现产品高强度。常用的热冲压产品主要有：前、后门左右防撞杆(梁)、前、后保险杠、A柱加强板、B柱加强板、C柱加强板、中通道、车顶加强梁等安全结构件，这些热冲压产品具有强度高、形状复杂、成形性好、高尺寸精度、回弹小等特点。

[0003] 根据零件的服役情况，热冲压用钢表面状态分为裸板和带镀层的钢板，由于带镀层的热冲压钢板相对于裸板可以省掉热冲压后的喷丸处理，正越来越受到重视。最常用的有铝或者铝合金镀层热冲压钢及锌基镀层热冲压钢，由于锌基镀层会产生到基体的裂纹，因此目前常用的还是铝或者铝合金镀层热冲压钢。

[0004] 热成形零件在复杂的载荷条件下不仅要求具有高强度，同时也需要良好的塑韧性。然而，由于热成形淬火后得到的全部为马氏体组织，强度非常高，可达1500MPa以上，但是韧性不足，延伸率只有5％左右，传统Al-Si镀层的热成形钢产品在热处理后三点弯曲角度一般在45°～55°。

[0005] 随着汽车碰撞安全性的要求越来越严格，越来越高强度的热成形钢被逐渐开发出来，其强度的增加主要依靠添加C、Mn等合金元素。然而强度增加的同时，相应的塑韧性会降低，三点弯曲性能(试验标准参考VDA238-100)是热成形钢塑韧性评价的重要指标。汽车用材料或零件冷弯性能(弯曲极限角度)不足会导致在车辆碰撞过程中零件容易出现过早脆断，无法有效吸收碰撞产生的能量，也不利于乘员安全。因此，在开发Al-Si镀层热成形用钢的同时，研究钢板的生产工艺和热成形工艺，以提高Al-Si镀层板热成形后的冷弯性能就非常有必要。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板及其制备和热冲压成形工艺，所制备的热冲压零件的涂装、冷弯、抗氢致延迟开裂性能优异，焊接接头损耗低。

[0007] 本发明采取的技术方案为：

[0008] 一种具有宽热成形加热工艺窗口的含Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板，涂覆钢带所用液浴含有以下重量百分比的原料：5-11％Si、0-4％Fe、0.4-3％Mg，剩余部分为Al和加工中所固有的杂质，涂覆层厚度为10-33μm。

[0009] 所述Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板的基板包括以下重量百分比的化学成分：C：0.18-0.35％，Si：≤0.5％，Mn：0.5-1.5％，P：≤0.020％，S：≤0.010％，Cr：≤0.50％，Al：
0.01-0.06％，Ti：≤0.04％，Nb：≤0.06％，V：≤0.06％，Mo：≤0.5％，B：≤0.005％，且Nb+V≥0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。

[0010] 本发明还提供了所述的具有宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：炼钢→铸坯→热轧→酸洗冷轧→退火→涂镀。

[0011] 进一步地，热轧层流冷却采用前段冷却，主要目的是使得带钢在进卷取机之前完成相变，从而消除塌卷风险；并在层流冷却段采用侧喷气体处理，消除带钢上表面层流冷却积水，从而保证带钢上下表面冷却均匀，降低不均匀脱碳的风险；热轧卷取温度600～700℃，高温卷取的目的是确保钢卷卷取后在冷却过程中均匀脱碳，在该温度范围内进行卷取，热卷脱碳层厚度为8～15μm。

[0012] 在退火工艺中，对于1.6～2.5mm厚度的钢卷，退火温度为780-820℃，退火时间为6min～10min，炉内加热段为微氧化性气氛，均热段为还原性气氛，加热段露点控制在-30℃～10℃，均热段露点≤-30℃；对于厚度＜1.6mm厚度的钢卷，在其退火工艺段，退火温度为
750-800℃，退火时时间为4min～8min，炉内加热段为微氧化性气氛，均热段为还原性气氛，加热段露点控制在-30℃～10℃，均热段露点≤-30℃。

[0013] 按照上述退火温度、退火时间进行退火的主要目的是保证基体得到均匀化退火，进一步消除带状组织，另一方面是结合高露点控制获得均匀的脱碳层组织；退火温度不宜超过820℃，退火时间不宜超过10min，否则一方面会出现晶粒异常长大，对热成形后冷弯性能不利。

[0014] 炉内加热段露点控制在-30℃～10℃的主要目的是为了获得边部有脱碳层的带钢，结合热轧产品脱碳，获得的成品组织全脱碳层厚度稳定在25～40μm，半脱碳层厚度控制在5μm～15μm。露点控制不宜＜-30℃，否则无法获得理想脱碳层组织，露点控制不宜＞10℃，否则脱碳层厚度过厚，会影响成品零件力学性能。

[0015] 本发明还提供了所述的具有宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板的热冲压成形工艺，对于厚度小于等于1.8mm的涂覆钢板，则温度和时间限定在ABCD坐标内，如图11所示，A(2min，950℃)、B(5min，950℃)、C(13min，880℃)、D(3min，880℃)，其中时间为横坐标，温度为纵坐标。

[0016] 进一步地，对于厚度小于等于1.8mm的涂覆钢板，温度和时间如果限定在AA1D1D坐标内，如图11所示，A(2min，950℃)、A1(2.5min，950℃)、D1(4.5min，880℃)、D(3min、880℃)，则得到表层为未完全合金化Al层仍具有较高粗糙度的冲压件。

[0017] 对于厚度大于1.8mm且不超过3.0mm的涂覆钢板，则温度和时间限定在EFGH坐标内，如图11所示，E(2.5min、970℃)、F(7min，970℃)、G(13min、900℃)、H(4min、900℃)，其中时间为横坐标，温度为纵坐标。

[0018] 进一步地，对于厚度大于1.8mm且不超过3.0mm的涂覆钢板，温度和时间如果限定在EE1H1H坐标内，如图11所示，E(2.5min、970℃)、E1(3.5min、970℃)、H1(6min、900)、H(4min、900℃)，则得到表层为未完全合金化Al层仍具有较高粗糙度的冲压件。

[0019] 进一步地，所述Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板热冲压成形后的镀层结构由基础钢向外依次为：

[0020] (1)相互扩散层Fe3Al层；

[0021] (2)中间层与金属间化合物层：该层为FeAl3层中含有FeAl或τ1或τ2的不连续次生相金属间化合物，或者Fe2Al5层中含有FeAl或τ1或τ2的不连续次生相金属间化合物；

[0022] (3)表层未完全合金化的Al层，Al层中固溶一定的Fe(不超过1％)和Si(不超过13％)，该层厚度≤5μm。

[0023] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0024] 本发明提供的技术方案中，在铝硅涂覆液中添加少量的Mg元素后，在加热时间较短的情况下，镀层表层即使存在少量未完全合金化Al的情况下仍具有较高的粗糙度和良好的涂装性能，能够有效的扩大热成形工艺窗口，相较于传统的Al或Al合金体系涂覆钢板，热成形保温时间可降低0.5-2min；同时此时镀层表层硬度低，还能有效的减少点焊过程中的焊接接头磨损。

[0025] 同时本发明从基板成分(通过Nb、V元素的细晶强化作用)及脱碳层厚度控制方面着手，以提高产品冷弯性能；通过热轧及热浸镀退火工艺控制获得一定厚度的脱碳层，同时低的保温时间下原始组织中脱碳层能最大限度的得以保留，并通过Nb、V元素的细晶强化作用使热成形后零件的抗冷弯性能进一步提升；同时Nb、V元素弥散细小的析出物可成为捕获氢原子的氢陷阱，抗氢致延迟开裂性能得以提升；相对于传统的热成形钢产品冷弯角可提高10°-15°，抗氢致延迟开裂时间提高10倍以上。附图说明

[0026] 图1显示了不含Mg成分体系的Al或者Al合金镀层涂覆钢板热压后镀层表面Al未完全合金化时涂层结构的横截面视图；

[0027] 图2为图1涂层相应的涂层表面顶视图；

[0028] 图3显示了不含Mg成分体系的Al或者Al合金镀层涂覆钢板热压后镀层表面Al完全合金化时涂层结构的横截面视图；

[0029] 图4为图3涂层相应的涂层表面顶视图；

[0030] 图5显示了本发明含Mg成分体系的Al或者Al合金镀层涂覆钢板热压后镀层表面Al未完全合金化时涂层结构的横截面视图；

[0031] 图6为图5涂层相应的涂层表面顶视图；

[0032] 图7为卷取温度为650℃时卷取后热轧卷表层脱碳组织，厚度为8.4μm；

[0033] 图8为卷取温度为650℃+800℃退火态显微组织，脱碳层厚度为32μm；

[0034] 图9为热成形保温时间过长，边部无脱碳层；

[0035] 图10为900℃+3min加热，冲压后脱碳层厚度为25μm；

[0036] 图11为Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板的热成形工艺窗口。

具体实施方式

[0037] 下面结合实施例及说明书附图对本发明进行详细说明。

[0038] 首先，本发明提供的为Cr合金体系热成形涂覆钢板，基板中通过脱碳层的控制及添加微量Nb、V等合金元素来提高冷弯性能和抗延迟开裂性能。在本实施例中提供所需成分的铸坯，作为一个示例，参比基板成分，及本发明基板成分如表1所示。

[0039] 表1 钢板化学成分，wt％

[0040]

[0041] 对选用相同的成分体系热成形钢铸坯进行热轧、冷轧和热浸镀退火，通过加热炉内气氛及控轧控冷技术，使得热卷脱碳层厚度为8～15μm(详见图7)。在退火过程中，脱碳层深度随退火温度、退火时间、退火炉露点的升高而增加，作为示例，表2为不同退火温度、时间及露点下的产品脱碳层厚度，图8为实施例2退火状态后基体脱碳层组织照片。

[0042] 表2 原材料脱碳层厚度

[0043]

[0044]

[0045] 对经退火后的钢板进行涂覆处理，镀液成分A(根据本发明)涂覆的为Mg合金体系涂覆钢板，镀液成分为5-11％Si、0-4％Fe、0.4-3％Mg，余量为Al及不可避免的杂质；镀液成分B(参比)涂覆的为不含Mg合金体系涂覆钢板，镀液成分为5-11％Si、0-4％Fe，余量为Al及不可避免的杂质。

[0046] 将上述不同厚度、镀层成分的预涂覆片材进行热冲，表3显示了测试的不同参数和获得的镀层结构结果。

[0047] 图1、图2图示了根据对应于本发明的试验条件3时的涂层的实例，此时加热时间较短，镀层中存在未完全合金化的Al，表层粗糙度不足；图3、图4图示了根据对应于本发明的试验条件4时的涂层的实例，此时加热时间提高，镀层中Al已完全合金化，表层较粗糙；图5、图6图示了根据对应于本发明的试验条件1时的涂层实例，根据本发明提供的镀层成分方案，在Al或者Al合金体系涂覆钢板中加入一定量的Mg时，在较短的加热时间、镀层中仍存在未完全合金化的Al时，因表层产生了大量的MgO颗粒，镀层表层较粗糙、具有较好的上漆性能，同时因表层存在未完全合金化的Al、表层硬度低，焊接时焊接接头损耗低。

[0048] 表3 试验条件和获得结果

[0049]

[0050] 对1.2mm厚，不同基板成分、原料脱碳层厚度的钢板于不同的热成形工艺下热成形后的零件力学及冷弯角进行测试，表4为相应的测量结果。

[0051] 其中C组为本专利含Nb、V成分基板通过热轧及退火工艺后，获得具有理想脱碳层的基料(见图8)，经较短的热成形保温时间下，基板表层的脱碳层得以保留(见图10)，镀层此时产品冷弯性能最佳；若此时产品涂覆的为不含Mg合金体系的钢带，则所得的镀层粗糙度低(见图2)，不利于后续的涂装性能，若使用本专利含Mg合金体系涂覆的钢带，则粗糙度良好(见图6)，可满足涂装要求。对于不含Mg合金体系的涂覆钢带，需适当延长保温时间以提高表层粗糙度，E组检测结果显示，当提高保温时间提高后，脱碳层深度减少甚至消失(见图9)，冷弯角下降；D组为含Nb、V成分且加热前脱碳层深度较低卷冷弯角检测结果，加热前脱碳层深度小，相应热成形后的脱碳层厚度、冷弯角也较低；F组为不含Nb、V且加热前基板脱碳层厚度较低卷加热后冷弯角检测结果，无Nb、V的细晶强化作用，冷弯性能进一步下降。

[0052] 表4 试验条件及测量结果

[0053]

[0054] 注：C-E组基板成分为表1中的本发明基板成分；F组基板成分为表1中的参比基板成分

[0055] 对1.2mm厚，不同基板成分的钢板于相同的热成形工艺下的热成形后的试样抗延迟开裂性能进行测试，试验条件为：1500MPa应力条件下，在5mol/L的盐酸溶液中浸泡，表5为相应的测量结果，含Nb、V成分的产品抗延迟开裂时间明显提高。

[0056] 表5 延迟开裂性能对比

[0057]

[0058] 因而，根据本发明提供的Mg合金体系热冲压涂覆钢板，缩短热成形加热时间时，镀层表层仍具有较高的粗糙度和良好的上漆性能，具有更宽的加热工艺窗口；缩短热成形时间后，通过热轧及退火工艺控制获得的脱碳层于热成形后能够得以最大限度的保留，再加上基板中Nb、V元素的细晶强化以及弥散细小的Nb、V析出物可获得捕获氢原子的氢陷阱，可极大的提高产品冷弯性能；同时短的加热时间，表层存在未完全合金化的Al，可有效减少零件表层硬度，能有效的减少焊接过程中焊接接头的损耗。

[0059] 上述参照实施例对宽热成形加热工艺窗口的Mg-Al-Si合金体系涂覆钢板及其制备和热冲压成形工艺进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

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