一种低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢的生产方法
阅读说明：本技术 一种低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢的生产方法 (Production method of low-cost high-corrosion-resistance aluminum alloy coating hot stamping formed steel ) 是由 熊自柳 齐建军 孙力 邝霜 周国平 李建英 孙中华 王学慧 杨婷 赵轶哲 杨丽芳 于 2020-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢的生产方法,所述生产方法包括预氧化、连续退火、热浸镀、镀后合金化、镀后冷却工序；所述镀层基于总重量,成分组成及含量为：Ni：0-0.5wt%,Mg：0.2-10.0wt%,Fe≤60.0wt%,其余为Al及不可避免的杂质。本发明利用Al和基板Fe形成合金化提高抗高温氧化性,通过添加少量的Ni进一步提高抗高温氧化性,同时通过添加Mg元素提高高温耐蚀性能；铝合金镀层技术生产成本低于Al-Si、Al-Si-Cu、Al-Si-Ni、Al-Si-Mg-Cu,耐蚀性好于Al-Si、GI、GA等镀层,且具有良好的热冲压成形性能,具有广阔的应用前景。(The invention discloses a production method of low-cost high-corrosion-resistant aluminum alloy coating hot stamping formed steel, which comprises the working procedures of pre-oxidation, continuous annealing, hot dipping, alloying after plating and cooling after plating; the plating layer comprises the following components in percentage by weight based on the total weight: ni: 0-0.5wt%, Mg: 0.2-10.0wt%, Fe less than or equal to 60.0wt%, and the balance of Al and inevitable impurities. According to the invention, Al and the substrate Fe are alloyed to improve the high-temperature oxidation resistance, a small amount of Ni is added to further improve the high-temperature oxidation resistance, and Mg is added to improve the high-temperature corrosion resistance; the production cost of the aluminum alloy coating technology is lower than that of Al-Si, Al-Si-Cu, Al-Si-Ni and Al-Si-Mg-Cu, the corrosion resistance is better than that of coatings such as Al-Si, GI, GA and the like, and the aluminum alloy coating technology has good hot stamping forming performance and wide application prospect.)
技术领域
本发明属于钢铁材料表面防护技术领域，具体涉及一种低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢的生产方法。
背景技术
热成形钢通过加热、热成形、淬火工艺实现了1500MPa以上的超高强性能，避免了冷成形过程中的高变形抗力、回弹、破裂等缺陷，在汽车轻量化应用上越来越广泛，车身应用比例达到30%以上。在此基础上，由于能够解决热成形钢成形过程中表面氧化，模具损伤，摩擦力控制不稳定的问题，镀层热成形钢得到了快速发展，在中高端车型上应用比例越来越高。目前正在开发和已经商业化的镀层热成形钢包括Al-Si镀层、Al-Si-Cu、Al-Si-Ni、GI镀层、GA镀层、X-TEC镀层和Zn-Ni镀层，生产成本、工艺难度、产品质量仍然是制约这些镀层技术应用和推广的关键因素。Al-Si镀层、GI镀层、GA镀层虽然已经商业化，但是存在生产成本高，抗高温氧化性能不高的缺陷，另外生产工艺窗口窄，生产过程难以控制；Al-Si-Cu、Al-Si-Ni镀层添加了Cu、Ni等元素增加了生产成本。X-TEC镀层和Zn-Ni镀层还未见到商业化应用。
安赛乐米塔尔专利USIBOR-AS和蒂森克虏伯EP2045360专利，提供了Al-Si镀层技术方案，由于技术垄断市场化推广后价格较高，此外镀层产品仍存在加热粘辊，抗高温氧化偏低的缺点；申请专利号CN110777319A提供了Al-Si-Mg-Cu-REM镀层材料提高镀层耐蚀性和成形性能，由于添加了较多的Cu（0.1-2.0%wt）和稀土元素，镀层成本高；申请专利号CN201410428572.X和CN201410156753.1提供了Al-Si-Ni-稀土和Al-Si-Cu镀层材料提高镀层的抗高温氧化性，由于添加Cu、Ni等元素增加了生产成本。
本发明利用Al和基板Fe形成合金化提高抗高温氧化性，通过添加少量的Ni进一步提高抗高温氧化性，同时通过添加Mg元素提高高温耐蚀性能；本发明的铝合金镀层技术生产成本低于Al-Si、Al-Si-Cu、Al-Si-Ni、Al-Si-Mg-Cu，耐蚀性好于Al-Si、GI、GA等镀层，且具有良好的热冲压成形性能，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢的生产方法。该发明利用Al和基板Fe形成合金化提高抗高温氧化性，通过添加少量的Ni进一步提高抗高温氧化性，同时通过添加Mg元素提高高温耐蚀性能；铝合金镀层技术生产成本低于Al-Si、Al-Si-Cu、Al-Si-Ni、Al-Si-Mg-Cu，耐蚀性好于Al-Si、GI、GA等镀层，且具有良好的热冲压成形性能，具有广阔的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢的生产方法，所述生产方法包括预氧化、连续退火、热浸镀、镀后合金化、镀后冷却工序。
本发明所述预氧化工序，预氧化气氛为氮气和空气的混合气体，其中氧含量为300-20000ppm，预氧化温度600-750℃，预氧化时间8-62s。预氧化工艺使得基板合金元素Si、Mn等发生内氧化，而不是外氧化，Fe发生氧化生产FeO，在随后进入热浸镀前保证基板表面的形态是薄层的海绵铁，从而使得镀层能够获得好的粘附性和表面质量，预氧化能够精准控制基板和镀层结合扩散层的结合状态，保证镀层的成形性能。
本发明所述连续退火工序，钢带在退火时炉内气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氢气体积含量为3-20%，露点-51--22℃，氧含量8-23ppm。
本发明所述热浸镀工序，镀液温度600-750℃，钢板入镀液前温度为550-700℃，热浸渡时间≤20s，其中，镀液成分：Ni：0.0-0.5wt%，Mg：0.2-5.0wt%，Fe≤0.05%，其余为Al及其不可避免的杂质。热浸镀工艺保证了镀液能够实现最优化热浸镀，保证镀层具有优良的镀层结构、均质性、表面状态，从而实现抗高温氧化性能。
本发明所述镀后合金化工序，加热温度620-770℃，合金化时间3-20s；合金化后镀层中平均Fe≤60.0wt%。镀后合金化工艺保证了基板中铁元素往基板中扩散，使得镀层中铁元素含量提高，形成铁、铝、镍等中间合金体，提高铝基镀层的抗高温氧化性能，使得抗高温氧化温度提升到950℃以上，而不用添加较多的Si元素提高抗高温氧化性，从而降低生产成本。
本发明所述镀后冷却工序，采用氮气或空气冷却，冷却速率5-25℃/s。镀后冷却工艺保证镀层在冷却过程中表面晶花的控制，获得小晶花，提高镀层的耐腐蚀性能。
本发明所述镀层基于总重量，成分组成及含量为：Ni：0-0.5wt%，Mg：0.2-10.0wt%，Fe≤60.0wt%，其余为Al及不可避免的杂质
本发明所述 生产方法生产的低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层抗氧化性能：温度≥950℃保温3min以上镀层不发生明显的熔化和开裂，加热到600℃时保持光亮的颜色。
本发明所述生产方法生产的低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层热冲压性能：热冲压极限冲压主应变量≤0.6时镀层不发生剥离，镀层不开裂或轻微开裂，但裂纹不扩散到基体。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1本发明利用Al和基板Fe形成合金化提高抗高温氧化性，通过添加少量的Ni进一步提高抗高温氧化性，同时通过添加Mg元素提高高温耐蚀性能。2、本发明的铝合金镀层技术生产成本低于Al-Si、Al-Si-Cu、Al-Si-Ni、Al-Si-Mg-Cu，耐蚀性好于Al-Si、GI、GA等镀层，且具有良好的热冲压成形性能，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层基于总重量的成分组成及含量见表1，其生产方法包括预氧化、连续退火、热浸镀、镀后合金化、镀后冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）预氧化工序：预氧化气氛为氮气和空气的混合气体，其中氧含量为20000ppm，预氧化温度600℃，预氧化时间20s；
（2）连续退火工序：钢带在退火时炉内气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氢气体积含量为20%，露点-35℃，氧含量20ppm；
（3）热浸镀工序：镀液温度600℃，钢板入镀液前温度为550℃，热浸渡时间8s，镀液成分组成及含量见表2；
（4）镀后合金化工序：加热温度620℃，合金化时间3s；合金化后镀层中平均Fe含量：20.00wt%；
（5）镀后冷却工序，采用氮气或空气冷却，冷却速率10℃/s。
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层抗氧化性能和热冲压性能见表3。
实施例2
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层基于总重量的成分组成及含量见表1，其生产方法包括预氧化、连续退火、热浸镀、镀后合金化、镀后冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）预氧化工序：预氧化气氛为氮气和空气的混合气体，其中氧含量为15000ppm，预氧化温度620℃，预氧化时间8s；
（2）连续退火工序：钢带在退火时炉内气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氢气体积含量为18%，露点-30℃，氧含量23ppm；
（3）热浸镀工序：镀液温度645℃，钢板入镀液前温度为560℃，热浸渡时间10s，镀液成分组成及含量见表2；
（4）镀后合金化工序：加热温度663℃，合金化时间7s；合金化后镀层中平均Fe含量：28.89wt%；
（5）镀后冷却工序，采用氮气或空气冷却，冷却速率5℃/s。
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层抗氧化性能和热冲压性能见表3。
实施例3
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层基于总重量的成分组成及含量见表1，其生产方法包括预氧化、连续退火、热浸镀、镀后合金化、镀后冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）预氧化工序：预氧化气氛为氮气和空气的混合气体，其中氧含量为8000ppm，预氧化温度700℃，预氧化时间15s；
（2）连续退火工序：钢带在退火时炉内气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氢气体积含量为5%，露点-40℃，氧含量20ppm；
（3）热浸镀工序：镀液温度633℃，钢板入镀液前温度为570℃，热浸渡时间12s，镀液成分组成及含量见表2；
（4）镀后合金化工序：加热温度695℃，合金化时间10s；合金化后镀层中平均Fe含量：38.3wt%；
（5）镀后冷却工序，采用氮气或空气冷却，冷却速率10℃/s。
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层抗氧化性能和热冲压性能见表3。
实施例4
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层基于总重量的成分组成及含量见表1，其生产方法包括预氧化、连续退火、热浸镀、镀后合金化、镀后冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）预氧化工序：预氧化气氛为氮气和空气的混合气体，其中氧含量为300ppm，预氧化温度750℃，预氧化时间62s；
（2）连续退火工序：钢带在退火时炉内气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氢气体积含量为16%，露点-51℃，氧含量8ppm；
（3）热浸镀工序：镀液温度660℃，钢板入镀液前温度为580℃，热浸渡时间14s，镀液成分组成及含量见表2；
（4）镀后合金化工序：加热温度652℃，合金化时间20s；合金化后镀层中平均Fe含量：52.54wt%；
（5）镀后冷却工序，采用氮气或空气冷却，冷却速率25℃/s。
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层抗氧化性能和热冲压性能见表3。
实施例5
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层基于总重量的成分组成及含量见表1，其生产方法包括预氧化、连续退火、热浸镀、镀后合金化、镀后冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）预氧化工序：预氧化气氛为氮气和空气的混合气体，其中氧含量为2400ppm，预氧化温度730℃，预氧化时间50s；
（2）连续退火工序：钢带在退火时炉内气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氢气体积含量为7%，露点-22℃，氧含量10ppm；
（3）热浸镀工序：镀液温度678℃，钢板入镀液前温度为600℃，热浸渡时间16s，镀液成分组成及含量见表2；
（4）镀后合金化工序：加热温度703℃，合金化时间16s；合金化后镀层中平均Fe含量：42wt%；
（5）镀后冷却工序，采用氮气或空气冷却，冷却速率10℃/s。
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层抗氧化性能和热冲压性能见表3。
实施例6
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层基于总重量的成分组成及含量见表1，其生产方法包括预氧化、连续退火、热浸镀、镀后合金化、镀后冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）预氧化工序：预氧化气氛为氮气和空气的混合气体，其中氧含量为5000ppm，预氧化温度740℃，预氧化时间45s；
（2）连续退火工序：钢带在退火时炉内气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氢气体积含量为3%，露点-30℃，氧含量20ppm；
（3）热浸镀工序：镀液温度713℃，钢板入镀液前温度为620℃，热浸渡时间18s，镀液成分组成及含量见表2；
（4）镀后合金化工序：加热温度725℃，合金化时间18s；合金化后镀层中平均Fe含量：53.34wt%；
（5）镀后冷却工序，采用氮气或空气冷却，冷却速率20℃/s。
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层抗氧化性能和热冲压性能见表3。
实施例7
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层基于总重量的成分组成及含量见表1，其生产方法包括预氧化、连续退火、热浸镀、镀后合金化、镀后冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）预氧化工序：预氧化气氛为氮气和空气的混合气体，其中氧含量为3000ppm，预氧化温度725℃，预氧化时间35s；
（2）连续退火工序：钢带在退火时炉内气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氢气体积含量为12%，露点-32℃，氧含量17ppm；
（3）热浸镀工序：镀液温度722℃，钢板入镀液前温度为640℃，热浸渡时间20s，镀液成分组成及含量见表2；
（4）镀后合金化工序：加热温度747℃，合金化时间14s；合金化后镀层中平均Fe含量：55.32wt%；
（5）镀后冷却工序，采用氮气或空气冷却，冷却速率18℃/s。
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层抗氧化性能和热冲压性能见表3。
实施例8
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层基于总重量的成分组成及含量见表1，其生产方法包括预氧化、连续退火、热浸镀、镀后合金化、镀后冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）预氧化工序：预氧化气氛为氮气和空气的混合气体，其中氧含量为4000ppm，预氧化温度724℃，预氧化时间38s；
（2）连续退火工序：钢带在退火时炉内气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氢气体积含量为9%，露点-47℃，氧含量12ppm；
（3）热浸镀工序：镀液温度738℃，钢板入镀液前温度为660℃，热浸渡时间16s，镀液成分组成及含量见表2；
（4）镀后合金化工序：加热温度770℃，合金化时间14s；合金化后镀层中平均Fe含量：60wt%；
（5）镀后冷却工序，采用氮气或空气冷却，冷却速率18℃/s。
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层抗氧化性能和热冲压性能见表3。
实施例9
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层基于总重量的成分组成及含量见表1，其生产方法包括预氧化、连续退火、热浸镀、镀后合金化、镀后冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）预氧化工序：预氧化气氛为氮气和空气的混合气体，其中氧含量为18000ppm，预氧化温度650℃，预氧化时间26s；
（2）连续退火工序：钢带在退火时炉内气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氢气体积含量为17%，露点-31℃，氧含量15ppm；
（3）热浸镀工序：镀液温度750℃，钢板入镀液前温度为680℃，热浸渡时间15s，镀液成分组成及含量见表2；
（4）镀后合金化工序：加热温度648℃，合金化时间12s；合金化后镀层中平均Fe含量：35.3wt%；
（5）镀后冷却工序，采用氮气或空气冷却，冷却速率16℃/s。
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层抗氧化性能和热冲压性能见表3。
实施例10
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层基于总重量的成分组成及含量见表1，其生产方法包括预氧化、连续退火、热浸镀、镀后合金化、镀后冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）预氧化工序：预氧化气氛为氮气和空气的混合气体，其中氧含量为8000ppm，预氧化温度680℃，预氧化时间55s；
（2）连续退火工序：钢带在退火时炉内气氛为氮气和氢气的混合气体，其中氢气体积含量为6%，露点-50℃，氧含量14ppm；
（3）热浸镀工序：镀液温度700℃，钢板入镀液前温度为632℃，热浸渡时间13s，镀液成分组成及含量见表2；
（4）镀后合金化工序：加热温度667℃，合金化时间5s；合金化后镀层中平均Fe含量：42.54wt%；
（5）镀后冷却工序，采用氮气或空气冷却，冷却速率9℃/s。
本实施例低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层抗氧化性能和热冲压性能见表3。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
表1 实施例1-10镀层化学成分（平均值）组成及含量/wt%
表1中成分余量为不可避免的杂质。
表2 实施例1-10镀液化学成分组成及含量/wt%
表2中成分余量为不可避免的杂质。
表3 实施例1-10低成本高耐蚀铝合金镀层热冲压成形钢镀层抗氧化性能和热冲压性能
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