專利名稱：使用鋼板的高強度部件的熱壓方法和熱壓部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用冷軋、熱軋鋼板或者鍍Al系或鍍Zn系的鋼板制造汽車的立柱、車門內(nèi)防撞梁、保險杠梁等強度部件時的熱壓方法和熱壓部件。
背景技術(shù)：
由于因地球環(huán)境問題而引發(fā)的汽車的輕量化，需要盡可能使汽車所使用的鋼板高強度化，但一般對鋼板進行高強度化時，延伸率和r值降低，成形性劣化。為了解決這樣的課題，特開2000-234153號公報中公開了一種在中溫進行成形、利用此時的熱來謀求強度提高的技術(shù)。在該技術(shù)中，適當控制鋼中成分，在鐵素體溫度區(qū)進行加熱，利用在該溫度區(qū)中的析出強化來使強度提高。
另外，特開2000-87183號公報出于提高沖壓成形精度的目的，提出了一種在成形溫度下的屈服強度比在常溫下的屈服強度大大降低的高強度鋼板?？墒?，在這些技術(shù)中，具有所得到的強度有限的可能性。另一方面，出于得到更高的強度的目的，特開2000-38640號公報提出了一種成形后加熱至高溫的奧氏體單相區(qū)，在其后的冷卻過程中相變成為硬質(zhì)相的技術(shù)。
可是，當成形后進行加熱·急速冷卻時，存在在形狀精度上產(chǎn)生問題的可能性。作為克服該缺點的技術(shù)，文獻(SAE、2001-01-0078)、和特開2001-181833號公報公開了這樣的技術(shù)將鋼板加熱至奧氏體單相區(qū)，其后在沖壓成形過程中，采用由鋼成分確定的馬氏體相變的臨界冷卻速度以上的冷卻速度實施冷卻。前者的文獻中公開了下述內(nèi)容為了抑制加熱時表面的氧化皮發(fā)生而使用鍍Al鋼板。在本發(fā)明中將這樣的沖壓工序稱為熱壓。
作為與使用這樣的鍍覆鋼板的熱壓相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，可舉出以下的技術(shù)。在特開2003-147499號公報中，公開了將采用由Fe-Zn合金構(gòu)成的鍍層被覆的鋼板用于熱壓的例子，另外，特開2003-41343號公報公開了將采用由Fe-Al合金構(gòu)成的鍍層被覆的鍍Al系鋼板用于熱壓的例子。
另外，特開2002-282951號公報公開了這樣的例子作為使用沖模(dies)和沖頭來沖壓被加熱的金屬板材的方法，從成形性和淬火性的觀點出發(fā)規(guī)定了模具的間隙。

發(fā)明內(nèi)容
這樣，汽車等所用的高強度鋼板，越是高強度化就越存在上述的成形性問題，特別是在超過1000MPa那樣的高強度材料中，象以往所知的那樣存在氫脆(也有時稱為應變時效開裂、滯后破壞)這一本質(zhì)的課題。因此，用作為熱壓用鋼板的場合，降低坯材的氫量變得重要。
本發(fā)明是為解決上述課題而作出的發(fā)明，提供一種使用了在高溫成形后可得到1200MPa以上的強度，并且氫脆的可能性極小的熱軋冷軋鋼板、鍍Al系鋼板或鍍Zn系鋼板的熱壓方法和熱壓部件。
本發(fā)明者們?yōu)榱私鉀Q上述課題而實施了各種研討。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，控制沖壓前的加熱至奧氏體單相區(qū)時的氣氛和溫度對制造耐氫脆性優(yōu)異的熱壓部件是極為重要的。也就是說，當該加熱時的氣氛中含有氫時，該氫侵入鋼板中，另外，即使含有水分，也同樣具有氫侵入鋼板中的可能性，因此減少這些成分是重要的。另外，為了防止氫脆，適當選擇模具的間隙是重要的?；谒龅闹R見解的本發(fā)明的要旨如下。
(1)一種高強度汽車部件的熱壓方法，其特征在于，使用鋼成分中含有0.05～0.5質(zhì)量％的C的鋼板、或?qū)嵤┝艘訟l或Zn為主體的鍍覆的鋼板、采用熱壓法制造汽車部件時，將沖壓前的加熱溫度規(guī)定為Ac3以上、1100℃以下，將加熱氣氛中的氫濃度規(guī)定為6體積％以下，露點規(guī)定為10℃以下。
(2)如(1)所述的高強度汽車部件的熱壓方法，其特征在于，加熱氣氛中的氫濃度為1體積％以下，露點為10℃以下。
(3)如(1)或(2)所述的熱壓方法，其特征在于，將加熱后的鋼板導入壓力機進行成形時的沖模和沖頭間的間隙(clearance)是所用鋼材的板厚度的1.0～1.8倍。
(4)一種熱壓部件，其特征在于，使用(1)～(3)的任1項所述的熱壓方法制成。


圖1是實施例的加工試驗所使用的帽形狀的模具的外形圖。
具體實施例方式
下面說明本發(fā)明的限定理由。
如上述那樣，本發(fā)明將熱軋、冷軋鋼板、或鍍Al系、鍍Zn系的鋼板加熱至700℃以上之后，進行熱成形，立即在模具中冷卻、淬火，得到所希望的強度，在本發(fā)明中，對加熱、沖壓成形前的鋼板作了規(guī)定。作為鋼板成分，需要淬火性優(yōu)異，為此需要C量為0.05％以上，優(yōu)選為0.1％以上。關(guān)于其他的鋼中元素，有時添加Si、Mn、Ti、B、Cr、Mo、Al、P、S、N等元素。Si對疲勞特性有效果，含有Si的場合優(yōu)選為0.05～1％。Mn、B、Cr、Mo有助于提高淬火性，在含有這些元素的場合，優(yōu)選為Mn0.5～3％、B0.05％以下、Cr2％以下、Mo0.5％以下。Ti、Al提高鍍Al系鋼板的抗氧化性，在含有這些元素的場合優(yōu)選為Ti0.5％以下、Al0.1％以下。
可想到作為鍍層種類施加了Al系或Zn系鍍層的鋼板，當將這些鋼板用于熱壓時，能夠抑制表面的氧化鐵生成，并賦予耐蝕性。
首先對Al系鍍層的構(gòu)成進行敘述。現(xiàn)在已面向各種用途制造了鍍Al系鋼板，本發(fā)明能夠使用這些鋼板。有這樣的鋼板作為Al系鍍層的構(gòu)成，以Al為主成分，為了抑制熱浸鍍Al時的合金層生成，優(yōu)選含有3～15％的Si。此外，作為使鍍層的耐蝕性更加提高的元素，有Cr、Mg、Ti、Sn等，也可以添加這些元素。此時，優(yōu)選含有Cr0.1～1％、Mg0.5～10％、Ti0.1～1％、Sn1～5％。再者，Al系鍍層中以雜質(zhì)形式含有Fe，該Fe的量通常為0.05～0.5％。
再者，加熱后表面可生成FeAl3、Fe2Al5、Fe3Al、Fe2Al8Si等金屬間化合物。這些相有形成多層結(jié)構(gòu)的傾向，典型的成為5層結(jié)構(gòu)，但這些相的結(jié)構(gòu)為怎樣的相結(jié)構(gòu)并不損害本申請發(fā)明的要旨。另外，作為其組成，以Al、Fe為主成分，在Al鍍浴中添加有Si時，也含有5～10％左右的Si。這些元素的組成合計占90％以上。另外也可以有殘存微量的未合金化的Al的情況，但如果為少量則對性能沒有特別影響。加熱后Al系的氧化物、氮化物覆蓋表面，但關(guān)于它們的量不作特別規(guī)定。
接著對Zn系鍍層的構(gòu)成進行敘述。鍍Zn系鋼板現(xiàn)在已制造了各種組成的鋼板，本發(fā)明能夠使用這些鋼板。作為代表性的Zn系鍍層的構(gòu)成，可舉出如下的構(gòu)成Zn-0.2％Al、Zn-5％Al-0.1％Mg、Zn-5％Al-0.1％Mg-混合稀土合金、Zn-7％Al-3％Mg、Zn-11％Al-3％Mg-0.1％Si、Zn-55％Al-1.6％Si等等。此外，也有用Zn-0.1％Al浴鍍覆之后進行加熱從而變成為Zn-10％Fe那樣的構(gòu)成。此外，作為使鍍層的耐蝕性更加提高的元素，有Cr、Mg、Ti、Sn等，也可以添加這些元素。此時，優(yōu)選含有Cr0.1～1％、Mg0.5～10％、Ti0.1～1％、Sn1～5％。
再者，加熱后表面上可生成ζ、δ1、Г、Г1相等金屬間化合物、固溶了Zn的鐵素體相。這些相可層狀地分布、或粒狀地分布，但它們的相結(jié)構(gòu)為怎樣的相結(jié)構(gòu)并不損害本申請發(fā)明的要旨。另外，作為其組成，如果是含有Al的鍍層，則也會有生成上述的Fe-Al系化合物的情況。Zn系鍍層的場合，加熱后生成Zn系、或Al系的氧化膜，但即使生成這些物質(zhì)也并不損害本發(fā)明的要旨。
關(guān)于Al系、Zn系鍍層的附著量、鍍前處理、鍍后處理，并不特別限定，但鍍層附著量優(yōu)選為單面50g/m2以上。原因是鍍層附著量越多，加熱時的抑制氧化的效果、加熱、成形后制成部件時的耐蝕性越提高。作為鍍后處理，以一次防銹、潤滑性為目的，可有鉻酸鹽處理、樹脂被覆處理等，但由于有機樹脂一加熱就消失，因此不優(yōu)選。鉻酸鹽處理若考慮近年的6價鉻限制，也優(yōu)選電解鉻酸鹽等的3價的處理皮膜。在耐蝕性優(yōu)異的鍍Al系鋼板的場合，不賦予鉻酸鹽皮膜，只進行涂油也可以。
在本發(fā)明中對加熱時的溫度和氣氛進行了規(guī)定，該溫度規(guī)定為Ac3以上、1100℃以下。這是因為，為了使鋼板完全相變成奧氏體單相區(qū)，需要為Ac3溫度以上，另一方面，若加熱溫度過高則表面將發(fā)生氧化、或氫向鋼中的侵入變得活躍。在使用Zn系鍍層的場合，除此以外，由于Zn的沸點為約910℃，因此當為太高的溫度時，Zn完全蒸發(fā)，鋼板的氧化變得激烈，因此優(yōu)選1000℃為上限。更優(yōu)選上限溫度為920℃。下限溫度優(yōu)選為800℃。原因是即使加熱至Ac3溫度以上，加熱后從爐中取出鋼板轉(zhuǎn)送至壓力機期間溫度也會降低，從而會生成鐵素體。
加熱氣氛中，將氫濃度規(guī)定為6體積％以下。這是因為，如上述那樣，氫向鋼中侵入，從而提高氫脆的可能性的緣故。氫濃度的下限不特別設(shè)定，氫濃度低為好。更優(yōu)選氫量為1％以下。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)氣氛中的水分也同樣能夠以氫的形式容易地侵入到鋼中。因此，優(yōu)選氣氛中的水分也低，從實用上看，通過測定露點來測定水分量，將露點的上限規(guī)定為10℃。再者，關(guān)于露點和水分量的換算已知有下式，作為此時的水分量為1.2體積％。特別是使用鍍Zn系鋼板時，氣氛中含有氧時存在在鋼板表面形成Zn的氧化物，抑制Zn的蒸發(fā)的傾向。因此，使用鍍Zn系鋼板時，優(yōu)選在氣氛中含有1～21％的氧。另外，不僅鍍覆鋼板，對于未實施鍍覆的鋼板(裸材)，在加熱中也有氫的侵入，因此加熱氣氛中的氫濃度和水分量的管理是必要的。
數(shù)學式1pH2O=exp(-44016-118.774*Tdp8.314*Tdp)]]>pH2O氫濃度(體積分率)；Tdp露點(絕對溫度)關(guān)于加熱方法不設(shè)特別的規(guī)定，可以采用輻射管等進行輻射加熱，也可以采用感應加熱、通電加熱等。此時的加熱速度也不限定。這當然大大依賴于板厚度、形狀。
熱壓具有下述特征從奧氏體相冷卻，得到淬火組織，當然加熱后的冷卻速度的影響也大。本發(fā)明中，需要在由鋼成分決定的用于得到馬氏體組織的臨界冷卻速度以上進行冷卻，作為目標值的、從700℃到350℃的平均冷卻速度優(yōu)選為15℃/秒以上?？梢哉J為，該冷卻速度依賴于鋼成分，對于淬火性良好的鋼而言，即使采用20℃/秒左右的冷卻速度，也可得到所希望的以馬氏體為主體的組織，根據(jù)鋼種不同，有時需要30℃/秒左右的冷卻速度。
沖壓時，沖模和沖頭的間隙(clearance)是重要的因子之一，在本發(fā)明中，該間隙優(yōu)選是板厚度的1.0～1.8倍?？梢哉J為，若間隙狹窄則板難以進入，變成減薄拉深加工，因此鋼板表面會發(fā)生粘著，存在成為氫脆的起點的可能性。另外可認為，若間隙寬，則存在難以被淬透的傾向，在部件中產(chǎn)生強度不勻，部件內(nèi)殘留殘余應力，氫脆化的可能性提高。
實施例下面利用實施例更詳細地說明本發(fā)明。
實施例1將具有如表1所示那樣鋼成分的板厚度1.4mm的冷軋鋼板在各種條件下加熱，然后用圖1所示的帽形狀的模具進行成形。間隙規(guī)定為板厚度的1.1倍。然后在帽的邊緣部進行10個點的Ф5mm、間隙0.5mm(兩側(cè))的沖孔，經(jīng)過7天后用20倍的放大鏡觀察沖孔部，判定有無微小裂紋。加熱是將試樣插入到已控制氣氛的電爐內(nèi)來進行的。直到900℃為止的升溫時間大致為4分鐘，從爐到壓力機的時間為約10秒，沖壓開始溫度為約750℃。冷卻在模具中進行，從700℃到350℃的平均冷卻速度為40℃/秒。表2示出加熱條件和有無微小裂紋。再者，進行帽狀成形后切取一部分在載荷10kgf下測定維氏硬度，結(jié)果總體的水平在Hv410～510的范圍，組織顯示出馬氏體組織。另外，熱壓后在這些鋼板的表面產(chǎn)生了氧化鐵。
實施例1的No.8由于露點高，因此發(fā)生了5個以上的微小裂紋。No.1和No.3由于氫量為1％以上，因此發(fā)生了少量的裂紋。
表1

表2

微小裂紋的發(fā)生情況的評分10個點中的微小裂紋的個數(shù)合計量◎0個；○1個；△小于5個；×5個以上。
實施例2將經(jīng)過通常的熱軋、冷軋工序的、如表3所示那樣的鋼成分的冷軋鋼板(板厚度1.4mm)作為材料進行熱浸鍍Al。熱浸鍍Al使用無氧化爐-還原爐類型的生產(chǎn)線，鍍后采用氣體摩擦法將鍍層附著量調(diào)節(jié)成單面80g/m2，然后冷卻。此時的鍍浴組成為Al-10％Si-2％Fe，浴溫為660℃。浴中的Fe是由鍍覆設(shè)備或板條供給的不可避免的元素。鍍層外觀沒有未鍍覆等，為良好。將這樣制造的熱浸鍍Al鋼板在各種的條件下加熱，然后用圖1所示的帽形狀的模具進行成形。間隙規(guī)定為板厚度的1.1倍。然后在帽的邊緣部進行10個點的Φ5mm、間隙0.5mm(兩側(cè))的沖孔，經(jīng)過7天后用20倍的放大鏡觀察沖孔部，判定有無微小裂紋。加熱是將試樣插入到已控制氣氛的電爐內(nèi)來進行的。直到900℃為止的升溫時間大致為4分鐘，從爐到壓力機的時間為約10秒，沖壓開始溫度為約750℃。冷卻在模具中進行，從700℃到350℃的平均冷卻速度為40℃/秒。表4示出加熱條件和有無微小裂紋。再者，進行帽狀成形后切取一部分在載荷10kgf下測定維氏硬度，結(jié)果總體的水平在Hv410～510的范圍，組織顯示出馬氏體組織。另外，熱壓后在這些鋼板的表面未發(fā)生氧化鐵。
表3

表4

微小裂紋的發(fā)生情況的評分10個點中的微小裂紋的個數(shù)合計量◎0個；○1個；△小于5個；×5個以上。
如表4所示，根據(jù)加熱氣氛和溫度不同，侵入到鋼中的氫量也發(fā)生變化，對微小裂紋的敏感性也發(fā)生變化。氫濃度為10vol％的No.5、露點為15℃的No.8可看到發(fā)生了5個以上的裂紋。隨著氫濃度、露點降低，裂紋的發(fā)生越發(fā)被抑制，但在No.6、11、16那樣的場合，發(fā)生了少許的裂紋。
實施例3使用具有如表5所示那樣的鋼成分的板厚度1.4mm的冷軋鋼板，實施了各種的Zn系鍍覆。此時的鍍層種類和浴成分、浴溫示于表6。使用這些鍍Zn系鋼板，與實施例1同樣地進行帽狀成形，沖孔加工后觀察了微小裂紋的進入方式。此時的加熱條件和裂紋發(fā)生狀況的關(guān)系示于表7。冷卻在模具中進行，從700℃到350℃的平均冷卻速度為20℃/秒。與實施例1同樣地測定了成形后的截面硬度，全部在Hv410～510之間，組織也顯示出馬氏體組織。另外，熱壓后在這些鋼板的表面未發(fā)生氧化鐵。
表5

表6

表7

微小裂紋的發(fā)生情況的評分10個點中的微小裂紋的個數(shù)合計量◎0個；○1個；△小于5個；×5個以上。
與實施例1、2同樣，表7的No.8由于露點高，因此發(fā)生了微小的裂紋。No.1、No.3由于氫量大于1％，因此發(fā)生了少許的微小裂紋。另外，No.1～3由于氧濃度低，因此可看到與爐內(nèi)的Zn的蒸發(fā)相伴的爐內(nèi)的污染、鋼板表面的劣化。
實施例4使用經(jīng)過通常的熱軋、冷軋工序的、如表8所示那樣的鋼成分的冷軋鋼板(板厚度1.4mm)作為材料。其一部分實施了熱浸鍍Al、或熱浸鍍Zn系。熱浸鍍使用無氧化爐-還原爐類型的生產(chǎn)線，鍍后采用氣體摩擦法調(diào)節(jié)鍍層附著量，然后冷卻，所得到的鍍層的外觀沒有未鍍覆等，為良好。鍍層種類和浴成分、浴溫示于表9。
表8

表9

將這樣制造的鋼板在各種的條件下加熱，然后用圖1所示的帽形狀的模具進行成形。熱壓時的間隙示于表10。然后在帽的邊緣部進行10個點的Ф5mm、間隙0.5mm(兩側(cè))的沖孔，經(jīng)過7天后用20倍的放大鏡觀察沖孔部，判定有無微小裂紋。加熱是將試樣插入到已控制氣氛的電爐內(nèi)來進行的。直到900℃為止的升溫時間大致為4分鐘，從爐到壓力機的時間為約10秒，沖壓開始溫度為約750℃。冷卻在模具中進行，從700℃到350℃的平均冷卻速度為40℃/秒。表10示出加熱條件和有無微小裂紋。再者，進行帽狀成形后切取一部分在載荷10kgf下測定維氏硬度，結(jié)果總體的水平在Hv410～510的范圍，組織顯示出馬氏體組織。
表10

微小裂紋的發(fā)生情況的評分10個點中的微小裂紋的個數(shù)合計量◎0個；○1個；△小于5個；×5個以上。
表10的No.1、7、13，由于熱壓時的模具的間隙在規(guī)定的下限以下，因此可看到5個以上的微小裂紋。表10的No.6、12、18，由于熱壓時的模具的間隙在規(guī)定的上限以上，因此發(fā)生強度不勻，部件內(nèi)殘留殘余應力，可看到5個以上的微小裂紋。No.5、11、17，由于熱壓時的模具的間隙大，因此顯示出發(fā)生強度不勻、部件內(nèi)殘留殘余應力的傾向，因此發(fā)生了少許的微小裂紋。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性根據(jù)本發(fā)明，能夠使用熱軋、冷軋鋼板、鍍Al系鋼板或鍍Zn系鋼板，采用熱壓工藝法制造高強度部件，并且能夠不發(fā)生氫脆地使用。
權(quán)利要求
1.一種高強度汽車部件的熱壓方法，其特征在于，使用鋼成分中含有0.05～0.5質(zhì)量％的C的鋼板、或?qū)嵤┝艘訟l或Zn為主體的鍍覆的鋼板，采用熱壓法制造汽車部件時，將沖壓前的加熱溫度規(guī)定為Ac3以上、1100℃以下，將加熱氣氛的氫濃度規(guī)定為6體積％以下，露點規(guī)定為10℃以下。
2.如權(quán)利要求1所述的高強度汽車部件的熱壓方法，其特征在于，加熱氣氛的氫濃度為1體積％以下，露點為10℃以下。
3.如權(quán)利要求1或2所述的熱壓方法，其特征在于，將加熱后的鋼板導入壓力機進行成形時的沖模和沖頭間的間隙(clearance)是所用鋼材的板厚度的1.0～1.8倍。
4.一種熱壓部件，其特征在于，使用權(quán)利要求1～3的任1項所述的熱壓方法制成。
全文摘要
本發(fā)明提供使用了高溫成形后可得到1200MPa以上的強度、且氫脆的可能性極小的熱軋·冷軋鋼板、鍍Al系鋼板或鍍Zn系鋼板的熱壓方法和熱壓部件。本發(fā)明的高強度汽車部件的熱壓方法，其特征在于，使用鋼成分中含有0.05～0.5質(zhì)量％的C的鋼板、或?qū)嵤┝艘訟l或Zn為主體的鍍覆的鋼板，采用熱壓法制造汽車部件時，將沖壓前的加熱溫度規(guī)定為Ac
文檔編號C23C2/04GK1984732SQ20058002369
公開日2007年6月20日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者楠見和久, 真木純, 阿部雅之, 大神正浩, 藤田展弘, 中島信也 申請人:新日本制鐵株式會社