抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆和改善耐磨性的锌铝镁基合金镀层材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆的锌铝镁基合金镀层材料及其制备方法，提供耐磨性优异的Zn

【技术实现步骤摘要】
抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆和改善耐磨性的锌铝镁基合金镀层材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种镀层材料及其制备方法，涉及一种有效增加热浸镀过程中镀液的流动性，减小镀液的表面张力，改善润湿性，提高镀层表面质量与机械性能的浸镀方法，特别是涉及一种抑制先进高强度钢板热冲压成形过程中发生的液态金属致脆的镀层材料、及其制备方法和提高热成形过程中镀层的耐磨性。

技术介绍

[0002]对于如何减少汽车等出行领域的能源消耗和环境的污染问题，已经成为了世界上各个国家和汽车行业等所面临的严峻挑战。
[0003]汽车轻量化是实现汽车节能减排的有效途径之一，随着汽车轻量化进程的推进，先进高强钢应用至汽车行业也越来越普遍。
[0004]先进高强钢不仅可以使汽车轻量化，达到汽车节能减排的目标，还能够提升汽车的碰撞安全性能，因此目前越来越多的高强钢板材被企业运用至汽车的一些零部件和结构件的制造。
[0005]现下，汽车车身中的零部件充分利用对先进高强钢进行热成形冲压件，既减轻了车身重量，又提高了车身碰撞的安全性能。
[0006]为了解决先进高强钢裸板直接热冲压成形过程中发生的钢板表面脱碳和氧化起皮及热成形零部件的抗腐蚀性能等问题，引入了高强钢镀层技术。
[0007]高强钢锌基镀层不仅可以解决裸板热成形时发生的脱碳和氧化问题，还能够提供优异的耐蚀性和耐磨损性能。但是锌基镀层在热成形的过程中会发生熔化，会渗透进入钢板基体中，在施加应力之后会引起钢板的脆断，且传统的高强钢锌基镀层在热成形过程中，热成形件与模具之间会因摩擦而产生裂纹，裂纹也会向钢板基体进行传播。专利文献CN 105648273A公开了在锌铝镁镀层的基础中加入W:0.3％～0.5wt.％，Ti:0.5％～0.8wt.％与专利文献CN110512118A公开了在锌铝镁镀层的基础中加入Cr:0.1％～0.6wt.％，Ti:0.2％～1.0wt.％，Cu:0.5％～2.5wt.％来改善镀层的表面质量与硬度等，但不能兼顾材料表面质量和抑制高强钢热成形过程发生的液态金属致脆，镀层的性能和质量无法满足汽车工业的需要。目前，如何去解决或者抑制降低高强钢锌基镀层液态锌导致的金属致脆问题，以及因热成形件和模具之间产生的摩擦裂纹问题已成为研究的重点，急需要开发出一种应用于热成形中的镀层，提高镀层的表面质量且防止液态金属致脆和摩擦裂纹的问题出现。

技术实现思路

[0008]为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆的锌铝镁基合金镀层材料及其制备方法，通过在传统锌基镀层中添加低含量的铝、镁、锡和铋元素，来改善镀液的流动性和润湿性，以提高镀层的表面质量；抑制先进高强钢锌基镀层在热成形中发生的液态锌致脆以及耐磨损性和耐
蚀性能。添加锡元素，在锌铝镁镀层的基础上让镀层中的Fe
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Al合金层变的更厚，这样能延缓熔化的液态锌进入钢板基体，从而在热成形时会避免钢板基体的脆断；添加锡和镁元素，形成了细小的Mg
‑
Zn相和Mg
‑
Sn相，能提高镀层表面的硬度和耐磨损性能，这样能降低热成形过程中成形件和模具之间因摩擦造成的损耗；添加镁元素，还与锌元素形成Mg
‑
Zn化合物，进一步提高镀层的耐蚀性，添加铋元素，有效增加热浸镀过程中镀液的流动性，减小镀液的表面张力，改善润湿性，提高镀层表面质量与机械性能。
[0009]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]一种抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆的锌铝镁基合金镀层材料，其为Zn
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Al
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Mg合金、Zn
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Al
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Mg
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Sn合金或Zn
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Al
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Mg
‑
Sn
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Bi合金，具有如下组成和重量百分比：Al：0.2～5.0％；Mg：2.6～4％；Sn：0～4.0％，Bi：0～4.0％，其余为Zn和不可避免的杂质。
[0011]优选地，锌铝镁基合金镀层材料的组成和重量百分比：Zn：83.0～96.9％；Al：0.2～5.0％；Mg：2.6～4.0％；Sn：0～4.0％；Bi：0～4.0％，其余为不可避免的杂质。
[0012]优选地，锌铝镁基合金镀层材料的组成和重量百分比：Zn：83.0～93.7％；Al：0.2～3.5％；Mg：2.8～4.0％；Sn：0～0.8％；Bi：0～4.0％，其余为不可避免的杂质。
[0013]优选地，锌铝镁基合金镀层材料的组成和重量百分比：Al：0.2～3.5％；Mg：2.8～4％；Sn：0～4.0％；Bi：0～4.0％，其余为Zn和不可避免的杂质。
[0014]优选地，在高强钢表面形成锌铝镁基合金镀层中，形成厚度不低于0.5μm的Fe
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Al抑制层，Fe
‑
Al抑制层包括Fe2Al5相。本专利技术在钢材表面形成富锡系锌基镀层中，形成更厚的Fe
‑
Al抑制层。本专利技术在钢材表面形成富锡系锌基镀层中，使Mg元素与Zn、Sn元素分别形成细小的Mg2Zn
11
、MgZn2或Mg2Sn相。
[0015]优选地，在高强钢表面形成锌铝镁基合金镀层中，包括Mg2Sn相、Mg2Zn
11
相和MgZn2相中的至少一种。
[0016]优选地，本专利技术在钢材表面形成富锡系锌基镀层中，形成更加光整的镀层表面质量。
[0017]优选地，锌铝镁基合金镀层材料硬度Hv不低于150。进一步优选地，锌铝镁基合金镀层材料硬度Hv不低于170。
[0018]一种抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆的锌铝镁基合金镀层材料的制备方法，包括如下步骤：
[0019]a.热镀液制备过程：
[0020]按照制备目标锌铝镁基合金镀层材料所需的以下元素组成及其重量百分比称量配制原料：Al：0.2～5.0％；Mg：2.6～4％；其余为Zn和不可避免的杂质，以Al块、Mg块和Zn块作为原料；
[0021]a
‑
1.覆盖剂的配制：
[0022]防止镀液制备过程中的镀锌液发生氧化，采用的覆盖剂的成分质量百分比配比为：50wt.％的CaCl2，45wt.％的NaCl，5.0wt.％的KCl；
[0023]a
‑
2.在覆盖剂的保护作用下，在电阻炉中，按照设定配方的原料熔炼制备合金；
[0024]a
‑
3.Al
‑
Mg中间合金的制备：
[0025]步骤1：首先称量一部分Al块，然后加入覆盖剂，其成分为：经过脱水处理的50wt.％的CaCl2、45wt.％的NaCl和5wt.％的KCl的均匀混合的固态粉末；
[0026]步骤2：开始升温直至600～700℃，保温至Al块全部熔化，然后开始逐步加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆的锌铝镁基合金镀层材料，其特征在于，其为Zn
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Al
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Mg合金、Zn
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Al
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Mg
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Sn合金或Zn
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Al
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Mg
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Sn
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Bi合金，具有如下组成和重量百分比：Al：0.2～5.0％；Mg：2.6～4％；Sn：0～4.0％，Bi：0～4.0％，其余为Zn和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆的锌铝镁基合金镀层材料，其特征在于：其组成和重量百分比：Zn：83.0～96.9％；Al：0.2～5.0％；Mg：2.6～4％；Sn：0～4.0％；Bi：0～4.0％，其余为不可避免的杂质。3.根据权利要求2所述抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆的锌铝镁基合金镀层材料，其特征在于：其组成和重量百分比：Zn：83.0～93.7％；Al：0.2～3.5％；Mg：2.8～4％；Sn：0～0.8％；Bi：0～4.0％，其余为不可避免的杂质。4.根据权利要求1所述抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆的锌铝镁基合金镀层材料，其特征在于：其组成和重量百分比：Al：0.2～3.5％；Mg：2.8～4％；Sn：0～4.0％；Bi：0～4.0％，其余为Zn和不可避免的杂质。5.根据权利要求1所述抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆的锌铝镁基合金镀层材料，其特征在于：在高强钢表面形成锌铝镁基合金镀层中，形成厚度不低于0.5μm的Fe
‑
Al抑制层，Fe
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Al抑制层包括Fe2Al5相。6.根据权利要求1所述抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆的锌铝镁基合金镀层材料，其特征在于：在高强钢表面形成锌铝镁基合金镀层中，包括Mg2Sn相、Mg2Zn
11
相和MgZn2相中的至少一种。7.根据权利要求1所述抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆的锌铝镁基合金镀层材料，其特征在于：其硬度Hv不低于150。8.一种抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆的锌铝镁基合金镀层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a.热镀液制备过程：按照制备目标锌铝镁基合金镀层材料所需的以下元素组成及其重量百分比称量配制原料：Al：0.2～5.0％；Mg：2.6～4％；其余为Zn和不可避免的杂质，以Al块、Mg块和Zn块作为原料；a
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1.覆盖剂的配制：防止镀液制备过程中的镀锌液发生氧化，采用的覆盖剂的成分质量百分比配比为：50wt.％的CaCl2，45wt.％的NaCl，5.0wt.％的KCl；a
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2.在覆盖剂的保护作用下，在电阻炉中，按照设定配方的原料熔炼制备合金；a
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3.Al
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Mg中间合金的制备：步骤1：首先称量一部分Al块，然后加入覆盖剂，其成分为：经过脱水处理的50wt.％的CaCl2、45wt.％的NaCl和5wt.％的KCl的均匀混合的固态粉末；步骤2：开始升温直至600～700℃，保温至Al块全部熔化，然后开始逐步加入事先准备的一部分Mg块，进行搅拌，再经过氩气的处理后，炉冷至室温，得到Al
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Mg中间合金；a
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4.富锡系锌基镀层材料制备：步骤1：将Zn块称量好并打磨光净，放入坩埚中，然后加入覆盖剂，其成分为：经过脱水处理的50wt.％的CaCl2、45wt.％的NaCl和5wt.％的KCl的均匀混合的固态粉末；
步骤2：将坩埚放入电阻炉中，开始加热，使温度上升到600～700℃，等待Zn块全部熔化后，在600～700℃保温至少2h时间，然后开始加入在所述步骤a
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3)中制备的Al
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Mg中间合金，之后进行保温至少0.5h，并进行搅拌，得到Zn
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Al
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Mg合金熔体；将其浇注于模具中冷却成型，制成富锡系锌基镀层合金材料；b.热浸镀过程：步骤1：将在所述步骤a中制备的富锡系锌基镀层合金材料置入锌锅中，熔融后形成Zn
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Al
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Mg热镀液；步骤2：用400～2000#的砂纸打磨待涂覆的钢材表面，以除去钢材表面氧化层；步骤3：配制混合碱性水溶液，所述混合碱性水溶液的NaOH质量百分比浓度不低于5wt.％，且所述混合碱性水溶液的NaCO3质量百分比浓度不低于5wt.％，并把混合碱性水溶液放入恒温水浴锅中加热至不低于80℃并保温，用配制的碱溶液去除钢材表面的油污，对钢材表面进行碱洗处理；步骤4：配制酸性水溶液，所述酸性水溶液的HCl质量百分比浓度不低于5wt.％，所述酸性水溶液的乌洛托品的质量百分比浓度不低于0.5wt.％，将经过碱洗处理后的钢材表面用去离子水、无水乙醇先后清洗后吹干，再放入酸性溶液中，以除去钢材表面铁锈；步骤5：完成上述步骤4的酸洗过程之后，取出钢材，将钢材表面用去离子水、无水乙醇先后清洗后吹干；步骤6：将完成上述步骤5的吹干后的钢板，送入热浸镀实验模拟机，对钢材表面进行还原处理，还原温度设为不低于630℃，还原气氛为N2和H2混合气体气氛，其中混合气体中含有H2的体积百分比不低于10vol.％，对钢材表面持续进行还原处理5
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10min；步骤7：完成上述步骤6的还原处理后，将钢材浸入在上述步骤1中制备好的熔融的Zn
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Al
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Mg热镀液中，进行热浸镀，控制热浸镀时间为3
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15s；步骤8：热浸镀完成之后，进行冷却处理，将钢材从热镀液中提出后立即进行水冷，水冷温度为20
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30℃，从而在钢材表面获得锌铝镁基合金镀层。9.一种抑制高强钢热成形过程中液态金属致脆的锌铝镁基合金镀层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a.热镀液制备过程：按照制备目标锌铝镁基合金镀层材料所需的以下元素组成及其重量百分比称量配制原料：Al：0.2～5.0％；Mg：2.6～4％；Sn≤4.0％，其余为Zn和不可避免的杂质，以Al块、Mg块、Sn块和Zn块作为原料；1)覆盖剂的配制：防止镀液制备过程中的镀锌液发生氧化，采用的覆盖剂的成分质量百分比配比为：50wt.％的CaCl2，45wt.％的NaCl，5.0wt.％的KCl；2)在覆盖剂的保护作用下，在电阻炉中，按照设定配方的原料熔炼制备合金；3)Al
‑
Mg中间合金的制备：步骤1：首先称量一部分Al块，然后加入覆盖剂，其成分为：经过脱水处理的50wt.％的CaCl2、45wt.％的NaCl和5wt.％的KCl的均匀混合的固态粉末；步骤2：开始升温直至600～700℃，保温至Al块全部熔化，然后开始逐步加入事先准备的一部分Mg块，进行搅拌，再经过氩气的处理后，炉冷至室温，得到Al
‑
Mg中间合金；
4)Mg
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Sn中间合金的制备：步骤1：取剩余的Mg块，然后加入覆盖剂，其成分为：经过脱水处理的50wt.％的CaCl2、45wt.％的NaCl和5wt.％的KCl的均匀混合的固态粉末；步骤2：开始升温直至600～700℃，保温至Mg块全部熔化，然后开始逐步加入事先准备的Sn块，并进行搅拌，再经过氩气的处理后，炉冷至室温，得到Mg
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Sn中间合金；5)富锡系锌基镀层材料制备：步骤1：将Zn块称量好并打磨光净，放入坩埚中，然后加入覆盖剂，其成分为：经过脱水处理的50wt.％的CaCl2、45wt.％的NaCl和5wt.％的KCl的均匀混合的固态粉末；步骤2：将坩埚放入电阻炉中，开始加热，使温度上升到600～700℃，等待Zn块全部熔化后，在600～700℃保温至少2h时间，然后开始...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴广新，丁成发，刘毅豪，马征，孙明飞，张捷宇，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：