弯曲加工金属材料及其制造方法

专利名称：弯曲加工金属材料及其制造方法
技术领域：
本发明涉及弯曲加工金属材料及其制造方法。具体地讲，本发明涉及通过对镀锌系金属材料实施伴随着热处理的弯曲加工而制得的、且因具有高强度及优良的涂装后耐腐蚀性而适合用作例如汽车用构件的弯曲加工金属材料及其制造方法。
背景技术：
近年来，鉴于对地球环境的顾虑，汽车构造用钢材寻求轻量且高强度。并且，为了提高车体的冲撞安全性，开发了用于提高冲撞能量吸收特性的技术。例如，为了提高对抗侧面冲撞的安全性，将钢管等金属管用作车门加强用横梁。通过将金属管做成弯曲形状来提高门加强用横梁的冲撞能量的吸收性能。并且，通过使加强材料的形状、曲率最佳化来提高中心支柱加强材料的冲击能量的吸收性能。对于将钢管 (在本说明书中，不仅包括焊接管等所谓的钢管，还包括例如将钢板成型为管状而成的构件)弯曲加工成最适合作为汽车用构件的形状进行了研究。为了谋求车体的轻量化，对于汽车用构件强烈要求高张力化。广泛采用与以往完全不同的强度等级、例如拉伸强度为780MPa以上、甚至900MPa以上的高强度的钢材。对由高张力钢构成的钢材进行冷弯曲加工是非常困难的。并且，对由高张力钢构成的钢材进行热弯曲加工会在钢材中产生不均勻的应变，导致弯曲加工产品的形状发生变动，形状冷冻性不足，因此非常困难。并且，强烈地要求开发一种以高精度制造具有下述弯曲形状的钢材的弯曲加工技术，上述弯曲形状是指弯曲方向二维地变动或三维地变动的弯曲形状这样的各种弯曲形状。本申请人之前通过国际申请PCT/JP2006/303220号公开了制造弯曲加工材料的装置。该装置(a)在沿被加工材料的轴向分开的两处位置以被加工材料能沿轴向自由移动的方式支承该被加工材料；(b)沿被加工材料的轴向输送被加工构件；(c)利用感应加热线圈，在支承被加工构件的两处位置之间将被加工材料急速地加热至能够进行塑性加工且晶粒不会粗大化的温度；(d)利用冷却装置将加热后的被加工材料冷却；(e) 二维地改变或者三维地改变在支承被加工材料的两处位置中的靠被加工材料的输送方向下游的位置进行支承的可动辊模，对被加工材料的高温部分实施弯曲力矩，使该部分塑性变形。在大气环境中利用该装置对被加工材料进行感应加热的方式非常经济。汽车用构件所使用的钢材基本上都施加了化学转化处理、电沉积涂复。并且，为了强化耐腐蚀性，汽车用构件由镀锌系钢材构成。因此，通过使利用该装置加工的被加工材料是镀锌系钢材，不仅能够谋求防止被加工材料的氧化，还能够制造具有优良的耐腐蚀性的弯曲加工构件、淬火构件，因此，能够将利用该装置加工成的被加工材料广泛地应用于汽车用构件。但是，镀锌系钢材由于被加热至A1相变点甚至是A3相变点以上，有可能丧失作为镀层的功能。其原因在于，Zn的蒸气压像例如200mmHg :788°C、400mmHg :844°C那样在温度上升的同时急剧增加，所以Si有可能在加热过程中气化。
在专利文献1中，作为对镀锌系钢板进行热处理的技术公开有采用高频淬火进行热处理的强化构件的制造方法。该方法以Ar3点 1000°C的淬火温度、且将从开始加热到冷却至350°C为止的加热周期时间限制在60秒以内地对镀锌后的高频淬火用钢板进行加热及冷却。在专利文献1中记载有这样的内容采用以淬火用钢板为坯板的熔融镀锌钢板作为高频淬火强化构件，即使对提高强度的部位进行高频淬火，在淬火部也会残留镀层，并且能够将镀层中的狗浓度抑制在35%以下(本说明书中只要没有特别的指出，“ ％ ”就是 “质量％ ”的意思)，因此能够得到涂装性及耐腐蚀性优良的汽车用构件。在专利文献2或专利文献3中公开了将由镀锌系钢板构成的被加工材料例如在几分钟内加热到700°C 1000°C来进行热冲压的方法。专利文献1 日本特开2000-248338号公报专利文献2 日本特开2001-353548号公报专利文献3 日本特开2002-73774号公报

发明内容
发明要解决的问题期望存在于热处理后的钢材表面的保护膜根据钢材的用途而有所不同。但是，在期待镀敷保护膜的牺牲阳极防腐性能(sacrificial corrosion protecting properties) 的情况下，具有在电化学上是低电位的纯锌相(n-ai相)的保护膜非常有利。在专利文献 1中并没有公开除了热处理材料的镀层的狗含量为35%以下之外的内容。另一方面，在由专利文献2、3公开的方法中，若加热温度区域的滞留时间较长，则镀敷保护膜的成分与基材的钢相互扩散。因此，在加工后的钢材表面形成有狗浓度较高的金属间化合物相或者Si固溶于α "Fe而成的相。用于解决问题的方案由上述国际申请PCT/JP2006/303220号公开的方法是被加工材料不与模具接触而在加热过程中被施加塑性变形、之后被骤冷、然后通过可动辊模这样的新式工艺。该方法与例如由专利文献2、3公开的方法(被加工材料在加热后被夹入模具和冲压机而受到塑性变形、然后利用模具冷却的热冲压)、由专利文献1公开的方法(被加工材料不受到塑性变形而仅被加热冷却、淬火处理的所谓的高频加热-淬火)有所不同。由国际申请PCT/JP2006/303220号公开的方法只要在热处理后也能够制造在表面包含具有接近纯锌的n-ai相的保护膜的热处理材料，就能够提供期望的弯曲加工金属材料及其制造方法。因此，作为热处理前的原料，一般考虑使用具有纯锌系镀层的钢材(具体地讲是熔融镀锌钢材、电镀锌钢材)。但是，因为纯锌相的熔点较低，因此，表面在加热过程中变成液相状态，冷却后的钢材的外观容易发生凝滴这样的不良。并且，上述锌难以因蒸发而消失。另一方面，一般认为，即使在具有10%左右的!^e含量的Fe-Si系合金镀层(具体地说是合金化熔融镀锌)的钢材是热处理前的原料的情况下，若该钢材被加热到大于在状态图中相(Fe3Znltl)分解的约660°C的温度，则也形成有液相。但是，在钢材急速升温后立刻急速地冷却的情况下，加热温度区域的滞留时间即使包括升温过程及冷却过程也极短，进行扩散的时间很短。因此，一般认为，液相以在其凝固过程中排出高熔点的狗含量较高的金属间化合物相的方式凝固，结果凝固为存在狗含量极少的n相。并且，一般认为，分解温度高于纯锌层的熔点，因此，并不是镀敷保护膜的全部量都变成Zn，因此难以发生凝滴、因蒸发而消失。在由国际申请PCT/JP2006/303220号公开的弯曲加工材料的制造方法中，通过应用这样的急速加热及急速冷却条件，也不像热冲压那样使钢材表面以液相状态与模具接触，能够连续地进行加工及热处理。本发明就是基于这样的见解而做成的。本发明是一种弯曲加工金属材料的制造方法，其特征在于，在沿表面具有满足下述条件1的镀Si-Fe合金保护膜的管状的金属材料的轴向分开的两处位置，以该金属材料能沿该轴向自由移动的方式支承该金属材料的外表面，沿该金属材料的轴向输送该金属材料，并在两处位置之间以升温速度3. OX 102°C/秒以上的加热速度将该金属材料加热到Ac3 点以上的温度区域、优选为Ac3点 9. 5 X IO2oC /秒的温度区域，将该金属材料的表面处于 8. OX 102°C以上的时间保持为在两秒钟以下，之后进行骤冷，并且，通过二维地改变或者三维地改变两处位置中的、靠金属材料的输送方向下游的位置，能对金属材料的进行了加热的部分施加弯曲力矩，由此制造在表面具有满足下述条件2的包含η相的Si系保护膜的弯曲加工金属材料。条件1附着量每面 30g/m2 90g/m2Fe 含量8% 20%日本JIS B 0601所规定的表面粗糙度为0. 8 μ m以下，条件2附着量每面90g/m2以下Fe 含量8% 日本JIS B 0601所规定的表面粗糙度为2. 0 μ m以下，从另一个方面考虑，本发明是一种弯曲加工金属材料，其特征在于，该弯曲加工金属材料包含由管状的金属材料构成且具有二维弯曲或三维弯曲的形状的主体，在该主体的表面具有满足上述条件2的包含η相的Si系保护膜。能够例示出该弯曲加工金属材料具有封闭截面、开放截面或异形截面。发明的效果采用本发明，能够提供由于具有高强度及优良的涂装后耐腐蚀性而适合用于汽车用构件等的、对镀锌系金属材料实施伴随着热处理的弯曲加工而得到的弯曲加工金属材料及其制造方法。具体地说，采用本发明，即使是在大气环境中实施由国际申请PCT/JP2006/303220 号公开的方法也能够将镀锌系钢材用作被加工材料，由国际申请PCT/JP2006/303220号公开的方法是在被加工材料的沿轴向分开的两处位置以被加工材料能沿其轴向自由移动的方式支承该被加工材料，沿轴向输送被加工材料，并在支承被加工材料的两处位置之间将被加工材料急速地加热及冷却，并且，二维地改变或三维地改变两处位置中的、靠被加工材料的输送方向下游的位置，来对被加工材料的进行了加热的部分施加弯曲力矩，从而制造弯曲加工材料。


图1是表示用于实施弯曲加工金属材料的制造方法的制造装置的结构例的说明图。图2是表示试验材料的加热曲线的坐标图。图3是表示试验材料的X射线衍射强度的坐标图。图4是试验材料的表面和其截面的SEM图像。附图标记说明1、被加工材料；la、镀锌系钢材；lb、镀锌系热处理钢材；2、支承辊；3、输送装置； 4、可动辊模；5、感应加热线圈；6、冷却装置。
具体实施例方式下面，参照

用于实施本发明的弯曲加工金属材料及其制造方法的最佳实施方式。在本发明中，作为镀锌系钢材，通过在大致相同时刻对由坯料钢板(以下有时简称为“坯板”)制成的钢管等进行热弯曲加工及淬火能够得到热处理钢材，在这一点上，本发明的实用性较高。钢管不仅包含焊接钢管，也包含通过辊成型等成型为管状的钢管，并且， 钢管的截面形状是圆形或方形等即可，不受限制。按照弯曲加工工艺按顺序说明本发明( )加热前的钢材(坯板)(a)镀敷保护膜镀层附着量、Fe含量作为被加工材料的管状的金属材料如后所述那样被急速地加热至最高到达温度为Ac3点以上(虽然根据钢种有所不同，但在实用上约850°C以上)。一般认为一些Si会在加热过程中蒸发。为了在处理后确保充分的耐腐蚀性，优选残留5g/m2以上的附着量。更优选残留10g/m2以上，进一步优选残留20g/m2以上。因此，优选坯板具有一定程度的镀层
附着量。若镀层附着量过多，则加热中的液相量增加。因此，在冷却后的钢材上容易发生所谓的凝滴这样的外观不良。并且，优选通过预先做成镀合金保护膜来提高镀敷保护膜的熔
点ο从这些方面考虑，作为被加工材料的管状的金属材料的镀层附着量优选为30g/ m2 90g/m2，更优选的镀层附着量为40g/m2 70g/m2。并且，优选镀敷保护膜与纯锌系镀层相比是含有8% 20%的!^的镀Si-Fe合金保护膜(优选为合金化熔融镀锌保护膜)。另外，镀锌层也可含有Al。优选的Al含量为0.45%以下。其原因在于，若镀层中的Al含量过高，则在加热过程中Fe-Si合金化反应会不均勻，冷却后的表面粗糙度易于变大。镀敷保护膜的表面粗糙度优选弯曲加工金属材料的表面平滑。表面粗糙度影响脱脂性、化学转化处理性。例如，若在热处理材料上涂抹防锈油，则防锈油会进入到热处理材料表面的凹凸中。为了确保良好的脱脂性，弯曲加工金属材料的表面平滑较为有利。弯曲加工金属材料的表面平滑对于涂装后的外观、涂装后耐腐蚀性(涂膜鼓起的产生难度等)是有利的。通过尽量减小加热前的金属材料的镀敷保护膜的表面粗糙度，加热后的弯曲加工金属材料的表面粗糙度容易变小。尤其是在将合金化熔融镀锌钢板作为坯板的情况下，合金化处理时的 ^-Ζη的合金化的微观不均勻性会影响表面的粗糙度，所以期望在加热前暂且减小表面粗糙度。金属材料的表面粗糙度的目标是日本JIS B 0601所规定的表面粗糙度Ra为0. 8 μ m以下。为了减小表面粗糙度Ra，能够例举出对合金化熔融镀锌钢板进行表皮光轧、通过后述的制管或辊成型等降低表面粗糙度。本发明中，通过做成具有η相的保护膜，能够期待显示有利于耐腐蚀性的效果。 本发明的经过热处理工艺制造成的保护膜如上所述暂且经过液相的形成而形成，所以其表面的凹凸平滑化，涂装后的外观、涂装后的耐腐蚀性(涂膜鼓起的产生难度等)提高。(b)钢成分本发明所使用的镀锌系钢材的坯料优选具有即使加热到1050°C以下也能够淬火的钢成分。通过具有该钢成分，能够在制管阶段中容易以低强度加工，并通过之后的淬火来提高强度而得到期望的高强度。作为这种钢成分，例如能够列举出这样的淬火用钢的钢成分，即，包括 C :0. 1 % 0. 3%、Si 0. 01 % 0. 5%、Mn :0. 5% 3. 0%、P 0. 003% 0. 05%,S 0. 05% 以下、Cr :0. 0. 5%,Ti :0. 01% 0. 1%ΛΙ 以下、B 0. 0002% 0. 004%和N :0. 01 %以下，其余由！^和杂质构成，根据需要还含有从Cu 1 %以下、Ni 以下、Mo 以下、以下和Nb 以下中选择的一种或两种以上。(C)热处理前的成型在进行后述的弯曲加工之前，将这种坯板成型为钢管等。通过UO成型并进行缝焊而成的UO管是作为成型品的代表，但不限定于UO管。作为成型品，根据用途、加工形状等使用具有圆形、矩形或者梯形等形状的封闭截面材料、利用辊轧成形等制造成的开放截面材料(沟道=Charmel)以及利用挤压加工制造成的异形截面材料(沟道channel)。并且， 作为成型品，可使用截面积连续变化的锥形状的钢材。(ii)加热 热弯曲加工 冷却在沿这种具有镀Si-Fe合金保护膜的管状的金属材料的轴向分开的两处位置，以该管状的金属材料能沿该轴向自由移动的方式支承该管状的金属材料的外表面。该金属材料被沿其轴向输送。金属材料在上述两处位置之间以300°C /秒以上的升温速度被加热到Ac3点以上的温度区域，优选被加热到Ac3点 950°C的温度区域。金属材料被保持为其表面处于 800°C以上的时间为2秒以下。之后，将金属材料骤冷。通过二维地改变或三维地改变上述两处位置中的、靠金属材料输送方向下游的位置，能对金属材料的高温部分施加弯曲力矩。(a)力口(heatinR pattern)加热温度、冷却速度、保持时间金属材料被加热到Ac3点以上的温度区域，优选被加热到Ac3点 950°C的温度区域。加热的加热曲线为加热时的升温速度为300°C /秒以上，金属材料的表面处于800°C 以上的保持时间为2秒以下，冷却速度例如为400°C /秒以上。通过做成这样的加热曲线，能抑制镀敷保护膜和钢的合金化反应，并且，在加热时在表面存在有液相之后骤冷，因此在加热之后形成有包含η相的保护膜。最高到汰温度优选加热时的最高到达温度为1150°C以下。若加热温度较高，则冷却后的保护膜残留量有可能变少，即使残留有保护膜，保护膜的表面也会变粗糙。一般认为其原因在于， 通过加热温度较高，以液相存在于表面的量增加，由此，因蒸发、与冷却介质的接触而产生的保护膜的损失量增加。如Fe-Si状态图的液相线所示，Zn-约10 % !^e合金全部的量熔解的温度约为 930°C，但在本发明中，在该温度区域的加热及冷却非常急速，且保持时间较短，因此即使加热至比平衡状态下的熔解温度高的温度，也会残留保护膜。(iii)弯曲加工通过将金属材料以这样的加热曲线加热，并且二维地改变或三维地改变以金属材料能沿其轴向自由移动的方式支承金属材料的外表面的两处位置中的、靠输送方向下游的位置，能够对金属材料的处于高温状态的部分施加弯曲力矩。图1是表示用于实施弯曲加工金属材料的制造方法的制造装置0的结构例的说明图。图1所示的例子是作为被加工材料的金属材料1具有圆形的封闭截面且是镀锌系钢材的圆管的情况。如图1所示，在沿金属材料1的轴向分开的两处位置A、B以该金属材料1能沿其轴向自由移动的方式支承作为被加工材料的镀锌系钢材Ia的外表面。该金属材料1被沿其轴向输送。在两处位置A、B之间以上述加热曲线对金属材料1进行加热、保持及冷却，并且，二维地改变或三维地改变位置B。这样，对金属材料1的处于高温状态的部分施加弯曲力矩，该部分塑性变形。因此，制造装置0朝向镀锌系钢材Ia的输送方向依次具有金属材料1的输送装置 3、两组支承辊对2、2、感应加热线圈5、冷却装置6、可动辊对4、4。因此，说明该制造装置0 的这些构成要件。支承辊对2、2与被沿轴向输送的镀锌系钢材Ia的外表面相抵接地进行旋转。由此，支承辊对2、2以镀锌系钢材Ia能沿其轴向自由移动的方式支承该镀锌系钢材la。在图示例中，支承辊对2、2在镀锌系钢材Ia的输送方向上设有两组。输送装置3配置在两组支承辊对2、2的上游侧。输送装置3将镀锌系钢材Ia沿该镀锌系钢材Ia的轴向连续或间断地输送。可动辊对4、4配置在两组支承辊对2、2的下游侧。可动辊对4、4与被沿轴向输送的镀锌系钢材Ia的外表面相抵接地进行旋转。由此，可动辊对4、4以镀锌系钢材Ia能沿其轴向自由移动的方式支承该镀锌系钢材la。并且，可动辊对4、4的位置能二维地自由改变或三维地自由改变。在图示例中，可动辊对4、4以能自由旋转的方式搭载在未图示的外 ^zC 上 ο可动辊模具有可动辊对4、4。可动辊模具有沿上下方向移位的移位机构、沿左右方向移位的移位机构、在上下方向上倾斜的倾斜机构及在左右方向上倾斜的倾斜机构。可动辊模还具有沿前后方向移动的移动机构。由此，可动辊模一边三维地对镀锌系钢材Ia进行定位一边进行移动。通过可动辊模三维地移动，能够对镀锌系钢材Ia的加热后的部分施加弯曲力矩。
8
感应加热线圈5配置于两组支承辊对2、2和可动辊对4、4之间。感应加热线圈5 与镀锌系钢材Ia的外周分开地配置。感应加热线圈5对输送来的镀锌系钢材Ia进行加热。并且，冷却装置6配置于感应加热线圈5的附近。冷却装置6用于将由感应加热线圈5急速地加热后的镀锌系钢材Ia骤冷。在使用该制造装置0制造弯曲加工金属材料的情况下，既可以在镀锌系钢材Ia的轴向全长上进行弯曲加工(热处理)，也可以通过在轴向上局部地进行弯曲加工而仅对需要的部位进行弯曲加工(热处理)。例如，在弯曲加工金属材料是汽车的保险杠加强板的情况下，也可以无需对其轴向全长进行弯曲加工、淬火，例如轴向的端部既不进行弯曲加工也不进行淬火。如上所述地制造作为镀锌系热处理钢材的弯曲加工金属材料。在弯曲加工金属材料的表面形成有包含η相的ai系保护膜。该保护膜的附着量为每面90g/m2以下、！^含量为8% 及日本JIS B 0601所规定的表面粗糙度fei为2. Oym以下。通过自表面的X射线衍射法来确认是否存在η相。具有该保护膜的热处理材料的外观具有泛绿的金属光泽。该外观与形成有钢的氧化皮的热处理材料的颜色(深棕色 黑色)完全不同。通过这样地对镀锌系金属材料实施伴随着热处理的弯曲加工，能制造弯曲加工金属材料。由于该弯曲加工金属材料具有高强度及优良的涂装后耐腐蚀性，所以适合用于汽车用构件等。因此，在即使在大气环境中实施由国际申请PCT/JP2006/303220号公开的方法的情况下，也能够采用镀锌系钢材作为被加工材料。实施例1通过在将表1所示的钢成分的合金化熔融镀锌钢板(板厚2. 3mm、镀层附着量 60g/m2、镀敷保护膜中狗含量13% ) UO成形后进行激光熔接，准备了外径31. 8mm、壁厚 2. 3mm及管长2000mm的管。此管的表面粗糙度Ra为外表面0.56 μ m、内表面1.44μπι。表 权利要求
1.一种弯曲加工金属材料的制造方法，其特征在于，在沿表面具有满足下述条件1的镀合金保护膜的管状的金属材料的轴向分开的两处位置，以该金属材料能沿该轴向自由移动的方式支承该金属材料的外表面； 沿该金属材料的轴向输送该金属材料；在上述两处位置之间，以升温速度3. OX 102°C /秒以上的加热速度将该金属材料加热到Ac3点以上的温度区域，将该金属材料的表面处于8. OX 102°C以上的时间保持在2秒钟以下，之后进行骤冷；通过二维地改变或者三维地改变上述两处位置中的、靠上述金属材料的输送方向下游的位置，能对上述金属材料的进行了上述加热的部分施加弯曲力矩，从而制造出在表面具有满足下述条件2的包含η相的Si系保护膜的弯曲加工金属材料， 备件1附着量每面30g/m2 90g/m2 Fe含量8质量％ 20质量％日本JIS B 0601所规定的表面粗糙度Ra为0. 8 μ m以下， 条件2附着量每面90g/m2以下 Fe含量8质量％ 35质量％日本JIS B 0601所规定的表面粗糙度Ra为2. 0 μ m以下。
2.一种弯曲加工金属材料，其特征在于，该弯曲加工金属材料包含由管状的金属材料构成且具有二维弯曲或三维弯曲的形状的主体，在该主体的表面具有满足下述条件2的包含η相的Si系保护膜， 条件2附着量每面90g/m2以下 Fe含量8质量％ 35质量％日本JIS B 0601所规定的表面粗糙度Ra为2. Oym以下。
3.根据权利要求2所述的弯曲加工金属材料，其特征在于， 该弯曲加工金属材料具有封闭截面、开放截面或异形截面。
全文摘要
本发明提供弯曲加工金属材料及其制造方法。该制造方法制造由于具有高强度及优良的涂装后耐腐蚀性而适合用作汽车用构件等的、对镀锌系金属材料实施伴随着热处理的弯曲加工而得到的弯曲加工金属材料。在沿表面具有下述镀Zn-Fe合金保护膜的管状的金属材料的轴向分开的两处位置以该金属材料能沿轴向自由移动的方式支承该金属材料的外表面，将金属材料沿轴向输送，并在两处位置之间以升温速度3.0×102℃/秒以上的加热速度将该金属材料加热到Ac3点以上的温度区域，将金属材料的表面处于8.0×102℃以上的时间保持在两秒钟以下，之后骤冷，并且，二维或三维地改变两处位置中的、靠金属材料挤出方向的下游位置，对金属材料的进行了加热的部分施加弯曲力矩，该镀Zn-Fe合金保护膜的附着量为每面30g/m2～90g/m2、Fe含量为8％～20％以下、表面粗糙度Ra为0.8μm以下。能够制造在表面具有附着量为每面30g/m2～90g/m2、Fe含量为8％～35％以下、表面粗糙度Ra为2.0μm以下且包含η相的Zn系保护膜的弯曲加工金属材料。
文档编号B21D7/16GK102361706SQ201080012909
公开日2012年2月22日 申请日期2010年1月20日 优先权日2009年1月21日
发明者中村登代充, 今井和仁, 土岐保, 富泽淳, 小岛启达, 岛田直明, 石井一也 申请人:住友金属工业株式会社