熱鍍鋅合金化BH鋼合金化工藝控制探討

孫方義 陳園林 馮冠文

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院 湖北 武漢：430080)

0 引言

熱鍍鋅合金化超低碳烘烤硬化鋼在交貨狀態(tài)下有較低的屈服強度、高的應(yīng)變硬化指數(shù)n值及高的塑性應(yīng)變比r值，有利于鋼板成形，同時具有優(yōu)異的焊接性、耐蝕性、涂裝性，成形后經(jīng)過烘烤時效處理使屈服強度得到一定程度的提高，這些特性剛好與車身生產(chǎn)工藝及使用性能要求一致，因而作為汽車外板用鋼得到廣泛應(yīng)用，特別是日本系列轎車[1-3]。

采用微合金化的超低碳熱鍍鋅合金化烘烤硬化JAC340H鋼多用于發(fā)動機罩外板、門外板、翼子板等汽車外覆蓋件。批量工業(yè)化生產(chǎn)的JAC340H鋼產(chǎn)品力學性能穩(wěn)定，但存在鍍層抗粉化能力差的問題，影響鋼板的連續(xù)沖壓，課題組基于成分及工藝體系穩(wěn)定的前提下，設(shè)計了兩種合金化工藝，對比不同工藝下的鍍層合金化控制效果，為烘烤硬化鋼合金化工藝的優(yōu)化提供試驗依據(jù)。

1 實驗材料及方法

實驗材料采用武鋼生產(chǎn)的Nb作為微合金化元素的超低碳烘烤硬化JAC340H鋼，化學成分如表1所示。板坯經(jīng)熱軋后酸洗冷軋，冷軋總壓下率80%，板厚0.7mm，830℃高溫連續(xù)退火，熱鍍鋅合金化后鋼板經(jīng)1.4%光整后取樣。對比試驗合金化工藝2種，如表2所示。

取成品板進行性能測試和FLC分析，試樣經(jīng)酒精超聲清洗后，用Quanta 400掃描電鏡分析表面形貌，用輝光光譜儀分析鍍層中Fe、Al、Zn元素的分析圖譜，用60°V彎試驗評價鍍層抗粉化能力。

表1 試料的化學成分

表2 合金化工藝方案

2 結(jié)果與討論

2.1 成形性能

JAC340H鋼的成分和工藝按照超低碳鋼中添加Nb元素的方案進行設(shè)計，產(chǎn)品具有較高的r值、n值，其深沖性能與高強冷軋深沖鋼(IF鋼)基本一致，產(chǎn)品強度通過添加一定量的固溶強化P元素實現(xiàn)，與近年來熱鍍鋅合金化烘烤硬化鋼通過在超低碳鋼中添加Nb(或Nb+Ti)元素的設(shè)計思路基本一致，既可以得到較好的深沖性能，又能提高鍍層的抗粉化性能[4-5]，本次工藝對比試驗試樣性能測試結(jié)果與批量生產(chǎn)的產(chǎn)品性能列于表3，并以工藝方案2的試樣作為典型試樣進行FLC分析，結(jié)果如圖1所示。

表3 JAC340H鋼性能

圖1 JAC340H鋼FLC成形極限圖

從試驗樣品的性能結(jié)果看，兩種合金化工藝方案條件下產(chǎn)品的性能水平一致，合金化工藝沒有影響產(chǎn)品的性能控制，對比批量生產(chǎn)的產(chǎn)品性能可以看出，JAC340H鋼強度與深沖性能指標匹配良好，同時具備理想的烘烤硬化性能。另一方面，通過試樣FLC曲線分析，試驗鋼板的拉-壓區(qū)最大變形量可達到60%，拉-拉區(qū)最大變形量可達到40%，產(chǎn)品具有良好的成形性能。

對于熱鍍鋅合金化產(chǎn)品來講，產(chǎn)品性能是生產(chǎn)控制的一方面，同時還要基于鋼基的成分和工藝體系進行鍍層合金化控制，本次試驗樣品化學成分與工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品性能測試結(jié)果也符合批量穩(wěn)定的要求。

2.2 合金化鍍層分析

基板的化學成分、脫脂清洗的效果、鋅液化學成分、合金化爐工藝等多方面都會影響合金化鍍層質(zhì)量，本次兩種合金化工藝是在其它工藝條件一致的前提下進行的試驗，主要對比兩種合金化工藝條件下鍍層控制效果。

通常情況下，合金化鍍層中平均Fe含量控制在9%～11%時，鍍層會獲得良好的附著性能和抗粉化性能[6]。圖1、圖2分別為工藝方案1和工藝方案2生產(chǎn)條件下，鍍層Fe、Al、Zn元素的圖譜，從樣片分析試驗結(jié)果來看，兩種工藝條件下鍍層中Fe含量均在10%左右，但采用高功率加熱的工藝方案1樣片距表面1.5μm的厚度處Fe含量就達到了10%，而工藝方案2樣片距表面3μm厚度處Fe含量達到10%，結(jié)合工藝方案可以判斷高的感應(yīng)加熱器功率導致鋅層中富Fe相發(fā)展的更快。從鍍層掃描電鏡表面形貌分析可以看出，兩樣片鍍層表面主要為δ1相，表面有顯微疏松和微裂紋，但采用高感應(yīng)加熱功率的試樣1疏松和空洞的程度要高于采用高均熱段溫度控制的試樣2，表明試樣1鍍層表面脆性顆粒狀的Fe-Zn合金相剝落程度要相對明顯，工藝方案1完成的合金化程度高于工藝方案2的程度，兩種工藝條件的產(chǎn)品進行批量沖壓生產(chǎn)汽車門外板也表現(xiàn)了不同粉化趨勢，工藝方案1產(chǎn)品相對于工藝方案2產(chǎn)品更容易出現(xiàn)復雜變形位置脫鋅問題，從另一角度講，可以說明采用合金化均熱段溫度520℃條件下鍍層的抗粉化性能更好，在實驗室采用60°V彎試驗評價鍍層抗粉化能力，試樣2評價為1.5級，而試樣1評價為3級，試樣2明顯優(yōu)于試樣1，結(jié)果見表3。

圖2 試樣1鍍層元素圖譜

圖3 試樣2鍍層元素圖譜

圖4 試樣1鍍層表面形貌

圖5 試樣2鍍層表面形貌

通過兩種合金化工藝條件下樣品鍍層對比分析可以看出，雖然都可以實現(xiàn)預(yù)期的合金化鍍層中平均Fe含量在9%～11%的控制目標，但采用520℃均熱段溫度配合相對低的感應(yīng)加熱功率得到的鍍層合金化質(zhì)量更為穩(wěn)定。采用工藝方案1時由于高功率的高頻感應(yīng)加熱，雖然其爐溫控制低，但由于高頻感應(yīng)加熱致使鍍鋅帶鋼表層積聚的熱量高，在加熱段合金化已優(yōu)先進行，在保溫段合金化層繼續(xù)發(fā)展，甚至出現(xiàn)了過合金化的問題。另一方面，工藝方案2的加熱段爐溫較高，使用了相對低的感應(yīng)加熱功率，鋼板的溫度受感應(yīng)加熱影響小，相對于工藝方案1的鋼板在均熱段“潛熱”也高，鋼板的溫度更為均勻，穩(wěn)定的進行合金化，最終獲得的合金化鍍層也更為穩(wěn)定?？傮w上講，在生產(chǎn)過程中利用合金化爐的溫度控制實現(xiàn)合金化更為有利，應(yīng)避免使用高的感應(yīng)加熱功率獲得鍍層合金化，當合金化爐均熱爐溫不足時可以采用加大感應(yīng)加熱器功率快速調(diào)整合金化鍍層的臨時措施，但要避免過合金化。

3 結(jié)論

(1)在設(shè)計的成分和工藝條件下，熱鍍鋅合金化JAC340H鋼性能穩(wěn)定，成形性能優(yōu)良。

(2)采用520℃均熱溫度配合低的感應(yīng)加熱功率與采用490℃均熱溫度配合高感應(yīng)加熱功率的工藝方案均實現(xiàn)了合金化鍍層中平均Fe含量9%～11%的目標，采用520℃均熱溫度配合低的感應(yīng)加熱功率的工藝方案得到的鍍層抗粉化能力更好。

[1] 張理揚,左良,李俊,等．冷軋和鍍鋅汽車板的發(fā)展[J]．特殊鋼,2004,25(6):1-3．

[2] Yoichi Tobiyama,Kazunori Osawa,Motohiro Hirata．Development of 590MPa Grade Galvannealed Sheet Steel swith Dual Phase Structure[J]．Kawasaki Steel Technical Report,2000,(42):19-20．

[3] 江海濤,康永林,于浩．烘烤硬化汽車鋼板的開發(fā)與研究進展[J]．汽車工藝與材料,2005,(3):54-57．

[4] 張理揚,李俊,左良．汽車用合金化熱鍍鋅鋼板的發(fā)展趨向[J]．鋼鐵釩鈦,2004,25(4):15-19．

[5] 陳繼平,康永林,郝英敏,等．Ti+Nb超低碳烘烤硬化鋼的組織和性能研究[J]．熱加工工藝,2009,38(6):13-16．

[6] 江社明,袁訓華,李遠鵬,等．BH鋼合金化鍍層抗粉化性能與合金化工藝的研究[J]．軋鋼,2010,27(4):19-24．