汽車車身用新型冷軋薄板研發(fā)進(jìn)展

朱國森，韓 赟，蔣光銳，滕華湘

首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京 100043

隨著節(jié)能、減排要求的不斷提高，汽車行業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段，汽車車身用鋼鐵材料也出現(xiàn)了新的變化.主要有：一是高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例大幅度增加，在降低車身重量、提高燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，大幅度減小汽車材料及整車制造過程的碳排放[1-3]，但是目前廣泛應(yīng)用的雙相鋼（Dual phase，DP）在部分高拉延性零件成形時(shí)無法滿足復(fù)雜車身結(jié)構(gòu)件的沖壓要求[4]；二是采用新型耐蝕鍍層鋼板，提升整車耐久性、延長使用壽命[5-6]；三是為了減少揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放，取消了車身的中涂工序，現(xiàn)有外板制成的車身難以滿足鮮映性的要求，對汽車的市場競爭能力產(chǎn)生了不利影響[7-9].針對上述問題，國內(nèi)外冶金和材料工作者研發(fā)了DH鋼、鋅鋁鎂鍍層鋼板和高鮮映性汽車外板等新型鋼鐵材料.本文將在綜述相關(guān)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，介紹首鋼在這三類材料方面的研發(fā)和應(yīng)用情況.

1 增強(qiáng)成形性雙相鋼

1.1 DH 鋼的研究進(jìn)展

傳統(tǒng)DP鋼的顯微組織主要是鐵素體和馬氏體.該材料具有低屈強(qiáng)比、高初始加工硬化率等特點(diǎn)，在車身用高強(qiáng)鋼中占有較大的比例.然而隨著汽車零部件的結(jié)構(gòu)輕量化，零件成形方式趨于復(fù)雜，傳統(tǒng)DP鋼在部分高拉延性零件成形上表現(xiàn)不佳.1987年，Matsumura等[10]提出了利用殘余奧氏體提高DP鋼延伸率的概念，這類DP鋼后來被稱為相變誘導(dǎo)塑性雙相鋼（TRIP-aided DP steel,TADP steel）.Matsumura等[10]開發(fā)的 TADP 鋼成分為0.4%C-0.8%Mn-1.5%Si，經(jīng)兩相區(qū)均熱后在貝氏體區(qū)等溫時(shí)效不同時(shí)間，可獲得抗拉強(qiáng)度1000 MPa@延伸率30%以及抗拉強(qiáng)度1200 MPa@延伸率15%的性能組合.隨后，Matsumura等[11]又研究了殘奧含量對DP鋼成形性能的影響，發(fā)現(xiàn)材料的成形性能受奧氏體穩(wěn)定性的影響.臺灣中鋼的Chen等[12]研究了Si和P含量對低碳鋼殘余奧氏體含量和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明P和Si復(fù)合添加后能顯著提高基體中殘余奧氏體的含量.為了在獲得良好延伸率的同時(shí)獲得更高的強(qiáng)度和更優(yōu)良的局部成形性能，信州大學(xué)的Sugimoto等[13-14]與神戶制鋼在2000年前后合作開發(fā)了相變誘導(dǎo)塑性貝氏體鐵素體鋼（TRIP-aided bainitic ferrite steel，TBF鋼），成分為0.4%C-1.5%Mn-1.5%Si的TBF鋼經(jīng)不同工藝處理后可獲得抗拉強(qiáng)度1200 MPa@延伸率25%和1500 MPa@延伸率20%的性能組合.

德國汽車工業(yè)協(xié)會（VDA）最早提出了DH鋼的概念，并首次將其列入2016年修訂的VDA 239-100標(biāo)準(zhǔn)中[15].Hanlon 等[16]介紹了塔塔公司DH鋼的開發(fā)情況，塔塔公司780 MPa級DH鋼（DH780）采用TADP的理念生產(chǎn)，其退火工藝與傳統(tǒng)TRIP鋼相似，兩相區(qū)均熱后在貝氏體區(qū)等溫時(shí)效以獲得適當(dāng)數(shù)量的貝氏體.DH780最終的顯微組織包括鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體和馬氏體.文獻(xiàn)[16]建議使用 TAB鋼（TRIP-aided bainitic steel）的理念來生產(chǎn)DH980.TAB鋼通過在兩相區(qū)高溫退火或完全奧氏體化后快冷至貝氏體區(qū)時(shí)效以形成大量的貝氏體組織.與DP鋼具有較強(qiáng)的邊部裂紋敏感性[17-18]不同，TAB鋼的組織相對均勻、硬度差異不大，能改善材料的邊部裂紋敏感性.目前DH鋼已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，塔塔、奧鋼聯(lián)、安賽樂米塔爾、蒂森克虜伯和SSAB等企業(yè)均在開展DH鋼的開發(fā)，其中590～780 MPa級別產(chǎn)品已批量應(yīng)用，980～1180 MPa級別產(chǎn)品還處于小批量驗(yàn)證階段.

1.2 首鋼 DH 鋼的開發(fā)及應(yīng)用

首鋼是國內(nèi)第一家實(shí)現(xiàn)DH鋼產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的鋼企，產(chǎn)品強(qiáng)度覆蓋590～1180 MPa，鍍層類型包括裸板（UC）、純鋅鍍層（GI）、鋅鐵合金鍍層（GA）和鋅鋁鎂鍍層（ZM）等，具體見表1.

表 1 首鋼DH鋼的開發(fā)與應(yīng)用情況Table 1 DH steel developed and supplied by Shougang

首鋼DH鋼采用Al、Si復(fù)合添加的成分體系，這樣既可避免因Si含量過高導(dǎo)致帶鋼表面質(zhì)量不佳的缺陷，又可減輕Al含量過高給連鑄工序帶來的壓力.在退火時(shí)效過程中，Al和Si有助于基體中的碳元素?cái)U(kuò)散至奧氏體中，最終獲得鐵素體、馬氏體、貝氏體和適量殘余奧氏體組成的混合組織.變形過程中，殘余奧氏體在應(yīng)力作用下轉(zhuǎn)變成馬氏體，有效提高材料加工硬化率的同時(shí)松弛了基體內(nèi)的局部應(yīng)力并阻礙了微裂紋傳播，從而有助于獲得良好的延伸率和成形性能[19].圖1（a）所示為DH780與DP780的拉伸曲線對比.從應(yīng)力應(yīng)變曲線上看，在屈服強(qiáng)度相近的條件下DH780的抗拉強(qiáng)度及延伸率均明顯高于DP780，這與兩種材料加工硬化率的差異有關(guān).圖1（b）所示為DH780與DP780的加工硬化率曲線和真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線.可以看到，DP780的加工硬化率曲線在真應(yīng)變0.11處便與真應(yīng)力曲線相交，此后開始頸縮；由于DH780的加工硬化率整體偏高，在真應(yīng)變0.14時(shí)加工硬化率曲線才與真應(yīng)力曲線相交，這導(dǎo)致DH780的抗拉強(qiáng)度和延伸率均高于DP780.圖1（c）所示為DH780典型的微觀組織，電子背散射衍射（EBSD）測量顯示組織中含有5%左右的殘余奧氏體.這些殘奧的尺寸大小不一，形貌也各不同，既有等軸狀的、也有板條狀的.一般而言，小尺寸和板條狀的殘奧穩(wěn)定性偏高，在較高的應(yīng)力下才能產(chǎn)生相變誘發(fā)塑性（TRIP）效應(yīng).大小不一、形狀各異的殘奧有利于在變形過程中持續(xù)產(chǎn)生TRIP效應(yīng)來提高材料延伸率和加工硬化指數(shù)（n）.圖1（d）為DH780與DP780延伸率、n值、塑性應(yīng)變比（r）的對比值.DH780的延伸率和n值平均比DP780分別高約25%和30%，兩種材料的r值基本相當(dāng)，這表明DH780的綜合成形性能優(yōu)于DP780.

圖1 (a) DH780和DP780工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線對比; (b) DH780和DP780加工硬化率對比; (c) DH780的EBSD組織(紅色相為殘余奧氏體);(d) DH780與DP780整體成形性能的對比Fig.1 (a) Comparison of the engineering stress-strain curves between DH780 and DP780; (b) comparison of work hardening rate between DH780 and DP780; (c) EBSD microstructure of DH780 (the red phase is retained austenite); (d) global formability of DH780 compared with DP780

首鋼DH鋼在解決傳統(tǒng)DP鋼成形能力不足、沖壓開裂方面效果明顯，圖2為某車型前縱梁零件.采用傳統(tǒng)DP780成形時(shí)因成形裕度不足，在S型過渡區(qū)出現(xiàn)了顯著開裂；采用DH780進(jìn)行替代后成形良好，未出現(xiàn)開裂和起皺.另外，與傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼相比，在同等延伸率的條件下，DH鋼具有更高的抗拉強(qiáng)度，因而可通過零件減薄實(shí)現(xiàn)減重，輕量化效果顯著.例如某車企使用1.2 mm厚DH980進(jìn)行某車型左右前地板上縱梁輕量化設(shè)計(jì)，替代原1.4 mm規(guī)格DP780，輕量化效果達(dá)到14.3%.鑒于DH鋼優(yōu)良的綜合性能，產(chǎn)品目前已批量用于奔馳、一汽、長城和神龍等品牌汽車.

圖2 某車型前縱梁零件.(a) DP780; (b) DH780Fig.2 Front longitudinal beam parts of a vehicle: (a) DP780; (b) DH780

2 汽車用鋅鋁鎂鍍層鋼板

2.1 鋅鋁鎂鍍層鋼板的發(fā)展歷程

鋅鋁鎂鍍層鋼板是在純鋅鍍層鋼板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.上個(gè)世紀(jì)70年代開始，為了進(jìn)一步提高鍍鋅汽車板的耐腐蝕性能，國際鋅協(xié)會牽頭組織歐洲、北美和亞太的鋼鐵企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，于1980年以來陸續(xù)開發(fā)了多種鋅鋁鎂合金鍍層鋼板，耐腐蝕性能顯著提高.2010年前后，鋅鋁鎂鍍層鋼板得到汽車企業(yè)重視，部分汽車企業(yè)將鋅鋁鎂鍍層鋼板納入了企業(yè)材料標(biāo)準(zhǔn)，如雷諾、大眾、寶馬、PSA、特斯拉等，見表2.此外，德國汽車工業(yè)協(xié)會也于2016年將鋅鋁鎂鍍層鋼板納入了材料標(biāo)準(zhǔn).

表 2 汽車領(lǐng)域部分鋅鋁鎂鍍層鋼板產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Product standard for some zinc-aluminum-magnesium coated steel plates in the automobile field

2.2 鋅鋁鎂鍍層鋼板的特性

2.2.1 鋅鋁鎂鍍層的微觀組織

鋅鋁鎂鍍層中除了有大塊的初始凝固組織，還含有二元共晶組織和三元共晶組織.對于汽車領(lǐng)域應(yīng)用的鋅鋁鎂鍍層，由于鍍層中的Al和Mg的含量較低，使得初始凝固組織為富鋅相η-Zn，二元共晶組織由Mg-Zn化合物和富鋅相η-Zn組成，而三元共晶組織則是由Mg-Zn化合物、富鋁相α-Al和富鋅相η-Zn組成[20]，典型的鍍層微觀組織如圖3所示.

圖3 汽車領(lǐng)域應(yīng)用的鋅鋁鎂鍍層微觀組織.(a) 表面; (b) 截面Fig.3 Microstructure of Zn-Al-Mg coating used in automobile field: (a) surface; (b) cross section

2.2.2 鋅鋁鎂鍍層的耐蝕性

與純鋅鍍層相比，鋅鋁鎂鍍層的最大優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)異的大氣耐腐蝕性.LeBozec等[21]在三個(gè)地區(qū)進(jìn)行了2 a的大氣腐蝕試驗(yàn)，對比了ZM鍍層、GI鍍層、GA鍍層和鋅鋁鍍層（ZA）的耐蝕性能，試驗(yàn)材料包括 ZMA1（Zn-1%Al-1%Mg）、ZMA1.5（Zn-1.5%Al-1.5%Mg）和 ZMA2（Zn-2%Al-2%Mg）三種ZM鍍層以及GI、電鍍鋅層（GE）、GA和鋅鋁鍍層（Zn-5%Al, GALF），發(fā)現(xiàn)ZM層在戶外試驗(yàn)后的鍍層厚度損失明顯小于GI、GE和GA鍍層，如圖4所示.Thierry等[22]在世界12個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了4 a的戶外大氣腐蝕試驗(yàn)，研究了GI鍍層與ZM（Zn-2%Al-2%Mg）的腐蝕失重，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過4 a腐蝕后，GI鍍層的平均腐蝕失重是ZM鍍層的兩倍.

圖4 不同大氣腐蝕環(huán)境下各種鍍層的厚度損失[21]Fig.4 Thickness loss of various coatings in different atmospheric corrosion environments[21]

在涂漆應(yīng)用條件下，鋅鋁鎂鍍層鋼板同樣表現(xiàn)出更加優(yōu)異的漆膜膜下耐蝕性.在歐盟牽頭進(jìn)行的鋅鋁鎂鍍層綜合性能評估報(bào)告中[23]，采用VDA 233-102標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)腐蝕試驗(yàn)以及Volvo ACT STD 423標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)腐蝕試驗(yàn)評價(jià)了不同鍍層的漆膜劃痕位置的腐蝕擴(kuò)展寬度，發(fā)現(xiàn)鋅鋁鎂鍍層ZM的漆膜劃痕擴(kuò)展寬度小于純鋅鍍層GI和鋅鐵合金鍍層GA.Schulz等[5]采用ISO 11997-1B循環(huán)腐蝕試驗(yàn)對比了鋅鋁鎂鍍層、純鋅鍍層GI和鋅鐵合金鍍層GA的漆膜耐蝕性，發(fā)現(xiàn)GI鍍層的漆膜耐蝕性最差，漆膜劃痕位置的腐蝕擴(kuò)展寬度達(dá)到鋅鋁鎂鍍層和GA鍍層的兩倍.顧宏[24]采用大眾的PV1210循環(huán)腐蝕試驗(yàn)評價(jià)了鋅鋁鎂鍍層與純鋅鍍層GI在石擊、劃痕、折彎等條件下的漆膜耐蝕性差異，結(jié)果表明在磷化和薄膜兩種前處理?xiàng)l件下，鋅鋁鎂鍍層的耐蝕性均優(yōu)于GI鍍層.陳磊等[25]采用GMW 14872循環(huán)腐蝕試驗(yàn)評價(jià)了鋅鋁鎂鍍層、冷軋鋼板CR和鋅鐵合金鍍層GA的漆膜耐蝕性，發(fā)現(xiàn)鋅鋁鎂鍍層的膜下耐蝕性達(dá)到其他兩種材料的2到3倍.

鋅鋁鎂鍍層優(yōu)異的耐蝕性來源于Al、Mg與Zn的協(xié)同作用.鋅鋁鎂鍍層中的Al和Mg在初始腐蝕階段快速析出，阻礙了鍍層表面形成疏松的ZnO腐蝕產(chǎn)物，而是形成致密的雙層氫氧化物（LDH），延緩了陰極吸氧反應(yīng)，從而提高了鍍層的耐腐蝕性能[26].LeBozec等[27]對比研究了腐蝕環(huán)境氣氛對純鋅鍍層以及鋅鋁鎂鍍層腐蝕過程的影響，認(rèn)為在含有二氧化碳的大氣環(huán)境中，純鋅鍍層表面容易形成可溶性的ZnO腐蝕產(chǎn)物，而鋅鋁鎂鍍層表面則形成難溶的氯水鋅礦和堿式碳酸鋅，這導(dǎo)致了鋅鋁鎂鍍層在大氣中具有較好的耐腐蝕性能.Salgueiro Azevedo等[28]采用電化學(xué)試驗(yàn)分析了鋅鋁鎂鍍層與純鋅鍍層在腐蝕過程中形成的腐蝕產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)鋅鋁鎂鍍層表面的PH值在腐蝕過程中只有輕微上升，鋅的腐蝕產(chǎn)物以氯水鋅礦、水鋅礦、堿式硫酸鋅為主，同時(shí)形成了以Al為骨架的LDH化合物，這使得鋅鋁鎂鍍層的陰極吸氧腐蝕反應(yīng)受到抑制，反應(yīng)速度明顯下降.2.2.3 鋅鋁鎂鍍層的其他特性

與純鋅鍍層相比，鋅鋁鎂鍍層為多相結(jié)構(gòu)，鍍層硬度顯著高于純鋅鍍層[29]，因而兩者在摩擦性能上有明顯區(qū)別.蔣光銳等[30]采用往復(fù)摩擦試驗(yàn)對比了鋅鋁鎂鍍層ZM、純鋅鍍層GI以及鋅鐵合金鍍層GA的摩擦行為，發(fā)現(xiàn)鋅鋁鎂鍍層在往復(fù)摩擦過程中保持較低的摩擦因數(shù)，純鋅鍍層的初始摩擦因數(shù)較低，但是隨著摩擦的進(jìn)行而迅速增大，而鋅鐵合金鍍層的摩擦因數(shù)顯著高于鋅鋁鎂鍍層.由于鋅鋁鎂鍍層鋼板具有較低的摩擦因數(shù)，使得鋅鋁鎂鍍層鋼板在深沖變形過程中容易流動(dòng)，因此在同樣的條件下，鋼板的局部減薄量會小于純鋅鍍層鋼板，材料的成形能力將優(yōu)于純鋅鍍層鋼板.Riener等[6]采用Erichsen杯突試驗(yàn)比較了鋅鋁鎂鍍層ZM與鋅鐵合金鍍層GA的成形能力，發(fā)現(xiàn)在相同的壓邊力條件下，鋅鋁鎂鍍層材料的最大沖壓深度明顯大于鋅鐵合金鍍層，這表明鋅鋁鎂鍍層鋼板的材料流動(dòng)性能優(yōu)于鋅鐵合金鍍層鋼板.蔣光銳等[30]測量了純鋅鍍層GI和鋅鋁鎂鍍層ZM在某后門內(nèi)板零件上不同位置的減薄率，發(fā)現(xiàn)鋅鋁鎂鍍層材料在所有位置的減薄率都小于純鋅鍍層材料.

鋅鋁鎂鍍層具有較高的硬度和較低的摩擦因數(shù)，鋼板在大批量沖壓使用中，鍍層不容易粘接到模具表面，降低了對模具的污染.Koll等[31]通過實(shí)驗(yàn)室模擬大批量沖壓（3000次）對比發(fā)現(xiàn)，鋅鋁鎂鍍層ZM沖壓后的模具污染物只有熱鍍鋅鍍層GI的1/3左右.Van Schaik等[32]通過實(shí)際零件批量沖壓（350次）對比發(fā)現(xiàn)，鋅鋁鎂鍍層ZM鋼板對模具的污染比純鋅鍍層GI鋼板減少30%.

2.3 鋅鋁鎂鍍層鋼板在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

合金元素含量較低的鋅鋁鎂鍍層在具有良好耐蝕性的同時(shí)，兼具良好的涂裝、焊接等性能，因而獲得了在汽車車身上的應(yīng)用[5,32].寶馬公司目前已經(jīng)在汽車車身上大面積使用鋅鋁鎂鍍層汽車板[33].本田公司在北美車型上試驗(yàn)使用鋅鋁鎂鍍層鋼板制造車門內(nèi)板[34].沃爾沃[35]、東風(fēng)日產(chǎn)[36]、長城[37]、上汽[24]、廣汽[25]、吉利[38]等汽車企業(yè)也紛紛將鋅鋁鎂鍍層鋼板作為汽車材料的應(yīng)用方向開展研究，并進(jìn)行了小范圍的零件試用[37].目前，國內(nèi)外的鋅鋁鎂鍍層汽車板產(chǎn)品有蒂森的ZM Ecoprotect、塔塔的 MagiZinc、奧鋼聯(lián)的 Corrender、浦項(xiàng)的PosMAAC 1.5、首鋼的SOZAMC和寶武集團(tuán)的BaoZM等，鋅鋁鎂鍍層汽車鋼板已經(jīng)成功在汽車內(nèi)板和外板獲得應(yīng)用.不同鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的鋅鋁鎂鍍層汽車板及其應(yīng)用如表3所示.

表 3 主要鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的鋅鋁鎂鍍層汽車板產(chǎn)品及其應(yīng)用情況Table 3 Zn-Al-Mg coated automobile plate produced by main iron and steel enterprises and its application

首鋼解決了鋅鋁鎂鍍層汽車板獨(dú)有表面缺陷、長期存放顏色不均勻等影響鋅鋁鎂鍍層鋼板外觀質(zhì)量的難題，開發(fā)的汽車用鋅鋁鎂鍍層汽車板產(chǎn)品SOZAMV?獲得了長城、寶馬、吉利、沃爾沃、一汽大眾等汽車企業(yè)的認(rèn)可，在汽車內(nèi)板、外板和結(jié)構(gòu)件上均得到了批量應(yīng)用，年供貨量超過了1.5×105t，最高強(qiáng)度達(dá)到了780 MPa.

3 高鮮映性汽車外板

3.1 汽車車身綠色涂裝工藝及對鋼材的要求

為了降低涂裝過程中的有機(jī)物排放，歐洲和北美從1990年前后就開始推廣使用水性汽車涂料和優(yōu)化的涂裝工藝.傳統(tǒng)的涂裝工藝流程包括兩次烘烤和三次涂漆，簡稱為3C2B工藝.通過縮短工序，徹底去掉中涂線，而代之以兩道底漆與一道面漆，三道漆一起烘干，簡稱為2C1B免中涂涂裝工藝[39].通過縮短工藝流程，合并涂裝工序，減少烘烤，顯著降低了涂裝過程中的VOC排放.與3C2B工藝漆膜總厚度約100 μm相比，2C1B工藝漆膜厚度只有約80 μm，厚度減薄20%以上.2C1B工藝 VOCs排放量為 10～20 g·m-2，比 3C2B 工藝的50～70 g·m-2降低了60%以上，是汽車綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)[39]，滿足小型乘用車單位涂裝面積的揮發(fā)性有機(jī)物排放量不高于35 g·m-2的強(qiáng)制性法規(guī)要求.

隨著漆膜厚度的減薄，汽車零件表面質(zhì)量對漆膜質(zhì)量的影響越發(fā)明顯.一方面，更薄的漆膜對鋼板表面細(xì)微缺陷的容忍度更低，可容忍缺陷的臨界尺寸降低20%以上.柯聰和董蓓[7]研究了2C1B工藝下漆膜對表面缺陷的覆蓋情況，發(fā)現(xiàn)鋅灰、鋅渣類點(diǎn)狀缺陷難以被覆蓋，涂漆表面仍可清晰看到.另一方面，隨著漆膜厚度的減薄，鋼板表面輪廓更容易反映到漆膜表面，滿足高鮮映性要求更難.張永軍等[40]研究了相同的材料在取消中涂段后的漆膜鮮映性，發(fā)現(xiàn)鮮映性(DOI值)下降5%以上，目視感知表面質(zhì)量明顯下降.鮮映性是反射光與入射光的發(fā)光強(qiáng)度的比值，綜合地反映了漆膜的光澤度和平整性[41].研究[42-43]表明，汽車涂裝后鋼板表面形貌中的短波輪廓部分被掩蓋，但是長波輪廓部分會繼續(xù)保留，對涂裝后的漆膜鮮映性有顯著影響，如圖5所示.美國汽車工程師學(xué)會研究了綠色涂裝工藝條件下的漆膜表面質(zhì)量[44]，發(fā)現(xiàn)取消中間的烘烤工藝后，漆膜收縮難以得到有效控制，導(dǎo)致鋼板表面的微觀不平整會直接反應(yīng)到漆膜表面.這種鋼板表面的微觀不平整通常使用波紋度指標(biāo)進(jìn)行表征[45-46].

圖5 波紋度對漆膜鮮映性的影響[42]Fig.5 Effect of waviness on distinctness of image of paint film[42]

3.2 高鮮映性汽車外板的研發(fā)進(jìn)展

研究表明，金屬材料在變形之后，表面會變得更加粗糙，如鋁鎮(zhèn)靜鋼[47-48]和IF鋼[49-50]等.趙艷亮等[51]研究了熱鍍鋅烘烤硬化鋼變形對表面波紋度的影響，發(fā)現(xiàn)波紋度隨著變形量增加而增大.Tsunekawa等[52]研究認(rèn)為，IF鋼熱軋過程中的析出物對成形后的表面粗糙有一定的影響.Kubo等[53-54]采用雙向拉伸試驗(yàn)評價(jià)了IF鋼在變形過程中的表面粗糙行為，發(fā)現(xiàn)在雙向拉伸條件下IF鋼表面更容易發(fā)生粗糙，而這種現(xiàn)象與IF鋼的晶粒尺寸以及表面晶粒取向有關(guān)系.Kimura等[55]研究發(fā)現(xiàn)，鋼板表面的波紋度與粗糙度存在正相關(guān)關(guān)系，即粗糙度越大，波紋度也越大.因此，為了獲得更高的涂裝質(zhì)量，必須減少鋼板在成形過程中的表面粗化.

為了解決該控制矛盾，川崎公司開發(fā)了激光毛化技術(shù)[43,56]，薩爾茨吉特公司開發(fā)了大功率電容器電沉積鍍鉻毛化技術(shù)[57]，阿賽洛米塔爾公司開發(fā)了電子束毛化技術(shù)SIBETEX[58]，荷蘭塔塔公司以及德國蒂森公司開發(fā)了納秒脈沖激光毛化技術(shù)[59-60]等先進(jìn)制造技術(shù).這些生產(chǎn)技術(shù)的核心是使用集束高能（激光或電子束）或者大功率電容器電沉積（電鍍）技術(shù)處理軋輥表面，使得軋制后的帶鋼表面波紋度得到進(jìn)一步降低.然而這些技術(shù)均依賴于大型軋輥加工設(shè)備的開發(fā)與設(shè)計(jì)，目前在國內(nèi)還無法達(dá)到其制造要求.首鋼研究發(fā)現(xiàn)，IF鋼板在成形過程中，鋼板表層的晶粒會發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和角度與變形應(yīng)力的方向、晶粒取向、晶界摩擦力以及晶粒內(nèi)部析出相等都有關(guān)系.由于表層晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致鋼板表面的微觀形貌發(fā)生變化，在特定的轉(zhuǎn)動(dòng)模式下，IF鋼板表面的波紋度會顯著升高.基于以上研究內(nèi)容，首鋼開發(fā)了IF鋼板成形過程表面波紋度演變機(jī)理及控制技術(shù)，解決了鋼板表面粗糙度與波紋度協(xié)同控制難題，實(shí)現(xiàn)IF鋼汽車外板免中涂工藝涂裝下的鮮映性控制[61].

2016年以來，全球主要汽車板生產(chǎn)企業(yè)針對免中涂工藝開發(fā)了一系列的滿足高鮮映性要求的鋼板，如表4所示.這些鋼板主要有：德國蒂森的PrimeTex?商標(biāo)產(chǎn)品、安賽樂-米塔爾的 Ultragal?商標(biāo)產(chǎn)品、塔塔的Serica?商標(biāo)產(chǎn)品，薩爾茨吉特的Pretex?Focar?商標(biāo)產(chǎn)品、寶鋼的寶特賽?產(chǎn)品以及首鋼的SmooSurf?商標(biāo)產(chǎn)品.這些商標(biāo)產(chǎn)品包括IF鋼、BH鋼、高強(qiáng)IF鋼三個(gè)鋼種和連退、熱鍍鋅、熱鍍鋅鋁鎂三種鋼板表面狀態(tài).

表 4 國內(nèi)外開發(fā)的滿足高鮮映性涂裝的汽車外板產(chǎn)品Table 4 Automotive exterior panel products developed at home and abroad to meet high freshness coating

這些高鮮映性汽車外板普遍將成形之后的零件表面波紋度作為參考指標(biāo).阿賽洛米塔爾公司的Ultragal?商標(biāo)產(chǎn)品在變形3.6%的情況下，表面波紋度Wa0.8能夠不大于0.42 μm.塔塔公司的Serica?商標(biāo)產(chǎn)品在變形5%的情況下，表面波紋度Wsa1-5能夠不超過0.35 μm，其中烘烤硬化鋼能夠達(dá)到 0.29 μm 以下.薩爾茨吉特的 Pretex?Focar?商標(biāo)產(chǎn)品在變形5%的情況下，表面波紋度Wsa1-5能夠不超過0.35 μm.首鋼開發(fā)的Smoosurf?商標(biāo)產(chǎn)品覆蓋了IF鋼、烘烤硬化鋼和高強(qiáng)IF鋼，所有鋼種均實(shí)現(xiàn)了在變形5%的情況下表面波紋度Wsa1-5不超過 0.35 μm，平均值達(dá)到 0.30 μm[56].

4 新型冷軋薄板的挑戰(zhàn)

為了進(jìn)一步提高競爭力，DH鋼需在更高強(qiáng)度、更好成形性、降低成本和擴(kuò)大品種應(yīng)用范圍方面取得持續(xù)進(jìn)步.在此背景下，需要持續(xù)關(guān)注DH鋼在生產(chǎn)和應(yīng)用方面的一些問題.如較高Al和Si含量導(dǎo)致的連鑄水口堵塞、連澆爐數(shù)少以及連鑄坯表面裂紋等高效生產(chǎn)問題；高合金含量帶來的通卷性能波動(dòng)問題；高強(qiáng)度級別帶來的氫脆以及鍍鋅板焊接時(shí)的LME問題等.

與GI鍍層鋼板、GA鍍層鋼板以及冷軋裸板相比，鋅鋁鎂鍍層鋼板在焊接、涂裝、粘接、成形等方面積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)還相對缺乏，許多配套工藝還需要進(jìn)一步優(yōu)化和完善.而鋅鋁鎂鍍層鋼板在復(fù)雜環(huán)境中的高耐蝕腐蝕數(shù)據(jù)，也需要通過眾多用戶的檢驗(yàn)才會得到比較廣泛的認(rèn)可.此外，鋅鋁鎂鍍層與適用于純鋅鍍層的化學(xué)品兼容性匹配問題、鋅鋁鎂鍍層高強(qiáng)鋼焊接的LME問題等方面均需持續(xù)關(guān)注.

高鮮映性汽車板的發(fā)展是隨著涂裝技術(shù)的進(jìn)步而進(jìn)步的，目前汽車外板涂裝技術(shù)總體是沿著輕量化方向發(fā)展，包括漆膜厚度減薄、漆膜有機(jī)物減量以及漆膜涂裝工序減少三個(gè)方面.未來的高鮮映性汽車外板的發(fā)展方向依然是進(jìn)一步減少表面缺陷的數(shù)量、尺寸，進(jìn)一步壓制長波的表面輪廓，實(shí)現(xiàn)汽車外覆蓋件表面的高度潔凈化和均勻化.為此，還需要通過設(shè)備創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新、材料創(chuàng)新等多個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新性研究，才能實(shí)現(xiàn)飛躍性發(fā)展.

5 結(jié)語

在汽車用鋼市場競爭日益激烈的趨勢下，滿足汽車零件高成形性需求的DH鋼在解決傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼沖壓開裂和實(shí)現(xiàn)汽車輕量化方面、鋅鋁鎂鍍層鋼板在提高耐蝕性方面以及高鮮映性汽車外板在車身綠色涂裝方面展現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景.將理論研究、工藝進(jìn)步和裝備升級相結(jié)合，不斷提升上述材料的性能優(yōu)勢，并進(jìn)一步擴(kuò)大在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)、材料應(yīng)用企業(yè)和科研院校共同關(guān)注和努力的方向.