新型薄Al-Si鍍層熱成形高強鋼的性能研究

王剛 葉盛薇 嚴力

（神龍汽車有限公司，武漢 430100）

1 前言

隨著乘用車在電動化及輕量化方向上的發(fā)展以及不斷提升的安全性能要求，熱成形超高強鋼憑借其超高的強度、良好的熱狀態(tài)沖壓成型性能、良好的可焊性和涂裝性，在白車身安全結構件領域的應用范圍及應用比例不斷提高，單車用量已從10 余年前的2 件/車，提升到現(xiàn)在的30 件/車以上，單車消耗熱成形鋼質量可達60 kg 以上。

依照成型后處理方式的不同，常用熱成形鋼板分為裸板材料及帶鍍層材料，其中帶鍍層材料以Al-Si 鍍層熱成形鋼為主。與裸板相比，Al-Si 鍍層熱成形鋼不需要在加熱過程中增加保護氣，不需要在熱沖壓后進行噴丸及涂油處理，具備更好的耐腐蝕性能及零件尺寸穩(wěn)定性，故在汽車行業(yè)得到了廣泛應用。

常用的AS23/23 Al-Si 鍍層（每面鍍層厚度約23 μm）熱成形鋼及其加熱工藝為國外鋼廠的專利，因此在國內此專利材料的生產和銷售存在較大的局限性。對于具有整車及零部件出口業(yè)務的國內各大主機廠來說，AS23/23 鍍層熱成形材料的采購成本較高，供應商可選擇范圍有限。

為了尋找合適的解決方案，開發(fā)一種新型薄Al-Si 鍍層熱成形鋼板成為了重點研究方向。這種方案相對于裸板熱成形鋼，其材料性能變化更少，不涉及新的設備投資，具備更低的應用條件和技術難度。本文對一種新型AS13/13 薄Al-Si 鍍層（每面鍍層厚度為13 μm 左右）熱成形鋼的材料性能進行了深入研究。

2 材料的選擇及試驗方案

采用厚度為1.2 mm 的1 500 MPa 級別熱成形鋼板作為研究對象，鋼板的Al-Si 鍍層厚度為每面13 μm，鋼板的牌號及化學成分如表1 所示。

表1 鋼板的化學成分（質量分數(shù)） %

通過如下設備和方法，對薄Al-Si 鍍層熱成形鋼的相關性能進行驗證。

a.采用Zwick 10T Z100 型拉力試驗機進行機械性能檢測；

b.采用激光共聚焦顯微鏡進行金相組織檢測；

c.采用432SVD 自動轉塔數(shù)顯維式硬度機進行硬度檢測；

d.采用Ascott 中性鹽霧箱進行鹽霧實驗驗證；

e.采用焊裝車間生產線所使用的焊裝膠進行粘膠性能試驗；

f.采用凱密特爾OXSILAN 9831 硅烷前處理、BK PN1421 電泳漆進行油漆兼容性試驗。

3 試驗結果分析

3.1 薄Al-Si鍍層熱成形鋼機械性能及硬度分析

根據GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》[1]進行材料機械性能檢測，采用GB/T 228.1—2021 中的P5 拉伸試樣（原始標距Lo=50 mm，矩形橫截面試樣平行長度的寬度b=12.5 mm），采用激光切割的方法在垂直于軋制方向的平整鋼板上截取拉伸試樣。

采用滾體式連續(xù)加熱爐對熱成形鋼板進行加熱，使實驗板料充分奧氏體化。以＞50 ℃/s 的冷卻速度在平板淬火模中進行淬火冷卻，除加熱工藝外，薄Al-Si 鍍層熱成形鋼在板料轉移、沖壓、及模具冷卻工藝上與傳統(tǒng)的AS23/23熱成形鋼板保持一致。

采用Zwick 10T Z100 型拉力試驗機對熱沖壓前、熱沖壓后的材料拉伸試樣進行機械性能檢測，采用432SVD 自動轉塔數(shù)顯維式硬度機對熱成形后樣板進行硬度檢測，強度及硬度測試結果見表2，材料拉伸曲線見圖1。

圖1 HS1500T+AS13/13的熱成形前、后拉伸曲線

表2 熱沖壓前、熱沖壓后材料機械性能

通過機械性能的測試結果可以發(fā)現(xiàn)，薄Al-Si鍍層熱成形鋼在進行適配性的加熱工藝調整后，在不調整其他生產工藝的情況下，同樣可以達到AS23/23 專利鍍層1 500 MPa 熱成形鋼的機械性能要求，鍍層的減薄不會對材料的機械性能產生影響。

3.2 薄Al-Si鍍層熱成形鋼的金相組織分析

與AS23/23專利鍍層熱成形鋼板一樣，AS13/13薄鍍層1 500 MPa 級熱成形鋼在熱成形前的金相組織為鐵素體+珠光體，熱成形后金相組織轉變?yōu)閹缀跞R氏體狀態(tài)，從而保證零件的強度。采用激光共聚焦顯微鏡對HS1500T+AS13/13 的熱成形前、熱成形后的金相組織進行檢測，檢測結果見圖2所示。

圖2 HS1500T+AS13/13的熱成形前、后金相組織

從熱成形鋼板的金相組織可以看出，熱成形前鋼板金相組織均勻，延軋制方向存在輕微帶狀組織，不同區(qū)域晶粒粗細相差很小，晶粒尺寸大于7 級。熱成形前組織內鐵素體F 含量大約為70%，珠光體P 含量大約為30%。熱成形后組織內馬氏體M 含量可達98%以上，存在很少量殘余奧氏體組織。鋼板的金相組織構成及其轉變滿足相關標準要求。

3.3 薄Al-Si鍍層分析

熱成形鋼板熱成形前的Al-Si 鍍層由2 個不同的層面組成。

a.外層，Al-Si 合金覆蓋層；

b.內層，Al-Si-Fe 三元合金層（基體和覆蓋層之間的擴散區(qū)）。

Al-Si 鍍層熱成形鋼在傳統(tǒng)的連續(xù)退火熱鍍鋅鋼板生產線上生產，采用獨立的鋅鍋，鍍層化學成分指的是外層Al-Si 合金覆蓋層成分，不包含Al-Si-Fe 三元合金層，這個成分與鋼板供應商的Al-Si鋅鍋中合金成分要求是一致的。薄AS13/13 鍍層所采用的化學成分設定值見表3，該鍍層的化學成分與傳統(tǒng)的AS23/23 成分一致。

表3 Al-Si合金覆蓋層化學成分（質量分數(shù)） %

對于薄AS13/13 鍍層的質量范圍和厚度范圍需嚴格進行控制，以保證材料在加熱過程中的耐氧化性能、耐腐蝕性能達到防腐策略的要求，避免鍍層過薄產生的露底、腐蝕及氫脆等潛在風險。此外，質量范圍和厚度范圍的區(qū)間限制，對于規(guī)避Al-Si 鍍層專利限制也是非常重要的，故需通過如下要求對熱成形前、熱成形后的薄AS13/13 鍍層質量和厚度進行限制。

a.鍍層的三點平均值范圍；

b.鍍層的單點值范圍；

c.鍍層厚度典型范圍；

d.鍍層厚度典型值。

采用激光共聚焦顯微鏡對AS23/23 專利鍍層和AS13/13 薄鍍層熱成形鋼的熱成形前、后鍍層組織和厚度進行觀察和測量，相關結果如圖3 所示。

圖3 熱成形前、后鍍層形貌

從觀察和測量結果，可以發(fā)現(xiàn)：熱成形前Al-Si鍍層總厚度在13~15 μm 之間波動，Al-Si-Fe 三元合金抑制層厚度大約為5~6 μm。板料熱成形后，Al-Si 鍍層總厚度大約在15~26 μm 之間波動，典型厚度為20 μm。相對的，專利AS23/23 鍍層，熱成形前鍍層總厚度為23 μm 左右，熱成形后鍍層總厚度為40 μm左右。2種鍍層在厚度上存在明顯差異。

3.4 薄Al-Si鍍層熱成形鋼的防腐性能分析

對于傳統(tǒng)的乘用車用熱鍍鋅鋼板，其防腐性能主要取決于鍍鋅層的厚度，即鍍層越厚，防腐性能越高。

通常，1 μm的熱鍍鋅層耐中性鹽霧試驗時間為10 h。例：常用的Z100（G7/7）鍍層，厚度為每面7～10 μm，其耐中性鹽霧試驗時間約為96 h[2]。分別選取常用的Z100（G7/7）熱鍍鋅板、常規(guī)Al-Si鍍層AS23/23熱成形后鋼板以及薄Al-Si鍍層AS13/13熱成形后鋼板，采用Ascott中性鹽霧箱進行中性鹽霧對比試驗，分析此3鍍層的耐腐蝕性能差異，結果見圖4。

圖4 不同鍍層鋼板耐鹽霧性能對比

通過鹽霧實驗對比可以發(fā)現(xiàn)，Z100（G7/7）熱鍍鋅板耐中性鹽霧時間大約為96 h這與前期的分析保持一致。對于熱成形后的Al-Si 鍍層熱成形鋼板，AS23/23鍍層在熱成形后的鍍層厚度大約為40 μm，AS13/13 鍍層在熱成形后的鍍層厚度大約為20 μm。兩者在鹽霧實驗進行到18 h均出現(xiàn)明顯紅銹，表明這2種規(guī)格鍍層的耐腐蝕性能非常相近，沒有因鍍層厚度的差異而表現(xiàn)出不同的耐腐蝕性能，盡管如此，其防腐性能仍遠好于裸板材料。

采用激光共聚焦顯微鏡對熱成形后對AS23/23鍍層和AS13/13鍍層界面進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)，由于Al-Si 鍍層在加熱冷卻后，F(xiàn)e 元素向Al-Si 鍍層中滲入，由內向外分別形成了富Al 鐵素體層以及Fe2Al5、FeAl 化合物層，結果如圖5 所示。

圖5 AS23/23熱成形后鍍層形貌

對于靠近基板的富Al 鐵素體層，其具有高韌性、低硬度、無微觀裂紋、一定的耐腐蝕性的特點。對于Fe2Al5、FeAl 化合物層，其具有高硬度、較多的裂紋、較多的氣孔、一定的耐氧化性但較差的耐腐蝕性能。薄Al-Si 鍍層AS13/13 與AS23/23 具有相似的富Al 鐵素體層，更薄的Fe2Al5、FeAl 化合物層，故具有相似的耐腐蝕性能。熱成形后的Al-Si 鍍層并不會因為鍍層厚度的增加而增強耐腐蝕性能，F(xiàn)e2Al5、FeAl 化合物層不能像熱鍍Zn 鍍層一樣通過陽極氧化的形式消耗自身而保護鋼板。

3.5 薄Al-Si鍍層熱成形鋼的粘膠性能分析

采用尺寸為25 mm×100 mm 熱成形后AS13/13薄Al-Si 鍍層熱成形鋼樣板，與焊裝車間生產線常用的密封膠HENKEL HT7155、結構膠HENKEL EP 4515、折邊膠PPG HT7161 焊裝膠進行粘膠相容性試驗。鋼板及焊裝膠搭接形式見圖6。

圖6 鋼板和焊裝膠搭接形式

采用MACHINE DE TRACTION INSTRON 4469拉力試驗機，依照D47 1165《涂在白車身或涂漆車身上的產品和塑料加速老化試驗標準》對搭配總成進行加速老化，對老化前狀態(tài)H0 以及老化后狀態(tài)H21 進行拉伸，已驗證其斷裂力和斷裂表面狀態(tài)。試驗板料拉伸后試驗樣件照片如圖7 所示。

圖7 AS13/13熱成形鋼粘膠試驗鍍層形貌

從斷裂后表面狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，對于3 種常用焊裝膠，其老化前及老化后的斷口粘膠斷裂面積均<50%的標準要求值，即大部分的斷裂發(fā)生在焊裝膠內部，而非鋼板-膠的結合面，AS13/13 的粘膠性能試驗結果滿足要求。

3.6 薄Al-Si鍍層熱成形鋼的油漆兼容性分析

采用尺寸為100 mm×200 mm 熱成形后AS13/13 薄Al-Si 鍍層熱成形鋼樣板，與凱密特爾OXSI?LAN 9831 硅烷前處理、BK PN1421 電泳漆進行兼容性試驗及鹽霧試驗，相關測試結果如表4。

表4 薄Al-Si鍍層熱成形鋼油漆兼容性測試結果

AS13/13 熱成形鋼板的電泳漆后相關試驗照片見上圖8，從試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，與凱密特爾OXSILAN 9831 硅烷前處理、BK PN1421 電泳漆進行兼容性試驗后，該鍍層鋼板的耐鹽霧性能、耐水性能、耐潮濕起泡性能以及耐老化性能均可以滿足相關標準要求。

圖8 AS13/13熱成形鋼油漆試驗

4 結束語

通過相關試驗可以發(fā)現(xiàn)，采用滾體式連續(xù)加熱爐加熱后在平板淬火模冷卻的方式生產的AS13/13薄Al-Si鍍層熱成形鋼板，其關鍵機械性能同AS23/23專利鍍層熱成形鋼基本一致，與焊裝車間所使用的焊裝膠可以實現(xiàn)良好地匹配，與綠色前處理及電泳工藝具有良好的兼容性，與AS23/23 專利鍍層具有相似的防腐性能。因其鍍層相對于AS23/23鍍層更薄，故其電阻可焊性更好。因嚴格限制了AS13/13 鍍層的鍍層厚度下限、上限范圍，故可以保證鍍層的連續(xù)性、均勻性、耐氧化性能及耐腐蝕性能。此鍍層熱成形鋼將逐漸得到廣泛應用，在保證材料性能和零件性能的同時，降低主機廠制造成本，提高材料選擇范圍，避免供貨風險。