薄鋁硅鍍層熱成形鋼應用技術研究

張民愛 邢陽 杜盟相 范林 覃顯峰 劉海州

摘要：新型的薄鋁硅鍍層熱成形鋼在抗拉強度、屈服強度以及伸長率不變的情況提升了折彎角性能，在汽車應用中具有一定優勢。對1 500 MPa薄鋁硅鍍層熱成形鋼進行了應用性能研究，包括成形性能、焊接性能、腐蝕性能、膠粘性能。結果顯示，減薄鋁硅鍍層對成形性沒有影響，提升了材料的焊接性能，腐蝕性能有所下降，但是總體滿足設計要求，膠粘性能也無明顯變化。因此，可以推進薄鋁硅鍍層熱成形鋼在車身上的批量應用。

關鍵詞：薄鋁硅鍍層 熱成形鋼 輕量化 超高強度鋼

中圖分類號：U465.1+1? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220201

Abstract： The new thin Al-Si coating hot-formed steel has some advantages in automobile application， such as improving the properties of bending angle and so on with the tensile strength， yield strength and elongation rate remain unchanged. This article studied the application properties of 1 500 MPa hot-formed steel with thin Al-Si coating， including formability， welding property， corrosion property and adhesive property. The results show that the thin Al-Si coating has no effect on the formability， it improves the welding performance， while the corrosion resistance degrades slightly， however the overall performance meets design specification， and the adhesive property has no obvious change. Therefore， the batch application of hot formed steel with thin Al-Si coating on car body can be promoted.

Key words： Thin Al-Si coating， Hot formed steel， Light weight， Ultra High Strength Steel （UHSS）

1 前言

隨著國家“雙碳”目標的提出，汽車行業節能減排的要求也更加嚴苛，輕量化已經成為汽車行業發展的必然趨勢。研究表明[1-2]，汽車質量每降低10%，燃油消耗降低6%～8%。而車身輕量化最重要的途徑之一就是大量采用高強度和超高強度鋼，可以減輕質量的同時而不降低強度。目前，1 500 MPa級別熱成形鋼作為超高強度鋼的典型已經在汽車行業應用中日趨成熟，部分車型應用比例已達15%[3]。

由于熱成形工藝需要將板料在900 ℃進行奧氏體化，不可避免的會產生氧化，因此，ArcelorMittal公司最早提出并應用了Al-Si鍍層技術[4]，避免了無鍍層板在生產與應用過程中出現的諸多問題，目前在熱沖壓鋼應用中其占比＞60%。但是，有研究表明[5-6]，減薄ArcelorMittal公司專利所規定的鍍層厚度（10～25 μm），鍍層結構發生變化，不但可以規避國外專利，還可以提高熱成形鋼的韌性。本文主要研究了1 500 MPa薄鋁硅鍍層熱成形鋼的基礎性能、成形性能、焊接性能、涂裝性能、零件性能及整車碰撞性能，為整車應用提供了試驗依據。

2 薄鋁硅鍍層熱成形鋼基礎性能

2.1 化學成分與顯微組織

根據GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》[5]，采用DGSNS金屬材料元素分析儀進行化學成分分析，結果如表1所示?？梢钥闯?，基體成分與常規鋁硅鍍層1 500 MPa的22MnB5并無明顯差異。

圖1顯示了薄鋁硅鍍層熱成形鋼的金相組織，可以看出其鍍層在熱成形后的厚度為15～25 μm，比厚度為30～45 μm的常規鍍層明顯減薄。易紅亮等[6]研究表明，該鍍層結構中，相互擴散層α-Fe較常規鍍層增加，而脆性相Fe-（Al， Si）金屬間化合物層厚度大幅降低。

2.2 拉伸性能

依據GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[7]，采用萬能材料試驗機，對比了熱沖壓和熱沖壓＋烘烤（170 ℃/20 min）的板料在不同方向上的拉伸性能，如表2所示。從表2可以看出，熱沖壓后不同方向上的拉伸性能沒有太大差別，烘烤條件下屈服強度和延伸率有所上升，抗拉強度無變化。

2.3 冷彎性能

依據行業標準VDA 238-100《金屬材料的板彎曲試驗》[8]進行冷彎性能試驗，試樣尺寸為60 mm×60 mm，采用液壓萬能試驗機，對比了鋼板的縱向和橫向樣品。結果如表3所示，薄鋁硅鍍層熱成形鋼的彎曲角比常規鍍層的高10°左右，原因在于薄鋁硅鍍層合金化之后與硼鋼基體界面間C富集較常規鍍層少，材料韌性得到提升[6，9]。

2.4 延遲開裂

由于目前延遲開裂沒有統一的標準，本文采用了ISO 7539-2：1989 Corrosion of metals and alloys — Stress corrosion testing — Part 2： Preparation and use of bent-beam specimens[10]標準，對試樣進行應力預加載，浸泡在濃度為0.1 mol/L（pH值=1）的鹽酸溶液中，材料在105%屈服強度的應力（1 325 MPa）保持96 h未開裂，如圖2所示。結果表明，薄鋁硅鍍層熱成形鋼的延遲開裂風險較低。

3 薄鋁硅鍍層熱成形鋼工藝性能

3.1 沖壓性能

前壁板加強橫梁零件沖壓試制。

利用某車型熱成形模具制作了前壁板加強橫梁零件，如圖3所示，零件成形性能良好，未出現起皺、開裂現象，藍色箭頭為拉伸試樣取樣位置，紅色位置為折彎角樣取樣位置，綠色號碼為金相取樣位置，金相如圖4所示。加熱爐采用輥底爐，加熱溫度與常規鍍層熱成形鋼相同，為950 ℃。研究了總在爐時間（200 s/220 s/260 s）對其性能及組織的影響，結果如表4所示，總在爐時間對材料的屈服強度和抗拉強度沒有明顯的影響，但是延伸率在較長加熱時間時有不同程度的下降?？傮w來說在不同在爐時間下，性能都能達到熱成形鋼標準。在200 s/220 s/260 s加熱時，均加熱充分，組織均為全馬氏體。

3.2 點焊性能

3.2.1 焊接窗口

薄鋁硅鍍層熱成形鋼焊接試樣由TAGAL公司提供，根據AWS D8.9M—2012《汽車鋼板點焊評價方法》[11]，進行1.4 mm/1.4 mm兩層板點焊試驗。評價前預先完成達到最小熔核直徑的50個穩定焊點，待穩定后繼續進行試驗。為獲得可焊性范圍，選取230 ms，電流依次增加100 mA，連續完成3個合格焊點，記作A點；選取200 ms，A電流依次增加100 mA，連續完成3個合格焊點，記作B點；選取170 ms，B電流依次增加100 mA，連續完成3個合格焊點，記作C點；選取230 ms，C電流依次增加200 mA，直到產生飛濺，記作D點；選取200 ms，D電流依次增加200 mA，直到產生飛濺，記作E點；選取170 ms，D電流依次增加200 mA，直到產生飛濺，記作F點；選取200 ms，E電流減100 mA，記作G點，最后得到的焊接窗口如圖5所示。結果表明，薄鋁硅鍍層熱成形鋼的焊接范圍要比常規鍍層熱成形寬，說明其可焊性好。

3.2.2 焊核直徑

為保證焊接范圍內焊接質量，取圖5中A點、B點、C點的焊接試樣進行金相分析，如圖6所示。焊核內部質量符合要求，無明顯缺陷。剝離焊核尺寸如表5所示，A點、B點、C點滿足最小焊核直徑要求，均為5 mm左右，D點、E點、F點為飛濺點。

3.2.3 焊點硬度

在最佳焊接參數條件下，檢測焊點硬度分布，根據GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》[12]，沿圖7中位置對焊接接頭進行硬度梯度測試，測試間距為0.2 mm，結果如圖8所示。結果顯示，焊縫區硬度最高，硬度值約為540 HV1；熱影響區硬度最低，硬度值約為340 HV1；母材區硬度居中，硬度值約為460 HV1。

3.2.4 剪切拉伸和十字拉伸

針對圖5中的邊界點，還對比分析了薄鋁硅鍍層熱成形鋼和常規鍍層熱成形鋼的剪切拉伸和十字拉伸性能。結果如圖9和圖10所示，AS25為薄鋁硅鍍層熱成形鋼，AS70為常規鍍層熱成形鋼。薄鋁硅鍍層熱成形鋼剪切拉伸峰值力為5.5～7.5 kN，較常規鍍層剪切拉伸峰值力（5.0～6.0 kN）高；薄鋁硅鍍層熱成形鋼十字拉伸峰值力為19～25 kN，除B點外，其他區域都較常規鍍層拉伸峰值力（19～23 kN）高?？傊?，薄鋁硅鍍層比常規鍍層更具優勢。

3.3 腐蝕性能

3.3.1 中性鹽霧試驗

由于鍍層減薄，有必要研究其電泳之后的腐蝕性能。首先，按GB/T 10125—2021《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》[13]進行中性鹽霧試驗，腐蝕介質為5%NaCl溶液，pH值為6.5～7.2，試驗箱內溫度為（35±2） °C，采用連續噴霧方式。每80 cm2的鹽霧沉降量約為1.5 mL/h。在不同的時間段觀察試樣表面的腐蝕以及單邊擴蝕寬度情況。從圖11可見，經過480 h腐蝕后，劃線處有明顯的銹跡，但是銹跡沿劃線除堆積，兩側并無起泡。經過測量，480 h后單邊最大擴蝕寬度平均2.5 mm，比常規鍍層腐蝕性能略差，但符合標準。

3.3.2 循環鹽霧試驗

文獻[14]進行了循環鹽霧試驗，介質由0.9%氯化鈉、0.075%碳酸氫鈉和0.1%氯化鈣組成。循環28次±3次，1次循環24 h，其中包括8 h鹽水噴霧階段[（25±3） °C，相對濕度（45±10）%]、8 h潮濕階段[（49±2） °C，相對濕度約100%]，8 h干燥階段[（60±2） °C，相對濕度≤30%]，每個循環4次噴淋。為了觀察試樣表面的變化情況及腐蝕行為，試驗結束后先用清水洗凈表面的鹽霧，再用酒精清洗，最后用吹風機吹干。通過觀察銹跡與表面起泡現象，記錄紅銹出現的時間，并測定單邊擴蝕寬度，以評價耐腐蝕性能。如圖12所示，經過28個循環后，表面有紅銹，平均鼓泡寬度為1.8 mm，擴蝕寬度為2.3 mm，與中性鹽霧試驗結果類似，雖然腐蝕性能較常規鍍層差，但是符合標準要求。

3.4 膠粘性能

由于鍍層結構發生變化，在白車身上的膠粘性能需要驗證。根據GB/T 7124—2008《膠粘劑 拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）》[15]，利用國內某汽車廠車身專用減振膠、結構膠、點焊膠及折邊膠進行膠粘測試。結果如表6所示，烘烤條件對4種膠的剪切強度影響不大。不同膠種因功能不同，剪切強度有所不同，但是測試值基本穩定，且符合某鋼廠設計標準。因此，雖然薄鋁硅鍍層熱成形鋼的鍍層結構發生了變化，但是其表面狀態依然與常規鋁硅鍍層相似，膠粘不用切換即可滿足要求。

4 結束語

本文對薄鋁硅鍍層1 500 MPa熱成形鋼進行了一系列應用技術研究，包括化學成分、力學性能、成形性能、焊接性能、膠粘性能，得出如下結論。

a. 1 500 MPa薄鋁硅鍍層熱成形鋼的抗拉強度、屈服強度以及伸長率與1 500 MPa常規鍍層熱成形鋼并沒有差別，但是折彎角有近10°的提升，延遲開裂風險也有所降低，在汽車應用中有較大的優勢；

b. 1 500 MPa薄鋁硅鍍層熱成形鋼的沖壓成形和1 500 MPa常規鍍層熱成形鋼可以使用相同工藝，在汽車應用中可以直接切換；

c. 1 500 MPa薄鋁硅鍍層熱成形鋼的焊接窗口比1 500 MPa常規鍍層熱成形鋼更寬，焊接性能更好，也歸因于其鋁硅鍍層較??；焊接性能完全滿足要求；

d.由于鍍層減薄，1 500 MPa薄鋁硅鍍層熱成形鋼的耐腐蝕性能有所降低，但是無論是中性鹽霧試驗還是循環鹽霧試驗結果都符合設計要求，并不影響實際應用；

e.雖然薄鋁硅鍍層熱成形鋼的鍍層結構發生了變化，但是其表面狀態依然與常規鋁硅鍍層相似，膠粘性能也滿足設計要求。

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