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定性，故在汽車行業得到了廣泛應用。

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） %

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現，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為幾乎全馬氏體狀態，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）。

Al-Si 鍍層熱成形鋼在傳統的連續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的AS23/23 成分一致。

表3 Al-Si合金覆蓋層化學成分（質量分數） %

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間限制，對于規避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，可以發現：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現，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均出現明顯紅銹，表明這2種規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，可以發現，由于Al-Si 鍍層在加熱冷卻后，Fe 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，Fe2Al5、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H0 以及老化后狀態H21 進行拉伸，已驗證其斷裂力和斷裂表面狀態。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

從斷裂后表面狀態可以發現，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，從試驗結果可以發現，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現，采用滾體式連續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。