不同鋁硅鍍層厚度的熱成形鋼應用性能對比研究

摘要：為評價薄鋁硅鍍層熱成形鋼在汽車車身上應用的可行性，對鋁硅鍍層質量（單面）分別為20 g/m2（AS20）、75 g/m2（AS75）的材料進行熱沖壓試驗、點焊試驗、膠粘匹配性試驗、油漆配套性及耐腐蝕性試驗。結果表明，AS20材料可使用與AS75材料相同的加熱溫度，但加熱時間需低于AS75材料，在最佳加熱工藝下2種材料的力學性能相當，AS20材料的極限尖冷彎角及峰值載荷力高于AS75材料；2種材料與現生產用結構膠粘劑膠粘接頭的剪切強度相當，AS20材料與現生產用結構膠粘劑匹配良好；2種材料所在焊接總成的全破壞焊點剝離直徑、焊點熔核直徑及其失效模式均相當，AS20材料的點焊可焊性與AS75材料相當；2種材料的電泳漆膜的附著力和耐腐蝕性能相當。綜上，基于多性能對比測評分析，薄鋁硅鍍層熱成形鋼主要應用性能均滿足使用需求。

關鍵詞：鋁硅鍍層 熱成形鋼 加熱工藝 點焊質量 耐腐蝕性能

中圖分類號：U465" " "文獻標志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240158

Comparative Study on the Application Properties of Hot-Formed Steel with Different Thicknesses of Al-Si Coating

Abstract： In order to evaluate the feasibility of the application of thin Al-Si coated hot formed steel in automobile body， hot stamping test， spot welding test， adhesive matching test and coating test and corrosion resistance test are carried out on single-sided Al-Si coated materials with the weight of 20 g/m2 （AS20） and 75 g/m2 （AS75）. The results show that：" AS20 material can use the same heating temperature as the AS75 material， but the heating time is less than the AS75 material; under the optimal heating process， the mechanical properties of the two materials are comparable; the ultimate sharp cold bending angle and maximum force of the AS20 material are higher than those of the AS75 material; the shear strengths of the adhesive joints between the two materials and the structural adhesive currently used in production are comparable， the AS20 material matches well with the structural adhesive currently used in production;" the peeling diameter of the fully damaged welding point and the fusion diameter and failure mode of the welding assembly where the two materials are located are equivalent， the spot weldability of the AS20 material is equivalent to that of the AS75 material; the adhesion and corrosion resistance of the electrophoretic paint film of the two materials are comparable. Overall， based on multi-performance comparative evaluation analysis， the main application properties of thin aluminum silicon coated hot formed steel meets the using requirements of OEMs.

Key words： Al-Si coating， Hot-formed steel， Heating process， Spot welding quality， Corrosion resistance

1 前言

熱成形鋼作為汽車輕量化材料廣泛用于汽車A/B柱、車門防撞梁、前后保險杠、門檻等安全件，提升了汽車被動安全性能和輕量化效果[1-3]。熱成形鋼分為有鍍層鋼和無鍍層鋼，無鍍層鋼在加熱過程中易產生氧化皮和脫碳[4]，為去除零件表面氧化皮，需進行拋丸處理，厚度小的零件易出現變形，從而影響尺寸精度，而鍍層熱成形鋼可避免加熱過程產生氧化皮，且表面鍍層還具有一定的防腐作用，因此受到業內青睞。熱成形鋼的鍍層主要有熱浸鍍鋁硅鍍層（Al-Si）、熱浸鍍純鋅鍍層（GI）、合金化熱浸鍍鋅鍍層（GA）[5]。鋁硅鍍層熱成形鋼最早于20世紀90年代末由ArcelorMittal公司提出，很好地解決了無鍍層產品存在的問題[6]，目前，單面鍍層質量為75 g/m2的鋁硅鍍層熱成形鋼是應用和研究最多的品種。近年來，易紅亮[7-9]等基于鋁硅鍍層合金化后與鋼基體界面間形成富碳層致脆的理論，開發了高斷裂應變的新型鋁硅鍍層技術，通過減小鍍層厚度降低碳富集程度，從而改善鋁硅鍍層熱成形鋼的斷裂韌性。除強韌性外，薄鋁硅鍍層熱成形鋼的其他關鍵應用性能能否達到傳統鋁硅鍍層熱成形鋼水平也受到高度關注，本文以薄鋁硅鍍層熱成形鋼和常規厚鋁硅鍍層熱成形鋼板材為研究對象，分別開展熱沖壓、焊接、膠粘、涂裝處理，對比評價薄鍍層熱成形鋼的應用性能。

2 試驗材料及方法

以厚度分別為0.9 mm、1.4 mm的1 500 MPa級鋁硅鍍層熱成形鋼板為試驗材料，每種厚度分別有薄、厚2種鍍層，2種鍍層的單面鋁硅鍍層公稱質量分別為20 g/m2和75 g/m2（鍍層代號分別為AS20和AS75），其中，AS75材料為某量產車型使用的材料，AS20和AS75的鍍層成分相同，其交貨狀態的鍍層質量、厚度及基材的主要化學成分如表1所示。

對2種熱成形后的鍍層材料分別進行力學性能、金相組織、硬度、鍍層厚度、極限尖冷彎性能、膠粘劑匹配性、點焊質量、油漆配套性及耐腐蝕性能對比試驗，其中，厚度為0.9 mm的材料用于2種厚度鍍層熱成形零件的力學性能、膠粘劑匹配性、總成焊接及點焊質量試驗分析，厚度為1.4 mm的材料用于2種厚度鍍層油漆配套性及耐腐蝕性能分析。

2.1 不同厚度鋁硅鍍層的熱成形零件（厚度0.9 mm）性能和組織

本文進行了厚度為0.9 mm的2種不同鋁硅鍍層的熱成形鋼搭載某車型的后地板縱梁前加強板零件試制及性能對比分析。加熱爐內設置了15個溫區，溫度分別設置為820 ℃、840 ℃、870 ℃、890 ℃、910 ℃、920 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃，2種鍍層熱成形鋼板的加熱溫度相同，AS75和AS20的總加熱時間分別為230 s、170 s，試制零件如圖1所示。

在試制零件上取樣，進行拉伸性能、鍍層厚度、金相組織、硬度、極限尖冷彎性能及結構膠粘匹配性能試驗，試驗條件如表2所示。拉伸性能試驗使用GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》中的P5試樣，如圖2所示；極限尖冷彎性能試驗裝置及加載如圖3所示，試驗樣件寬度b和長度l均為60 mm，樣件采用激光切割，兩側滾輪直徑D=30 mm，兩滾輪之間的間隙L=2.3 mm，其中S為壓頭的位移、F為加載載荷；拉伸性能、鍍層厚度、金相組織、硬度和極限尖冷彎試驗試樣經淬火（即零件基體狀態）后再進行170 ℃溫度下加熱20 min的烘烤處理。2種零件在淬火狀態下使用當前生產用結構膠分別測試其供貨狀態、耐熱后、耐潮濕后、耐冷熱交變后、耐寒后、耐過烘烤后的剪切強度，試驗樣品在試制零件上切取制備，尺寸為100 mm×20 mm。

對2種不同厚度鋁硅鍍層的熱成形試制零件（厚度0.9 mm）進行總成焊接，如圖4所示，總成中與試制零件焊接的零件有鍍鋅軟鋼板零件、先進高強度鋼鍍鋅板零件以及其他AS75熱成形零件，焊接工藝參數與AS75量產零件一致，按照企業標準評價2種材料的總成焊點的剝離直徑、焊點熔核直徑。

2.2 不同鋁硅鍍層厚度的熱成形鋼板（厚度1.4 mm）油漆配套性和耐腐蝕性

采用淬火后的平板在現生產涂裝線上掛片模擬零件涂裝過程，涂裝工藝流程為前處理、電泳、烘干。對2種材料分別進行油漆匹配性及耐腐蝕性試驗，試驗條件如表3所示。AS20和AS75平板淬火試樣的力學性能測試結果為：屈服強度為1 000～1 150 MPa，抗拉強度為1 450～1550 MPa，斷后伸長率為5.0%～6.5%；AS20和AS75平板淬火試樣的粗糙度Ra分別為1.34～1.42 μm和1.85～2.05 μm；AS20和AS75平板淬火試樣的鍍層厚度分別為16～22 μm和39～45 μm。試驗淬火平板采用激光切割，尺寸為100 mm×200 mm。

3 試驗結果與分析

3.1 零件性能

AS20和AS75材料試制的零件顯微組織均為全馬氏體，如圖5所示，2種材料的零件鍍層結構如圖6所示；零件拉伸性能、硬度、金相組織、鍍層厚度、極限尖冷彎性能試驗結果如表4所示。從試驗結果可知：

a. AS20試制零件的強度及硬度略高于AS75零件，原因為在相同厚度條件下，AS20材料鍍層減薄，金屬基材厚度相對增加，在拉伸試驗時承受的載荷增加，因此，計算強度高于AS75。

b. AS20的鍍層總厚度低于AS75，但擴散層厚度相當，均符合企業要求（不大于16 μm）。研究表明[11]，較薄的擴散層厚度對可焊性影響很小，但較厚的擴散層會嚴重降低可焊性，因此，為保證良好的點焊可焊性，需嚴格控制擴散層厚度。

c. AS20材料的極限尖冷彎角較AS75提升5°，峰值載荷力提升約10%，對AS20極限尖冷彎性能的提升可參考文獻[7]的機理。由于鍍層的減薄，在加熱過程中，鍍層與基體界面富集的碳含量減少，淬火后減少了有弊的高碳馬氏體的形成，因此，韌性得以提升。

此外，相對于AS75材料，AS20材料由于鍍層減薄，在加熱過程中鋁液化所吸收的熱量顯著下降，金屬基材加熱效率提升，可大幅縮短加熱時間，降低零件單件生產能耗，提高生產節拍。

3.2 結構膠粘劑匹配性

在不同試驗環境下，2種材料的膠粘接頭的剪切強度試驗結果如表5所示，由試驗結果可知，2種材料與現生產用結構膠粘劑的膠粘接頭的剪切強度相當，說明AS20材料與現生產用結構膠粘劑匹配良好，滿足應用要求。粘接強度一般與金屬表面能和金屬活性相關，由于2種材料的鍍層化學成分相同、表面狀態相似，因此，鍍層的厚度變化并未對膠粘接頭的剪切強度產生明顯影響。

3.3 點焊質量

將試制的2種后地板縱梁前加強板零件分別焊接到中后地板總成，焊接工藝參數相同，焊接過程無明顯飛濺。取后地板縱梁前加強板零件上的14個焊點進行全破壞試驗，焊點失效形式為鈕扣狀剝離，焊點剝離直徑試驗結果如表6所示。對14個焊點進行金相試驗，焊點熔核直徑試驗結果如表7所示。由試驗結果可知，在相同的焊接工藝參數下，AS20和AS75零件上的焊點剝離直徑、熔核直徑及失效模式均相當，說明AS20與AS75的點焊可焊性相當。熱沖壓成形后，鋁硅鍍層中擁有不同化學配比的多種Fe-Al金屬間化合物，其具有不同的硬度及電阻率，焊接時，不均勻的硬度及電阻率分布易導致焊接飛濺，由文獻[12]的研究結果可知，Fe-Al（Si）層（即擴散層）越厚，越易產生點焊飛濺，且焊接電流區間越小。因此，在加熱工藝得當的情況下，鋁硅鍍層的減薄有利于保證焊接質量。

3.4 油漆配套性及耐腐蝕性能

由于鋁硅鍍層板鍍層的成分及特殊的表面形貌，磷化較為困難，但后續的電泳漆膜依然具有良好的附著力[13]。電泳后的平板外觀良好，分別對AS20和AS75平板進行劃格試驗，試驗結果評級均為Gt0級，說明2種材料的漆膜附著力相當。對電泳平板進行耐腐蝕試驗，結果如表8所示，評價結果均符合企業標準。由試驗結果可知，2種材料的劃痕層離寬度相差較大，AS20材料的劃痕層離寬度為AS75材料的2倍，試驗后形貌如圖7所示。針對此問題，分別在試驗平板劃線處取樣，觀察樣板表面形貌，如圖8所示，由于AS20材料鍍層較薄，劃線深度已完全穿透鍍層達到金屬基體，而AS75材料鍍層較厚，在相同的劃線深度下并未穿透鍍層。GB/T 1771—2007中劃痕的刻制要求為劃破涂層至金屬基體，說明鍍層板是否劃至金屬基體會影響試驗結果。由于本試驗中2種鍍層材料在劃線處的表面狀態不同，導致其劃痕層離寬度試驗結果差異較大，因此，若使用劃線法作為評價不同鍍層材料的耐腐蝕性能的方法需要深入探討劃線深度對試驗結果的影響。

4 結束語

為充分評價薄鋁硅鍍層熱成形鋼的應用可行性，對其主要的應用性能與常規厚鍍層熱成形鋼進行對比分析，結論如下：

a. 在相同加熱溫度下，AS20材料相對于AS75材料可大幅縮短加熱時間，需要調整AS20熱成形鋼加熱工藝。與AS75材料相比，AS20熱成形鋼極限尖冷彎最大彎曲角提升5°，極限尖冷彎峰值載荷力提升約10%。

b. AS20材料的結構膠粘匹配性良好，膠粘接頭的剪切強度與AS75材料相當。

c. AS20材料的點焊可焊性良好，點焊質量與AS75材料相當。

d. AS20材料的電泳漆配套性以及耐腐蝕性能與AS75材料相當。由于2種材料的鍍層厚度不同，在使用劃線法進行試驗評價時，AS20材料劃至金屬基體，AS75材料并未劃至金屬基體，這可能是導致2種材料在耐循環交變試驗和耐腐蝕試驗結果中的劃痕層離寬度差異較大的原因，因此，使用劃線法作為評價不同鍍層材料的耐腐蝕性能的方法需要進一步探討。

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