供稿|金月桂，田玉偉，周宏偉，蘭 英 / JIN Yue-gui, TIAN Yu-wei, ZHOU Hong-wei, LAN Ying

熱鍍鋅合金化產(chǎn)品比純鋅熱鍍鋅產(chǎn)品具有良好的焊接性、涂裝性、耐腐蝕性。合金化板由于焊接前鍍層中Zn與Fe作用已經(jīng)轉(zhuǎn)變成Fe-Zn金屬間化合物，焊接時(shí)Zn沒(méi)有與電極的Cu作用形成黃銅，電極頭部磨損降低，焊接性能提高；由于鍍層鋅鐵反應(yīng)形成天然粗糙的表面保證涂料油漆的附著，涂裝性提高；抗腐蝕性能好是鋅鐵合金熱鍍鋅板的最大優(yōu)點(diǎn)，這種鍍層的耐腐蝕性明顯比純鋅鍍層強(qiáng)，7 μm厚的合金化鍍層相當(dāng)于10 μm厚的純鋅鍍層。汽車(chē)很多部位容易聚集泥水，例如發(fā)動(dòng)機(jī)罩連接處、前擋泥板、前輪罩、前后門(mén)、門(mén)檻、后翼子板、后側(cè)面板等部位還有一些點(diǎn)焊部位都是車(chē)身零件容易受腐蝕的零件[1]。良好的焊接性和耐腐蝕性對(duì)抵抗汽車(chē)特殊部位腐蝕非常重要，很多部位的成形過(guò)程表現(xiàn)為復(fù)雜變形，具有超深沖成形性能的產(chǎn)品是汽車(chē)板成形性的要求，保證提供質(zhì)量?jī)?yōu)良的超深沖熱鍍鋅合金化產(chǎn)品是至關(guān)重要的。

工藝流程及關(guān)鍵工藝

工藝流程

鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉→連鑄→加熱→熱連軋→控制冷卻→卷取→酸洗、冷軋→連續(xù)退火、鍍鋅→鍍后處理→卷取→取樣→檢驗(yàn)→包裝

煉鋼工藝

由于Ti-IF鋼中粗大的TiS等在熱軋初始階段析出，故對(duì)卷取溫度、鍍鋅工藝參數(shù)不敏感，其各向異性大，鍍層抗粉化能力差。Nb-IF鋼，NbC等析出在熱軋冷卻階段或退火階段，對(duì)卷取溫度、鍍鋅工藝參數(shù)敏感，但Nb能改善織構(gòu)從而改善各向異性，防止冷加工脆性，鍍層抗粉化能力較好。超深沖熱鍍鋅鐵合金化鋼帶采用Nb-Ti-IF鋼。Nb-Ti-IF鋼兼有Ti-IF鋼和Nb-IF鋼的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)加入和氮化學(xué)配比量的鈦以及和碳化學(xué)配比量的鈮的最佳配合，提高耐時(shí)效性，提高鋼板的成形性能。經(jīng)過(guò)工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析得到w(Ti)0.03%~0.04%，w(Nb)0.02%~0.03%范圍，工藝參數(shù)波動(dòng)對(duì)性能的影響不甚敏感，其工藝過(guò)程的可操作性強(qiáng)，便于大生產(chǎn)。

鋼中C、Si含量越高，F(xiàn)e、Zn反應(yīng)就越劇烈，F(xiàn)e-Zn合金層越厚，使鍍鋅層附著性變壞，對(duì)IF鋼要盡量降低C、Si含量[2]。

熱連軋工藝

對(duì)于Nb-Ti-IF鋼，熱軋低溫加熱、高溫終軋和高溫卷取對(duì)控制未溶解的碳氮化物有利，使｛111｝再結(jié)晶織構(gòu)充分發(fā)展，提高延伸率、n值、r值，改善成形性能。熱連軋工藝對(duì)產(chǎn)品的最終組織結(jié)構(gòu)和性能起著重要的作用，在單相奧氏體區(qū)軋制，終軋溫度控制在奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的轉(zhuǎn)變溫度附近，增加形變誘導(dǎo)鐵素體的數(shù)量，細(xì)化晶粒，以利于良好織構(gòu)的形成，采用高溫卷取的方式，增加粗化析出相的數(shù)量，改善成形性能。

冷軋工藝

冷軋壓下率合理范圍的控制可增加有利織構(gòu)取向密度，從而提高r值。Nb-Ti-IF鋼冷軋大壓下率軋制是改善其r值的關(guān)鍵，隨著冷軋壓下率的增加，原熱軋板中接近各向同性的鐵素體晶粒沿變形方向伸長(zhǎng)增加。但達(dá)到較高值時(shí)，由于其他不利織構(gòu)取向密度的提高，r值會(huì)有所下降，在大生產(chǎn)條件下，由于軋機(jī)的壓下率在拐點(diǎn)以下，應(yīng)盡量提高壓下率。達(dá)到增加退火時(shí)有利織構(gòu)的目的。

熱鍍鋅工藝

要得到高品質(zhì)的合金化鍍層，需要選擇合適的合金化退火工藝，影響合金化的因素主要有鋅液有效Al含量、合金化溫度、基板化學(xué)成分等因素。鋅液有效鋁含量控制在0.12%~0.14%，鋁含量過(guò)低，作為粘附介質(zhì)的Fe2Al5中間層不易形成，使鍍層附著性下降；Fe-Zn合金層鋁含量過(guò)高增加鍍鋅和合金化的時(shí)間，耐剝離性降低，易產(chǎn)生粉化。

鍍鋅后帶鋼在合金化爐中的溫度控制在合理范圍并均熱適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，保證鐵元素從鍍層中充分析出達(dá)到合理的分布范圍9%~11%，這是因?yàn)殍F含量過(guò)高鍍層中韌性較好的δ相減少而脆性較大的Γ相增加，不利于其抗粉化性，過(guò)低的鐵含量表示鍍層中ζ和η相含量偏高，在沖壓成形時(shí)摩擦系數(shù)過(guò)大而易發(fā)生剝離[3]。

合金化鋼板的金相組織受晶界化學(xué)成分的影響，P存在于固溶體中是有效的強(qiáng)化固溶體的元素，合金化鋼板合金化退火時(shí)，一些P原子在Fe元素晶粒邊界偏析，富磷的晶粒邊界將延緩Zn的擴(kuò)散，要完成合金化反應(yīng)必須提高合金化退火溫度而使鍍層富Fe而增加粉化的敏感性。因此控制P含量從而保證合適的合金化退火溫度至關(guān)重要。

產(chǎn)品綜合性能分析

耐時(shí)效性分析

耐時(shí)效性降低是由于加工時(shí)出現(xiàn)拉伸應(yīng)變痕。拉伸應(yīng)變痕是由于時(shí)效產(chǎn)生的，時(shí)效是鋼板隨著存放時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼中C、N原子沿晶內(nèi)析出，沖壓時(shí)阻礙變形，先達(dá)到屈服點(diǎn)的部分先產(chǎn)生塑性變形，變形的先后產(chǎn)生了拉伸應(yīng)變痕，發(fā)生時(shí)效的鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增高，成形性能下降。抽取超深沖熱鍍鋅鐵合金化鋼帶樣件在本鋼技術(shù)中心進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。保留等量相同試樣放置6個(gè)月再次檢驗(yàn)，各指標(biāo)沒(méi)有明顯降低，說(shuō)明時(shí)效性能得到保證。

表1 兩次驗(yàn)證的性能

兩次驗(yàn)證說(shuō)明，機(jī)能沒(méi)有明顯惡化，超深沖熱鍍鋅鐵合金化鋼帶表現(xiàn)出非時(shí)效性，在生產(chǎn)汽車(chē)件沖壓變形過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)拉伸應(yīng)變痕。

金相檢驗(yàn)分析

在本鋼技術(shù)中心物理室對(duì)超深沖熱鍍鋅鐵合金化鋼帶樣件進(jìn)行金相檢驗(yàn)。金相組織為均勻的鐵素體，平均晶粒直徑15~19 μm，晶粒度7.5~8.0級(jí)。圖1為典型的金相組織照片。

圖1 金相檢驗(yàn)結(jié)果

鋅鐵合金層結(jié)構(gòu)分析

在本鋼技術(shù)中心分檢室用輝光光譜儀對(duì)超深沖鋅鐵合金化板取樣進(jìn)行合金化鍍層厚度、合金層中Zn、Fe等元素總重量及不同位置百分含量的測(cè)定，試樣合金層中Zn總重量為54.8~60.7 g/m2，F(xiàn)e總重量為19.3~20.4 g/m2。接近表面處試樣Zn百分含量在87%左右，F(xiàn)e百分含量在10%~11%左右，這個(gè)范圍可以阻礙厚的Γ相形成，同時(shí)也使鍍層中的ζ相和δ相具有適當(dāng)比例，合金化鍍層具有良好的成形性。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明合金化程度合理。有研究表明，合金化程度不足，鍍層中存在較多的延性ζ相，在沖壓成型時(shí)由于鍍層受很大的模具壓力而剝離。而過(guò)合金化增加了致密δ相的厚度并使其出現(xiàn)極不均勻組織，致密δ相的微晶粒增加了過(guò)合金化鍍層硬度，該組織的不均勻性加劇了過(guò)合金化鍍層抗粉化性能的惡化程度[4]。圖2為鍍層化學(xué)成分輝光頻普儀檢驗(yàn)結(jié)果。

圖2 鍍層結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)結(jié)果

鋼基織構(gòu)分析

用美國(guó)熱電公司生產(chǎn)的X射線衍射儀進(jìn)行織構(gòu)分析，從圖3可以看出，利于成形的｛111｝織構(gòu)強(qiáng)度較高，織構(gòu)分布較集中，這種織構(gòu)對(duì)產(chǎn)品的沖壓成形極為有利，可使鋼板獲得優(yōu)異的深沖性能，說(shuō)明工藝制度合理。

圖3 顯微織構(gòu)圖

產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的用戶確認(rèn)

用戶的潛在要求分析

現(xiàn)以某汽車(chē)廠為例分析顧客的潛在要求對(duì)產(chǎn)品研發(fā)的重要性。本鋼供某汽車(chē)廠熱鍍鋅鐵合金汽車(chē)板用來(lái)沖壓成形，沖壓成形的部位為右前腳踏板、右/左側(cè)圍后下內(nèi)板、后地板后橫梁外板、左第一邊支梁后板、左右翼子板等。這些不同部位，它們共同點(diǎn)是每種零件的變形方式是復(fù)合的而不是單一的。研發(fā)工作要了解各個(gè)單一變形所注重的鋼板的性能指標(biāo)，保證這些指標(biāo)，滿足顧客使用要求。零件成形類別與鋼板性能指標(biāo)的相關(guān)性見(jiàn)表2。

表2中零件成形類別與鋼板性能指標(biāo)的相關(guān)性說(shuō)明既然零件的變形方式是復(fù)合的，那么n值，r值，伸長(zhǎng)率，屈服強(qiáng)度，屈服伸長(zhǎng)將是影響零件成形的關(guān)鍵因素，找到了關(guān)鍵因素，產(chǎn)品研發(fā)的設(shè)計(jì)階段應(yīng)以保證這些性能為主要目的，對(duì)于決定和影響這些性能的化學(xué)成分、軋制和熱鍍鋅等工藝參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以防止這些性能不合造成的零件成形缺陷。

表2 零件成形類別與鋼板性能指標(biāo)的相關(guān)性

用戶對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的確認(rèn)

樣件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)確認(rèn)是指在某汽車(chē)廠沖壓車(chē)間進(jìn)行用于各部件的認(rèn)證。認(rèn)證過(guò)程由本鋼服務(wù)組成員、顧客代表、汽車(chē)廠沖壓車(chē)間材料組人員及工藝部人員參加。認(rèn)證程序是在試沖壓幾個(gè)部件后，經(jīng)在場(chǎng)人員的檢查、測(cè)量、分析、判定符合要求后，認(rèn)定該部件質(zhì)量合格，方可通過(guò)認(rèn)證正式生產(chǎn)，完成裝車(chē)試驗(yàn)，以下列舉了本鋼熱鍍鋅合金汽車(chē)板通過(guò)某汽車(chē)廠認(rèn)證的五個(gè)部件見(jiàn)表3。

結(jié)論

（1）超深沖熱鍍鋅鐵合金化鋼帶采用Nb-Ti-IF鋼。實(shí)現(xiàn)加入和N化學(xué)配比量的Ti以及和C化學(xué)配比量的Nb的最佳配合，提高耐時(shí)效性，提高鋼板的成形性能。

（2）熱連軋工序采用高溫卷取的方式，增加粗化析出相的數(shù)量，改善成形性能。

（3）冷軋工序采用大壓下率軋制鐵素體晶粒沿變形方向伸長(zhǎng)增加，增加退火時(shí)的有利織構(gòu)。

（4）熱鍍鋅工序采用合適的合金化退火工藝，保證鐵元素從鍍層中充分析出達(dá)到合理的分布范圍9%~11%，得到抗粉化性能的合金化鍍層結(jié)構(gòu)，從而得到焊接性、涂裝性、耐腐蝕性的優(yōu)質(zhì)超深沖熱鍍鋅鐵合金化產(chǎn)品。

表3 五個(gè)認(rèn)證部件

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