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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及伸長率不變的情況提升了折彎角性能，在汽車應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢。對(duì)1 500 MPa薄鋁硅鍍層熱成形鋼進(jìn)行了應(yīng)用性能研究，包括成形性能、焊接性能、腐蝕性能、膠粘性能。結(jié)果顯示，減薄鋁硅鍍層對(duì)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(shè)計(jì)要求，膠粘性能也無明顯變化。因此，可以推進(jìn)薄鋁硅鍍層熱成形鋼在車身上的批量應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：薄鋁硅鍍層 熱成形鋼 輕量化 超高強(qiáng)度鋼

中圖分類號(hào)：U465.1+1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(biāo)的提出，汽車行業(yè)節(jié)能減排的要求也更加嚴(yán)苛，輕量化已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。研究表明[1-2]，汽車質(zhì)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(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼，可以減輕質(zhì)量的同時(shí)而不降低強(qiáng)度。目前，1 500 MPa級(jí)別熱成形鋼作為超高強(qiáng)度鋼的典型已經(jīng)在汽車行業(yè)應(yīng)用中日趨成熟，部分車型應(yīng)用比例已達(dá)15%[3]。

由于熱成形工藝需要將板料在900 ℃進(jìn)行奧氏體化，不可避免的會(huì)產(chǎn)生氧化，因此，ArcelorMittal公司最早提出并應(yīng)用了Al-Si鍍層技術(shù)[4]，避免了無鍍層板在生產(chǎn)與應(yīng)用過程中出現(xiàn)的諸多問題，目前在熱沖壓鋼應(yīng)用中其占比＞60%。但是，有研究表明[5-6]，減薄ArcelorMittal公司專利所規(guī)定的鍍層厚度（10～25 μm），鍍層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，不但可以規(guī)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(chǔ)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(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

2 薄鋁硅鍍層熱成形鋼基礎(chǔ)性能

2.1 化學(xué)成分與顯微組織

根據(jù)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(fā)射光譜法（常規(guī)法）》[5]，采用DGSNS金屬材料元素分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，基體成分與常規(guī)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(guī)鍍層明顯減薄。易紅亮等[6]研究表明，該鍍層結(jié)構(gòu)中，相互擴(kuò)散層α-Fe較常規(guī)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(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[7]，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，對(duì)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(qiáng)度和延伸率有所上升，抗拉強(qiáng)度無變化。

2.3 冷彎性能

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)VDA 238-100《金屬材料的板彎曲試驗(yàn)》[8]進(jìn)行冷彎性能試驗(yàn)，試樣尺寸為60 mm×60 mm，采用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)比了鋼板的縱向和橫向樣品。結(jié)果如表3所示，薄鋁硅鍍層熱成形鋼的彎曲角比常規(guī)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(guī)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(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試樣進(jìn)行應(yīng)力預(yù)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(qiáng)度的應(yīng)力（1 325 MPa）保持96 h未開裂，如圖2所示。結(jié)果表明，薄鋁硅鍍層熱成形鋼的延遲開裂風(fēng)險(xiǎn)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(qiáng)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(qiáng)橫梁零件，如圖3所示，零件成形性能良好，未出現(xiàn)起皺、開裂現(xiàn)象，藍(lán)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(hào)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(guī)鍍層熱成形鋼相同，為950 ℃。研究了總在爐時(shí)間（200 s/220 s/260 s）對(duì)其性能及組織的影響，結(jié)果如表4所示，總在爐時(shí)間對(duì)材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度沒有明顯的影響，但是延伸率在較長加熱時(shí)間時(shí)有不同程度的下降?？傮w來說在不同在爐時(shí)間下，性能都能達(dá)到熱成形鋼標(biāo)準(zhǔn)。在200 s/220 s/260 s加熱時(shí)，均加熱充分，組織均為全馬氏體。

3.2 點(diǎn)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(jù)AWS D8.9M—2012《汽車鋼板點(diǎn)焊評(píng)價(jià)方法》[11]，進(jìn)行1.4 mm/1.4 mm兩層板點(diǎn)焊試驗(yàn)。評(píng)價(jià)前預(yù)先完成達(dá)到最小熔核直徑的50個(gè)穩(wěn)定焊點(diǎn)，待穩(wěn)定后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。為獲得可焊性范圍，選取230 ms，電流依次增加100 mA，連續(xù)完成3個(gè)合格焊點(diǎn)，記作A點(diǎn)；選取200 ms，A電流依次增加100 mA，連續(xù)完成3個(gè)合格焊點(diǎn)，記作B點(diǎn)；選取170 ms，B電流依次增加100 mA，連續(xù)完成3個(gè)合格焊點(diǎn)，記作C點(diǎn)；選取230 ms，C電流依次增加200 mA，直到產(chǎn)生飛濺，記作D點(diǎn)；選取200 ms，D電流依次增加200 mA，直到產(chǎn)生飛濺，記作E點(diǎn)；選取170 ms，D電流依次增加200 mA，直到產(chǎn)生飛濺，記作F點(diǎn)；選取200 ms，E電流減100 mA，記作G點(diǎn)，最后得到的焊接窗口如圖5所示。結(jié)果表明，薄鋁硅鍍層熱成形鋼的焊接范圍要比常規(guī)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(nèi)焊接質(zhì)量，取圖5中A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)的焊接試樣進(jìn)行金相分析，如圖6所示。焊核內(nèi)部質(zhì)量符合要求，無明顯缺陷。剝離焊核尺寸如表5所示，A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)滿足最小焊核直徑要求，均為5 mm左右，D點(diǎn)、E點(diǎn)、F點(diǎn)為飛濺點(diǎn)。

3.2.3 焊點(diǎn)硬度

在最佳焊接參數(shù)條件下，檢測焊點(diǎn)硬度分布，根據(jù)GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》[12]，沿圖7中位置對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度梯度測試，測試間距為0.2 mm，結(jié)果如圖8所示。結(jié)果顯示，焊縫區(qū)硬度最高，硬度值約為540 HV1；熱影響區(qū)硬度最低，硬度值約為340 HV1；母材區(qū)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(duì)圖5中的邊界點(diǎn)，還對(duì)比分析了薄鋁硅鍍層熱成形鋼和常規(guī)鍍層熱成形鋼的剪切拉伸和十字拉伸性能。結(jié)果如圖9和圖10所示，AS25為薄鋁硅鍍層熱成形鋼，AS70為常規(guī)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(guī)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(diǎn)外，其他區(qū)域都較常規(guī)鍍層拉伸峰值力（19～23 kN）高?？傊?，薄鋁硅鍍層比常規(guī)鍍層更具優(yōu)勢。

3.3 腐蝕性能

3.3.1 中性鹽霧試驗(yàn)

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(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》[13]進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，腐蝕介質(zhì)為5%NaCl溶液，pH值為6.5～7.2，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度為（35±2） °C，采用連續(xù)噴霧方式。每80 cm2的鹽霧沉降量約為1.5 mL/h。在不同的時(shí)間段觀察試樣表面的腐蝕以及單邊擴(kuò)蝕寬度情況。從圖11可見，經(jīng)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(cè)并無起泡。經(jīng)過測量，480 h后單邊最大擴(kuò)蝕寬度平均2.5 mm，比常規(guī)鍍層腐蝕性能略差，但符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.2 循環(huán)鹽霧試驗(yàn)

文獻(xiàn)[14]進(jìn)行了循環(huán)鹽霧試驗(yàn)，介質(zhì)由0.9%氯化鈉、0.075%碳酸氫鈉和0.1%氯化鈣組成。循環(huán)28次±3次，1次循環(huán)24 h，其中包括8 h鹽水噴霧階段[（25±3） °C，相對(duì)濕度（45±10）%]、8 h潮濕階段[（49±2） °C，相對(duì)濕度約100%]，8 h干燥階段[（60±2） °C，相對(duì)濕度≤30%]，每個(gè)循環(huán)4次噴淋。為了觀察試樣表面的變化情況及腐蝕行為，試驗(yàn)結(jié)束后先用清水洗凈表面的鹽霧，再用酒精清洗，最后用吹風(fēng)機(jī)吹干。通過觀察銹跡與表面起泡現(xiàn)象，記錄紅銹出現(xiàn)的時(shí)間，并測定單邊擴(kuò)蝕寬度，以評(píng)價(jià)耐腐蝕性能。如圖12所示，經(jīng)過28個(gè)循環(huán)后，表面有紅銹，平均鼓泡寬度為1.8 mm，擴(kuò)蝕寬度為2.3 mm，與中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果類似，雖然腐蝕性能較常規(guī)鍍層差，但是符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 膠粘性能

由于鍍層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在白車身上的膠粘性能需要驗(yàn)證。根據(jù)GB/T 7124—2008《膠粘劑 拉伸剪切強(qiáng)度的測定（剛性材料對(duì)剛性材料）》[15]，利用國內(nèi)某汽車廠車身專用減振膠、結(jié)構(gòu)膠、點(diǎn)焊膠及折邊膠進(jìn)行膠粘測試。結(jié)果如表6所示，烘烤條件對(duì)4種膠的剪切強(qiáng)度影響不大。不同膠種因功能不同，剪切強(qiáng)度有所不同，但是測試值基本穩(wěn)定，且符合某鋼廠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，雖然薄鋁硅鍍層熱成形鋼的鍍層結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，但是其表面狀態(tài)依然與常規(guī)鋁硅鍍層相似，膠粘不用切換即可滿足要求。

4 結(jié)束語

本文對(duì)薄鋁硅鍍層1 500 MPa熱成形鋼進(jìn)行了一系列應(yīng)用技術(shù)研究，包括化學(xué)成分、力學(xué)性能、成形性能、焊接性能、膠粘性能，得出如下結(jié)論。

a. 1 500 MPa薄鋁硅鍍層熱成形鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及伸長率與1 500 MPa常規(guī)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(fēng)險(xiǎn)也有所降低，在汽車應(yīng)用中有較大的優(yōu)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(guī)鍍層熱成形鋼可以使用相同工藝，在汽車應(yīng)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(guī)鍍層熱成形鋼更寬，焊接性能更好，也歸因于其鋁硅鍍層較薄；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(yàn)還是循環(huán)鹽霧試驗(yàn)結(jié)果都符合設(shè)計(jì)要求，并不影響實(shí)際應(yīng)用；

e.雖然薄鋁硅鍍層熱成形鋼的鍍層結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，但是其表面狀態(tài)依然與常規(guī)鋁硅鍍層相似，膠粘性能也滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李軍. 乘用車輕量化及微合金化鋼板的應(yīng)用[M]. 北京： 北京理工大學(xué)出版社， 2015.

[2] 趙隆卿， 莊厚川， 曹廣祥， 等. 熱成形技術(shù)在車身零件上的應(yīng)用概述[J]. 汽車工藝與材料， 2021（12）： 24-28.

[3] 梁江濤. 2 000 MPa級(jí)熱成形鋼的強(qiáng)韌化機(jī)制及應(yīng)用技術(shù)研究[D]. 北京： 北京科技大學(xué)， 2019.

[4] 安賽樂米塔爾法國公司. 涂覆的鋼帶材、其制備方法、其使用方法、由其制備的沖壓坯料、由其制備的沖壓產(chǎn)品和含有這樣的沖壓產(chǎn)品的制品： CN200680056246.4[P]. 2014-08-27[2022-07-05].

[5] 全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC 183）. 碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）： GB/T 4336—2016[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2016.

[6] 易紅亮， 常智淵， 才賀龍， 等. 熱沖壓成形鋼的強(qiáng)度與塑性及斷裂應(yīng)變[J]. 金屬學(xué)報(bào)， 2020， 56（4）： 429-443.

[7] 全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC 183）. 金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法： GB/T 228.1—2021[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2021.

[8] 金屬材料的板彎曲試驗(yàn)： VDA 238-100[S]. [2022-07-05].

[9] WANG Z， XU N A， HUANG M X. Phase transformation and carbon profile at the interface between Al-Si coating and steel substrate in a press-hardened steel[J]. Materialia， 2021， 20： 101268.

[10] ISC. Corrosion of metals and alloys — Stress corrosion testing — Part 2： Preparation and use of bent-beam specimens： ISO 7539-2：1989[S/OL]. [2022-07-05]. https：//www.iso.org/standard/14315.html.

[11] American Welding Society. Test Methods for Evaluating the Resistance Spot Welding Behavior of Automotive Sheet Steel Materials： AWS D8.9M—2012[S]. [2022-07-05].

[12] 全國焊接標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 焊接接頭硬度試驗(yàn)方法： GB/T 2654—2008[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2008.

[13] 全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)： GB/T 10125—2021[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2021.

[14] 車漢生， 鄭子迎， 駱漢英， 等. 不同品牌汽車的零部件及材料加速腐蝕試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)對(duì)標(biāo)分析[J]. 環(huán)境技術(shù)， 2019， 37（3）： 125-133.

[15] 全國膠粘劑標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 膠粘劑 拉伸剪切強(qiáng)度的測定（剛性材料對(duì)剛性材料）： GB/T 7124—2008[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2008.