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Zn沒有與電極的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，這種鍍層的耐腐蝕性明顯比純鋅鍍層強，7 μm厚的合金化鍍層相當于10 μm厚的純鋅鍍層。汽車很多部位容易聚集泥水，例如發(fā)動機罩連接處、前擋泥板、前輪罩、前后門、門檻、后翼子板、后側(cè)面板等部位還有一些點焊部位都是車身零件容易受腐蝕的零件[1]。良好的焊接性和耐腐蝕性對抵抗汽車特殊部位腐蝕非常重要，很多部位的成形過程表現(xiàn)為復(fù)雜變形，具有超深沖成形性能的產(chǎn)品是汽車板成形性的要求，保證提供質(zhì)量優(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→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，實現(xiàn)加入和氮化學配比量的鈦以及和碳化學配比量的鈮的最佳配合，提高耐時效性，提高鋼板的成形性能。經(jīng)過工業(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)波動對性能的影響不甚敏感，其工藝過程的可操作性強，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IF鋼要盡量降低C、Si含量[2]。

熱連軋工藝

對于Nb-Ti-IF鋼，熱軋低溫加熱、高溫終軋和高溫卷取對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增加。但達到較高值時，由于其他不利織構(gòu)取向密度的提高，r值會有所下降，在大生產(chǎn)條件下，由于軋機的壓下率在拐點以下，應(yīng)盡量提高壓下率。達到增加退火時有利織構(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、基板化學成分等因素。鋅液有效鋁含量控制在0.12%~0.14%，鋁含量過低，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合金層鋁含量過高增加鍍鋅和合金化的時間，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?shù)臅r間，保證鐵元素從鍍層中充分析出達到合理的分布范圍9%~11%，這是因為鐵含量過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，過低的鐵含量表示鍍層中ζ和η相含量偏高，在沖壓成形時摩擦系數(shù)過大而易發(fā)生剝離[3]。

合金化鋼板的金相組織受晶界化學成分的影響，P存在于固溶體中是有效的強化固溶體的元素，合金化鋼板合金化退火時，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

耐時效性分析

耐時效性降低是由于加工時出現(xiàn)拉伸應(yīng)變痕。拉伸應(yīng)變痕是由于時效產(chǎn)生的，時效是鋼板隨著存放時間的延長，鋼中C、N原子沿晶內(nèi)析出，沖壓時阻礙變形，先達到屈服點的部分先產(chǎn)生塑性變形，變形的先后產(chǎn)生了拉伸應(yīng)變痕，發(fā)生時效的鋼屈服強度和抗拉強度增高，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)中心進行檢驗，檢驗結(jié)果見表1。保留等量相同試樣放置6個月再次檢驗，各指標沒有明顯降低，說明時效性能得到保證。

表1 兩次驗證的性能

兩次驗證說明，機能沒有明顯惡化，超深沖熱鍍鋅鐵合金化鋼帶表現(xiàn)出非時效性，在生產(chǎn)汽車件沖壓變形過程中不會出現(xiàn)拉伸應(yīng)變痕。

金相檢驗分析

在本鋼技術(shù)中心物理室對超深沖熱鍍鋅鐵合金化鋼帶樣件進行金相檢驗。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。圖1為典型的金相組織照片。

圖1 金相檢驗結(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超深沖鋅鐵合金化板取樣進行合金化鍍層厚度、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，這個范圍可以阻礙厚的Γ相形成，同時也使鍍層中的ζ相和δ相具有適當比例，合金化鍍層具有良好的成形性。以上數(shù)據(jù)說明合金化程度合理。有研究表明，合金化程度不足，鍍層中存在較多的延性ζ相，在沖壓成型時由于鍍層受很大的模具壓力而剝離。而過合金化增加了致密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合金化鍍層硬度，該組織的不均勻性加劇了過合金化鍍層抗粉化性能的惡化程度[4]。圖2為鍍層化學成分輝光頻普儀檢驗結(jié)果。

圖2 鍍層結(jié)構(gòu)檢驗結(jié)果

鋼基織構(gòu)分析

用美國熱電公司生產(chǎn)的X射線衍射儀進行織構(gòu)分析，從圖3可以看出，利于成形的｛111｝織構(gòu)強度較高，織構(gòu)分布較集中，這種織構(gòu)對產(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，說明工藝制度合理。

圖3 顯微織構(gòu)圖

產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的用戶確認

用戶的潛在要求分析

現(xiàn)以某汽車廠為例分析顧客的潛在要求對產(chǎn)品研發(fā)的重要性。本鋼供某汽車廠熱鍍鋅鐵合金汽車板用來沖壓成形，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)工作要了解各個單一變形所注重的鋼板的性能指標，保證這些指標，滿足顧客使用要求。零件成形類別與鋼板性能指標的相關(guān)性見表2。

表2中零件成形類別與鋼板性能指標的相關(guān)性說明既然零件的變形方式是復(fù)合的，那么n值，r值，伸長率，屈服強度，屈服伸長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)計階段應(yīng)以保證這些性能為主要目的，對于決定和影響這些性能的化學成分、軋制和熱鍍鋅等工藝參數(shù)進行合理的設(shè)計，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的相關(guān)性

用戶對產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的確認

樣件設(shè)計和開發(fā)確認是指在某汽車廠沖壓車間進行用于各部件的認證。認證過程由本鋼服務(wù)組成員、顧客代表、汽車廠沖壓車間材料組人員及工藝部人員參加。認證程序是在試沖壓幾個部件后，經(jīng)在場人員的檢查、測量、分析、判定符合要求后，認定該部件質(zhì)量合格，方可通過認證正式生產(chǎn)，完成裝車試驗，以下列舉了本鋼熱鍍鋅合金汽車板通過某汽車廠認證的五個部件見表3。

結(jié)論

（1）超深沖熱鍍鋅鐵合金化鋼帶采用Nb-Ti-IF鋼。實現(xiàn)加入和N化學配比量的Ti以及和C化學配比量的Nb的最佳配合，提高耐時效性，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增加，增加退火時的有利織構(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 五個認證部件

[1] 姚貴升, 景立媛. 汽車用鋼應(yīng)用技術(shù). 北京: 機械工業(yè)出版社, 2008:405

[2] 李九齡, 帶鋼連續(xù)熱鍍鋅. 北京: 冶金工業(yè)出版社,1995: 102.

[3] 張理揚, 李俊, 劉寶軍, 等. 寶鋼4#熱鍍鋅機組和熱鍍鋅汽車板的生產(chǎn). 寶鋼技術(shù), 2005, (1 ): 15

[4] 張理揚, 李俊, 張紅, 等. 合金化熱鍍鋅鍍層相結(jié)構(gòu)的研究方法. 物理測試, 2007, 25(5): 31

[5] 盧白巖, 金月桂, 康海軍, 等. 本鋼特深沖用熱鍍鋅板研制. 中國冶金, 2005, 15(5): 30

[6] 朱久發(fā). 汽車用合金化熱鍍鋅板鍍層缺陷及其防止措施. 武鋼技術(shù), 2009, 47(2): 45