劉祥東　王立輝　潘利波　葉盛微

(1.武鋼研究院　湖北　武漢:430080;2.神龍汽車有限公司技術中心　湖北　武漢:430056)

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厚規(guī)格輥壓用熱鍍鋅高強鋼的開發(fā)與性能研究

劉祥東1王立輝1潘利波1葉盛微2

(1.武鋼研究院湖北武漢:430080;2.神龍汽車有限公司技術中心湖北武漢:430056)

摘要利用改良森吉米爾法臥式退火爐設備特性，在低碳錳鋼基礎上適當添加微合金化元素Nb，成功開發(fā)出組織為鐵素體和珠光體的厚規(guī)格熱鍍鋅高強鋼，該鋼鋼質純凈、晶粒細小、具有優(yōu)良的冷成形性和良好的性能均勻性，成功應用于輥壓成形機組的復雜零件制造。

關鍵詞厚規(guī)格；輥壓成形；熱鍍鋅高強鋼；性能均勻性

輥壓成型(冷彎成型)是金屬加工的重要方法之一，是將卷料或板料通過有多種型面的軋輥模具順序橫向彎曲成型的一種技術。冷彎型材能達到最好的截面力學性能，是先進適用的漸進成型技術，其工藝上的優(yōu)勢，特別是對于復雜的截面形狀，生產效率高、具有大批量規(guī)模效益，已在汽車、建筑等領域得到廣泛應用[1]。

為滿足汽車輕量化和整車耐腐蝕性能的需求，以掛車為代表的商務車選材普遍采用高強度厚規(guī)格冷軋熱鍍鋅板替代熱軋板。為滿足某車企輥壓成形機組對厚規(guī)格(2.5mm)用材的需求，結合改良型森吉米爾法熱鍍鋅機組裝備特點，本文開發(fā)了屈服強度350MPa級的熱鍍鋅高強鋼，該鋼不僅具有高強度和高延伸率，還具有優(yōu)良的冷成形性、鋅層附著力、性能均勻性以及高表面質量，可用來制作冷變形性能要求較高的成型結構件。

1厚規(guī)格高強鋼的開發(fā)

商用車制造企業(yè)普遍采用熱軋板制造商用車成型結構件，某合資車企商用車車型選材設計中，采用屈服強度275MPa級別熱軋鋼板制造車廂底板、側板等零件，其鋼板厚度規(guī)格以2.8mm為主。在使用過程中，由于熱軋板厚度方向上組織差異性導致性能不均勻易產生輥壓開裂、回彈等成形缺陷，且存在酸洗后表面缺陷影響涂裝質量等生產事故，急需選擇替代材料。

1.1材料設計

為滿足整車輕量化、材料性能均勻性和高表面質量要求，開發(fā)設計了厚規(guī)格熱鍍鋅冷軋高強鋼作為替代材料。根據高強度鋼板減薄經驗公式和整車剛度要求，冷軋鋼板厚度為2.5mm，其屈服強度級別為350MPa。

(1)

式中：t2為高強度鋼鋼板厚度；t1為低強度鋼鋼板厚度；Re2為高強度鋼屈服強度；Re1為低強度鋼屈服強度。

為滿足材料性能要求，鋼種成分設計采用低碳、低Mn、無Si、Nb微合金化的成分設計，利用改良森吉米爾法臥式退火爐設備特性，突破了美鋼聯(lián)法立式退火爐生產2.5mm厚規(guī)格產品的通板困難，實現了厚規(guī)格熱鍍鋅鋅層產品的批量生產。無Si元素設計避免了“Sandelin效應”引起的鋅層表面質量惡化[2]，Nb微合金化起到了細晶強化和析出強化的作用、且有利于性能均勻性[3]。

1.2材料開發(fā)

實驗鋼的生產工藝流程如下：鐵水脫硫→轉爐吹煉→吹氬→連續(xù)鑄鋼→熱連軋→酸洗+冷連軋→熱鍍鋅→精整。實驗鋼經過轉爐冶煉后，進行吹氬處理，確保鋼的純凈度；連鑄時，采用氬封保護澆注，以避免鋼水的二次氧化；熱軋采用控軋控冷技術進行生產，通過控制組織轉變、相變和沉淀析出等來改善材料的性能，充分發(fā)揮微合金元素的作用[3]；熱鍍鋅采用明火加熱方式可保證厚規(guī)格鋼板熱處理過程的溫度均勻性；熱處理溫度選用800℃，保證了冷硬態(tài)鋼板的完全再結晶和性能均勻性。

實驗鋼的成分設計如表1所示。

表1　實驗鋼的成分設計

實驗鋼主要力學性能指標參照國外標準EN 10346，如表2所示。

表2　實驗鋼的力學性能

2性能研究與分析討論

2.1實驗方法

為檢驗實驗鋼的綜合性能，需開展系列力學及微觀組織檢驗實驗，具體實驗方法如下：

(1)實驗加工制成橫、縱向拉伸試樣和橫向冷彎試樣，在WE-60萬能拉伸試驗機上進行拉伸實驗和180°寬冷彎實驗。

(2)在成品板中部取金相試樣，將試樣板面磨平、拋光，經3%的硝酸酒精溶液浸蝕后，在OLYMPUS GX71型金相顯微鏡觀察下觀察微觀組織。

(3)沿成品板上沿板面切取金屬薄片，用二次復型法制成透射電鏡樣品，在JEM2100F型透射電鏡中觀察組織形態(tài)，并用INCA能譜儀對析出相進行成分分析。

2.2力學性能

通過對實驗鋼的頭部、中部、尾部三個部位進行拉伸及冷彎實驗，分析實驗鋼的力學性能及波動性，如表3所示。從表中看出，實驗鋼不同部位的力學性能值均達到設計目標要求，以橫向樣為例，頭、中、尾三個部位的屈服強度、抗拉強度、延伸率的波動分別是±10MPa，±13MPa，±1%，表明生產控制能力強，實驗鋼頭尾部性能波動小。冷彎實驗的結果表明，各種實驗條件下，試樣的冷彎合格率均為100%，實驗鋼具有優(yōu)良的冷成形性能，能夠滿足輥壓成形結構件生產的需要。

2.3微觀組織分析

實驗鋼由于強度的提高，延性會降低，要保證鋼材的冷成形性，關鍵的一點是要控制好鋼材顯微組織和夾雜物的數量及形狀。在冶煉生產中，對硫、氧等元素進行了嚴格的控制，金相觀察結果顯示，實驗鋼的夾雜物類型是1級氧化鋁類，如圖1所示，未見其它夾雜，表明實驗鋼的鋼質純凈，對冷成形性及延伸凸緣性有利。顯微組織由鐵素體加珠光體組成，如圖2所示，鐵素體占90%，珠光體占10%，晶粒度為12級。

表3　實驗鋼不同部位不同方向的力學性能

圖1　實驗鋼夾雜物

圖2　實驗鋼組織

透射電鏡的實驗結果顯示，實驗鋼的珠光體組織中滲碳體形態(tài)主要為顆粒狀，極少量為片狀。析出相數量較多，如圖3所示，形態(tài)為矩形或不規(guī)則形，分布較均勻。析出相尺寸主要為50～120nm，有極少量為20nm左右。能譜儀分析析出相類型主要為Nb(C,N)，如圖4所示。

圖3　實驗鋼析出相

圖4　實驗鋼析出相能譜圖

2.4應用情況

實驗鋼在某汽車廠輥壓成形機組上取得了批量穩(wěn)定應用，用于制造重型貨車的車廂板、支撐板等結構件，以及對冷變形性能要求較高的車廂底板。用戶反映該鋼表面質量優(yōu)異、質量穩(wěn)定可靠，性能波動小，具有良好的綜合性能，尤其是優(yōu)良的冷成型性能，滿足了其生產復雜零件的需求。同時，通過材料高強化實現了零件10%輕量化，具有顯著的經濟社會效益。

2.5分析討論

鋼鐵材料高強化與延性的合理匹配，是材料研發(fā)的基礎要求之一。為保證材料的輥壓成形性能，試驗鋼采用Nb微合金化的合金成分設計，提高了材料奧氏體化再結晶溫度，實現了再結晶過程中鐵素體晶粒細化，保證鋼材的冷成形性能。通過微觀組織分析可知，鐵素體晶粒度12級，細小的Nb(C,N)析出物均勻分布、抑制了鐵素體晶粒的長大，充分驗證了Nb微合金化的強化效果。通過微觀組織均勻性和1級氧化鋁類夾雜物的觀測，表明性能均勻性與微觀組織均勻性的一一對應關系，最終體現在輥壓成形零件優(yōu)異的成形尺寸精度和表面質量。

3結論

(1)利用改良森吉米爾法臥式退火爐設備特性，在低C-Mn鋼基礎上添加微合金化元素Nb，成功開發(fā)出2.5mm厚規(guī)格、屈服強度350MPa級的熱鍍鋅高強鋼。屈服強度平均值達到385MPa，抗拉強度平均值達到494MPa，延伸率平均值達到26%，達到性能設計要求。

(2)通過控軋控冷工藝，實驗鋼獲得細小的鐵素體和珠光體組織，晶粒度達到12級。透射電鏡分析表明析出物為Nb化合物，尺寸范圍是50～120nm，分布均勻。晶粒細化及鋼質純凈保證實驗鋼在獲得高強度的同時，韌塑性得到有效的保障。

(3)實驗鋼成功應用于復雜變形零件的生產，具有優(yōu)良的冷成型性和良好的綜合性能，滿足用戶的使用要求，創(chuàng)造了顯著的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]韓非,石磊,肖華，等.應用先進高強鋼的典型汽車零件輥壓成形關鍵技術及開發(fā)[J].塑性工程學報,2013,20(3):65-69．

[2]孔綱,盧錦堂,陳錦虹，等.鋼中元素對鋼結構件熱鍍鋅的影響[J].腐蝕科學與防護技術,2004,16(3):162-165．

[3]N. Maruyama, G.D.W.Smith. Effect of Nitrogen and Carbon on the Early Stage of Austenite Recrystallisation in Iron-Niobium Alloys[J]. Materials Science and Engineering,2002,A327:34-39.

(責任編輯：李文英)

Development and Properties Research of Hot-dipGalvanizing high Strength Thick Plate for Roll Forming

Liu Xiangdong1Wang Lihui1Pan Libo1Ye Shengwei2

(1.Research and Development Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei；2.DONGFENG PEUGEOT CITROEN Automobile Co.Ltd.， Wuhan 430056， Hubei)

Abstract:Using improved Sendzimir coating process, hot-dip galvanizing high strength thick plate with a microstructure of perlite and ferrolite is successfully developed by adding appropriate Nb on the base of low carbon manganese steel. Owing to its pure materials, fine grain size, excellent cold forming performance and well homogenization, the steel is used to make complex parts with roll forming equipment.

Key words:thick gauge；roll forming；galvanized high strength steel；homogeneity of property

收稿日期：2016-01-19修回日期：2016-04-05

作者簡介：劉祥東(1984～)，男，碩士，工程師.E-mail：liuxiangdong@wisco.com.cn

中圖分類號：TG142.1

文獻標識碼：A

文章編號：1671-3524(2016)02-0019-03