供稿|尹翠蘭，姜麗，康華偉 / YIN Cui-lan, JIANG Li, KANG Hua-wei

作者單位：山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東 日照 276800

內(nèi)容導(dǎo)讀HC420LAD+Z是冷軋低合金高強(qiáng)鋼的典型牌號(hào)。隨著汽車主機(jī)廠對(duì)鋼帶質(zhì)量要求的不斷提高，熱鍍鋅HC420LAD+Z鋼帶憑借較高的屈服強(qiáng)度以及良好的成型、焊接和防腐性能，廣泛應(yīng)用于汽車的結(jié)構(gòu)件或加強(qiáng)件，但力學(xué)性能的波動(dòng)會(huì)對(duì)主機(jī)廠模具的沖壓造成一定的影響。本文通過對(duì)某鋼廠的熱鍍鋅HC420LAD+Z鋼帶進(jìn)行生產(chǎn)穩(wěn)定性研究，優(yōu)化生產(chǎn)過程關(guān)鍵工藝參數(shù)，對(duì)其化學(xué)成分與力學(xué)性能實(shí)績(jī)的過程能力指數(shù)Cpk值進(jìn)行計(jì)算分析，Cpk值均大于1.33，說明生產(chǎn)過程能力達(dá)到了理想的狀態(tài)，并形成了一套完善、穩(wěn)定、高效、可控的生產(chǎn)工藝方案，對(duì)于汽車廠和鋼廠都具有很重要的意義。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，當(dāng)代冶金學(xué)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)也跟著時(shí)代的發(fā)展發(fā)生了戰(zhàn)略性的變化。當(dāng)代冶金學(xué)的戰(zhàn)略目標(biāo)除了制造新一代產(chǎn)品以外，已經(jīng)聚焦于冶金工廠的綠色化（綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展）和智能化發(fā)展（智能化設(shè)計(jì)、智能化生產(chǎn)、智能化服務(wù)、智能化管理等）[1]。在中國(guó)汽車需求量日益增加的同時(shí)，伴隨著生態(tài)環(huán)保的加強(qiáng)，汽車輕量化成為汽車工業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。低合金高強(qiáng)度熱鍍鋅鋼板作為解決車身輕量化的有效手段，不僅可以減輕車身重量、降低油耗、減少二氧化碳排放量，同時(shí)還可以有效提高耐腐蝕性以及安全性能。低合金高強(qiáng)鋼成分設(shè)計(jì)時(shí)加入了微量的強(qiáng)碳化物形成元素，如鈮、釩和鈦，組織由鐵素體和少量珠光體組成，第二相析出物彌散分布，主要依靠碳化物、氮化物在鐵素體基體上的析出強(qiáng)化阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高屈服強(qiáng)度[2-4]。HC420LAD+Z作為冷軋低合金高強(qiáng)鋼中最典型的牌號(hào)，憑借高的屈服強(qiáng)度，以及良好的成型、焊接和防腐性能，廣泛應(yīng)用于汽車加強(qiáng)結(jié)構(gòu)件。目前，國(guó)內(nèi)大型鋼廠基本都具備生產(chǎn)熱鍍鋅HC420LAD+Z的能力，但生產(chǎn)穩(wěn)定性卻存在一定有差異。本文對(duì)某鋼廠美鋼聯(lián)法熱鍍鋅工藝生產(chǎn)的熱鍍鋅HC420LAD+Z主要化學(xué)成分與力學(xué)性能進(jìn)行過程能力分析，以改善提高產(chǎn)品Cpk值為背景，通過優(yōu)化成分設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程關(guān)鍵工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)成品力學(xué)性能的穩(wěn)定控制，提高了用戶滿意度。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

化學(xué)成分

某鋼廠設(shè)計(jì)的HC420LAD+Z鋼的化學(xué)成分要求如表1所示。通過低C 元素控制，有利于了沖壓成型且降低了碳當(dāng)量，對(duì)汽車鋼的加工及焊接等提供了基礎(chǔ)；添加少量的強(qiáng)固溶強(qiáng)化P元素，鋼的冷脆性影響很小，可實(shí)現(xiàn)低成本高強(qiáng)度控制；添加Nb、Ti等微合金元素，對(duì)析出強(qiáng)化與細(xì)晶強(qiáng)化起到了良好促進(jìn)作用，確保成品鋼帶的組織與性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 HC420LAD+Z鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

工藝路線

KR脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→RH精煉→連鑄→板坯檢驗(yàn)→加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→平整（根據(jù)需要）→熱卷檢驗(yàn)→酸連軋→連續(xù)熱鍍鋅→重卷/拉矯（根據(jù)需要）→冷卷檢驗(yàn)→包裝→入庫(kù)。

力學(xué)性能

熱鍍鋅HC420LAD+Z鋼帶是執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)EN 10346控制，為了更好滿足汽車主機(jī)廠的使用要求，某鋼廠制定了內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)值，屈服強(qiáng)度偏下限控制，抗拉強(qiáng)度偏上限控制，斷后伸長(zhǎng)率盡量高，其波動(dòng)范圍均嚴(yán)于標(biāo)準(zhǔn)。HC420LAD+Z鋼的力學(xué)性能要求如表2所示。

表2 HC420LAD+Z鋼的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值

過程能力指數(shù)

過程能力指數(shù)是指工序在一定時(shí)間里，處于控制狀態(tài)（穩(wěn)定狀態(tài)）下的實(shí)際加工能力。當(dāng)Cpk＜1.33時(shí)，說明過程能力不足，需要分析問題制定措施并實(shí)現(xiàn)最終改善；當(dāng)Cpk≥1.33時(shí)，說明生產(chǎn)過程能力達(dá)到了理想的狀態(tài)，關(guān)鍵設(shè)備及工藝參數(shù)均處于可控的良好狀態(tài)，方可實(shí)現(xiàn)過程的持續(xù)控制，滿足產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)范圍要求。過程能力指數(shù)Cpk在判定鋼種力學(xué)性能穩(wěn)定性方面是一種有效手段，能夠用量化的數(shù)據(jù)說明其穩(wěn)定程度，對(duì)于汽車廠和鋼廠都具有很重要的意義[5]。Cpk是工序過程能力指數(shù)，其值越高，則產(chǎn)品質(zhì)量特性值的分散就會(huì)越小，即受干擾因素波動(dòng)越小，表明生產(chǎn)越穩(wěn)定。

在《六西格瑪管理》一書中提到[6]，若過程輸出Y服從正態(tài)分布，如圖1（a）所示，當(dāng)過程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)時(shí)，則定義過程能力指數(shù)Cp為容差與過程波動(dòng)范圍之比，其計(jì)算公式為：

圖1 過程能力指數(shù)示意圖

式中，USL、LSL分別是質(zhì)量特性的上、下規(guī)格限；σ是標(biāo)準(zhǔn)差；T是容差。

Cp是描述過程能力的最重要指標(biāo)，過去通常稱Cp＜1時(shí)，過程能力不足；1≤Cp＜1.33時(shí)，過程能力尚可；1.33≤Cp＜1.67時(shí)，過程能力充足。但是Cp指數(shù)只是反映了過程的潛在能力，與過程輸出的均值無(wú)關(guān)，當(dāng)過程輸出的均值μ與規(guī)格中心或目標(biāo)值M不重合時(shí)，盡管Cp值較大，但不合格品率仍很高。因此，在進(jìn)行過程能力分析時(shí)，應(yīng)該將均值的影響考慮進(jìn)來(lái)，引入過程能力指數(shù)Cpk就是為了解決這個(gè)問題，如圖1（b）所示，其計(jì)算公式為：其中，USL、LSL分別是質(zhì)量特性的上、下規(guī)格限；μ、σ分別是質(zhì)量特性的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。這里標(biāo)準(zhǔn)偏差σ數(shù)值可以通過求直方圖S的辦法得到（σ≈S）。

生產(chǎn)穩(wěn)定性分析與固化

通過對(duì)某鋼廠近期連續(xù)生產(chǎn)的熱鍍鋅HC420 LAD+Z鋼帶，隨機(jī)抽取了136組數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布。采用Minitab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理：“統(tǒng)計(jì)→質(zhì)量工具→能力分析→正態(tài)”，其中“子組大小”均設(shè)定為1，“規(guī)格上限與規(guī)格下限”按企業(yè)內(nèi)控指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，分別計(jì)算并分析HC420LAD+Z鋼帶主要化學(xué)成分與力學(xué)性能的過程能力指數(shù)Cpk值，驗(yàn)證其生產(chǎn)穩(wěn)定性。

化學(xué)成分分析

通過對(duì)HC420LAD+Z鋼帶的性能與組織影響較大的C、Mn、P、Nb等元素冶煉實(shí)績(jī)值統(tǒng)計(jì)分析，如表3所示。從表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，C、Mn、P、Nb等元素的內(nèi)控合格率達(dá)到100%，化學(xué)成分波動(dòng)性小，均嚴(yán)于EN 10346-2015歐標(biāo)要求，且滿足企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 HC420LAD+Z鋼的化學(xué)成分實(shí)績(jī)值（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）

通過對(duì)HC420LAD+Z鋼帶的C、Mn、P、Nb等元素進(jìn)行過程能力分析，如圖2所示。從過程能力圖的整體分布與Cpk值看，整體冶煉成分波動(dòng)性小，過程能力指數(shù)Cpk值分別為1.36、1.59、2.10、1.58，均大于1.33，說明生產(chǎn)過程能力達(dá)到了理想的狀態(tài)，過程穩(wěn)定性強(qiáng)，成分的波動(dòng)直接影響力學(xué)性能的穩(wěn)定性，所以化學(xué)成分的穩(wěn)定性控制是基礎(chǔ)。

圖2 HC420LAD+Z化學(xué)成分的過程能力圖

力學(xué)性能分析

通過對(duì)HC420LAD+Z鋼帶的成品力學(xué)性能實(shí)績(jī)值統(tǒng)計(jì)分析，如表4所示。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，屈服強(qiáng)度最小值為432 MPa，最大值為484 MPa，平均值458.5 MPa；抗拉強(qiáng)度最小值為541 MPa，最大值為588 MPa，平均值566.4 MPa；斷后伸長(zhǎng)率A80最小值為20.5%，最大值為26.0%，平均值為23.3%，均滿足企業(yè)內(nèi)控及EN 10346—2015歐標(biāo)要求，并且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值范圍而言，屈服強(qiáng)度偏下限，抗拉強(qiáng)度偏上限，斷后伸長(zhǎng)率富余量很大，說明此鋼帶在深加工時(shí)沖壓性能好，容易加工成型且成型后強(qiáng)度高，可良好地適用汽車主機(jī)廠模具沖壓成型，并最終實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼輕量化的途徑。

表4 HC420LAD+Z鋼的力學(xué)性能實(shí)績(jī)值

通過對(duì)HC420LAD+Z屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率A80等力學(xué)性能進(jìn)行過程能力分析，如圖3所示。從圖3的生產(chǎn)過程能力圖看，HC420LAD+Z的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率A80的內(nèi)控合格率達(dá)到100%，過程能力指數(shù)Cpk值分別為1.85、1.81、1.38，均大于1.33，說明生產(chǎn)過程能力達(dá)到了理想的狀態(tài)，關(guān)鍵設(shè)備及工藝參數(shù)均處于可控的良好狀態(tài)，過程能力穩(wěn)定，數(shù)據(jù)波動(dòng)小，可更好滿足汽車主機(jī)廠的加工要求，避免了因性能波動(dòng)調(diào)節(jié)沖壓模具參數(shù)而造成的廢品率與生產(chǎn)節(jié)奏影響，提高了用戶滿意度。

圖3 HC420LAD+Z力學(xué)性能的過程能力圖

關(guān)鍵工藝固化

目前，某鋼廠已對(duì)HC420LAD+Z的關(guān)鍵過程工藝參數(shù)固化，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理控制，如表5所示。

表5 HC420LAD+Z的關(guān)鍵過程工藝參數(shù)

結(jié)束語(yǔ)

（1）過程能力指數(shù)Cpk是反映穩(wěn)定性表現(xiàn)的有效手段，通過借助六西格瑪DMAIC方法，采用精益管理工具，對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)的熱鍍鋅HC420LAD+Z鋼帶主要化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行過程能力分析，對(duì)鋼廠的生產(chǎn)管理具有指導(dǎo)意義。

（2）通過對(duì)某鋼廠熱鍍鋅HC420LAD+Z鋼帶的力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率A80的Cpk值分別達(dá)到1.85、1.81、1.38，說明生產(chǎn)過程能力達(dá)到了理想狀態(tài)，可更好滿足汽車用鋼的要求，提高了用戶滿意度。

（3）通過對(duì)熱鍍鋅HC420LAD+Z鋼帶的關(guān)鍵工藝參數(shù)優(yōu)化，并實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，某鋼廠已實(shí)現(xiàn)（0.5～2.5） mm×（1000～1850） mm的HC420LAD+Z鋼帶批量化穩(wěn)定工業(yè)生產(chǎn)，并成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外知名汽車廠。