摘要：為評(píng)價(jià)薄鋁硅鍍層熱成形鋼在汽車(chē)車(chē)身上應(yīng)用的可行性，對(duì)鋁硅鍍層質(zhì)量（單面）分別為20 g/m2（AS20）、75 g/m2（AS75）的材料進(jìn)行熱沖壓試驗(yàn)、點(diǎn)焊試驗(yàn)、膠粘匹配性試驗(yàn)、油漆配套性及耐腐蝕性試驗(yàn)。結(jié)果表明，AS20材料可使用與AS75材料相同的加熱溫度，但加熱時(shí)間需低于AS75材料，在最佳加熱工藝下2種材料的力學(xué)性能相當(dāng)，AS20材料的極限尖冷彎角及峰值載荷力高于AS75材料；2種材料與現(xiàn)生產(chǎn)用結(jié)構(gòu)膠粘劑膠粘接頭的剪切強(qiáng)度相當(dāng)，AS20材料與現(xiàn)生產(chǎn)用結(jié)構(gòu)膠粘劑匹配良好；2種材料所在焊接總成的全破壞焊點(diǎn)剝離直徑、焊點(diǎn)熔核直徑及其失效模式均相當(dāng)，AS20材料的點(diǎn)焊可焊性與AS75材料相當(dāng)；2種材料的電泳漆膜的附著力和耐腐蝕性能相當(dāng)。綜上，基于多性能對(duì)比測(cè)評(píng)分析，薄鋁硅鍍層熱成形鋼主要應(yīng)用性能均滿足使用需求。

關(guān)鍵詞：鋁硅鍍層 熱成形鋼 加熱工藝 點(diǎn)焊質(zhì)量 耐腐蝕性能

中圖分類號(hào)：U465" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240158

Comparative Study on the Application Properties of Hot-Formed Steel with Different Thicknesses of Al-Si Coating

Abstract： In order to evaluate the feasibility of the application of thin Al-Si coated hot formed steel in automobile body， hot stamping test， spot welding test， adhesive matching test and coating test and corrosion resistance test are carried out on single-sided Al-Si coated materials with the weight of 20 g/m2 （AS20） and 75 g/m2 （AS75）. The results show that：" AS20 material can use the same heating temperature as the AS75 material， but the heating time is less than the AS75 material; under the optimal heating process， the mechanical properties of the two materials are comparable; the ultimate sharp cold bending angle and maximum force of the AS20 material are higher than those of the AS75 material; the shear strengths of the adhesive joints between the two materials and the structural adhesive currently used in production are comparable， the AS20 material matches well with the structural adhesive currently used in production;" the peeling diameter of the fully damaged welding point and the fusion diameter and failure mode of the welding assembly where the two materials are located are equivalent， the spot weldability of the AS20 material is equivalent to that of the AS75 material; the adhesion and corrosion resistance of the electrophoretic paint film of the two materials are comparable. Overall， based on multi-performance comparative evaluation analysis， the main application properties of thin aluminum silicon coated hot formed steel meets the using requirements of OEMs.

Key words： Al-Si coating， Hot-formed steel， Heating process， Spot welding quality， Corrosion resistance

1 前言

熱成形鋼作為汽車(chē)輕量化材料廣泛用于汽車(chē)A/B柱、車(chē)門(mén)防撞梁、前后保險(xiǎn)杠、門(mén)檻等安全件，提升了汽車(chē)被動(dòng)安全性能和輕量化效果[1-3]。熱成形鋼分為有鍍層鋼和無(wú)鍍層鋼，無(wú)鍍層鋼在加熱過(guò)程中易產(chǎn)生氧化皮和脫碳[4]，為去除零件表面氧化皮，需進(jìn)行拋丸處理，厚度小的零件易出現(xiàn)變形，從而影響尺寸精度，而鍍層熱成形鋼可避免加熱過(guò)程產(chǎn)生氧化皮，且表面鍍層還具有一定的防腐作用，因此受到業(yè)內(nèi)青睞。熱成形鋼的鍍層主要有熱浸鍍鋁硅鍍層（Al-Si）、熱浸鍍純鋅鍍層（GI）、合金化熱浸鍍鋅鍍層（GA）[5]。鋁硅鍍層熱成形鋼最早于20世紀(jì)90年代末由ArcelorMittal公司提出，很好地解決了無(wú)鍍層產(chǎn)品存在的問(wèn)題[6]，目前，單面鍍層質(zhì)量為75 g/m2的鋁硅鍍層熱成形鋼是應(yīng)用和研究最多的品種。近年來(lái)，易紅亮[7-9]等基于鋁硅鍍層合金化后與鋼基體界面間形成富碳層致脆的理論，開(kāi)發(fā)了高斷裂應(yīng)變的新型鋁硅鍍層技術(shù)，通過(guò)減小鍍層厚度降低碳富集程度，從而改善鋁硅鍍層熱成形鋼的斷裂韌性。除強(qiáng)韌性外，薄鋁硅鍍層熱成形鋼的其他關(guān)鍵應(yīng)用性能能否達(dá)到傳統(tǒng)鋁硅鍍層熱成形鋼水平也受到高度關(guān)注，本文以薄鋁硅鍍層熱成形鋼和常規(guī)厚鋁硅鍍層熱成形鋼板材為研究對(duì)象，分別開(kāi)展熱沖壓、焊接、膠粘、涂裝處理，對(duì)比評(píng)價(jià)薄鍍層熱成形鋼的應(yīng)用性能。

2 試驗(yàn)材料及方法

以厚度分別為0.9 mm、1.4 mm的1 500 MPa級(jí)鋁硅鍍層熱成形鋼板為試驗(yàn)材料，每種厚度分別有薄、厚2種鍍層，2種鍍層的單面鋁硅鍍層公稱質(zhì)量分別為20 g/m2和75 g/m2（鍍層代號(hào)分別為AS20和AS75），其中，AS75材料為某量產(chǎn)車(chē)型使用的材料，AS20和AS75的鍍層成分相同，其交貨狀態(tài)的鍍層質(zhì)量、厚度及基材的主要化學(xué)成分如表1所示。

對(duì)2種熱成形后的鍍層材料分別進(jìn)行力學(xué)性能、金相組織、硬度、鍍層厚度、極限尖冷彎性能、膠粘劑匹配性、點(diǎn)焊質(zhì)量、油漆配套性及耐腐蝕性能對(duì)比試驗(yàn)，其中，厚度為0.9 mm的材料用于2種厚度鍍層熱成形零件的力學(xué)性能、膠粘劑匹配性、總成焊接及點(diǎn)焊質(zhì)量試驗(yàn)分析，厚度為1.4 mm的材料用于2種厚度鍍層油漆配套性及耐腐蝕性能分析。

2.1 不同厚度鋁硅鍍層的熱成形零件（厚度0.9 mm）性能和組織

本文進(jìn)行了厚度為0.9 mm的2種不同鋁硅鍍層的熱成形鋼搭載某車(chē)型的后地板縱梁前加強(qiáng)板零件試制及性能對(duì)比分析。加熱爐內(nèi)設(shè)置了15個(gè)溫區(qū)，溫度分別設(shè)置為820 ℃、840 ℃、870 ℃、890 ℃、910 ℃、920 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃、930 ℃，2種鍍層熱成形鋼板的加熱溫度相同，AS75和AS20的總加熱時(shí)間分別為230 s、170 s，試制零件如圖1所示。

在試制零件上取樣，進(jìn)行拉伸性能、鍍層厚度、金相組織、硬度、極限尖冷彎性能及結(jié)構(gòu)膠粘匹配性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表2所示。拉伸性能試驗(yàn)使用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》中的P5試樣，如圖2所示；極限尖冷彎性能試驗(yàn)裝置及加載如圖3所示，試驗(yàn)樣件寬度b和長(zhǎng)度l均為60 mm，樣件采用激光切割，兩側(cè)滾輪直徑D=30 mm，兩滾輪之間的間隙L=2.3 mm，其中S為壓頭的位移、F為加載載荷；拉伸性能、鍍層厚度、金相組織、硬度和極限尖冷彎試驗(yàn)試樣經(jīng)淬火（即零件基體狀態(tài)）后再進(jìn)行170 ℃溫度下加熱20 min的烘烤處理。2種零件在淬火狀態(tài)下使用當(dāng)前生產(chǎn)用結(jié)構(gòu)膠分別測(cè)試其供貨狀態(tài)、耐熱后、耐潮濕后、耐冷熱交變后、耐寒后、耐過(guò)烘烤后的剪切強(qiáng)度，試驗(yàn)樣品在試制零件上切取制備，尺寸為100 mm×20 mm。

對(duì)2種不同厚度鋁硅鍍層的熱成形試制零件（厚度0.9 mm）進(jìn)行總成焊接，如圖4所示，總成中與試制零件焊接的零件有鍍鋅軟鋼板零件、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼鍍鋅板零件以及其他AS75熱成形零件，焊接工藝參數(shù)與AS75量產(chǎn)零件一致，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)2種材料的總成焊點(diǎn)的剝離直徑、焊點(diǎn)熔核直徑。

2.2 不同鋁硅鍍層厚度的熱成形鋼板（厚度1.4 mm）油漆配套性和耐腐蝕性

采用淬火后的平板在現(xiàn)生產(chǎn)涂裝線上掛片模擬零件涂裝過(guò)程，涂裝工藝流程為前處理、電泳、烘干。對(duì)2種材料分別進(jìn)行油漆匹配性及耐腐蝕性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表3所示。AS20和AS75平板淬火試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果為：屈服強(qiáng)度為1 000～1 150 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 450～1550 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為5.0%～6.5%；AS20和AS75平板淬火試樣的粗糙度Ra分別為1.34～1.42 μm和1.85～2.05 μm；AS20和AS75平板淬火試樣的鍍層厚度分別為16～22 μm和39～45 μm。試驗(yàn)淬火平板采用激光切割，尺寸為100 mm×200 mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 零件性能

AS20和AS75材料試制的零件顯微組織均為全馬氏體，如圖5所示，2種材料的零件鍍層結(jié)構(gòu)如圖6所示；零件拉伸性能、硬度、金相組織、鍍層厚度、極限尖冷彎性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知：

a. AS20試制零件的強(qiáng)度及硬度略高于AS75零件，原因?yàn)樵谙嗤穸葪l件下，AS20材料鍍層減薄，金屬基材厚度相對(duì)增加，在拉伸試驗(yàn)時(shí)承受的載荷增加，因此，計(jì)算強(qiáng)度高于AS75。

b. AS20的鍍層總厚度低于AS75，但擴(kuò)散層厚度相當(dāng)，均符合企業(yè)要求（不大于16 μm）。研究表明[11]，較薄的擴(kuò)散層厚度對(duì)可焊性影響很小，但較厚的擴(kuò)散層會(huì)嚴(yán)重降低可焊性，因此，為保證良好的點(diǎn)焊可焊性，需嚴(yán)格控制擴(kuò)散層厚度。

c. AS20材料的極限尖冷彎角較AS75提升5°，峰值載荷力提升約10%，對(duì)AS20極限尖冷彎性能的提升可參考文獻(xiàn)[7]的機(jī)理。由于鍍層的減薄，在加熱過(guò)程中，鍍層與基體界面富集的碳含量減少，淬火后減少了有弊的高碳馬氏體的形成，因此，韌性得以提升。

此外，相對(duì)于AS75材料，AS20材料由于鍍層減薄，在加熱過(guò)程中鋁液化所吸收的熱量顯著下降，金屬基材加熱效率提升，可大幅縮短加熱時(shí)間，降低零件單件生產(chǎn)能耗，提高生產(chǎn)節(jié)拍。

3.2 結(jié)構(gòu)膠粘劑匹配性

在不同試驗(yàn)環(huán)境下，2種材料的膠粘接頭的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，由試驗(yàn)結(jié)果可知，2種材料與現(xiàn)生產(chǎn)用結(jié)構(gòu)膠粘劑的膠粘接頭的剪切強(qiáng)度相當(dāng)，說(shuō)明AS20材料與現(xiàn)生產(chǎn)用結(jié)構(gòu)膠粘劑匹配良好，滿足應(yīng)用要求。粘接強(qiáng)度一般與金屬表面能和金屬活性相關(guān)，由于2種材料的鍍層化學(xué)成分相同、表面狀態(tài)相似，因此，鍍層的厚度變化并未對(duì)膠粘接頭的剪切強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響。

3.3 點(diǎn)焊質(zhì)量

將試制的2種后地板縱梁前加強(qiáng)板零件分別焊接到中后地板總成，焊接工藝參數(shù)相同，焊接過(guò)程無(wú)明顯飛濺。取后地板縱梁前加強(qiáng)板零件上的14個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行全破壞試驗(yàn)，焊點(diǎn)失效形式為鈕扣狀剝離，焊點(diǎn)剝離直徑試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。對(duì)14個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行金相試驗(yàn)，焊點(diǎn)熔核直徑試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同的焊接工藝參數(shù)下，AS20和AS75零件上的焊點(diǎn)剝離直徑、熔核直徑及失效模式均相當(dāng)，說(shuō)明AS20與AS75的點(diǎn)焊可焊性相當(dāng)。熱沖壓成形后，鋁硅鍍層中擁有不同化學(xué)配比的多種Fe-Al金屬間化合物，其具有不同的硬度及電阻率，焊接時(shí)，不均勻的硬度及電阻率分布易導(dǎo)致焊接飛濺，由文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)果可知，F(xiàn)e-Al（Si）層（即擴(kuò)散層）越厚，越易產(chǎn)生點(diǎn)焊飛濺，且焊接電流區(qū)間越小。因此，在加熱工藝得當(dāng)?shù)那闆r下，鋁硅鍍層的減薄有利于保證焊接質(zhì)量。

3.4 油漆配套性及耐腐蝕性能

由于鋁硅鍍層板鍍層的成分及特殊的表面形貌，磷化較為困難，但后續(xù)的電泳漆膜依然具有良好的附著力[13]。電泳后的平板外觀良好，分別對(duì)AS20和AS75平板進(jìn)行劃格試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果評(píng)級(jí)均為Gt0級(jí)，說(shuō)明2種材料的漆膜附著力相當(dāng)。對(duì)電泳平板進(jìn)行耐腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示，評(píng)價(jià)結(jié)果均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，2種材料的劃痕層離寬度相差較大，AS20材料的劃痕層離寬度為AS75材料的2倍，試驗(yàn)后形貌如圖7所示。針對(duì)此問(wèn)題，分別在試驗(yàn)平板劃線處取樣，觀察樣板表面形貌，如圖8所示，由于AS20材料鍍層較薄，劃線深度已完全穿透鍍層達(dá)到金屬基體，而AS75材料鍍層較厚，在相同的劃線深度下并未穿透鍍層。GB/T 1771—2007中劃痕的刻制要求為劃破涂層至金屬基體，說(shuō)明鍍層板是否劃至金屬基體會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。由于本試驗(yàn)中2種鍍層材料在劃線處的表面狀態(tài)不同，導(dǎo)致其劃痕層離寬度試驗(yàn)結(jié)果差異較大，因此，若使用劃線法作為評(píng)價(jià)不同鍍層材料的耐腐蝕性能的方法需要深入探討劃線深度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

為充分評(píng)價(jià)薄鋁硅鍍層熱成形鋼的應(yīng)用可行性，對(duì)其主要的應(yīng)用性能與常規(guī)厚鍍層熱成形鋼進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)論如下：

a. 在相同加熱溫度下，AS20材料相對(duì)于AS75材料可大幅縮短加熱時(shí)間，需要調(diào)整AS20熱成形鋼加熱工藝。與AS75材料相比，AS20熱成形鋼極限尖冷彎最大彎曲角提升5°，極限尖冷彎峰值載荷力提升約10%。

b. AS20材料的結(jié)構(gòu)膠粘匹配性良好，膠粘接頭的剪切強(qiáng)度與AS75材料相當(dāng)。

c. AS20材料的點(diǎn)焊可焊性良好，點(diǎn)焊質(zhì)量與AS75材料相當(dāng)。

d. AS20材料的電泳漆配套性以及耐腐蝕性能與AS75材料相當(dāng)。由于2種材料的鍍層厚度不同，在使用劃線法進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí)，AS20材料劃至金屬基體，AS75材料并未劃至金屬基體，這可能是導(dǎo)致2種材料在耐循環(huán)交變?cè)囼?yàn)和耐腐蝕試驗(yàn)結(jié)果中的劃痕層離寬度差異較大的原因，因此，使用劃線法作為評(píng)價(jià)不同鍍層材料的耐腐蝕性能的方法需要進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn)：

[1] 路洪洲， 趙巖， 馮毅， 等. 鈮微合金化熱成形鋼的最新進(jìn)展[J]. 汽車(chē)工藝與材料， 2021（4）： 23-32.

[2] 許偉， 方剛， 張鈞萍， 等. 面向汽車(chē)碰撞安全的熱成形鋼斷裂失效表征與驗(yàn)證[J]. 塑性工程學(xué)報(bào)， 2020， 27（6）： 121-128.

[3] 馬鳴圖. 先進(jìn)汽車(chē)用鋼[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2008．

[4] 金學(xué)軍， 龔煜， 韓先洪， 等. 先進(jìn)熱成形汽車(chē)鋼制造與使用的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 金屬學(xué)報(bào)， 2020， 56（4）： 411-428.

[5] 王輝， 李子濤， 計(jì)遙遙， 等. 不同鍍層熱成形鋼的腐蝕行為研究[J]. 安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2021， 31（4）： 25-27.

[6] 弓俊杰， 李文田， 周研， 等. 鋁硅鍍層板發(fā)展現(xiàn)狀及建議[J]. 河北冶金， 2020（9）： 1-10+38.

[7] 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.

[8] 育材堂（蘇州）材料科技有限公司. 熱沖壓成形構(gòu)件、熱沖壓成形用預(yù)涂鍍鋼板及熱沖壓成形工藝： CN202210882404.2[P]. 2023-10-03[2024-04-26]．

[9] 東北大學(xué)， 本鋼板材股份有限公司. 熱沖壓成形用鋼材、熱沖壓成形工藝及熱沖壓成形構(gòu)件： CN201610535069.3[P]. 2018-03-13[2024-04-26]．

[10] 中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì). 汽車(chē)用鋼板極限尖冷彎性能測(cè)試及評(píng)價(jià)規(guī)范： T/CSAE 154—2020[S]. 2020.

[11] MARIE K， LADISLAV K， TOMAS P， et al. Mechanical Properties of Al-Si Galvanic Coating and its Influence on Resistance Weldability of 22MnB5 Steel[J]. Defect and Diffusion Forum， 2016， 368： 82-85.

[12] ONYISHI H， OKAFOR A， NWOGUH T， et al. Effect of Al-Si Coating Weights on Weldability of Hot-Stamped Ultra-High-Strength Steel （UsiborR 1500） Used in Automotive Structures[J]. Advances in Materials and Processing Technologies， 2023， 9（1）： 1-15.

[13] 周林， 王輝， 姜進(jìn)京. 不同鍍層熱成形鋼的涂裝性能對(duì)比研究[J]. 材料保護(hù)， 2021， 54（3）： 106-108.