鋁硅變厚板熱沖壓前后鍍層微觀結(jié)構(gòu)研究

曹棟杰，王 強(qiáng)

（上海寶鋼包裝鋼帶有限公司，上海 200941）

變厚板（VRB，Variable-thickness Rolled Blanks），是一種在軋制時厚度按設(shè)計要求呈縱向規(guī)則變化的冷軋鋼板，也稱為柔性軋制板，廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)板及結(jié)構(gòu)件。變厚板因不同厚度之間無焊縫、過渡區(qū)連接順暢圓滑、材料組織流動性好，已成為汽車輕量化的重要技術(shù)解決方案。

鍍鋁硅變厚板，則是用熱鍍鋁硅卷進(jìn)行變厚軋制，得到不同厚度段落的冷軋鍍鋁硅卷，經(jīng)剪切成一個零件周期的矩形板。因鍍鋁硅鋼板具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、耐高溫氧化性，且在熱沖壓淬火后具備超高的強(qiáng)度和硬度，逐步成為汽車行業(yè)以熱代冷增強(qiáng)減重的重要材料手段。但由于鍍鋁硅板的焊接技術(shù)工序復(fù)雜，使得變厚板與鍍鋁硅的結(jié)合應(yīng)用成為主流，它不僅具有鋁硅熱沖壓鋼超強(qiáng)的強(qiáng)度和硬度性能，更具有變厚板無焊縫，變形時優(yōu)越的金屬流動性，更貼合汽車安全結(jié)構(gòu)件想要擁有的局部加強(qiáng)和能量緩沖的設(shè)計要求。鋁硅變厚板因每個零件經(jīng)過不同的軋制壓下量，其鍍層和合金層厚度在熱沖壓前后發(fā)生了不同程度的變化，在設(shè)計選型時不能套用等厚鋁硅板的經(jīng)驗(yàn)，所以，研究鋁硅變厚板在熱沖壓前后鍍層及合金層厚度的變化規(guī)律，以及在不同軋制壓下量作用下鍍層及合金層厚度的區(qū)別，對各汽車主機(jī)廠及特別是變厚板材料制造廠的零件設(shè)計、原料鍍層選型、軋制規(guī)程制定及質(zhì)量控制具有重要的意義。

表 1 HC950/1300HS+AS150的化學(xué)成分%

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

選取變厚板最常用的熱鍍鋁硅材料HC950/1300 HS+AS150，鍍層重量為 75/75（g/m2），其基板為22MnB5，化學(xué)成分如表1所示。原卷材料厚1.9mm，寬470mm，鍍層及合金層用金相法分別測出其平均厚度，如表2所示。

設(shè)計一個六等厚度段的變厚板如圖1所示，每段長度330mm，每兩段厚度之間為30mm長的過渡區(qū)，其中6個等厚段的厚度為1.9mm的原卷分別設(shè)計軋制成10%壓下量、20%壓下量、30%……60%壓下量的厚度。將此卷在寶鋼變厚軋機(jī)上進(jìn)行變厚軋制，并切割為若干份周期相同的變厚板，然后選取穩(wěn)定區(qū)域的一張變厚板材料1，在每個等厚度段沿邊中邊各取3根試樣，6個厚度段共取18根試樣，然后在每根試樣從左至右每間隔20mm取一點(diǎn)做鍍層和合金層金相厚度觀察測試。

同時在穩(wěn)定區(qū)域另取一個周期變厚板材料2，在10%壓下量至60%壓下量等厚區(qū)各取330×470矩形板，利用平板模進(jìn)行熱沖壓實(shí)驗(yàn)。考慮到實(shí)際應(yīng)用中一張變厚板在沖壓時，不同的厚度分布采用的是同樣的熱沖壓加熱溫度、保溫時間、保壓時間等，此實(shí)驗(yàn)同樣采用相同工藝進(jìn)行熱沖壓處理（在寶鋼熱沖壓生產(chǎn)線上加熱930℃、保溫270s、保壓8s）。沖壓后，同樣按圖1所示在每個等厚厚度段沿邊中邊各取3根試樣，并在每個試樣從左至右每間隔20mm取一點(diǎn)做鍍層和擴(kuò)散層金相厚度觀察測試。

圖1 按10%，20%60%軋制壓下的變厚板

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 不同軋制壓下量下鍍層厚度變化（熱沖壓前）

圖2為材料1自1.9mm原料按10%壓下量、20%壓下量、30%……60%壓下量下不同厚度的縱向截面鍍層金相圖，從圖中可以看到鍍層及合金層與基體的界面形貌。

圖2 不同壓下量下鋁硅鍍層截面500X（熱沖壓前）

在每個壓下量厚度段各取90個點(diǎn)，共180個數(shù)據(jù)。在500倍顯微鏡下測量鍍層厚度如圖3所示，結(jié)合從10%壓下至60%壓下各90個點(diǎn)平均厚度數(shù)據(jù)（10%-26.36 μm，20%-25.03 μm，30%-23.16 μm，40%-20.08 μm，50%-19.88μm，60%-18.83μm）可以看出，排除個別點(diǎn)的磨樣及檢測誤差，鍍層厚度基本上是隨壓下量的增加而呈現(xiàn)逐步降低的分布規(guī)律。

圖3 不同軋制壓下量下鍍層厚度分布（熱沖壓前）

由圖4可看出，軋制后鍍層厚度呈線性下降，其中其厚度平均值在10%～40%下降明顯，在40%～60%壓下量段則比較緩慢，同時鍍層厚度的下降率與軋制的壓下率雖是正向關(guān)系，但并非同比例下降。從圖4（a）觀察，當(dāng)軋制壓下量輕微壓下為10%時，鍍層厚度已發(fā)生26%的減薄，高于基材厚度的減??；軋制壓下量在30%～40%時，壓下率與鍍層厚度的減薄比較接近，當(dāng)壓下達(dá)到43%左右后，鍍層厚度的下降率趨于平緩，且低于壓下量。從圖4（b）可看出，合金層的變化不明顯。

圖4 鍍層及合金層厚度的變化

圖5 所示為不同軋制壓下量的合金層截面，在1000倍顯微鏡下觀察其合金層變化。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍍鋁硅材料經(jīng)10%～20%軋制壓下時，其合金層基本上能保持清晰完整。隨著軋制壓下量增加至30%時，合金層則開始出現(xiàn)破碎，當(dāng)軋制壓下至50%時，合金層已出現(xiàn)雖連續(xù)但不規(guī)則狀態(tài)，同時有個別點(diǎn)出現(xiàn)斷開現(xiàn)象。當(dāng)壓下接近60%時，合金層基本上處于非連續(xù)不規(guī)則狀態(tài)。

圖5 不同壓下量下合金層截面1000X（熱沖壓前）

2.2 不同軋制壓下量下鍍層變化（熱沖壓后）

圖6 為鍍鋁硅變厚板在經(jīng)不同的軋制壓下量后，取經(jīng)平板模熱沖壓后所取的縱向截面鍍層金相圖，從圖中可以看出，基體與鍍層界面清晰，鍍層厚度均勻，基體與鍍層之間合金層發(fā)生擴(kuò)散，擴(kuò)散識別明顯，并發(fā)生長大。同樣用金相法對材料2各取90個點(diǎn)的鍍層厚度及合金層厚度，以平均值分析其變化及分布，如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)，隨軋制壓下量的增加，鍍層和合金層厚度比熱沖壓前均有明顯增加，其中鍍層的厚度增加比較穩(wěn)定，增長幅度絕對值在3～7μm，增長比例隨著壓下量的增加變化不明顯，幅度在18%～30%，且與壓下量的變化無正向關(guān)系；合金層增加的趨勢則比較明顯，增長幅度絕對值在0.2～4.2μm，且增長比例在3%～68%，且隨著壓下量的增加而增加；超過30%后，增幅比例顯著擴(kuò)大，這與圖5的合金層在軋制壓下超過30%時開始破碎有一定的關(guān)系，以此推斷，隨著鍍鋁硅變厚板在軋制時合金層的破碎，其熱沖壓后擴(kuò)散嚴(yán)重。

圖6 不同壓下量下鋁硅鍍層截面500X（熱沖壓后）

圖7 鍍層及合金層厚度的變化（熱沖壓后）

2.3 鍍層變化在實(shí)際應(yīng)用中的分析

在鍍鋁硅熱沖壓鋼板作為汽車零件使用時，主機(jī)廠對鋁硅鍍層有著不同的規(guī)定。其中通用對等厚鋁硅板AS150鍍層厚度試驗(yàn)規(guī)范的依據(jù)為GMW144003.2.5.4-2016，要求：熱成型前為 20～33 μm，可以有±1μm 的誤差，對變厚板參考等厚執(zhí)行；熱成型后為30～50μm，合金層厚度≤16μm，對變厚板零件無明確要求。同時在變厚板技術(shù)交流過程中，部分主機(jī)廠和零部件廠也多次詢問此方面的情況，說明大部分國內(nèi)主機(jī)廠商對鋁硅變厚板的認(rèn)知不足，亟需變厚板制造廠給出相關(guān)方面的研究。大眾則依據(jù)TL4225：2012-05，其中AlSi pre-coated sheets（+AS）描述的等厚鋁硅板熱成型前鍍層厚度參考值為19～33μm，變厚板與軋制壓下量有關(guān)，具體以設(shè)計部門的設(shè)計要求為準(zhǔn)；熱成型后則明確為15～50μm，合金層厚度≤16μm。

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，在汽車零件以鍍鋁硅AS150為原料進(jìn)行變厚板設(shè)計時，根據(jù)不同壓下量的鍍層分布變化判斷，變厚軋制壓下量應(yīng)小于60%（40%，50%，60%壓下量時鍍層厚度分別為20.08μm，19.88 μm，18.83μm），或盡可能控制在55%以內(nèi)。

3 結(jié)語

（1）在使用鍍鋁硅AS150為原料軋制變厚板時，其鍍層厚度是隨著壓下量的增加而減少，并且在軋制壓下初期鍍層減薄率高于壓下比例，在軋制壓下43%左右后，鍍層減薄率低于壓下比例。合金層厚度減少變化不明顯，但隨著軋制壓下量的增大合金層破碎逐步惡化。

（2）鍍鋁硅變厚板熱沖壓后，其鍍層厚度會發(fā)生增長，增幅范圍在3～7μm，且不同壓下量的鍍層增長基本穩(wěn)定，與軋制壓下量的增加關(guān)系不明顯。合金層隨軋制壓下量的增加而增長，特別是超過30%后增長比例明顯。

（3）變厚板在以鍍鋁硅AS150為原料設(shè)計時，變厚軋制壓下量盡可能控制在55%以內(nèi)。