壓下率對薄鋁硅鍍層熱成形鋼組織和性能的影響

閆 偉，周世龍，鄧宗吉

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心，安徽 馬鞍山 243000）

隨著我國汽車消費量的迅速增加，汽車已成為世界能源消耗和污染物排放的主要來源，為了減輕對環(huán)境的污染實現(xiàn)節(jié)能減排，汽車的輕量化越來越受到大家的重視。有研究表明，汽車自重每減少10%，燃油經(jīng)濟性改善6%～8%,排放降低5%～6%，而燃油消耗每降低1 L，CO2排放量降低2.45 kg，可見汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段[1]。

汽車輕量化是在保證汽車整體質量和性能不受影響的前提下，最大限度地減輕各零部件的質量，在降低燃油消耗、減少排放污染的同時，滿足高輸出功率、低噪聲、低振動、良好的操縱性以及高可靠性等綜合指標。汽車輕量化技術主要分為結構優(yōu)化設計、輕量化材料的應用和先進制造工藝[2]。其中變厚度軋制技術作為先進制造工藝的一種方式已運用到車身件制造過程中[3]；同時，熱成形鋼因其熱沖壓后的超高強度也成為實現(xiàn)汽車輕量化的主要手段，廣泛應用于汽車B柱、A柱、車門防撞梁等零件。目前主流熱成形鋼產品為鋁硅鍍層熱成形鋼,應用最為廣泛的Arcelor Mittal的Usibor1500P+AS，典型鍍層厚度25 μm（鍍層代碼AS150），各主機廠、鋼鐵企業(yè)等紛紛開展了該產品的變厚度軋制等研究，但更薄鍍層變厚度軋制相關研究較少，本文利用薄鋁硅鍍層熱成形鋼開展變厚度軋制，研究在不同壓下率條件下鋁硅鍍層結構、基體顯微組織、力學性能及冷彎性能的變化規(guī)律。

1 試驗材料及方法

試驗材料選用某鋼廠生產的薄鋁硅鍍層熱成形鋼，原板厚度為1.80 mm，鍍層厚度為單面40 g/m2（鍍層代碼AS80），基板為22MnB5，化學成分見表1。

表1 試驗材料主要化學成分 %

利用上述材料分別開展15%、30%、45%壓下率條件下的軋制，軋后厚度分別為1.53 mm、1.26 mm和0.99 mm；采用同一種熱處理工藝，即加熱溫度930℃，保溫時間4 min，使用平板模具冷卻到室溫，后續(xù)模擬成形件烤漆過程在170℃下烘烤20 min。利用Axio Imager M2 m和QUANTA450觀察鍍層結構、基體顯微組織。拉伸試驗沿垂直軋制方向取樣，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》P5試樣進行加工，利用Zwick Z600電子拉伸試驗機完成力學性能檢測。依據(jù)VDA238-100技術標準在冷彎試驗機上沿垂直軋制方向開展三點彎曲試驗，試樣長寬尺寸為60 mm×60 mm。

2 試驗結果及討論

2.1 壓下率對軋硬態(tài)鍍層結構和基體組織的影響

圖1為試驗材料在不同壓下率下鍍層結構變化顯微組織。根據(jù)能譜分析可知，鍍層結構由內向外分別為Fe-Al合金層、Fe-Al-Si合金層、Al層和彌散分布在Al層中的Fe-Al-Si合金相[4]。通過觀察鍍層顯微組織可以發(fā)現(xiàn)，隨著壓下率的增加，鍍層厚度隨之減薄，其中硬相Fe-Al-Si合金層出現(xiàn)不連續(xù)甚至破碎現(xiàn)象[5]。通過測量鍍層厚度變化可知，壓下率與鍍層減薄率呈一定相關性，15%、30%、45%壓下率下鍍層減薄率分別為14.5%、28.2%、39.5%。

圖1 不同壓下率下鍍層結構顯微組織

基體顯微組織，主要為珠光體和鐵素體，0%壓下率下晶粒沿軋制方向有一定變形，呈帶狀分布。隨著壓下率增加，組織晶粒變形嚴重，沿軋制方向帶狀分布現(xiàn)象更加明顯。

2.2 壓下率對熱處理態(tài)基體組織和鍍層結構的影響

圖2為熱處理后不同壓下率條件下的基體顯微組織。在對軋硬態(tài)試驗鋼進行加熱930℃并且保溫4 min的過程中，基體組織實現(xiàn)完全奧氏體化，平板淬火后形成完全馬氏體組織。隨著壓下率的增加，馬氏體組織變得粗大。同時，因軋制產生的帶狀組織消失。

圖2 不同壓下率下熱處理態(tài)基體顯微組織

圖3為熱處理后不同壓下率條件下鍍層結構顯微組織和厚度變化情況。通過測量分析可知，熱處理后鍍層總厚度變化不大，0壓下率的鍍層厚度為16.91 μm，15%壓下率的鍍層厚度為16.48 μm，30%壓下率的鍍層厚度為16.72 μm，45%壓下率下的鍍層厚度為16.95 μm；與基體接觸的擴散層則隨著壓下率的增加而厚度變大，0%壓下率下的擴散層厚度為7.1 μm，15%壓下率下的擴散層厚度為7.2 μm，30%壓下率下的擴散層厚度為8.7 μm，45%壓下率下的鍍層厚度為10.4 μm。主要原因是在同一熱處理工藝下，較大壓下率的鍍層與基體相互擴散更充分，使得鍍層總厚度變化不大，而擴散層逐漸變厚。因變厚度軋制導致鍍層出現(xiàn)裂紋甚至破損現(xiàn)象經(jīng)熱處理后得到修復，重新呈現(xiàn)連續(xù)分布狀態(tài)。

圖3 不同壓下率下熱處理態(tài)鍍層結構顯微組織

2.3 壓下率對熱處理態(tài)力學性能的影響

試驗鋼初始力學性能為屈服強度424 MPa、抗拉強度583 MPa、斷后延伸率22.8%。經(jīng)變厚度軋制后，試驗鋼由于加工硬化現(xiàn)象，其強度顯著提高，韌性變差；壓下率越大，以上現(xiàn)象更明顯。經(jīng)熱處理后，不同壓下率下的試驗鋼力學性能顯著提高，屈服強度≥1 215 MPa、抗拉強度≥1 527 MPa、斷后延伸率≥5.6%，見圖4。

圖4 不同壓下率下試驗鋼力學性能

3 結論

1）軋硬態(tài)鍍層厚度減薄率隨壓下率增加而變大；當壓下率增加大一定程度時，硬相Fe-Al-Si合金層出現(xiàn)不連續(xù)甚至破碎現(xiàn)象。

2）在相同熱處理條件下，鍍層結構總厚度變化不大，與基體接觸的擴散層則隨著壓下率的增加而厚度變大；鍍層破損現(xiàn)象得到修復。基體組織為全板條狀馬氏體。

3）經(jīng)熱處理后的材料強度得到顯著提升，屈服強度≥1 215 MPa，抗拉強度≥1 527 MPa，斷后延伸率≥5.6%，均滿足技術標準要求。