厚規(guī)格輥壓用熱鍍鋅高強(qiáng)鋼的開發(fā)與性能研究

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(shù)中心　湖北　武漢:430056)

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厚規(guī)格輥壓用熱鍍鋅高強(qiáng)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(shù)中心湖北武漢:430056)

摘要利用改良森吉米爾法臥式退火爐設(shè)備特性，在低碳錳鋼基礎(chǔ)上適當(dāng)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(qiáng)鋼，該鋼鋼質(zhì)純凈、晶粒細(xì)小、具有優(yōu)良的冷成形性和良好的性能均勻性，成功應(yīng)用于輥壓成形機(jī)組的復(fù)雜零件制造。

關(guān)鍵詞厚規(guī)格；輥壓成形；熱鍍鋅高強(qiáng)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(shù)。冷彎型材能達(dá)到最好的截面力學(xué)性能，是先進(jìn)適用的漸進(jìn)成型技術(shù)，其工藝上的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于復(fù)雜的截面形狀，生產(chǎn)效率高、具有大批量規(guī)模效益，已在汽車、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(wù)車選材普遍采用高強(qiáng)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(jī)組對(duì)厚規(guī)格(2.5mm)用材的需求，結(jié)合改良型森吉米爾法熱鍍鋅機(jī)組裝備特點(diǎn)，本文開發(fā)了屈服強(qiáng)度350MPa級(jí)的熱鍍鋅高強(qiáng)鋼，該鋼不僅具有高強(qiáng)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(zhì)量，可用來制作冷變形性能要求較高的成型結(jié)構(gòu)件。

1厚規(guī)格高強(qiáng)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(jié)構(gòu)件，某合資車企商用車車型選材設(shè)計(jì)中，采用屈服強(qiáng)度275MPa級(jí)別熱軋鋼板制造車廂底板、側(cè)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(dǎo)致性能不均勻易產(chǎn)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(zhì)量等生產(chǎn)事故，急需選擇替代材料。

1.1材料設(shè)計(jì)

為滿足整車輕量化、材料性能均勻性和高表面質(zhì)量要求，開發(fā)設(shè)計(jì)了厚規(guī)格熱鍍鋅冷軋高強(qiáng)鋼作為替代材料。根據(jù)高強(qiáng)度鋼板減薄經(jīng)驗(yàn)公式和整車剛度要求，冷軋鋼板厚度為2.5mm，其屈服強(qiáng)度級(jí)別為350MPa。

(1)

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

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

1.2材料開發(fā)

實(shí)驗(yàn)鋼的生產(chǎn)工藝流程如下：鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐吹煉→吹氬→連續(xù)鑄鋼→熱連軋→酸洗+冷連軋→熱鍍鋅→精整。實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)過轉(zhuǎn)爐冶煉后，進(jìn)行吹氬處理，確保鋼的純凈度；連鑄時(shí)，采用氬封保護(hù)澆注，以避免鋼水的二次氧化；熱軋采用控軋控冷技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，通過控制組織轉(zhuǎn)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(jié)晶和性能均勻性。

實(shí)驗(yàn)鋼的成分設(shè)計(jì)如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)鋼的成分設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)鋼主要力學(xué)性能指標(biāo)參照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)EN 10346，如表2所示。

表2　實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

2性能研究與分析討論

2.1實(shí)驗(yàn)方法

為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)鋼的綜合性能，需開展系列力學(xué)及微觀組織檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方法如下：

(1)實(shí)驗(yàn)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)和180°寬冷彎實(shí)驗(yàn)。

(2)在成品板中部取金相試樣，將試樣板面磨平、拋光，經(jīng)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(fù)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(duì)析出相進(jìn)行成分分析。

2.2力學(xué)性能

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的頭部、中部、尾部三個(gè)部位進(jìn)行拉伸及冷彎實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能及波動(dòng)性，如表3所示。從表中看出，實(shí)驗(yàn)鋼不同部位的力學(xué)性能值均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，以橫向樣為例，頭、中、尾三個(gè)部位的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率的波動(dòng)分別是±10MPa，±13MPa，±1%，表明生產(chǎn)控制能力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)鋼頭尾部性能波動(dòng)小。冷彎實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，各種實(shí)驗(yàn)條件下，試樣的冷彎合格率均為100%，實(shí)驗(yàn)鋼具有優(yōu)良的冷成形性能，能夠滿足輥壓成形結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)的需要。

2.3微觀組織分析

實(shí)驗(yàn)鋼由于強(qiáng)度的提高，延性會(huì)降低，要保證鋼材的冷成形性，關(guān)鍵的一點(diǎn)是要控制好鋼材顯微組織和夾雜物的數(shù)量及形狀。在冶煉生產(chǎn)中，對(duì)硫、氧等元素進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，金相觀察結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)鋼的夾雜物類型是1級(jí)氧化鋁類，如圖1所示，未見其它夾雜，表明實(shí)驗(yàn)鋼的鋼質(zhì)純凈，對(duì)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(jí)。

表3　實(shí)驗(yàn)鋼不同部位不同方向的力學(xué)性能

圖1　實(shí)驗(yàn)鋼夾雜物

圖2　實(shí)驗(yàn)鋼組織

透射電鏡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)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(shù)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(shí)驗(yàn)鋼析出相

圖4　實(shí)驗(yàn)鋼析出相能譜圖

2.4應(yīng)用情況

實(shí)驗(yàn)鋼在某汽車廠輥壓成形機(jī)組上取得了批量穩(wěn)定應(yīng)用，用于制造重型貨車的車廂板、支撐板等結(jié)構(gòu)件，以及對(duì)冷變形性能要求較高的車廂底板。用戶反映該鋼表面質(zhì)量?jī)?yōu)異、質(zhì)量穩(wěn)定可靠，性能波動(dòng)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(chǎn)復(fù)雜零件的需求。同時(shí)，通過材料高強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)了零件10%輕量化，具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

2.5分析討論

鋼鐵材料高強(qiáng)化與延性的合理匹配，是材料研發(fā)的基礎(chǔ)要求之一。為保證材料的輥壓成形性能，試驗(yàn)鋼采用Nb微合金化的合金成分設(shè)計(jì)，提高了材料奧氏體化再結(jié)晶溫度，實(shí)現(xiàn)了再結(jié)晶過程中鐵素體晶粒細(xì)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(jí)，細(xì)小的Nb(C,N)析出物均勻分布、抑制了鐵素體晶粒的長(zhǎng)大，充分驗(yàn)證了Nb微合金化的強(qiáng)化效果。通過微觀組織均勻性和1級(jí)氧化鋁類夾雜物的觀測(cè)，表明性能均勻性與微觀組織均勻性的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終體現(xiàn)在輥壓成形零件優(yōu)異的成形尺寸精度和表面質(zhì)量。

3結(jié)論

(1)利用改良森吉米爾法臥式退火爐設(shè)備特性，在低C-Mn鋼基礎(chǔ)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(qiáng)度350MPa級(jí)的熱鍍鋅高強(qiáng)鋼。屈服強(qiáng)度平均值達(dá)到385MPa，抗拉強(qiáng)度平均值達(dá)到494MPa，延伸率平均值達(dá)到26%，達(dá)到性能設(shè)計(jì)要求。

(2)通過控軋控冷工藝，實(shí)驗(yàn)鋼獲得細(xì)小的鐵素體和珠光體組織，晶粒度達(dá)到12級(jí)。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(xì)化及鋼質(zhì)純凈保證實(shí)驗(yàn)鋼在獲得高強(qiáng)度的同時(shí)，韌塑性得到有效的保障。

(3)實(shí)驗(yàn)鋼成功應(yīng)用于復(fù)雜變形零件的生產(chǎn)，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(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]韓非,石磊,肖華，等.應(yīng)用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的典型汽車零件輥壓成形關(guān)鍵技術(shù)及開發(fā)[J].塑性工程學(xué)報(bào),2013,20(3):65-69．

[2]孔綱,盧錦堂,陳錦虹，等.鋼中元素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件熱鍍鋅的影響[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),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(zé)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(jiǎn)介：劉祥東(1984～)，男，碩士，工程師.E-mail：liuxiangdong@wisco.com.cn

中圖分類號(hào)：TG142.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-3524(2016)02-0019-03