熱軋免酸洗汽車大梁鋼施工適應(yīng)性研究

魏　兵　劉　洋　楊　奕　劉永前

(武漢鋼鐵有限公司研究院，湖北武漢　430080)

免酸洗鋼的表面氧化鐵皮與基體間具有較強(qiáng)的結(jié)合力，且在常溫下具有較高的抗拉強(qiáng)度，可承受一定變形而不發(fā)生脫落，因此可不經(jīng)過酸洗而直接進(jìn)行成形。應(yīng)用免酸洗鋼可明顯降低廢酸排放，改善環(huán)境[1- 3]。近年來熱軋免酸洗鋼產(chǎn)品的開發(fā)在國內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。由于免酸洗鋼產(chǎn)品無需去除帶鋼表面的氧化鐵皮，較現(xiàn)有酸洗鋼而言，是工藝上的革新。但目前對(duì)于免酸洗汽車大梁鋼是否能與下游企業(yè)的施工相適應(yīng)，并能夠滿足產(chǎn)品的最終要求的研究較少。針對(duì)此問題，本文著重研究了免酸洗鋼在使用過程中成形、焊接、涂裝等施工工藝，為免酸洗鋼的應(yīng)用推廣提供技術(shù)支持。

1　免酸洗鋼表面鐵皮結(jié)構(gòu)及厚度

選取某熱軋廠生產(chǎn)的500 MPa級(jí)免酸洗汽車大梁鋼，厚度為4 mm，其化學(xué)成分如表1所示。

表1　免酸洗鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1　Chemical composition of the pickling- free steel (mass fraction)　%

通過控制軋制工藝參數(shù)，并采用前段快速冷卻，對(duì)鋼卷進(jìn)行風(fēng)機(jī)冷卻，使氧化鐵皮發(fā)生充分共析反應(yīng)，得到的免酸洗鋼表面氧化鐵皮厚度較薄，約7.6～9.0 μm，結(jié)構(gòu)主要為Fe3O4+Fe的共析組織加少量殘留FeO，如圖1所示。

圖1　免酸洗鋼氧化鐵皮結(jié)構(gòu)及厚度Fig.1　Microstructure and thickness of oxide scale on the pickling- free steel

2　不同施工方式對(duì)免酸洗鋼應(yīng)用的影響

免酸洗汽車大梁鋼是否能夠滿足下游企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量要求，需滿足以下幾點(diǎn)：(1)在成形過程中，表面氧化鐵皮不發(fā)生明顯脫落；(2)焊接后，焊縫性能與外觀形貌與酸洗或者拋丸工藝無明顯差異；(3)涂裝后，漆膜附著力、耐鹽霧腐蝕性能與酸洗或拋丸大梁鋼相當(dāng)?；谝陨先c(diǎn)要求，分別研究成形、焊接、涂裝等施工方式對(duì)免酸洗鋼應(yīng)用的影響。

2.1　成形工藝

免酸洗汽車大梁鋼在成形過程中，無論是輥壓成形或者沖壓成形，由于帶鋼表面氧化鐵皮與基體的延伸不一致，表面氧化鐵皮會(huì)發(fā)生不同程度的脫落，取決于表面氧化鐵皮附著力是否良好。因此需對(duì)免酸洗鋼冷成形后表面氧化鐵皮進(jìn)行附著力評(píng)價(jià)。根據(jù)氧化鐵皮附著力檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的冷彎試驗(yàn)，彎曲直徑D=t(板厚)，彎曲90°，最后觀察試樣表面氧化鐵皮脫落情況。結(jié)果表明，氧化鐵皮附著力良好，彎曲處未發(fā)現(xiàn)明顯氧化鐵皮脫落。如圖2所示。

圖2　氧化鐵皮附著力評(píng)價(jià)Fig.2　Adhesion evaluation of oxide scale

對(duì)于同一種鋼，氧化鐵皮的附著性主要受氧化鐵皮結(jié)構(gòu)、厚度及氧化鐵皮的受力狀態(tài)等因素影響。在冷彎過程中，氧化鐵皮越厚，其所承受的變形越大，也更易脫落。氧化鐵皮中Fe3O4、FeO、Fe2O3及Fe3O4+Fe共析組織的抗拉強(qiáng)度存在較大差異[4]，如表2所示。

表2　室溫下氧化鐵皮中各相性能Table 2　Properties of each phase in oxide scales at room temperature

從表2可知，當(dāng)鋼的氧化鐵皮結(jié)構(gòu)主要為Fe3O4或Fe3O4+Fe的共析結(jié)構(gòu)時(shí)，氧化鐵皮能夠承受一定的載荷而不易脫落。因此，在冷彎過程中，免酸洗鋼試樣外表面的氧化鐵皮不易脫落，附著力良好，能夠滿足成形后續(xù)的表面要求。

2.2　焊接

采用CO2氣體保護(hù)焊對(duì)試樣進(jìn)行焊接，焊縫上各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化而變化。焊接過程中，焊縫處溫度變化最大，熱影響區(qū)較小，母材區(qū)最小[5- 6]。因此對(duì)焊縫區(qū)域、熱影響區(qū)的組織、性能及氧化鐵皮進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。焊縫處組織為細(xì)小針狀鐵素體，熱影響區(qū)組織為粗大針狀鐵素體，如圖3所示。

在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣焊縫區(qū)域、熱影響區(qū)域表面的氧化鐵皮結(jié)構(gòu)與厚度，如圖4所示。

圖3　焊縫(a)和熱影響區(qū)(b)的顯微組織Fig.3　Microstructures of weld joint (a) and heat affected zone (b)

圖4　焊縫(a)和熱影響區(qū)(b)處氧化鐵皮Fig.4　Oxide Scales located at the weld joint (a) and heat affected zone (b)

在焊接過程中，試樣表面的氧化鐵皮發(fā)生分解和共析反應(yīng)。在快速升溫階段，試樣表面共析組織的氧化鐵皮發(fā)生逆反應(yīng)Fe3O4+Fe→FeO，主要生成FeO；在降溫階段，焊縫處從高溫瞬間降到常溫，F(xiàn)eO結(jié)構(gòu)來不及進(jìn)行共析反應(yīng)而保留下來，最終冷卻到常溫時(shí)，試樣表面氧化鐵皮結(jié)構(gòu)全部為FeO，厚度達(dá)到20 μm，如圖4(a)所示。而熱影響區(qū)的溫度降低較緩慢，部分FeO發(fā)生共析反應(yīng)FeO→Fe3O4+Fe，氧化鐵皮結(jié)構(gòu)為大量FeO和少量Fe3O4，厚度約為9 μm，如圖4(b)所示。

為了進(jìn)一步研究焊縫的力學(xué)性能，按照GB/T 2651—2008和GB/T 2650—2008加工標(biāo)準(zhǔn)焊接接頭拉伸試樣和夏比V型缺口沖擊試樣，試樣厚度為4.0 mm，并對(duì)免酸洗鋼的焊縫進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。

從表3可知，免酸洗鋼焊縫的-40 ℃沖擊吸收能量在80 J左右，遠(yuǎn)高于交貨標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫拉伸斷裂部位均位于母材，焊接性能達(dá)到要求。因此，對(duì)免酸洗鋼而言，焊接僅僅對(duì)帶鋼表面的氧化鐵皮厚度及結(jié)構(gòu)有一定的影響，對(duì)鋼的整體性能影響不大。通常，汽車廠在焊接工序后會(huì)進(jìn)行局部噴砂，去除焊縫表面的焊渣，然后對(duì)焊縫進(jìn)行再次涂裝，保證零部件的外觀。由此可知，用免酸洗鋼產(chǎn)品進(jìn)行焊接，與常規(guī)酸洗鋼實(shí)質(zhì)等同，外觀形貌無明顯差異，都能夠滿足客戶對(duì)產(chǎn)品的要求。

表3　焊縫力學(xué)性能Table 3　Mechanical properties of the weld joint

2.3　涂裝

汽車大梁涂裝前，需進(jìn)行表面磷化處理。磷化是經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)及電化學(xué)反應(yīng)在金屬表面形成磷酸鹽覆蓋膜的過程，能夠明顯的、較大幅度地提高后續(xù)電泳涂膜的附著力和耐腐蝕性[7- 9]。磷化效果對(duì)涂裝的質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。分別對(duì)免酸洗汽車大梁鋼樣板和常規(guī)樣板進(jìn)行磷化、電泳。樣板的磷化結(jié)晶照片如圖5所示。

圖5　免酸洗鋼(a)和酸洗鋼(b)的磷化結(jié)晶Fig.5　Phosphating films of pickling- free steel (a) and pickled steel (b)

從圖5可知，免酸洗鋼樣板表面磷化結(jié)晶呈針狀，酸洗鋼樣板表面磷化結(jié)晶呈圓形，兩者結(jié)晶大小都在10 μm內(nèi)，結(jié)晶致密，均勻平整地覆蓋在試樣表面。根據(jù)GB/T 1771—2007分別對(duì)兩種樣板進(jìn)行168 h耐鹽霧腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6　鹽霧試驗(yàn)后免酸洗鋼(a)和酸洗鋼 (b)表面形貌Fig.6　Surface morphologies of pickling- free steel (a) and pickled steel (b) after salt spray test

由圖6可見，經(jīng)168 h鹽霧試驗(yàn)后，免酸洗鋼樣板表面未起泡，加速線雙邊腐蝕最大寬度為1.5 mm；酸洗大梁鋼樣板表面也未起泡，加速線雙邊腐蝕最大寬度為1.4 mm?？梢妰煞N試驗(yàn)樣板磷化、電泳后的耐鹽霧腐蝕性能相當(dāng)，都能夠滿足涂裝后耐腐蝕性能標(biāo)準(zhǔn)的要求，即表面不起泡，且加速線雙邊腐蝕不大于2 mm。

3　結(jié)論

(1)免酸洗汽車大梁鋼表面氧化鐵皮厚度較薄，主要結(jié)構(gòu)為Fe3O4+Fe共析組織與少量殘留FeO，由于Fe3O4+Fe共析組織和Fe3O4的抗拉強(qiáng)度較FeO與Fe2O3大，因此能夠承受一定程度的變形，氧化鐵皮無明顯脫落，附著力良好。

(2)焊接工序僅僅對(duì)帶鋼表面的氧化鐵皮厚度及結(jié)構(gòu)有一定的影響，免酸洗鋼焊縫處的-40 ℃沖擊吸收能量約80 J，試樣的拉伸斷裂位于母材，免酸洗鋼焊縫的力學(xué)性能夠滿足生產(chǎn)的需要。

(3)免酸洗鋼與酸洗大梁鋼表面磷化結(jié)晶后，結(jié)晶尺寸都在10 μm內(nèi)，表面結(jié)晶致密，均勻平整地覆蓋在試樣表面，涂裝后，兩種樣板經(jīng)168 h鹽霧試驗(yàn)，表面均未出現(xiàn)氣泡，加速線雙邊腐蝕最大寬度分別為1.5和1.4 mm，兩者耐鹽霧腐蝕性能相當(dāng)。

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