汽車(chē)面板用超深沖熱鍍鋅DX56D+ Z產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

供稿|王樂(lè)，陳曉瀟 / WANG Le, CHEN Xiao-xiao

內(nèi)容導(dǎo)讀

超深沖熱鍍鋅DX56D+Z產(chǎn)品在汽車(chē)面板應(yīng)用中被譽(yù)為皇冠上的明珠。為了滿(mǎn)足高端制造、高端創(chuàng)效的發(fā)展需求，通過(guò)科學(xué)的成分設(shè)計(jì)和合理的冶煉、熱軋、酸軋、熱鍍鋅工藝控制，成功開(kāi)發(fā)了表面質(zhì)量?jī)?yōu)異(零缺陷)、屈服強(qiáng)度＜165 MPa、抗拉強(qiáng)度＞280 MPa、斷后延伸率＞43%、塑性應(yīng)變比＞2.50、加工硬化指數(shù)＞0.235的汽車(chē)面板用超深沖熱鍍鋅DX56D+Z。工業(yè)應(yīng)用表明，該產(chǎn)品的成形性、涂裝性、性能穩(wěn)定性等均符合用戶(hù)使用要求。

汽車(chē)面板用超深沖熱鍍鋅DX56D+Z產(chǎn)品是汽車(chē)板中生產(chǎn)難度最大的高端品種，不僅要求帶鋼具有優(yōu)良沖壓成形性、焊接性、耐蝕性、性能穩(wěn)定性及涂裝性等，同時(shí)對(duì)帶鋼的表面形貌、粗糙度有嚴(yán)格的限定，該類(lèi)產(chǎn)品被廣泛用于制造轎車(chē)的側(cè)圍、翼子板、車(chē)門(mén)、頂蓋等外部覆蓋件。

山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司冷軋產(chǎn)品以汽車(chē)、家電等高端制造業(yè)為目標(biāo)市場(chǎng)，全工序采用西馬克等國(guó)際先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，具備汽車(chē)面板生產(chǎn)的工藝及設(shè)備基礎(chǔ)。產(chǎn)線(xiàn)順行后，該公司從2019年初開(kāi)始加快推進(jìn)高表面質(zhì)量、超深沖汽車(chē)面板DX56D+Z產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，以期增強(qiáng)冷軋產(chǎn)品盈利能力，促進(jìn)冶煉、連鑄和軋制等工藝參數(shù)的精確穩(wěn)定控制，實(shí)現(xiàn)全流程質(zhì)量管理水平提升。

成分設(shè)計(jì)

根據(jù)汽車(chē)面板件的使用特征，考慮表面涂漆、沖壓成形等加工需求，結(jié)合山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司節(jié)能降本的生產(chǎn)理念，以超低碳、純鈦添加為原則，進(jìn)行DX56D+Z的成分體系設(shè)計(jì)。

超深沖無(wú)間隙原子鋼(簡(jiǎn)稱(chēng)超深沖IF鋼)的冶煉成分具有三大特點(diǎn)：超低碳、鋼質(zhì)純凈、微合金化?，F(xiàn)代冶金技術(shù)水平的進(jìn)步能夠保證C、N元素(質(zhì)量分?jǐn)?shù))保持在超低范圍內(nèi)，如C≤0.0025%和N≤0.0030%。添加微量的Ti合金，能夠完全固定鋼中的間隙原子，由此獲得優(yōu)異的深沖性能和非時(shí)效性。同時(shí)，Ti合金的加入能使硫化物等夾雜物呈球狀而非長(zhǎng)方形排列，從而改善橫向彎曲中的韌性和延展性。一般而言，Ti含量(w(Ti)，質(zhì)量分?jǐn)?shù))要求控制在w(Ti)≥3.43 w(N)+1.5 w(S)+4 w(C)，但過(guò)剩Ti 含量w*(Ti)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))控制在0.02%～0.04%為最佳[1]，原因是過(guò)高的Ti含量會(huì)阻礙IF鋼的再結(jié)晶進(jìn)程，提高其再結(jié)晶溫度，損害退火{111}有利織構(gòu)，不利于沖壓性能的提升。為達(dá)到鋼質(zhì)的極度純凈，鋼中的Si、P、S、O等元素含量要求盡可能低。具體化學(xué)成分設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 面板用DX56D+Z鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

工業(yè)試制

汽車(chē)面板用DX56D+Z的工業(yè)試制工藝流程：高爐鐵水→轉(zhuǎn)爐冶煉→RH精煉→連鑄→鑄坯下線(xiàn)、檢查、上下表面扒皮→板坯加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→檢查→酸洗→檢查→冷連軋→檢查→熱鍍鋅→光整→檢查→精整→檢查→涂油→包裝。

DX56D+Z鋼的冶煉

根據(jù)成分設(shè)計(jì)思路，煉鋼工序重點(diǎn)開(kāi)展?jié)崈翡撋a(chǎn)技術(shù)攻關(guān)：鐵水KR脫硫(w(S)≤0.0030%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))，扒渣亮面≥90%；轉(zhuǎn)爐冶煉采用全程底吹氬，滑板擋渣；RH精煉中真空脫碳，真空度≤133 Pa、時(shí)間控制12～20 min；按照目標(biāo)鋁含量和殘余氧含量計(jì)算鋁的加入量，一次加足，鋼包鎮(zhèn)靜時(shí)間≥10 min； 連鑄采用超低碳?jí)A性覆蓋劑，板間吹氬流量3～ 10 L/min、液面波動(dòng)±3 mm，拉速不低于0.9 m/min、恒拉速澆注(拉速波動(dòng)控制在±0.1 m/min)；頭尾坯改判非面板鋼種。首次冶煉的兩爐面板用DX56D+Z煉鋼生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定，成分滿(mǎn)足內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際成分見(jiàn)表2。

表2 面板用DX56D+Z鋼的實(shí)際化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

DX56D+Z鋼的熱軋

對(duì)于高表面質(zhì)量要求的面板產(chǎn)品，熱軋工序的核心是氧化鐵皮控制，同時(shí)考慮IF鋼熱軋有利織構(gòu)的遺傳性和成品組織純凈的要求，DX56D+Z鋼以均勻的鐵素體晶粒、粗大稀疏分布的第二相粒子為 最佳。

計(jì)劃編排上要求高表面質(zhì)量DX56D+Z安排在開(kāi)軋10 km主材之后，同寬軋制里程＜30 km，總軋制里程控制在70 km以?xún)?nèi)，防止軋輥表面因交變應(yīng)力導(dǎo)致的氧化膜破損軋入帶鋼表面，形成精軋機(jī)輥生氧化鐵皮(三次氧化鐵皮)。低溫加熱、縮短在爐時(shí)間，啟車(chē)前開(kāi)展除鱗打擊板實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)除鱗水嘴打擊效果正常，水嘴無(wú)破損、堵塞，除鱗集管高度設(shè)定符合標(biāo)準(zhǔn)，能夠防止一次和二次氧化鐵皮壓入帶鋼表面。

低溫加熱、全奧氏體區(qū)高溫終軋、軋后前段快速冷卻以及高溫卷取都有利于熱軋工序加強(qiáng)γ織構(gòu)，提高DX56D+Z成品的深沖性能。此外，為提高通板性能均勻性，采用U型卷取工藝，熱頭尾長(zhǎng)度分別為30 m。熱軋關(guān)鍵工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

DX56D+Z鋼的酸軋

面板用IF鋼在酸軋工序重點(diǎn)關(guān)注酸洗和軋后表面質(zhì)量。末道酸槽自由酸濃度≥160 g/L，亞鐵離子濃度≤30 g/L，保持酸洗工藝段運(yùn)行速度100～200 m/min (目標(biāo)穩(wěn)定在150 m/min運(yùn)行)，面板生產(chǎn)前1 h添加體積分?jǐn)?shù)為1‰～3‰的酸洗緩蝕劑，增加表面光澤度，防止帶鋼表面出現(xiàn)欠酸洗或過(guò)酸洗缺陷。乳化液箱(特別是小箱)加強(qiáng)清潔管理，控制軋后帶鋼表面反射率≥70%，單面殘油量≤250 mg/m2，殘鐵≤50 mg/m2；軋后在線(xiàn)打磨帶鋼表面，確認(rèn)軋后無(wú)明顯色差、無(wú)軟壓印等缺陷。

表3 面板用DX56D+Z的熱軋關(guān)鍵工藝參數(shù)

IF鋼的織構(gòu)主要在冷軋中形成。研究表明，冷軋織構(gòu)中{111}＜110＞ 織構(gòu)的含量隨著冷軋壓下率的增加而增加，并隨后在退火處理中演變?yōu)閧111}＜112＞ 再結(jié)晶織構(gòu)[2]。由此可知，冷軋壓下率增加時(shí)，DX56D+Z的r值隨之增大，考慮軋機(jī)能力，采用的冷軋總壓下率為77%～85%。

DX56D+Z鋼的熱鍍鋅

鍍鋅工序是整個(gè)面板生產(chǎn)的核心工序，需要在此階段獲得“零缺陷”的表面和優(yōu)異的沖壓性能。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，挑選爐號(hào)相同(同成分)、熱軋及酸軋工藝基本一致的4卷DX56D+Z冷硬卷開(kāi)展鍍鋅工序的試制，其成品交貨規(guī)格為0.7 mm×1250 mm。

入鋅鍋帶鋼的清潔性直接關(guān)系到鋅液的純凈程度，鋅液中Fe含量越高，帶鋼表面鋅渣、鋅粒缺陷越嚴(yán)重，而該類(lèi)缺陷又是面板生產(chǎn)中的一大頑 疾[3-5]。在保證原料清潔度達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，控制清洗段有效堿濃度≥95%，清洗后帶鋼表面反射率≥90%；鋅液Al含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))控制在0.22%± 0.02%，F(xiàn)e≤0.010%(目標(biāo)≤0.006%)；排鋅系統(tǒng)需有效投用。此外，入鋅鍋溫度較鋅液溫度高5～10℃，避免鋅鍋感應(yīng)加熱器高功率開(kāi)啟。

鋅液溫度控制在(455±3) ℃，爐鼻子露點(diǎn)在-12～ -18℃，以降低鋅液蒸發(fā)量，減少鋅灰發(fā)生幾率；保持鍍鋅工藝段運(yùn)行速度110～140 m/min(目標(biāo)穩(wěn)定在130 m/min運(yùn)行)，氣刀高度200～260 mm，能夠有效解決鋅波紋缺陷；頂輥入口帶鋼溫度≤180℃，避免鍍后發(fā)黑等色差缺陷[6]；爐內(nèi)氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))4%～7%，氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))≤10×10-6，爐壓150～ 300 Pa，提高帶鋼表面光亮度。

鍍鋅前的連退工藝是鐵素體再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大和發(fā)展再結(jié)晶織構(gòu)的關(guān)鍵，即退火工藝直接決定了鋼板的深沖性能，均熱溫度控制(840±5)℃，能夠有效保障再結(jié)晶有利織構(gòu)的生成，又能避免晶粒的異常長(zhǎng)大。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，光整工藝是影響面板用DX56D+ Z產(chǎn)品表面質(zhì)量和性能的關(guān)鍵。光整機(jī)工作輥要求表面粗糙度Ra=1.8 μm，波峰計(jì)數(shù)值Rpc＞130 cm-1，速度160～220 m/min，保持200 t以上的光整力，可對(duì)極輕微的表面缺陷形成較好的遮蓋效果，又能使產(chǎn)品表面形貌細(xì)膩。

DX56D+Z鋼的精整

一般情況下，切邊定寬及涂油在精整工序完成，要求邊部無(wú)毛刺、涂油均勻。此外，高表面質(zhì)量汽車(chē)面板(O5面板)所要求的油石打磨檢查也通常在精整工序完成，要求無(wú)軟壓印、無(wú)明顯色差，對(duì)于關(guān)鍵的鋅渣缺陷檢查標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 面板DX56D+Z鋅渣缺陷的檢查標(biāo)準(zhǔn)

DX56D+Z鋼的組織及綜合性能

金相組織

試驗(yàn)鋼種經(jīng)熱軋后，金相組織全部為等軸鐵素體組織，晶粒度約為7.5級(jí)，二維形貌表現(xiàn)為晶粒間截距差距較大，截距大于20 μm和小于10 μm晶粒約各占50%，即晶粒在三維形貌上呈部分細(xì)長(zhǎng)軋態(tài)，但無(wú)混晶組織，見(jiàn)圖1(a)。冷軋鍍鋅后，帶鋼組織經(jīng)退火后再結(jié)晶，全部為等軸鐵素體組織，且大角度晶界占絕對(duì)比例，二維形貌表現(xiàn)為單位面積內(nèi)晶粒數(shù)量減少、晶粒間截距差距減小，截距小于10 μm的晶粒明顯減少至10%左右，即晶粒在三維形貌上呈等軸狀，見(jiàn)圖1(b)，說(shuō)明鍍鋅工序退火時(shí)再結(jié)晶已相當(dāng)充分，均勻、等軸、純凈的微觀(guān)組織能夠保障DX56D+Z成品具備優(yōu)異的沖壓性能。

力學(xué)性能

圖1 DX56D+Z鋼的金相組織形貌：(a) 熱軋；(b) 鍍鋅

本次面板試制時(shí)，對(duì)上述4卷DX56D+Z試驗(yàn)了不同的光整延伸率參數(shù)，具體力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表5。由此可知，光整延伸率對(duì)面板用DX56D+Z鋼種的抗拉強(qiáng)度、斷后延伸率、r值和n值基本無(wú)影響，但對(duì)屈服強(qiáng)度影響顯著，屈服強(qiáng)度隨光整延伸率的增加單調(diào)遞增，當(dāng)光整延伸率達(dá)到1.3%時(shí)，屈服強(qiáng)度接近165 MPa的內(nèi)控上限，屈服強(qiáng)度的升高對(duì)深沖性能尤為不利。另一方面，光整延伸率增加，光整軋制力增大，帶鋼表面更加平整光滑、光澤度更加均勻一致。當(dāng)光整延伸率為1.2%時(shí)，邊部欠光整缺陷得到有效解決，即帶鋼表面質(zhì)量明顯改善。綜上所述，0.7 mm厚度的DX56D+Z產(chǎn)品，采用1.2%光整延伸率最為合適。

表5 不同光整延伸率下的DX56D+Z力學(xué)性能

表面質(zhì)量

本次試制4卷DX56D+Z，其中卷號(hào)19008165和19008160因光整延伸率不足產(chǎn)生輕微欠光整，在線(xiàn)分別改判為家電內(nèi)板、汽車(chē)內(nèi)板，其余兩卷帶鋼表面粗糙度Ra分別為1.02 μm和1.07 μm(目標(biāo)0.8～ 1.2 μm)，波峰計(jì)數(shù)值Rpc為106 cm-1和108 cm-1(目標(biāo)≥100 cm-1)，波紋度Wsa為0.32 μm和0.35 μm(目標(biāo)≤0.35 μm)，能夠滿(mǎn)足汽車(chē)主機(jī)廠(chǎng)對(duì)面板涂漆鮮映性的要求。

基于汽車(chē)面板對(duì)帶鋼表面質(zhì)量的嚴(yán)苛要求，鋼卷下線(xiàn)后進(jìn)一步開(kāi)展模擬沖壓檢查。對(duì)19008161和19008351鋼卷的樣板兩面涂油后擦拭干凈，利用TGRXC-2000Z型微沖機(jī)沖壓，檢查砂網(wǎng)打磨無(wú)條紋、油石打磨無(wú)條紋。特別是對(duì)汽車(chē)主機(jī)廠(chǎng)關(guān)注的點(diǎn)狀缺陷，優(yōu)面朝上微沖，用3M砂紙打磨后目視檢查，19008161鋼卷表面存在直徑大于1 mm的亮點(diǎn)和麻點(diǎn)，見(jiàn)圖2(a)，改判為汽車(chē)內(nèi)板；19008351鋼卷表面質(zhì)量良好，見(jiàn)圖2(b)，判定為汽車(chē)面板合格品。

結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)試制結(jié)果表明，高表面質(zhì)量汽車(chē)面板用超深沖熱鍍鋅DX56D+Z產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的技術(shù)核心在于：煉鋼工序重點(diǎn)開(kāi)展?jié)崈翡撋a(chǎn)技術(shù)攻關(guān)，要求C、N、O等元素達(dá)到超低水平，適當(dāng)添加Ti合金；熱軋工序控制氧化鐵皮缺陷，采用低溫加熱、全奧氏體區(qū)高溫終軋、軋后前段快速冷卻以及高溫卷??；鍍鋅工序控制鋅渣鋅粒缺陷，提高產(chǎn)線(xiàn)清潔生產(chǎn)能力。采用840 ℃退火溫度、1.2%光整延伸率，能夠保證沖壓性能優(yōu)異的前提下，有效提升帶鋼表面質(zhì)量。

本輪工業(yè)試制成功的汽車(chē)面板用超深沖熱鍍鋅DX56D+Z產(chǎn)品主要供給某合資品牌汽車(chē)主機(jī)廠(chǎng)，用于制造乘用車(chē)翼子板零件，工業(yè)應(yīng)用表明該產(chǎn)品的成形性、涂裝性、性能穩(wěn)定性等均符合用戶(hù)使用要求。因此，汽車(chē)面板用超深沖熱鍍鋅DX56D+Z產(chǎn)品的成分設(shè)計(jì)、工藝控制是恰當(dāng)?shù)摹Ｍ瑫r(shí)也應(yīng)注意到，汽車(chē)面板的認(rèn)證要求高、整車(chē)用量大、質(zhì)量異議后果嚴(yán)重，下一步需總結(jié)試制經(jīng)驗(yàn)，聚焦鍍鋅汽車(chē)面板的產(chǎn)成率，持續(xù)開(kāi)展技術(shù)、設(shè)備、管理細(xì)節(jié)提升和攻關(guān)，努力實(shí)現(xiàn)該類(lèi)高端產(chǎn)品的批量穩(wěn)定供貨。

圖2 DX56D+Z面板產(chǎn)品模擬沖壓后表面質(zhì)量：(a) 亮點(diǎn)缺陷；(b) 合格表面

《山水人家》宋淑貴