热轧免酸洗汽车大梁钢施工适应性研究

2018-04-09刘永前

上海金属 2018年1期

魏　兵　刘　洋　杨　奕　刘永前

(武汉钢铁有限公司研究院，湖北武汉　430080)

免酸洗钢的表面氧化铁皮与基体间具有较强的结合力，且在常温下具有较高的抗拉强度，可承受一定变形而不发生脱落，因此可不经过酸洗而直接进行成形。应用免酸洗钢可明显降低废酸排放，改善环境[1- 3]。近年来热轧免酸洗钢产品的开发在国内得到了迅速的发展。由于免酸洗钢产品无需去除带钢表面的氧化铁皮，较现有酸洗钢而言，是工艺上的革新。但目前对于免酸洗汽车大梁钢是否能与下游企业的施工相适应，并能够满足产品的最终要求的研究较少。针对此问题，本文着重研究了免酸洗钢在使用过程中成形、焊接、涂装等施工工艺，为免酸洗钢的应用推广提供技术支持。

1　免酸洗钢表面铁皮结构及厚度

选取某热轧厂生产的500 MPa级免酸洗汽车大梁钢，厚度为4 mm，其化学成分如表1所示。

表1　免酸洗钢的化学成分(质量分数)Table 1　Chemical composition of the pickling- free steel (mass fraction)　%

通过控制轧制工艺参数，并采用前段快速冷却，对钢卷进行风机冷却，使氧化铁皮发生充分共析反应，得到的免酸洗钢表面氧化铁皮厚度较薄，约7.6～9.0 μm，结构主要为Fe3O4+Fe的共析组织加少量残留FeO，如图1所示。

图1　免酸洗钢氧化铁皮结构及厚度Fig.1　Microstructure and thickness of oxide scale on the pickling- free steel

2　不同施工方式对免酸洗钢应用的影响

免酸洗汽车大梁钢是否能够满足下游企业生产质量要求，需满足以下几点：(1)在成形过程中，表面氧化铁皮不发生明显脱落；(2)焊接后，焊缝性能与外观形貌与酸洗或者抛丸工艺无明显差异；(3)涂装后，漆膜附着力、耐盐雾腐蚀性能与酸洗或抛丸大梁钢相当。基于以上三点要求，分别研究成形、焊接、涂装等施工方式对免酸洗钢应用的影响。

2.1　成形工艺

免酸洗汽车大梁钢在成形过程中，无论是辊压成形或者冲压成形，由于带钢表面氧化铁皮与基体的延伸不一致，表面氧化铁皮会发生不同程度的脱落，取决于表面氧化铁皮附着力是否良好。因此需对免酸洗钢冷成形后表面氧化铁皮进行附着力评价。根据氧化铁皮附着力检测标准进行相应的冷弯试验，弯曲直径D=t(板厚)，弯曲90°，最后观察试样表面氧化铁皮脱落情况。结果表明，氧化铁皮附着力良好，弯曲处未发现明显氧化铁皮脱落。如图2所示。

图2　氧化铁皮附着力评价Fig.2　Adhesion evaluation of oxide scale

对于同一种钢，氧化铁皮的附着性主要受氧化铁皮结构、厚度及氧化铁皮的受力状态等因素影响。在冷弯过程中，氧化铁皮越厚，其所承受的变形越大，也更易脱落。氧化铁皮中Fe3O4、FeO、Fe2O3及Fe3O4+Fe共析组织的抗拉强度存在较大差异[4]，如表2所示。

表2　室温下氧化铁皮中各相性能Table 2　Properties of each phase in oxide scales at room temperature

从表2可知，当钢的氧化铁皮结构主要为Fe3O4或Fe3O4+Fe的共析结构时，氧化铁皮能够承受一定的载荷而不易脱落。因此，在冷弯过程中，免酸洗钢试样外表面的氧化铁皮不易脱落，附着力良好，能够满足成形后续的表面要求。

2.2　焊接

采用CO2气体保护焊对试样进行焊接，焊缝上各点的温度随时间变化而变化。焊接过程中，焊缝处温度变化最大，热影响区较小，母材区最小[5- 6]。因此对焊缝区域、热影响区的组织、性能及氧化铁皮进行相关检测。焊缝处组织为细小针状铁素体，热影响区组织为粗大针状铁素体，如图3所示。

在光学显微镜下观察试样焊缝区域、热影响区域表面的氧化铁皮结构与厚度，如图4所示。

图3　焊缝(a)和热影响区(b)的显微组织Fig.3　Microstructures of weld joint (a) and heat affected zone (b)

图4　焊缝(a)和热影响区(b)处氧化铁皮Fig.4　Oxide Scales located at the weld joint (a) and heat affected zone (b)

在焊接过程中，试样表面的氧化铁皮发生分解和共析反应。在快速升温阶段，试样表面共析组织的氧化铁皮发生逆反应Fe3O4+Fe→FeO，主要生成FeO；在降温阶段，焊缝处从高温瞬间降到常温，FeO结构来不及进行共析反应而保留下来，最终冷却到常温时，试样表面氧化铁皮结构全部为FeO，厚度达到20 μm，如图4(a)所示。而热影响区的温度降低较缓慢，部分FeO发生共析反应FeO→Fe3O4+Fe，氧化铁皮结构为大量FeO和少量Fe3O4，厚度约为9 μm，如图4(b)所示。

为了进一步研究焊缝的力学性能，按照GB/T 2651—2008和GB/T 2650—2008加工标准焊接接头拉伸试样和夏比V型缺口冲击试样，试样厚度为4.0 mm，并对免酸洗钢的焊缝进行力学性能检测，结果如表3所示。

从表3可知，免酸洗钢焊缝的-40 ℃冲击吸收能量在80 J左右，远高于交货标准要求，焊缝拉伸断裂部位均位于母材，焊接性能达到要求。因此，对免酸洗钢而言，焊接仅仅对带钢表面的氧化铁皮厚度及结构有一定的影响，对钢的整体性能影响不大。通常，汽车厂在焊接工序后会进行局部喷砂，去除焊缝表面的焊渣，然后对焊缝进行再次涂装，保证零部件的外观。由此可知，用免酸洗钢产品进行焊接，与常规酸洗钢实质等同，外观形貌无明显差异，都能够满足客户对产品的要求。