铝硅变厚板热冲压前后镀层微观结构研究

曹栋杰，王 强

（上海宝钢包装钢带有限公司，上海 200941）

变厚板（VRB，Variable-thickness Rolled Blanks），是一种在轧制时厚度按设计要求呈纵向规则变化的冷轧钢板，也称为柔性轧制板，广泛应用于汽车内板及结构件。变厚板因不同厚度之间无焊缝、过渡区连接顺畅圆滑、材料组织流动性好，已成为汽车轻量化的重要技术解决方案。

镀铝硅变厚板，则是用热镀铝硅卷进行变厚轧制，得到不同厚度段落的冷轧镀铝硅卷，经剪切成一个零件周期的矩形板。因镀铝硅钢板具有良好的耐腐蚀性、耐热性、耐高温氧化性，且在热冲压淬火后具备超高的强度和硬度，逐步成为汽车行业以热代冷增强减重的重要材料手段。但由于镀铝硅板的焊接技术工序复杂，使得变厚板与镀铝硅的结合应用成为主流，它不仅具有铝硅热冲压钢超强的强度和硬度性能，更具有变厚板无焊缝，变形时优越的金属流动性，更贴合汽车安全结构件想要拥有的局部加强和能量缓冲的设计要求。铝硅变厚板因每个零件经过不同的轧制压下量，其镀层和合金层厚度在热冲压前后发生了不同程度的变化，在设计选型时不能套用等厚铝硅板的经验，所以，研究铝硅变厚板在热冲压前后镀层及合金层厚度的变化规律，以及在不同轧制压下量作用下镀层及合金层厚度的区别，对各汽车主机厂及特别是变厚板材料制造厂的零件设计、原料镀层选型、轧制规程制定及质量控制具有重要的意义。

表 1 HC950/1300HS+AS150的化学成分%

1 实验材料与方法

选取变厚板最常用的热镀铝硅材料HC950/1300 HS+AS150，镀层重量为 75/75（g/m2），其基板为22MnB5，化学成分如表1所示。原卷材料厚1.9mm，宽470mm，镀层及合金层用金相法分别测出其平均厚度，如表2所示。

设计一个六等厚度段的变厚板如图1所示，每段长度330mm，每两段厚度之间为30mm长的过渡区，其中6个等厚段的厚度为1.9mm的原卷分别设计轧制成10%压下量、20%压下量、30%……60%压下量的厚度。将此卷在宝钢变厚轧机上进行变厚轧制，并切割为若干份周期相同的变厚板，然后选取稳定区域的一张变厚板材料1，在每个等厚度段沿边中边各取3根试样，6个厚度段共取18根试样，然后在每根试样从左至右每间隔20mm取一点做镀层和合金层金相厚度观察测试。

同时在稳定区域另取一个周期变厚板材料2，在10%压下量至60%压下量等厚区各取330×470矩形板，利用平板模进行热冲压实验。考虑到实际应用中一张变厚板在冲压时，不同的厚度分布采用的是同样的热冲压加热温度、保温时间、保压时间等，此实验同样采用相同工艺进行热冲压处理（在宝钢热冲压生产线上加热930℃、保温270s、保压8s）。冲压后，同样按图1所示在每个等厚厚度段沿边中边各取3根试样，并在每个试样从左至右每间隔20mm取一点做镀层和扩散层金相厚度观察测试。

图1 按10%，20%60%轧制压下的变厚板

2 实验结果和分析

2.1 不同轧制压下量下镀层厚度变化（热冲压前）

图2为材料1自1.9mm原料按10%压下量、20%压下量、30%……60%压下量下不同厚度的纵向截面镀层金相图，从图中可以看到镀层及合金层与基体的界面形貌。

图2 不同压下量下铝硅镀层截面500X（热冲压前）

在每个压下量厚度段各取90个点，共180个数据。在500倍显微镜下测量镀层厚度如图3所示，结合从10%压下至60%压下各90个点平均厚度数据（10%-26.36 μm，20%-25.03 μm，30%-23.16 μm，40%-20.08 μm，50%-19.88μm，60%-18.83μm）可以看出，排除个别点的磨样及检测误差，镀层厚度基本上是随压下量的增加而呈现逐步降低的分布规律。

图3 不同轧制压下量下镀层厚度分布（热冲压前）

由图4可看出，轧制后镀层厚度呈线性下降，其中其厚度平均值在10%～40%下降明显，在40%～60%压下量段则比较缓慢，同时镀层厚度的下降率与轧制的压下率虽是正向关系，但并非同比例下降。从图4（a）观察，当轧制压下量轻微压下为10%时，镀层厚度已发生26%的减薄，高于基材厚度的减薄；轧制压下量在30%～40%时，压下率与镀层厚度的减薄比较接近，当压下达到43%左右后，镀层厚度的下降率趋于平缓，且低于压下量。从图4（b）可看出，合金层的变化不明显。

图4 镀层及合金层厚度的变化

图5 所示为不同轧制压下量的合金层截面，在1000倍显微镜下观察其合金层变化。由图5可以发现，当镀铝硅材料经10%～20%轧制压下时，其合金层基本上能保持清晰完整。随着轧制压下量增加至30%时，合金层则开始出现破碎，当轧制压下至50%时，合金层已出现虽连续但不规则状态，同时有个别点出现断开现象。当压下接近60%时，合金层基本上处于非连续不规则状态。

图5 不同压下量下合金层截面1000X（热冲压前）

2.2 不同轧制压下量下镀层变化（热冲压后）

图6 为镀铝硅变厚板在经不同的轧制压下量后，取经平板模热冲压后所取的纵向截面镀层金相图，从图中可以看出，基体与镀层界面清晰，镀层厚度均匀，基体与镀层之间合金层发生扩散，扩散识别明显，并发生长大。同样用金相法对材料2各取90个点的镀层厚度及合金层厚度，以平均值分析其变化及分布，如图7所示，可以发现，随轧制压下量的增加，镀层和合金层厚度比热冲压前均有明显增加，其中镀层的厚度增加比较稳定，增长幅度绝对值在3～7μm，增长比例随着压下量的增加变化不明显，幅度在18%～30%，且与压下量的变化无正向关系；合金层增加的趋势则比较明显，增长幅度绝对值在0.2～4.2μm，且增长比例在3%～68%，且随着压下量的增加而增加；超过30%后，增幅比例显著扩大，这与图5的合金层在轧制压下超过30%时开始破碎有一定的关系，以此推断，随着镀铝硅变厚板在轧制时合金层的破碎，其热冲压后扩散严重。

图6 不同压下量下铝硅镀层截面500X（热冲压后）

图7 镀层及合金层厚度的变化（热冲压后）

2.3 镀层变化在实际应用中的分析

在镀铝硅热冲压钢板作为汽车零件使用时，主机厂对铝硅镀层有着不同的规定。其中通用对等厚铝硅板AS150镀层厚度试验规范的依据为GMW144003.2.5.4-2016，要求：热成型前为 20～33 μm，可以有±1μm 的误差，对变厚板参考等厚执行；热成型后为30～50μm，合金层厚度≤16μm，对变厚板零件无明确要求。同时在变厚板技术交流过程中，部分主机厂和零部件厂也多次询问此方面的情况，说明大部分国内主机厂商对铝硅变厚板的认知不足，亟需变厚板制造厂给出相关方面的研究。大众则依据TL4225：2012-05，其中AlSi pre-coated sheets（+AS）描述的等厚铝硅板热成型前镀层厚度参考值为19～33μm，变厚板与轧制压下量有关，具体以设计部门的设计要求为准；热成型后则明确为15～50μm，合金层厚度≤16μm。

结合上述实验结果分析，在汽车零件以镀铝硅AS150为原料进行变厚板设计时，根据不同压下量的镀层分布变化判断，变厚轧制压下量应小于60%（40%，50%，60%压下量时镀层厚度分别为20.08μm，19.88 μm，18.83μm），或尽可能控制在55%以内。

3 结语

（1）在使用镀铝硅AS150为原料轧制变厚板时，其镀层厚度是随着压下量的增加而减少，并且在轧制压下初期镀层减薄率高于压下比例，在轧制压下43%左右后，镀层减薄率低于压下比例。合金层厚度减少变化不明显，但随着轧制压下量的增大合金层破碎逐步恶化。

（2）镀铝硅变厚板热冲压后，其镀层厚度会发生增长，增幅范围在3～7μm，且不同压下量的镀层增长基本稳定，与轧制压下量的增加关系不明显。合金层随轧制压下量的增加而增长，特别是超过30%后增长比例明显。

（3）变厚板在以镀铝硅AS150为原料设计时，变厚轧制压下量尽可能控制在55%以内。