摘要: 针对传统DP780，本文采用Al元素替代部分Cr元素，在相同热轧温度、冷轧压下率、退火温度等生产工艺条件下，完成了低Al与高Al两种成分体系DP780合金化镀锌板生产试制，并对其性能进行了详细对比。结果表明，高Al系DP780与低Al系DP780相比，基体微观组织更加均匀，横纵向性能差异更小，扩孔性能更优，且对合金化镀层无影响。因此，用适量Al元素替代部分Cr元素，不仅可以明显降低成本，还有效提升了DP780综合性能。
Abstract:
For traditional DP780, this paper uses Al el-ement to replace part of Cr element. Under the same production process conditions as hot rolling temperature, cold rolling reduction rate and annealing temperature, the trial production of DP780 annealed galvanized sheet with low Al and high Al component was completed, and its properties were compared in detail. The results show that when comparing high Al series DP780 with low Al series DP780, the matrix microstructure is more uniform, the difference in transverse and longitu-dinal properties is smaller, the hole expansion performance is better, and it has no effect on the al-loyed coating. Therefore, replacing some Cr elements with an appropriate amount of Al elements can not only significantly reduce the cost, but also effectively improve the comprehensive perfor-mance of DP780.
1. 引言
双相钢(Dual Phase Steel，简称DP钢)以马氏体等第二相粒子分布于铁素体基体中，具有低屈强比、高强度、易成型、初始加工硬化指数高等特点 [1]，广泛应用在汽车纵横梁、A柱、B柱及其它车身结构件上。双相钢的主要成分为C和Mn，通常添加的合金元素有Cr、Mo、Si、Ti、Nb等，组织为铁素体和马氏体，在具有较高强度的同时，也具有良好的成形性能，非常适合冲压那些对强度和成形性均有较高要求的汽车零部件。
合金化热镀锌钢板(简称GA钢板)，相比纯锌板，其具有更优良的耐蚀性、涂装性和焊接性能，已越来越多地应用于日系汽车车身上。随着汽车轻量化的不断发展以及乘员安全性要求的不断提高，近年来高强钢在日系汽车白车身中的比例逐渐增大，而合金化热镀锌双相钢因其优良的性能，广泛应用在日系汽车零部件上。
目前冷轧双相钢的成分设计广泛采用较高的Si，其Si含量普遍在0.4%以上 [2]，但Si元素容易在表面氧化富集，影响镀锌质量，只适合连退产品。因此，合金化热镀锌双相钢通常添加Cr、Mo元素增加淬透性，以获得铁素体+马氏体双相组织。但Cr元素价格贵，合金成本较高。为降低生产成本，本论文采用Al元素替代部分Cr元素进行生产试制，并对两种体系DP780性能进行了详细对比。
2. 试验材料与方法
试制钢DP780分别采用低Al系(不添加Al)和高Al系(以Al替Cr)两种成分体系，其化学成分如表1所示。采用Quanta 400扫描电子显微镜对其形貌进行观察，采用Neophotz金相显微镜对其金相组织进行观察，样品均沿轧制方向进行观察。力学性能实验在WE-60万能拉伸机上进行，拉伸试样加工成横向试样，试样宽度b为20 mm，标距L0为80 mm。镀层Fe含量采用等离子体发射光谱法(ICP)进行测量，采用直径10 mm冲头冲制原始孔，然后使用60˚圆锥冲头进行扩孔试验。
两种成分体系DP780试制钢生产工艺保持一致，其关键工艺点控制如下：热轧板坯加热温度 ≥ 1200℃，终轧温度 ≥ 880℃，卷取温度 ≤ 650℃；冷轧压下率62%，成品厚度1.6 mm，热镀锌退火温度800℃，合金化温度500℃。
Table 1. Chemical composition (wt%) of low-Al and high-Al DP780 (wt%)
表1. 低Al系和高Al系两种成分体系DP780的化学成分(wt%)
3. 结果与讨论
3.1. 金相组织
图1为两种成分体系DP780试制钢的金相组织，可见高Al系双相钢基体组织均匀，马氏体均匀分布在铁素体晶界；而Cr含量较高的低Al系双相钢存在轻微带状组织。钢种冶炼连铸坯在凝固过程中，由于钢中各元素的扩散速度不一样，容易产生枝晶偏析。碳元素容易均匀扩散，而其他合金元素扩散较困难且不容易均匀化 [3]。从表1可知，低Al系试制钢Cr含量远高于高Al系试制钢，Cr与Mn元素加重原始偏析，从而更易形成带状组织。
(a) 
(b)
Figure 1. The metallographic structure of DP780 with low Al and high Al. (a) Low Al system; (b) High Al system
图1. 低Al系和高Al系两种成分体系DP780金相组织。(a) 低Al系；(b) 高Al系
分别选取20张不同位置金相照片，对DP780铁素体晶粒尺寸和马氏体体积分数进行统计，最后求平均数，分析结果如表2所示。可见两者马氏体体积分数相差不大，但高Al系铁素体晶粒尺寸较低Al系小。这是由于，Al元素是很强的固溶元素，容易与钢中的N元素形成AlN沉淀相，从而细化奥氏体晶粒。同时，研究表明 [4]，Al元素能够有效扩大两相区温度窗口，有利于实际退火过程中高温段相比例的调控，同时整体马氏体相变温度区间上移。因此，高Al系DP780生产工艺窗口更大，更有利于大生产控制。
Table 2. Statistical results of ferrite and martensite of DP780 with low Al and high Al compositions
表2. 低Al系和高Al系两种成分体系DP780铁素体和马氏体统计结果
3.2. 力学性能
表3是两种成分体系DP780试制钢的力学性能，两种试验钢均能满足力学性能要求，相比低Al系DP780，高Al系DP780横向和纵向性能差异性更小。这是因为，低Al系试制钢存在较多带状组织，组织均匀性较差，从而导致横向和纵向屈服强度和抗拉强度差别较大。且低Al系纵向抗拉强度偏下限，当生产工艺存在波动时，可能导致纵向抗拉强度不合。对于纵向使用的用户，高Al系DP780更加适用。
Table 3. Mechanical properties of DP780 with low Al and high Al compositions
表3. 低Al系和高Al系两种成分体系DP780力学性能
3.3. 合金化镀层结构
两种成分体系DP780试制钢的合金化镀层表面及截面形貌如图2所示，可见两者表面均由δ相和少量ζ相构成，截面γ相厚度也均在1 μm以下，未见明显差异。镀层中Fe含量如表4所示，均在9%~10%之间，且在操作侧(W.S.)、中部(Center)、传动侧(D.S.)，即钢板边中边不同位置Fe含量波动较小，合金化程度均匀性良好。由此可知，两种成分体系DP780试制钢均可满足合金化镀层要求。
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 2. Surface and cross-sectional morphologies of DP780 coatings with low Al and high Al systems. (a) Low Al system; (b) High Al system
图2. 低Al系和高Al系两种成分体系DP780镀层表面及截面形貌。(a) 低Al系；(b) 高Al系
Table 4. Fe content in of DP780 alloyed coatings with low Al and high Al systems (%)
表4. 低Al系和高Al系两种成分体系DP780合金化镀层中Fe含量(%)
3.4. 扩孔性能
双相钢在使用过程中的一个主要问题是随着强度的升高，其塑性成形性能会急剧下降，给零件的设计制造带了一定的难度，主要表现在成形过程中对模具的磨损较重，冲压时常有开裂，尤其翻边和扩孔开裂最为常见。而扩孔和翻边工艺是DP780冲压成形中常见的加工类型，因这两种成形工艺导致的开裂是零件失效的主要表现，扩孔性能的好坏在很大程度上决定了双相钢的使用性能 [5] [6] [7]。
Table 5. Hole expansion performance of DP780 with low Al system and high Al system (%)
表5. 低Al系和高Al系两种成分体系DP780扩孔性能(%)
表5是两者扩孔性能比较，可见高Al系DP780扩孔性能优于低Al系扩孔性能，这与添加Al元素后铁素体晶粒尺寸更小、组织均匀性更好有关。因此，采用Al元素替代Cr元素，可有效改善材料的扩孔性能。
4. 结论
1) 添加Al元素后，高Al系DP780铁素体晶粒尺寸变得更为细小，带状组织消失，组织均匀性较低Al系更好。
2) 两种成分体系DP780合金化镀层结构一致，可见添加适量的Al元素对合金化镀层没有明显影响。
3) 高Al系DP780相较低Al系DP780，其横纵向性能差异更小，扩孔性能更优，适用范围更广；因此，用适量Al元素替代部分Cr元素，不仅可以明显降低成本，还有效提升了产品综合性能。
参考文献