用于汽车安全笼的防腐镀锌 PHS 钢材

汽车行业的钢材组合中包括一系列高强度等级的钢材。该行业目前重点关注提高燃料效率、结构轻型化和降低材料成本，但这需要采用超高强度可成型钢材。为了达到要求的高强度，OEM 自 20 世纪 90 年代以来一直依赖多相钢材。芬兰钢材制造商 Ruukki 公司是第一批在多相钢材制造领域投入的供应商之一，也是在开发和制造热浸镀锌双相 (DP) 和复相 (CP) 钢材（公司以 LITEC® 品牌在市场上行销此类钢材）方面最前沿的先行者。

汽车钢材

Ruukki 公司早在 20 世纪 80 年代就开始制造热浸镀锌超高强度钢材，直至今天，它仍然是为数不多的提供超高强度可成型钢材的制造商之一。这些超高强度可成型钢材包括表面附着各类金属涂层的 DP、CP 和各种相变诱导塑性 (TRIP) 钢材。在开发这些钢材的过程中，Ruukki 还致力于生产客户定制的 Litec 管状型材，进而获得了丰富的专业经验以及 OEM 的极大兴趣（尤其是对强度和成型性优于普通高强低合金 (HSLA) 钢管的 DP 管组合）。DP 钢管被用于保险杠系统以及内部横梁。

产品转变

在寻求减轻车身重量的征程中，铝和其他轻型新材料的使用，导致钢材制造商转变其产品重点，以满足汽车类 OEM 的需求。

尽管这些铝合金等替代材料提供巨大的减重潜力，但是，其应用于对驾驶员安全极为重要的部件往往要付出高昂的经济成本。材料及其适宜的制造工艺都需要大量的投资，这些仅适用于政府部门和豪门阶层使用的轿车。因此，尤其对于微型小汽车、小汽车和中型小汽车（这些车辆占在欧洲大街上行驶的已登记车辆数的最大比例）而言，安全笼部件仍然需要采用钢材制造。

超高强度和刚度对于保护驾驶员和乘客的钢安全笼极为重要。尽管 DP 钢材（例如）表现出优异的能量吸收能力，因而可选择用作前后碰撞区以及冲撞盒的材料，但是，对于安全笼部件而言，所有多相钢材具有延展性相对较高的缺点。自 20 世纪 90 年代末以来，人们开发了一种冲压硬化硼钢 (PHS)，并在 21 世纪初将此投入实际运用。这种钢材在硬化后没有回弹效应、屈服强度较高（约为 1100 Mpa 或以上）并具有当前普及的 1500Mpa 的抗拉强度。如今的汽车行业正在见证白车身材料从多相钢向 PHS 钢应用快速转变的历程。

直接冲压硬化

为了达到需要的刚度，冷轧 PHS 钢要在高温下加热并在钢模内淬火。该工艺被称为热冲压或压力硬化（图 2）。一般采用两种不同的热冲压方法：直接和间接淬火。首先用中等强度和高延展性钢卷下料。如采用间接工艺，则毛坯应在热处理炉内加热前通过冷压方法预成型；如采用直接压力硬化，则该步骤被省去，冲压的钢板直接进行加热。钢材被加热到 900-950°C 左右温度。在此高温下，硼钢的强度下降到 200 MPa 左右并获得优异的可成型性能。毛坯或预成型部件随后被转送到压力成型工序，钢材在此工序由毛坯（直接热冲压）成型，或者，如为间接方法中的预成型部件，在冷却模内进行最终成型，同时完成淬火处理，直到温度达到约 200°C。

采用热冲压和快速淬火相结合的方法，钢材的抗拉强度达到了 1500 Mpa。最后一步：清洗和切割硬化后的钢板或部件。

直接淬火工艺省去了预成型阶段，因而更为经济、更加高效和简单快捷。它还使得钢材曝露在高温下产生较高的形变率，尽管这也相应导致钢镀层内产生较多的应变。

镀锌 vs.镀铝涂层

要在 PHS 钢材表面施加防护层，以避免在淬火工艺中造成表面损坏和腐蚀。在所有镀层将出现微小裂纹，但在以后使用的加工和防腐处理期间并非所有镀层可提供相同的抗氧化性能。Ruukki 已经鉴定了表面镀有锌－铁镀层的 PHS 钢材（即所谓的镀锌钢），它代表了本领域内的最佳质量。

PHS 钢材最常用的保护层是铝 (AlSi) 合金，适宜采用的厚度为 10 - 20µm，以起到防热和防氧化的功效。作为汽车行业中标准镀层和一直采用的类型，它被许多市场领先的钢铁制造商和汽车用钢供应商所采用。然而，所有铝基镀层仅提供防腐蚀的保护屏障。如果表面开裂－被擦伤或损坏或被穿透或出现应力腐蚀裂纹，甚至有极少破裂点－就会在开裂部分镀层下方产生氧化并发生腐蚀扩展。

另一方面，一种 ZF 镀层以阴极方式保护钢材，采用富含锌镀层作为牺牲金属吸引氧离子并产生腐蚀，从而保护了下方的钢材。Ruukki 则采用一种厚度大约为 10µm 的富含锌的锌铁合金层，用于精细、均匀的表面。

公司还按照 EN ISO 9227 标准在一种中性盐雾 (NSS) 试验中测试了未上漆 AlSi 镀层钢材的防腐性能，并与此类（也未上漆）镀锌钢材进行了对比。

这是一种评估各类镀层防腐性能的标准试验，其中试验对象被喷以一定浓度的氯化钠溶液并被放置在一个小试验舱内，由于雾化导致该舱内形成一种有利于腐蚀的氛围。一旦镀层丧失其保护能力，则钢材将出现红锈（氧化铁）且底部的钢材开始腐蚀。NSS 试验按照如下参数的标准程序进行：
- 在样品表面喷上浓度为 50 g/l ± 5g/ 的氯化钠溶液。
- 试验温度保持在 35°C ± 2°C
- pH 值保持为 6.5-7.2
- 确保纵向采集面积为 80cm² 时的平均采集率为 1.5 ml/h ± 0.5 ml/h。

如图 3 所示， ZF 镀层被腐蚀但依然保持完整，这有效保护了 PHS 钢材样品，而 AlSi 镀层则被破坏并在钢材上形成了氧化铁。

镀锌镀层中含有的铁带来了大量附加优点。最重要的是，与其他镀层（包括铝基镀层）相比，该镀层提供了优异的点焊性能，而采用点焊方法是汽车生产的重要特征。由于其具备优异的防腐和焊接性，Ruukki 寄希望该类产品并投资开发镀锌 PHS 钢产品，以为构成汽车安全笼的汽车部件提供优于市场标准的经济且安全的解决方案（图 4）。

了解更多信息，请联系：
Kevin Yu, 总经理，特种钢材销售
Ruukki Metals, 中国
kevin.yu@ruukki.com
Jan Yu, 技术经理
Ruukki Metals, 中国
jan.yu@ruukki.com