隨著中國經濟的高速發展，當代冶金學發展的戰略目標也跟著時代的發展發生了戰略性的變化。當代冶金學的戰略目標除了制造新一代產品以外，已經聚焦于冶金工廠的綠色化（綠色、低碳、循環發展）和智能化發展（智能化設計、智能化生產、智能化服務、智能化管理等）[1]。在中國汽車需求量日益增加的同時，伴隨著生態環保的加強，汽車輕量化成為汽車工業發展的大趨勢。低合金高強度熱鍍鋅鋼板作為解決車身輕量化的有效手段，不僅可以減輕車身重量、降低油耗、減少二氧化碳排放量，同時還可以有效提高耐腐蝕性以及安全性能。低合金高強鋼成分設計時加入了微量的強碳化物形成元素，如鈮、釩和鈦，組織由鐵素體和少量珠光體組成，第二相析出物彌散分布，主要依靠碳化物、氮化物在鐵素體基體上的析出強化阻礙位錯運動，提高屈服強度[2-4]。HC420LAD+Z作為冷軋低合金高強鋼中最典型的牌號，憑借高的屈服強度，以及良好的成型、焊接和防腐性能，廣泛應用于汽車加強結構件。目前，國內大型鋼廠基本都具備生產熱鍍鋅HC420LAD+Z的能力，但生產穩定性卻存在一定有差異。本文對某鋼廠美鋼聯法熱鍍鋅工藝生產的熱鍍鋅HC420LAD+Z主要化學成分與力學性能進行過程能力分析，以改善提高產品Cpk值為背景，通過優化成分設計與生產過程關鍵工藝參數，實現成品力學性能的穩定控制，提高了用戶滿意度。

1.   產品設計方案

1.1   化學成分

某鋼廠設計的HC420LAD+Z鋼的化學成分要求如表1所示。通過低C 元素控制，有利于了沖壓成型且降低了碳當量，對汽車鋼的加工及焊接等提供了基礎；添加少量的強固溶強化P元素，鋼的冷脆性影響很小，可實現低成本高強度控制；添加Nb、Ti等微合金元素，對析出強化與細晶強化起到了良好促進作用，確保成品鋼帶的組織與性能滿足標準要求。

1.2   工藝路線

KR脫硫→轉爐冶煉→LF精煉→RH精煉→連鑄→板坯檢驗→加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→平整(根據需要)→熱卷檢驗→酸連軋→連續熱鍍鋅→重卷/拉矯(根據需要)→冷卷檢驗→包裝→入庫。

1.3   力學性能

熱鍍鋅HC420LAD+Z鋼帶是執行標準EN 10346控制，為了更好滿足汽車主機廠的使用要求，某鋼廠制定了內控標準值，屈服強度偏下限控制，抗拉強度偏上限控制，斷后伸長率盡量高，其波動范圍均嚴于標準。HC420LAD+Z鋼的力學性能要求如表2所示。

2.   過程能力指數

過程能力指數是指工序在一定時間里，處于控制狀態（穩定狀態）下的實際加工能力。當Cpk<1.33時，說明過程能力不足，需要分析問題制定措施并實現最終改善；當Cpk≥1.33時，說明生產過程能力達到了理想的狀態，關鍵設備及工藝參數均處于可控的良好狀態，方可實現過程的持續控制，滿足產品質量波動范圍要求。過程能力指數Cpk在判定鋼種力學性能穩定性方面是一種有效手段，能夠用量化的數據說明其穩定程度，對于汽車廠和鋼廠都具有很重要的意義[5]。Cpk是工序過程能力指數，其值越高，則產品質量特性值的分散就會越小，即受干擾因素波動越小，表明生產越穩定。

在《六西格瑪管理》一書中提到[6]，若過程輸出Y服從正態分布，如圖1（a）所示，當過程處于統計控制狀態時，則定義過程能力指數Cp為容差與過程波動范圍之比，其計算公式為：

式中，USL、LSL分別是質量特性的上、下規格限；σ是標準差；T是容差。

Cp是描述過程能力的最重要指標，過去通常稱Cp<1時，過程能力不足；1≤Cp<1.33時，過程能力尚可；1.33≤Cp<1.67時，過程能力充足。但是Cp指數只是反映了過程的潛在能力，與過程輸出的均值無關，當過程輸出的均值µ與規格中心或目標值M不重合時，盡管Cp值較大，但不合格品率仍很高。因此，在進行過程能力分析時，應該將均值的影響考慮進來，引入過程能力指數Cpk就是為了解決這個問題，如圖1（b）所示，其計算公式為：

其中，USL、LSL分別是質量特性的上、下規格限；μ、σ分別是質量特性的均值和標準差。這里標準偏差σ數值可以通過求直方圖S的辦法得到（σ≈S）。

3.   生產穩定性分析與固化

通過對某鋼廠近期連續生產的熱鍍鋅HC420LAD+Z鋼帶，隨機抽取了136組數據，經驗證數據均符合正態分布。采用Minitab軟件進行數據分析處理：“統計→質量工具→能力分析→正態”，其中“子組大小”均設定為1，“規格上限與規格下限”按企業內控指標進行設定，分別計算并分析HC420LAD+Z鋼帶主要化學成分與力學性能的過程能力指數Cpk值，驗證其生產穩定性。

3.1   化學成分分析

通過對HC420LAD+Z鋼帶的性能與組織影響較大的C、Mn、P、Nb等元素冶煉實績值統計分析，如表3所示。從表3統計結果看，C、Mn、P、Nb等元素的內控合格率達到100%，化學成分波動性小，均嚴于EN 10346-2015歐標要求，且滿足企業內控標準要求。

通過對HC420LAD+Z鋼帶的C、Mn、P、Nb等元素進行過程能力分析，如圖2所示。從過程能力圖的整體分布與Cpk值看，整體冶煉成分波動性小，過程能力指數Cpk值分別為1.36、1.59、2.10、1.58，均大于1.33，說明生產過程能力達到了理想的狀態，過程穩定性強，成分的波動直接影響力學性能的穩定性，所以化學成分的穩定性控制是基礎。

3.2   力學性能分析

通過對HC420LAD+Z鋼帶的成品力學性能實績值統計分析，如表4所示。從統計結果看，屈服強度最小值為432 MPa，最大值為484 MPa，平均值458.5 MPa；抗拉強度最小值為541 MPa，最大值為588 MPa，平均值566.4 MPa；斷后伸長率A80最小值為20.5%，最大值為26.0%，平均值為23.3%，均滿足企業內控及EN 10346—2015歐標要求，并且相對標準值范圍而言，屈服強度偏下限，抗拉強度偏上限，斷后伸長率富余量很大，說明此鋼帶在深加工時沖壓性能好，容易加工成型且成型后強度高，可良好地適用汽車主機廠模具沖壓成型，并最終實現高強鋼輕量化的途徑。

通過對HC420LAD+Z屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率A80等力學性能進行過程能力分析，如圖3所示。從圖3的生產過程能力圖看，HC420LAD+Z的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率A80的內控合格率達到100%，過程能力指數Cpk值分別為1.85、1.81、1.38，均大于1.33，說明生產過程能力達到了理想的狀態，關鍵設備及工藝參數均處于可控的良好狀態，過程能力穩定，數據波動小，可更好滿足汽車主機廠的加工要求，避免了因性能波動調節沖壓模具參數而造成的廢品率與生產節奏影響，提高了用戶滿意度。

3.3   關鍵工藝固化

目前，某鋼廠已對HC420LAD+Z的關鍵過程工藝參數固化，并進行標準化管理控制，如表5所示。

4.   結束語

（1）過程能力指數Cpk是反映穩定性表現的有效手段，通過借助六西格瑪DMAIC方法，采用精益管理工具，對工業化生產的熱鍍鋅HC420LAD+Z鋼帶主要化學成分和力學性能進行過程能力分析，對鋼廠的生產管理具有指導意義。

（2）通過對某鋼廠熱鍍鋅HC420LAD+Z鋼帶的力學性能統計，其屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率A80的Cpk值分別達到1.85、1.81、1.38，說明生產過程能力達到了理想狀態，可更好滿足汽車用鋼的要求，提高了用戶滿意度。

（3）通過對熱鍍鋅HC420LAD+Z鋼帶的關鍵工藝參數優化，并實行標準化管理，某鋼廠已實現（0.5~2.5） mm×（1000~1850） mm的HC420LAD+Z鋼帶批量化穩定工業生產，并成功應用于國內外知名汽車廠。

文章來源——金屬世界