馬鋼合金化板表面形貌研究與改進

姚鑫

摘 要：本文通過DRAW BEAD試驗機模擬合金化板不同潤滑條件下的成型狀態，對合金化板的表面形貌進行研究，根據馬鋼合金化板生產過程中的實際狀況，合理地控制帶鋼在合金化爐內的保溫溫度和保溫時間。試驗結果表明，當合金化層中鐵含量為10%，鋅液成分中鋁含量為0.12%時，鍍層表面形貌最理想，合金化板的抗粉化性能獲得顯著改善。

關鍵詞：合金化;表面形貌;改進方法;粉化性能

中圖分類號：TG174.445 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）20-0133-03

Study and Improvement of Surface Morphology of Alloyed Plate in Ma Steel

YAO Xin

（Maanshan Iron & Steel Company， Ltd.，Maanshan Anhui 243000）

Abstract： Through the DRAW BEAD testing machine， this paper simulated the forming state of the alloyed plate under different lubrication conditions， and studied the surface morphology of the alloyed plate， according to the actual conditions in the production process of Ma Steel Alloying Sheet， reasonably controlled the holding temperature and holding time of the strip in the alloying furnace. The test results show that when the iron content in the alloying layer is 10% and the aluminum content in the zinc liquid component is 0.12%， the surface morphology of the coating is the most ideal， and the anti-pulverization performance of the alloyed sheet is significantly improved..

Keywords： alloying;surface morphology;improvement methods;powdering properties

熱鍍鋅合金化（GA）鋼板因具有良好的耐蝕性、涂裝性和焊接性而被廣泛應用于汽車和家電行業[1-3]。但是，合金化板通常用于復雜的沖壓變形，在沖壓成型過程中因塑性變形程度的不同容易出現鋅層脫落而產生粉化現象，不僅影響產品的表面質量，還會對沖壓模具產生損害，一直困擾著客戶。除了和帶鋼的力學性能有關外，這一問題還與合金化板表面的粗糙度有很大的關系，因此提高帶鋼表面的潤滑性，研究合金化板的表面形貌至關重要。本文通過模擬合金化板在使用過程中的潤滑條件，對其表面形貌進行研究，并提出了改善帶鋼表面形貌，提高合金化板耐粉化性能的改進方法。

1 馬鋼合金化板表面形貌的研究

試驗選用馬鋼DC54D合金化鍍鋅板，板厚0.8mm。在DRAW BEAD試驗機上模擬合金化板沖壓使用過程中不同側向壓力、不同潤滑條件下的合金化鍍鋅板表面抗粉化試驗，進而研究合金化板的表面形貌狀況。

一是試樣數量，采用400mm×40mm長條狀試樣，分兩種潤滑條件進行試驗，每種潤滑條件的試樣為3個;二是潤滑條件，分為無潤滑和涂潤滑劑兩種;三是側向壓強，壓強分別采用2、3、4MPa且保持恒定。

1.1 試驗原理及參數

1.1.1 試驗原理。矩形拉伸試樣上端固定在試驗機夾頭上，同時試樣側向用拉延筋模具固定并加壓，壓力大小可以調節。以一定的速度向上拉伸試樣，記錄試驗機的拉伸載荷。在試驗區域，取樣大小為20mm×20mm，取樣后進行清洗并吹干，采用日本日立公司JSM-6480型掃描電子顯微鏡觀察合金化板鍍層表面形貌，通過不同試驗條件下脫鋅粉化區域的鋅鐵含量比，研究鍍層表面形貌對合金化板耐粉化性能的影響。

1.1.2 試驗參數。各試樣編號、側向壓強、潤滑條件和試驗段長度等數據如表1所示。

1.2 試驗結果和分析

各樣板鍍層表面形貌如圖1至圖6所示。

1號試樣采用的側向壓強為2MPa，摩擦狀態為無潤滑。圖1（a）中，放大倍數為500倍，已經可以看到裂紋存在，但鋅層表面較為完整，隨著放大倍數的不斷增大;圖1（b）中，裂紋已經清晰可見，裂紋多為單向裂紋，與拉力方向垂直;圖1（c）中，試樣表面多為粒狀的鋅鐵合金相，粗大條狀的鋅鐵合金相極少，可以判定該合金相為上層δ相。

2號試樣采用的側向壓強3MPa，側向壓力較大，摩擦狀態為無潤滑。圖2（a）中，在500倍的放大倍數下，與1號試樣相比，裂紋擴展迅速，裂紋明顯增長，且隨著放大倍數不斷增大，裂紋更加明顯，鍍層表面出現龜裂現象。高倍形貌圖能清晰反映，在設備設定的勻速試驗段，當側向壓強增加到3MPa，試驗段摩擦力達到1.844kN時，合金化鍍鋅層裂紋增多增寬，開始出現鋅層表面整塊脫落的現象。從圖2（c）可以看出，試樣表面依然多為粒狀的鋅鐵合金相，開始出現少量柵狀的鋅鐵合金相，柵狀的鋅鐵合金相為靠近基板的δ相。

3號試樣采用的側向壓強4MPa，側向壓力大，摩擦狀態為無潤滑。圖3（a）中，在500倍的放大倍數下，裂紋數量更多更密，高倍形貌圖清晰能反映，在設備設定的勻速試驗段，當側向壓強設置成4MPa，試驗段摩擦力達到2.595kN時，合金化鍍鋅層裂紋擴展更加嚴重，造成鋅層表面出現嚴重破碎，多處出現鋅層整塊脫落的現象。從圖3（c）中可以看出，試樣表面依然存在粒狀的鋅鐵合金相，出現大量柵狀的鋅鐵合金相，試樣表面鍍層出現坑口形貌，試樣表面鍍層損傷較2號試樣嚴重。

4號試樣采用的側向壓強為2MPa，表面涂有凡士林潤滑劑，同無潤滑條件下進行比較，可看出該試樣裂紋多為垂直于拉力方向的單向裂紋，沒有產生龜裂，在2 000倍放大倍數下，裂紋清晰可見，高倍形貌圖中看到的裂紋擴展情況沒有得到改善。這說明在設備設定的勻速試驗段，當側向壓力為2MPa時，潤滑條件沒有對對裂紋的擴展產生較大的影響。由圖4（c）可以看出，試樣表面鋅層完整，出現大量粗大條狀的鋅鐵合金相，該相層可以判定該合金相為ζ相，鍍層表面損傷較輕。

5號試樣采用的側向壓強為3MPa，表面涂有凡士林潤滑劑，裂紋擴展更加嚴重，與2號樣板的試驗結果不同，沒有產生明顯龜裂，但裂紋擴展速率與2號試樣相仿，高倍形貌圖中，與無潤滑條件下進行的試驗結果比較，看到的裂紋擴展情況得到改善。由圖5（c）可以看出，5號樣板表面粉化狀況較2號樣板得到明顯改善，形貌圖中能看到的多為粒狀鋅鐵合金相，沒有出現柵狀鋅鐵合金相，可以判定該合金相依然為δ相上層，隨著側向壓強的增加，潤滑條件對鋅層表面裂紋的擴張有一定影響，對鋅層表面粉化的影響作用大小更加明顯。

6號試樣采用的側向壓強為4MPa，表面涂有凡士林潤滑劑，與無潤滑條件下進行的試驗結果比較，看到的裂紋擴展情況得到改善，這說明設備設定的勻速試驗段，側向壓力為4MPa時，此時勻速試驗段的平均摩擦力從2.595kN降到2.369kN，潤滑條件影響裂紋的擴展。由圖6（c）可以看出，6號樣板表面粉化狀況較3號樣板改善明顯，形貌圖中樣板表面未出現嚴重的破碎，而且很難看到鋅層整塊脫落的現象。

2 合金化板抗粉化性能的改進措施

2.1 合金化保溫溫度和時間

鋅鐵合金層主要由ζ、δ、Г相層組成，ζ相位于合金鍍層上表面，Г相靠近基板，δ相位于ζ、Г相之間，其中ζ相呈粗大條狀，δ相呈粒狀和柵狀（靠近基體）。從鍍層表面形貌觀察和分析，當鍍層結構主要是δ相，只是在表面存在ζ相，并且沒有Г相產生，是最理想的鍍層結構，可以達到最好的抗粉化性能，鍍層表面鐵含量隨著合金化保溫溫度的升高而增加，隨著合金化保溫時間的延長而增加，因此控制帶鋼在合金化爐內的溫度和時間才能產生理想的鍍層結構[4]。

帶鋼離開鋅鍋經過氣刀控制鋅層重量后進入合金化爐，嚴格控制合金化爐加熱功率，先將帶鋼加熱到550℃左右，然后保溫12s左右使得表面的純鋅層與鋼基體之間充分發生合金化反應而形成含鐵量在7%～15%的鋅鐵合金，10%的鐵含量是最佳的控制效果，鍍層中δ相增加，ζ相減少，鍍層表面粗糙度會相應下降。操作人員及時觀察塔頂輥第一轉向輥處帶鋼的表面狀況和鋅層測厚儀測出的鋅層鐵含量來控制帶鋼在合金化爐的合理保溫溫度和時間，避免合金化缺陷，提高合金化板的抗粉化性能。

2.2 鋅液成分

鋅液主要含有Zn、Al、Fe、Cd等元素，Al和Fe在鋅液中是極其重要的元素，因為其在鋅液中的溶解度有限，影響鋅液的流動性和鋅渣的出渣量，Al還可以提高鍍層亮度，減少鋅液中鋅的氧化，抑制鐵鋅相的形成，進而獲得延展性好、耐蝕性高、結合力好的鋅層。研究表明，當鋅液中添加的Al含量達到0.1%之后，帶鋼的表面就會形成薄的Fe-Al層[3，4]，該鐵鋁層會抑制鐵鋅相的形成。合金化板生產時確保充分生成黏附層Fe2Al5，提高鋅層的耐粉化性能。目前，馬鞍山鋼鐵股份有限公司鍍鋅生產線在合金化板生產中將鋅液成分的Al含量控制范圍規定為0.10%～0.15%。為了改進合金化層的沖壓成型抗粉化效果，筆者對鋅液Al含量對合金化板粉化現象的影響進行研究，得出將鋅液成分中鋁含量控制在0.12%對合金化鋅層的結構和黏附性效果最佳。

3 結論

合理控制帶鋼在合金化爐內的保溫溫度和時間，當鐵含量為10%時，鍍層結構中主要為δ相、表面少量的ζ相，可以顯著改善合金化板的抗粉化性能;合金化板沖壓成型過程中，在潤滑狀態下，合金化板的表面形貌狀態較為理想，脫鋅粉化現象有明顯的改觀;鋅液成分中鋁含量為0.12%時，合金化鍍層的結構和黏附性性最佳。

參考文獻：

[1]張啟富，劉邦津，黃建中.現代鋼帶連續熱鍍鋅[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[2]袁訓華，張啟富，江社明.熱鍍鋅合金化工藝對鍍層表面摩擦特性的影響[J].材料熱處理學報，2011（6）：132-137.

[3]張紅，袁明生，胡凡，等.合金化熱鍍鋅微觀組織對鍍層抗粉化性能的影響[J].寶鋼技術，2002（3）：41-44.

[4]張浩，丁志敏，蘇葦，等.合金化時間對熱鍍鋅鍍層相結構與結合力的影響[J].材料科學與工藝，2015（2）：98-102.