預氧化處理對Q & P鋼表面組織及其失效行為的影響

牛金瑜 王 華 陳 璋 何燕霖 李 麟

(上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

Q & P鋼是滿足車身輕量化要求的理想材料，但在應用于汽車生產中時，這類鋼板還需具有良好的耐蝕性。目前，提高鋼板耐蝕性最經濟的方法是采用連續熱浸鍍鋅[1- 2]。為了提升強度，Q & P鋼中硅、錳等合金元素含量相應增加[3]，在鍍鋅退火過程中，這些元素很容易發生選擇性氧化，在鋼板表面形成連續的氧化物層，不利于鋅液對鋼板的潤濕。此外，在受到拉伸載荷作用時，這些合金元素形成的氧化物容易在鋼板表面產生微裂紋從而造成開裂[4- 6]。有資料表明[7- 9]：采用預氧化處理可還原部分氧化物，控制汽車鋼板鍍鋅過程中表面組織的形成，提高潤濕性。但目前對于高強度Q & P鋼的預氧化研究并不多見，且由于難以準確表征外加應力下氧化物層的失效行為，所以無法深入探討預氧化處理對鋼表面組織形成的影響。

基于此，本文對980 MPa級Q & P鋼進行連續熱浸鍍鋅退火處理，分析不同退火工藝條件下表面氧化物層的形成，并采用聚焦離子束(FIB)撕裂Q & P鋼表面，研究表面氧化物層的失效行為，從而探討預氧化處理對高強度Q & P鋼表面組織和失效行為的影響，以期為工業生產提供理論參考。

1 試驗材料及方法

試驗用Q & P冷軋鋼板的化學成分(質量分數，%)為0.21 C- 2.34Mn- 1.59Si- 0.037Al，試樣尺寸為100 mm×200 mm×1.5 mm。退火試驗在Iwatani Surtec HDG型熱鍍鋅工藝模擬機上進行，退火氣氛(體積分數)為20%H2+80%N2。1號試驗鋼在預氧化露點為+10 ℃的條件下以30 K/s速率從室溫加熱到820 ℃，然后在-30 ℃露點下退火4 min，隨后以20 K/s速率冷卻到460 ℃保溫40 s，最后冷卻至室溫。2號試驗鋼退火過程中的露點始終為-30 ℃。

退火后采用Helios 600i雙束型聚焦離子束(FIB)制備透射電鏡試樣，然后采用JEOL JEM- 2100F場發射透射電鏡(FE- TEM)分析試樣表面氧化物的結構和形貌，加速電壓為200 keV。

采用聚焦離子束(FIB)對1號鋼進行預處理、撕裂和萃取試樣。首先在試樣表面沉積Pt，然后將W型機械手焊接在Pt表面，用以撕裂氧化層，捕捉裂紋尖端后，切斷包含裂紋尖端的區域，從而獲得表層失效位置最終試樣。然后對該試樣進行成分分析，并進行TEM觀察。

2 試驗結果

圖1和圖2分別為1號和2號鋼的表面形貌及成分分析。從圖1可以看出，經預氧化的1號鋼表層可分為3部分，最外層為還原鐵層，氧化層分布在還原鐵層與基體之間，如圖1(a)所示。結合成分與結構分析，1號鋼表面氧化層主要包括顆粒狀MnO(見圖1(b,c))，及非晶SiO2(見圖1(d,e))。氧化物層厚度約1 μm。

圖1 1號鋼表面組織TEM形貌及EDS元素分析Fig.1 TEM morphologies and EDS element analysis of the surface layer in the steel No.1

圖2 2號鋼表面組織TEM形貌及EDS元素分析Fig.2 TEM morphologies and EDS element analysis of the surface layer in the steel No.2

由圖2(a)可見，未經預氧化的2號鋼表面沒有還原鐵層，氧化物層厚度超過2 μm。氧化層中氧化物主要為顆粒狀MnO(見圖2(b,c))，及從表面延伸到基體中的帶狀非晶SiO2(見圖2(e))。此外，在氧化層中還觀察到Mn2SiO4分布，如圖2(d)所示。

1號鋼表面失效位置的TEM分析結果如圖3所示。可以看出，最外層是還原鐵層，裂紋周圍分布有Mn和Si的氧化物，初步推斷裂紋起源于還原鐵層與基體之間的氧化物層。

圖3 1號鋼表面開裂位置的TEM分析Fig.3 TEM analysis of the surface crack location of the steel No.1

3 分析與討論

在高溫條件下，水蒸汽可以分解為氫氣和氧氣，在退火過程中產生氧分壓使氣氛具有一定的氧化能力。氧分壓與選擇性氧化物的種類與形貌密切相關，而連續鍍鋅過程中的退火溫度、氫氣含量和露點是決定氧分壓的重要參數，它們之間滿足以下關系[10- 11]：

(1)

式中：Psat(H2O)為水蒸汽飽和蒸汽壓，P(H2)為氣氛中的氫氣分壓，T為退火溫度(K)。

露點(DP)與氣氛中水蒸汽飽和蒸汽壓有關，具體為：

lgPsat(H2O)=

(2)

由式(1)和式(2)可以得到露點與氧分壓之間的對應關系，如表1所示。

表1 露點與氧分壓對應關系Table 1 Oxygen partial pressures at different dew points

由表1可見，隨著露點的升高，氧分壓增大，氣氛氧化性也增強，合金元素更容易向鋼板表面擴散偏聚[12- 13]。1號鋼在加熱階段的露點高于2號鋼，因此，1號鋼中易氧化的Si、Mn元素向表面大量偏聚，從而形成較薄的表面氧化層；2號鋼的露點較低，在退火過程中表面形成的氧化層較厚，是1號鋼厚度的1倍以上。此外， 1號鋼在高露點加熱時氣氛氧化性強，表面會生成Fe的氧化物。在之后退火保溫階段被還原成Fe覆蓋在鋼板表面，在鍍鋅過程中更容易形成Fe2Al5Zn0.4抑制層，從而提高鋼表面與鋅液的潤濕性及結合力，因此，預氧化可以改善Q & P鋼的可鍍性。

為了解預氧化對Q & P鋼表面失效行為的影響，對1號鋼裂紋(圖3)開展進一步研究。由圖4可見，裂紋區域存在Si和Mn的氧化物。由圖5(a)可以看出，氧化物主要分為兩類：一類是位于裂紋尖端及未開裂區域(黃圈)的MnO；另一類出現在裂紋擴展區域兩側(紅圈)，主要為非晶SiO2和Mn- Si- O混合氧化物，如圖5(c)所示。Mn的氧化物分布在裂紋終止的位置以及未發生開裂的位置，而SiO2分布在裂紋擴展區域的兩側，可以推斷出氧化層中SiO2位置更容易發生開裂，使基體與鍍層分離。由此可見，雖然預氧化可以改善鋅液中鋼板的潤濕性，但帶狀SiO2會加劇裂紋的橫向擴展，在受到外加載荷時，容易發生開裂，造成表面層失效。

圖4 裂紋兩側元素分布Fig.4 Elements distribution at two sides of the crack

圖5 1號鋼表面裂紋周圍氧化物形貌及EDS元素分析Fig.5 Morphologies and EDS element analysis of oxides around the crack at the surface of the steel No.1

4 結論

(1)退火處理后，試驗鋼表面組織中出現MnO、帶狀非晶SiO2以及Mn- Si- O的復合氧化物，未經預氧化的鋼表面氧化層較厚。

(2)經預氧化的鋼，在加熱階段采用高露點，氧分壓增大，可使鋼中合金元素向表面富集，形成的氧化物層較薄；在退火階段采用低露點，可使鋼板表面出現還原鐵層，有助于提高鋼板表面潤濕性。

(3)在外加載荷作用下，氧化層中SiO2位置更容易開裂，且裂紋橫向擴展，導致表面層失效。