加熱工藝對鋅鐵合金熱成形鋼鍍層組織的影響

陳 樂，晉家春，周世龍，崔 磊

(1.馬鋼股份公司營銷中心；2.馬鋼股份技術中心 安徽馬鞍山 243000)

為防止零件腐蝕及熱沖壓過程中的高溫氧化，鋁硅鍍層( Al-Si)產品被開發并廣泛商業化應用于熱成形鋼板，純鋅鍍層(GI)、鋅鐵合金化鍍層(GA)產品也被相繼使用。鋅基鍍層鋼板具備鋁硅鍍層鋼板所不具備的陰極保護作用和切口防護性能，成為目前研究的熱點，但由于鍍層熔點低，在熱成形過程中液態金屬易引起鋼鐵基體產生脆斷的裂紋，限制了其在汽車上的應用。為減少液致裂紋脆性，可通過控制熱沖壓前的加熱過程，使鍍層中僅含有固態的α-Fe(Zn)相，或者使液態鋅或鋅鐵合金相分布于鍍層的最表層，使液態鋅遠離基板，在782℃以下的溫度下進行零件的熱沖壓成形。在奧鋼聯預冷工藝提出前，多采用第一種思路，相關學者開展了大量的相關工藝，如加熱速率、預合金化工藝對鍍層組織轉變規律研究，并獲得了組織良好的鍍層。帶預冷工藝條件下，熱成形加熱溫度、保溫時間對鍍層組織影響的研究相對較少。熱成形后的鍍層組織，當中的Γ相具備陰極保護作用，對產品的耐蝕性能有較大影響，對研究鋅基鍍層熱成形鋼加熱工藝窗口十分必要，本文重點研究了在當前傳統箱式爐加熱工藝下鋅鐵合金熱成形鋼鍍層組織轉變規律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的材料，為某鋼廠生產的基板厚度1.5 mm、雙面鍍層重量140 g/m的鋅鐵合金鍍層熱成形鋼鋼板，基板各化學元素的含量見表1。

表1 試驗鋼的主要化學成分(wt%)

1.2 試驗設備及試驗方法

將鋅鐵合金熱成形鋼卷落料，于國內某公司Sigma-I熱成形自動化生產線，用于某車型A柱零件沖壓。該產線加熱設備為箱式電阻爐，為研究加熱爐加熱溫度對鍍層結構的影響，選擇相同的加熱時間300 s，加熱溫度分別為860 ℃、880 ℃、890 ℃；研究加熱時間對鍍層結構的影響，選擇相同的加熱溫度890 ℃，加熱時間分別為180 s、240 s、300 s、360 s。不同加熱工藝下的板料出爐后，采取適當的方式使鋅層快冷凝固后于壓機下進行沖壓，關鍵的沖壓工藝參數分別為：壓機壓力800 T，保壓時間25 s，模具冷卻水溫度40 ℃，無氣體保護。

每種工藝下的零件，于相同的部位(見圖1中零件彎曲處側壁)，截取25 mm*25 mm大小的試樣，鑲嵌后打磨拋光。拋光后采用4%的硝酸酒精進行腐蝕，采用XL30掃描電鏡對鍍層結構進行觀察，應用DX4i能譜儀對鍍層化學成分進行分析，使用PS軟件對鍍層形貌進行分析以計算Γ相比例。

圖1 零件及取樣部位

2 試驗結果與分析

2.1 初始鍍層結構及形貌特征

圖2為熱沖壓前的鍍層形貌，表1為鍍層中各部位主要成分及相組成。熱成形前鍍層主要由表層的δ相和靠近基板的Γ相組成，鍍層整體厚度約為13 μm，其中Γ相厚度約為1.2 μm。

圖2 原始鍍層組織

表2 各點成分及EDS分析結果

2.2 加熱后的鍍層組織及形貌特征

圖3、圖4為鋅鐵合金熱成形鋼板料經不同加熱溫度、加熱時間加熱、淬火后，零件上鍍層經硝酸酒精腐蝕后的SEM形貌。本文中的鋅層經過快冷后，在液態鋅的凝固點下成形，所得零件中的鍍層均無擴展至基板的裂紋。根據Fe-Zn二元合金相圖，在高溫加熱下，鐵和鋅不斷相互擴散，隨著溫度升高，鍍層中先后形成了ζ相、δ相、Γ1相、Γ相和α-Fe(Zn)相，同時在782 ℃時存在Γ-FeZn=α-Fe(Zn)+Zn(Fe)共析反應。Γ相中鐵的質量分數為20.5%～28.0%，α-Fe(Zn)中鋅的最大固溶量為45.4%。當鍍層加熱到800℃-900 ℃后，表層主要為Г相、界面處為α-Fe(Zn)相，熱沖壓轉移和沖壓時，鍍層中相應的液相轉變成Г相，成形淬硬后鍍層主要為α-Fe(Zn)相和Г相。鋅基鍍層熱成形鋼產品熱沖壓后，鍍層中的Γ相電極電位更低，具備犧牲陰極保護作用，在硝酸酒精的作用下，Γ相將優先腐蝕，從而與α-Fe(Zn)相區分開來。SEM低倍形貌下基板與鍍層的界面清晰可見，進一步放大鍍層形貌后，腐蝕形貌清晰可見。表3為被腐蝕后的鍍層不同部位對應的成分及主相分析結果，鍍層中被腐蝕的部位對應Γ相，采用PS對被腐蝕部位進行統計分析所計算出鍍層中Γ相的比例，圖5為根據鍍層形貌所確認的不同溫度、時間下的鍍層厚度、Γ相比例。隨著加熱溫度、保溫時間的升高，鍍層的厚度提高，Γ相比例下降，當加熱溫度為890 ℃、加熱時間達到360 s時，此時鍍層中的Γ相基本消失。

圖3 加熱時間300 s時不同加熱溫度下的鍍層組織(圖a1-c1對應的加熱溫度依次為860 ℃、880 ℃、890 ℃，圖a2-c2為相應的放大形貌)

圖4 加熱溫度為890 ℃時不同加熱時間下的鍍層組織(圖a1-d1對應的加熱溫度依次為180 s、240 s、300 s、360 s，圖a2-d2為相應的放大形貌)

圖5 鍍層組織隨加熱工藝的變化規律統計

表3 各點成分及EDS分析結果

2.3 討論

圖6為典型的鋅基鍍層熱成形鋼產品工藝窗口。鋅鍍層高溫下氧化劇烈，加熱溫度不宜超過890 ℃，過低基板將不能完全奧氏體化，加熱溫度不能低于860 ℃，故本文選擇該加熱溫度區間，所得的零件形貌見圖1，零件表面質量均良好。關于加熱時間，過短基板可能未完全奧氏體化，并存在液致裂紋和微裂紋的風險，過長則鍍層中Γ相消失，不具備陰極保護作用，耐蝕性能下降。海斯坦普在傳統熱沖壓線基礎上，通過一定的方式使鋅層快冷凝固后于壓機下進行沖壓，使鍍層中的液相在成形前完全凝固，所得的鍍層無擴散至基板的裂紋，本文通過該方法，獲得的鍍層良好、無擴散至基板的裂紋。因此，影響鋅基鍍層熱成形鋼產品加熱時間的主要因素為基板未完全奧氏體化和鍍層耐蝕性不足。為保證基板完全奧氏體化，加熱溫度不宜低于180 s。高溫熱成形，能夠有效的縮短加熱時間，提高熱沖壓效率。本文研究了在860 ℃至890 ℃加熱溫度范圍內，鍍層組織的變化，尤其是890 ℃加熱時隨加熱時間的變化。在加熱時間為180 s時，鍍層中有較多的Γ相，Γ相比例約為40%，隨著加熱時間的提高，Γ相降低，當加熱時間提高至360 s時，Γ相基本消失，此時鍍層將不具備陰極保護作用，因此鋅基鍍層熱成形鋼產品，加熱時間不宜超過360 s。

圖6 鋅基鍍層熱成形鋼工藝窗口[9]

3 結論

在890 ℃的溫度下加熱，加熱后快冷使鍍層于凝固點下沖壓成形，可獲得表面質量良好、無擴散至基板裂紋的鍍層。

隨著加熱溫度的提高、加熱時間的延長，鋅鍍層逐漸增厚，鍍層中的α-Fe(Zn)相增多，Γ相比例減少。為保證鋅鐵合金熱成形鋼產品完全奧氏體化，加熱時間不宜低于180 s，此時鍍層中的Γ相比例最高，約為40%；為保證鋅鐵合金熱成形鋼產品沖壓后鍍層具有陰極保護作用、保留一定的Γ相，加熱時間不宜超過360 s。