Si含量對鋁硅鍍層熱成形前后鍍層結構與表面形貌的影響研究

周世龍,鄧宗吉,陳 樂

(馬鋼股份公司技術中心 安徽馬鞍山 243000)

隨著汽車行業對減重、降低能耗、提高安全性能的要求日益提升，熱成形鋼及熱沖壓技術獲得廣泛應用。而鋁硅鍍層熱成形鋼由于熱沖壓過程中無氧化鐵皮，同時可以提升熱成形零件的耐蝕性能，因此鋁硅鍍層熱成形鋼應用較為廣泛。阿賽洛-米塔爾專利技術的鋁硅鍍層最為成熟，其性能已得到充分的應用驗證，成分為8%-11%Si、2%-4%Fe、余量為鋁，典型成分為Al-9.3%Si-2.8%Fe。

鋁硅鍍層中添加Si元素主要目的是降低合金相厚度，從而提高鍍層的成形性能。一般情況下，鋁液中添加5%的Si，即可使合金相的厚度降低70%以上。鋁液中添加不同含量的Si可能對鋁硅鍍層熱成形前后鍍層結構與表面形貌產生影響，從而影響最終產品性能，因此很有必要開展Si含量對鋁硅鍍層熱成形前后鍍層結構與表面形貌的影響研究。

1 試驗材料與方法

試驗所用材料為鍍鋁硅生產線生產的不同Si含量的鋁硅鍍層鋼板，鋼板厚度1.4 mm，基板化學成分見表1，鋁硅鍍液成分見表2，鍍層重量見表3。本工作采用兩種Si含量鍍液，分別為Al-6%Si與Al-10Si，采用常規鍍層重量雙面150 g/m。

表1 原材料化學成分(wt%)

表2 鍍液實際成分(wt%)

表3 雙面鍍層重量(g/m2)

試樣加工尺寸為1.4 mm*100 mm*150 mm，使用箱式電阻爐和平板淬火壓力機對試樣進行加熱、淬火，加熱溫度900 ℃，加熱時間4 min，冷卻速率>30 ℃/s。

使用掃描電子顯微鏡、能譜分析儀對鋁硅鍍層熱成形前后鍍層結構、成分與表面形貌進行分析。

2 結果與討論

2.1 熱成形前鍍層結構與表面形貌

圖1為Al-6%Si加熱前鋁硅鍍層結構與表面形貌，圖2為Al-10%Si加熱前鋁硅鍍層結構與表面形貌，表4、表5為相應的鍍層成分分析結果。

圖1 Al-6%Si熱成形前鍍層結構與表面形貌

表4 Al-6%Si熱成形前鍍層成分分析結果(wt%)

圖2 Al-10%Si熱成形前鍍層結構與表面形貌

表5 Al-10%Si熱成形前鍍層成分分析結果(wt%)

發現：不同Si含量對鋁硅鍍層熱成形前的鍍層結構與表面形貌影響不大，熱成形前皆由內外兩層構成，外層為含有一定固溶Si的純Al層并夾雜有少量的柱狀的τ相FeSi2Al，內層為Fe-Al-Si三元相τ相FeSiAl，其厚度隨Si含量的變化不大，約5 μm。

2.2 熱成形后鍍層結構與表面形貌

圖3為Al-6%Si加熱后鋁硅鍍層結構與表面形貌，圖4為Al-10%Si加熱后鋁硅鍍層結構與表面形貌，表6、表7為相應的鍍層成分分析結果。

發現：不同Si含量明顯影響鋁硅鍍層熱成形后的鍍層結構與表面形貌。常規鍍層成分Al-10%Si加熱后鍍層結構由基體至表面分別為擴散層(Fe+FeAl)、Fe-Al層、Fe-Al-Si層(連續)、Fe-Al層(FeAl或FeAl)，一般情況下，Fe-Al層為FeAl或FeAl。但是，當Si含量為6%時，加熱后鍍層中Fe-Al-Si相在Fe-Al層中呈不連續分布，并且鍍層中孔洞數量與尺寸明顯高于Al-10%Si。另外，Al-10%Si加熱后鍍層表面較Al-6%Si更為粗糙。

圖3 Al-6%Si熱成形后鍍層結構與表面形貌

表6 Al-6%Si熱成形后鍍層成分分析結果(wt%)

圖4 Al-10%Si熱成形后鍍層結構與表面形貌

表7 Al-10%Si熱成形后鍍層成分分析結果(wt%)

2.3 結果討論

鋁硅鍍層中添加Si元素主要目的是降低合金相厚度，從而提高鍍層的成形性能。一般情況下，鋁硅鍍層熱成形前鍍層結構由基體至表面分別為τ相(合金相)和表層的Al+Si組成(一般τ與基體中間存在FeAl/FeAl層，厚度小于1 μm)，表層及鍍層中分布一定數量的長條狀τ相。本工作中當Si含量大于等于6%，合金相厚度降低不明顯，6%Si與10%Si合金相厚度約5 μm。

一般情況下，鋁硅鍍層熱成形后鍍層結構由基體至表面分別為擴散層、Fe-Al層、Fe-Al-Si層、Fe-Al層的四層結構。當Si含量為10%時，鍍層為較完整的四層結構，但當Si含量較低6%時，Fe-Al-Si層呈不連續分布，這可能與鍍層中Si含量較低，不能形成較多的Fe-Al-Si相有關。另外，但當Si含量較低6%時，鍍層中孔洞數量、尺寸明顯增加，這可能與加熱過程中的擴散有關，鍍層中的Si可降低加熱過程中Fe-Al的相互擴散速率，當Si含量較低時，Fe-Al的相互擴散速率較大，柯肯達爾效應較強，造成鍍層中孔洞數量、尺寸增加。此外，對于熱成形后鍍層表面粗糙度程度，6%Si低于10%Si，這可能與Si含量較低，鍍層熔點較高，鍍層不能充分液化流動并粗糙化有關。

鋁硅鍍層熱成形后的鍍層結構與表面形貌對最終產品的性能有著至關重要的作用，為保證良好的焊接、涂裝性能，熱成形后的鍍層結構要求完整、連續、較少的孔洞且鍍層表面要求較為粗糙。對于上述要求，10%Si明顯優于6%Si。

3 結論

不同Si含量對鋁硅鍍層熱成形前的鍍層結構與表面形貌影響不大，鍍層由內外兩層構成，外層為含有一定固溶Si的純Al層并夾雜有少量的柱狀的τ相，內層主要為Fe-Al-Si三元相τ；

不同Si含量明顯影響鋁硅鍍層熱成形后的鍍層結構與表面形貌，高Si含量的鍍層有利于形成Fe-Al-Si三元相呈連續分布的鍍層結構，高Si含量的鍍層不易形成孔洞，高Si含量的鍍層熱成形后有利于形成更為粗糙的表面。