凝固冷卻速率對55Al-Zn-1.6Si合金鍍層組織和力學性能的影響

黃全新,王銀軍

(1.廣西安全工程職業技術學院機械與電氣工程系,南寧 530100;2.上海梅山鋼鐵公司技術中心,南京 210039)

0 引 言

熱鍍鋅(鋅質量分數大于99.5%)是提高鋼鐵表面耐腐蝕性能的主要方法之一[1],但是熱鍍鋅層的成本較高,耐腐蝕性能提升相對有限,為此,美國伯利恒公司研制了熱鍍55Al-Zn-1.6Si合金鍍層,該鍍層具有優于熱鍍純鋅、熱鍍Zn-5Al合金鍍層(鋅的質量分數約為95%)的耐腐蝕性和鋼板切邊保護性能,在電力、家電、建筑等行業中已得到較多應用[2-5]。

熱鍍55Al-Zn-1.6Si合金鍍層鋼板加工制造流程涉及折彎、擴孔、沖壓、點焊等加工工序,而在這些工序中出現的鋅花大小不均、沖壓脫皮、折彎開裂、虛焊等影響產品質量的問題日益受到關注[6-9]。其中,鋅花大小是影響鋁鋅合金鍍層鋼板成形、點焊質量的重要因素,同時鋅花的大小和形貌還影響產品的外觀品質。然而,限于保密,有關高端品質鍍層鋼板鋅花控制關鍵工藝方面的文獻報道較少[10]。普通鍍層的凝固冷卻速率慢,鋅晶體自由生長,形成的鋅花尺寸較大,表面品質較差。通過增加鍍層形核數量抑制枝晶的自由生長,所獲得的鍍層表面鋅花細小均勻、花紋美觀。國內外鋼廠對鋁鋅合金鍍層小鋅花的定義并沒有嚴格的統一標準,某鋼廠對于鍍層產品中小鋅花的定義為鍍層表面任意100 mm劃線長度分布的鋅花數量不低于65個。異質形核是細化晶粒的方法之一[11-13]。澳大利亞BlueScope、韓國東部制鋼等國外鋼鐵公司采用在鋅鍋熔池中添加晶粒細化劑的方法,實現小鋅花55Al-Zn-1.6Si合金鍍層鋼板的工業生產[14]。國內一些鋼廠也嘗試在熔池中添加鈦、釩、稀土等方式生產小鋅花鍍層,但隨之帶來的熔池鋅渣增多等工程應用問題也較難解決[15-18]。為替代熔池添加晶粒細化劑的方法,某鋼廠在工業化生產中通過提高帶鋼熱鍍后的凝固冷卻速率來獲得小鋅花55Al-Zn-1.6Si合金鍍層鋼板,但冷卻速率的不同可能會對鍍層的顯微組織及力學性能產生影響,進而影響鍍層鋼板的成形、焊接、耐腐蝕等性能,目前尚未見有關這些方面的報道。基于此,作者在不同凝固冷卻速率下獲得的55Al-Zn-1.6Si合金鑄錠、連續熱鍍后常規冷卻和強冷55Al-Zn-1.6Si合金鍍層,研究了凝固冷卻速率對其顯微組織和力學性能以及鍍層鋼板拉伸性能的影響,以期為提高熱鍍55Al-Zn-1.6Si合金鍍層鋼板的成形加工、電阻焊、涂裝等性能提供指導。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料選擇某廠帶鋼連續熱鍍鋅鍋熔池原料55Al-Zn-1.6Si合金鑄錠,其化學成分(質量分數/%)為(55±2)Al,(43.5±1)Zn,(1.6±0.3)Si。單件鑄錠質量約1 t,采用火焰反射式爐熔煉,650～700 ℃熔體靜置10～20 min后澆鑄,待鑄錠中心溫度降至約600 ℃后,再以0～0.5 ℃·s-1速率冷卻至不高于200 ℃,最后噴淋水冷后脫模。在距合金鑄錠側面30～80 mm位置切割樣塊,用于加工金相、硬度試樣及拉伸試樣。

常規冷卻、強冷2種鍍層試樣均取自某帶鋼連續熱鍍鋁鋅硅機組生產的牌號為DC51D+AZ的鍍層鋼板,其主要生產流程包括軋硬鋼卷開卷后頭尾焊接、堿液清洗、漂洗、熱風干燥、氮氫保護臥式爐連續退火(退火均熱段溫度為720～770 ℃、均熱段時間為60～90 s)、保護氣吹掃帶鋼冷卻至590～600 ℃、經浸入式爐鼻子進入580～610 ℃的鋅鍋熔池熱浸鍍55Al-Zn-1.6Si鋁鋅硅合金金屬液、通過氣刀控制鍍層厚度、鍍后冷卻、表面后處理、卷取成商品鋼卷。常規冷卻方式即帶鋼出鋅鍋熔池經氣刀吹掃控制鍍層厚度后,在通過氣刀上方至大流量風箱之間約1.5 m高度的區域時以5～10 ℃·s-1冷卻速率空冷,然后帶鋼上行進入大流量風箱時以15～30 ℃·s-1速率冷卻至表面溫度不高于200 ℃。強冷方式即在氣刀正上方距氣刀垂直距離為500～800 mm處設置強制空冷裝置,用5～10 ℃的低溫空氣對帶鋼表面以15～30 ℃·s-1冷卻速率進行強制冷卻1～3 s,然后進入常規大流量風箱中繼續以15～30 ℃·s-1的速率冷卻,當上行的帶鋼表面溫度不高于460 ℃時,以30～50 ℃·s-1冷卻速率進行氣霧冷卻,繼續上行并通過大流量風箱以15～30 ℃·s-1冷卻速率冷卻至帶鋼表面溫度不高于200 ℃。2種鍍層鋼板的厚度均約為0.8 mm,鋼板單面合金鍍層面密度約為76 g·m-2。

在鑄錠和鍍層鋼板上用金剛石切割片切割出尺寸不大于15 mm×15 mm×15 mm的金相試樣,經樹脂鑲嵌、砂紙打磨、金剛石拋光膏拋光、機械震動拋光后,用體積分數3%～4%的硝酸乙醇溶液腐蝕3～15 s,用清水和無水乙醇沖洗、強力吹風機快速烘干,采用ZEISS AXIOPHOT2型光學顯微鏡、FEI-Quanta 450 FEG型掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織,用附帶的EDAX能譜儀(EDS)進行微區成分分析。采用DuraScan 50型全自動維氏硬度計測截面顯微硬度,合金鑄錠的測試載荷為1.96 N,2種鍍層的測試載荷為0.098 N,加載時間均為15 s,測5～8次取平均值。

制備合金鑄錠的啞鈴狀圓棒拉伸試樣,其平行段直徑、標距分別為8,80 mm。制備2種鍍層鋼板的啞鈴狀薄板拉伸試樣,平行段厚度、寬度、標距分別為0.8,20,80 mm,拉伸試樣的長度方向垂直于帶鋼軋向。每組鍍層鋼板拉伸試樣再均分為兩組,一組用于測試鍍層鋼板的拉伸性能,另一組用于測試褪鍍層后基板的拉伸性能。褪鍍層工藝:采用質量分數約18%的HCl溶液浸泡酸洗鍍層鋼板拉伸試樣,溶液溫度為30～35 ℃,當表面呈現均勻的金屬光澤時,在1～3 s內將褪鍍層試樣移至裝滿自來水或者去離子水的水槽中浸泡漂洗,取出后用強力冷風機吹干。采用INSTRON-100KN型拉伸試驗機測試拉伸性能,合金鑄錠拉伸試驗的測試標準為GB/T 228.1—2021,而由于鍍層的拉伸性能沒有標準試驗方法可參考,作者采用非標方法通過測試鍍層鋼板以及褪鍍層鋼板的拉伸性能來計算鍍層的拉伸性能。將鍍層/基體界面的冶金層與55Al-Zn-1.6Si合金鍍層簡化為整體鍍層,并假設不同拉伸試樣的厚度、力學性能波動可以忽略,采用逼值法設定鍍層鋼板拉伸試驗的規定延伸率從8%開始以0.5%遞增至鍍層表面首次形成龜裂(通過顯微鏡觀察鍍層表面判斷龜裂)。鍍層、鍍層鋼板、褪鍍層鋼板的屈服強度、規定總延伸強度滿足以下關系:

Rp0.2c(t-tm)b=Rp0.2tb-Rp0.2mtmbm

(1)

Rtc(t-tm)b=Rttb-Rtmtmbm

(2)

式中:Rp0.2c,Rp0.2,Rp0.2m分別為鍍層、鍍層鋼板、褪鍍層鋼板的屈服強度;t,tm分別為鍍層鋼板、褪鍍層鋼板拉伸試樣的厚度均值;b,bm分別為鍍層鋼板、褪鍍層鋼板拉伸試樣的寬度均值;Rtc,Rt,Rtm分別為鍍層、鍍層鋼板、褪鍍層鋼板的規定總延伸強度。

拉伸試驗結束后,采用FEI-Quanta 450 FEG型掃描電鏡觀察斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可見,55Al-Zn-1.6Si合金鑄錠的顯微組織更接近平衡組織,主要由面積分數約80%的灰色基體相、約20%的淺白色相以及少量黑色針狀相構成。由圖2可知,灰色基體相為富鋁相α(Al)柱狀晶,層狀間隔分布的淺白色相為最后析出的富鋅相, 黑色針狀相為富硅相β(Zn)。先析出的α(Al)相的枝晶臂粗大,β(Zn)、富硅相主要沿α(Al)枝晶臂間隙析出,α(Al)枝晶臂邊緣的灰度比內部更淺,說明α(Al)枝晶臂存在成分偏析,枝晶臂邊緣的鋅含量較高,鋁含量較低。

圖1 0～0.5 ℃·s-1凝固冷卻速率下55Al-Zn-1.6Si合金鑄錠的顯微組織Fig.1 Microstructures of 55Al-Zn-1.6Si alloy ingot at solidification cooling rate of 0-0.5 ℃·s-1 : (a) at low magnification and (b) at high magnification

圖2 圖1中不同位置的EDS譜Fig.2 EDS patterns of different positions shown in Fig.1: (a) position 1; (b) position 2; (c) position 3 and (d) position 4

由圖3可見,不同凝固冷卻速率下合金鍍層的低倍顯微組織均為不同大小的六角形鋅花,α(Al)一次枝晶臂沿鋅花中心形核并向6個方向生長,二次、三次枝晶構成了鍍層網格狀骨架,枝晶臂之間是β(Zn),針狀富硅相分布在α(Al)枝晶臂間隙。與鑄錠凝固組織相比,由于鍍層凝固冷卻速率較高,其組織更細小。與常規冷卻(凝固冷卻速率5～10 ℃·s-1)條件相比,強冷(凝固冷卻速率15～30 ℃·s-1)條件下的形核點更多,鋅花尺寸更小,一次枝晶臂更細,二次、三次枝晶數量更多。合金鍍層凝固組織與鋼基體界面存在冶金結合的合金層,厚度在0.5～2 μm。3種凝固冷卻速率下55Al-Zn-1.6Si合金的凝固組織類型、相組成基本一致,但是隨著冷卻速率的增加,枝晶由接近平衡態的空間生長轉化為非平衡態的平面生長,因此鍍層中形成不同尺寸的六角形鋅花。

圖3 不同凝固冷卻速率下55Al-Zn-1.6Si合金鍍層的顯微組織Fig.3 Microstructures of 55Al-Zn-1.6Si alloy coating at different solidification cooling rates: (a, d) surface etched microstructure; (b, e) surface polished microstructure and (c, f) section etched microstructure

2.2 顯微硬度

由表1可知:常規冷卻鍍層的截面平均硬度最低,而鑄錠和強冷鍍層的截面平均硬度相當;常規冷卻鍍層和強冷鍍層的截面硬度測試值波動較大。由圖4可見,常規冷卻鍍層、強冷鍍層截面硬度壓痕大小有明顯區別。若壓痕全部位于硬度較高的α(Al)枝晶上,則壓痕尺寸小,所測硬度較高;若壓痕部分位于β(Zn)上,則壓痕尺寸較大,所測硬度較低。由微小載荷分散效應可知,壓痕尺寸越小,硬度越分散。由于測定鑄錠試樣硬度時采用的載荷為1.96 N,為測試鍍層硬度的20倍,形成的硬度壓痕尺寸較大,因此顯微硬度波動最小。常規冷卻鍍層由于枝晶臂較粗,枝晶臂間隙的β(Zn)尺寸較大,多個硬度壓痕覆蓋較多β(Zn),因此截面的顯微硬度波動較強冷鍍層大,且平均值較低。強冷鍍層的α(Al)枝晶臂細密,較大程度的晶格畸變提高了鍍層硬度。

表1 不同凝固冷卻速率下55Al-Zn-1.6Si合金的截面顯微硬度

圖4 不同凝固冷卻速率下55Al-Zn-1.6Si合金鍍層的硬度壓痕形貌Fig.4 Hardness indentation morphology of 55Al-Zn-1.6Si alloy coating at different solidification cooling rates

2.3 拉伸性能

55Al-Zn-1.6Si合金鑄錠的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率分別為330 MPa,375 MPa,10.5%。不同鍍層鋼板的尺寸和拉伸性能如表2所示。由式(1)計算得到常規冷卻鍍層、強冷鍍層的屈服強度分別為273,287 MPa。金屬材料的屈服是位錯增殖和運動的結果, 晶粒大小、晶界、相鄰晶粒的約束以及第二相等因素影響其屈服強度[19],而鍍層的屈服強度取決于鍍層枝晶數量、枝晶臂粗細、鍍層厚度均勻性、鍍層/鋼基體界面合金層厚度均勻性等因素。可知,強冷鍍層中形成的細密平面樹枝晶提高了鍍層的屈服強度。2種鍍層的屈服強度都低于55Al-Zn-1.6Si合金鑄錠,這是由于鍍層的變形發生在鍍層平面,相比厚度方向的變形幾乎可以忽略,樹枝晶間隙偏析的β(Zn)較多,而β(Zn)的低硬度、低屈服強度降低了鍍層整體的屈服強度。由式(2)計算得到常規冷卻鍍層和強冷鍍層的規定總延伸強度分別為389,406 MPa,由于鍍層厚度僅約20 μm,出現龜裂后很容易擴展,因此可認為鍍層首次出現表面龜裂時對應的規定總延伸強度與鍍層的抗拉強度相差不大,如何更加精確測量鍍層的抗拉強度有待進一步探討。2種鍍層鋼板的斷后伸長率、屈服強度、抗拉強度相差不大,說明與普通鋅花的常規冷卻工藝相比,基于小鋅花的強冷工藝對DC51D+AZ鍍層鋼板拉伸性能的影響不大。

表2 不同鍍層鋼板、褪鍍層鋼板的尺寸和拉伸性能

由圖5可見,2種鍍層鋼板拉伸斷口側面覆蓋的鍍層出現龜裂,碎片黏附在鋼板表面,局部發生剝離,基體斷口有大量韌窩,鍍層拉伸斷口主要為沿α(Al)晶界的結晶狀形貌。鍍層網格狀的枝晶間隙為最后凝固微區,形成針狀富硅相與β(Zn),并伴有偏析、夾渣、微孔等缺陷,這降低了鍍層的塑性,有利于裂紋沿樹枝晶間隙擴展;鋼板基體的斷后伸長率較高,韌性較好;鍍層/鋼基體界面的鋁鐵硅合金層與基體的結合強度高于其與鍍層的結合強度[20],同時鋁鐵硅合金層由金屬間化合物組成,硬度高,呈脆性。因此,在拉伸過程中,鋁鐵硅合金層首先開裂,然后鍍層出現龜裂,最后鋼基體發生韌性斷裂。拉伸時龜裂的鍍層仍通過碎片方式釘扎基體,抑制基體的塑性變形,因此與褪鍍層鋼板相比,鍍層鋼板的斷后伸長率較低。

圖5 不同凝固冷卻速率下鍍層鋼板的拉伸斷口SEM形貌Fig.5 Tensile fracture SEM morphology of coated steel plates at different solidification cooling rates

3 結 論

(1) 分別在0～0.5,5～10,15～30 ℃·s-1凝固冷卻速率下得到的55Al-Zn-1.6Si合金鑄錠以及常規冷卻和強冷55Al-Zn-1.6Si合金鍍層的組織和物相組成基本一致,均由α(Al)、β(Zn)以及少量沿α(Al)晶界析出的針狀富硅相組成;隨著凝固冷卻速率的提高,枝晶由接近平衡態的空間生長轉化為非平衡態的平面生長,組織細化;鍍層中形成六角形鋅花,且強冷鍍層中的鋅花更小。

(2) 鑄錠、常規冷卻鍍層和強冷鍍層的硬度分別為123,106,125 HV。強冷鍍層的屈服強度(287 MPa)高于常規冷卻鍍層(273 MPa),低于鑄錠(330 MPa);常規冷卻鍍層和強冷鍍層表面首次形成龜裂時的規定總延伸率分別為11%,12%,對應的規定總延伸強度分別為389,406 MPa。

(3) 2種鍍層鋼板的斷后伸長率、屈服強度、抗拉強度相差不大,說明基于小鋅花的強冷工藝對鍍層鋼板拉伸性能的影響不大。2種鍍層拉伸斷口主要為α(Al)枝晶的結晶狀斷口形貌,在拉伸過程中,鍍層與鋼板界面處的鋁鐵硅合金層首先開裂,然后鍍層出現龜裂,最后鋼基體發生韌性斷裂。