退火處理對熱浸鍍鋅鍍層晶粒尺寸和織構(gòu)的影響

蔡　捷　　楊成志　黃道兵　周小舟　李　金

(1.武鋼研究院　湖北　武漢：430080； 2.武鋼冷軋總廠　湖北　武漢：430083)

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退火處理對熱浸鍍鋅鍍層晶粒尺寸和織構(gòu)的影響

蔡捷1楊成志2黃道兵1周小舟2李金2

(1.武鋼研究院湖北武漢：430080； 2.武鋼冷軋總廠湖北武漢：430083)

鍍層的晶粒尺寸和織構(gòu)是影響熱浸鍍鋅鋼板的鍍層性能的重要因素。主要探討了鍍層退火處理對鍍層晶粒尺寸和織構(gòu)的影響。通過金相顯微鏡、掃描電鏡和EBSD分析手段對比研究了退火前后鍍層的晶粒尺寸和織構(gòu)，結(jié)果顯示，通過鍍層退火工藝可以得到均勻細小的鍍層晶粒組織。同時，采用鍍層退火處理可顯著降低通常被認為對鍍層沖壓性能有害的鋅孿晶現(xiàn)象，EBSD分析顯示鍍層的<0002>織構(gòu)在鍍層退火后顯著增加，有利于提高鍍層的沖壓性能，減少沖壓缺陷的產(chǎn)生。

熱浸鍍鋅；鍍層；晶粒尺寸；孿晶；織構(gòu)；退火

熱浸鍍鋅鋼板同時兼具優(yōu)良的成形性能和耐腐蝕性能，因而具有廣泛的商業(yè)應(yīng)用范圍。近年來，由于熱浸鍍鋅鋼板在國內(nèi)汽車制造業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，極大地促進了對于其性能特性的研究[1-3]。然而，在成形過程中鍍層對材料成形性能的影響仍存在一些突出的質(zhì)量問題亟待解決。其中兩個最突出的問題分別是鍍層對成形過程中摩擦行為的影響和沖壓成形過程中的鍍層開裂缺陷。對于熱浸鍍鋅層的晶粒尺寸和織構(gòu)的表征研究是理解并解決這些成形過程中所遇到的問題的首要步驟。

熱浸鍍鋅層的成形性能受到很多因素的影響，例如基板的成形性能、鋼基和鍍層之間的金屬間化合物層即抑制層的影響、鋅鍍層的晶粒尺寸和織構(gòu)的影響、鋅鍍層的硬度及表面粗糙度等等[4]。由于鋅鍍層晶體成形時的各向異性，鋅鍍層的微觀組織和織構(gòu)對其成形性能的影響尤為顯著。本論文的主旨在于以在汽車工業(yè)中大量使用的IF鋼熱鍍鋅材料為研究對象，對于鍍層退火處理對其鍍層的晶粒尺寸和織構(gòu)進行研究。

1　材料和試驗

三種不同的鍍層微觀組織結(jié)構(gòu)將在后續(xù)章節(jié)中描述的詳細試驗中得到。鍍層的晶粒尺寸和織構(gòu)分析采用金相顯微鏡、掃描電鏡和EBSD等實驗手段開展研究。

1.1材料

本論文所研究的熱浸鍍鋅鋼板的基板種類為Ti穩(wěn)定化處理的IF鋼，其化學成分見下表1。

表1　基板化學成分(×10-3)(重量百分比)

在連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線處理工藝中，基板(厚度規(guī)格0.7mm)在含有一定氫氣比例的保護性氣氛中進行退火處理后冷卻到入鋅鍋溫度后，在含有0.25%Al的鋅液中進行熱浸鍍處理。帶鋼出鋅鍋后，由氣刀擦除自鋅鍋中帶出的多余鋅液并控制鍍層的重量為50g/m2。在連續(xù)熱鍍鋅線機組出口處，冷卻后的帶鋼經(jīng)光整軋制處理得到所需的鍍層表面形貌和織構(gòu)。熱浸鍍鋅的光整軋制處理可以優(yōu)化帶鋼表面粗糙度和波紋度，這對于汽車工業(yè)中重點關(guān)注的涂裝質(zhì)量和外觀尤其重要。不同光整工藝和退火處理對應(yīng)的三種不同的鍍層微觀組織結(jié)構(gòu)分析如下。

1.1.1未光整鍍層，標識為“I”

有文獻表明，帶鋼出鋅鍋后，經(jīng)氣刀吹掃冷卻后鋅液凝固后形成的晶粒從鋼基/鍍層界面開始生長[5]。將直接冷卻凝固未經(jīng)光整的樣品裁切并冷鑲嵌成金相試樣后，鍍層表面先后用3μm、1μm拋光液輕度拋光后用Olympus DP70金相顯微鏡在偏光鏡下觀察，晶粒的形貌特征見下圖1(a)。由圖1(a)可見，鍍層I晶粒呈現(xiàn)扁平樹枝狀，可見大面積枝晶，晶粒尺寸為200～600μm。

1.1.2光整鍍層，標識為“II”

帶鋼出鋅鍋經(jīng)氣刀吹掃冷卻后，鋅液經(jīng)冷卻凝固后經(jīng)光整機采用正常光整工藝進行光整處理，延伸率設(shè)定值為1.0%。將正常光整后的樣品裁切并冷鑲嵌成金相試樣后，鍍層表面先后用3μm、1μm拋光液輕度拋光后用Olympus DP70金相顯微鏡在偏光鏡下觀察，晶粒的形貌特征見下圖1(b)。由圖1(b)可見，鍍層II晶粒尺寸基本不變，但母晶粒內(nèi)有大量變形導致的孿晶，母晶粒尺度為200～600μm，與鍍層I尺度基本一致。

1.1.3光整后退火鍍層，標識為“III”

帶鋼出鋅鍋經(jīng)氣刀吹掃冷卻后，鋅液經(jīng)冷卻凝固后經(jīng)光整機采用正常光整工藝進行光整處理，延伸率設(shè)定值為1.0%并經(jīng)鍍層感應(yīng)加熱爐退火后處理后得到鍍層III(PMT板溫控制200～400℃)。將鍍層III樣品裁切并冷鑲嵌成金相試樣后，鍍層表面先后用3μm、1μm拋光液輕度拋光后用Olympus DP70金相顯微鏡在偏光鏡下觀察，晶粒的形貌特征見下圖1(c)。由圖1(c)可見，鍍層III晶粒尺寸顯著減小，同時形變導致的孿晶也基本消失，晶粒尺度為10～100μm，比I和II鍍層晶粒尺度小一個數(shù)量級。

圖1　三種鍍層微觀組織結(jié)構(gòu)

1.2EBSD分析結(jié)果

用LEO-1530場發(fā)射掃描電鏡對這三種鍍層結(jié)構(gòu)進行原位取向及織構(gòu)分析，激發(fā)電壓和電流分別為20kV和0.1mA，工作距離為10mm。I和II鍍層的取向及織構(gòu)參見文獻[6]和文獻[7]，其主要的取向為<0002>。II和III鍍層的取向織構(gòu)圖對比分析見圖2。由圖2可見，鍍層III的取向仍以<0002>為主，鍍層III織構(gòu)取向指數(shù)比鍍層II高，表現(xiàn)出更強的<0002>取向。

圖2　鍍層結(jié)晶織構(gòu)和極圖對比分析

1.3鍍層拉伸試驗

采用Instron.5967拉伸試驗機的30kN單元對樣品II和III鍍層進行10%延伸率的預(yù)應(yīng)變后(樣品尺寸長75mm×12.5mm)，對鍍層的表面形貌進行SEM形貌分析(LEO-1530場發(fā)射掃描電鏡)。鍍層的開裂行為對比分析見下圖3(a)(鍍層II)，和圖3(b)、圖3(c)(鍍層III)。

圖3　10%預(yù)應(yīng)變下鍍層的開裂行為

2　結(jié)果與討論

綜合以上三種鍍層的晶粒尺寸和分布情況，可見孿晶是在光整過程中鍍層積聚和累積形變的主要模式。鍍層III的晶粒尺度和分布顯示，通過鍍層退火處理，可以顯著細化鍍層的晶粒尺寸，同時鍍層中的孿晶結(jié)構(gòu)也顯著減少，甚至基本消失。

EBSD分析結(jié)果顯示，熱浸鍍鋼板鍍層中鋅晶粒的主導取向為<0002>，而光整過程會導致大量孿晶的出現(xiàn)。通常在正常鍍層晶體組織中C軸為垂直于基板表面，而在孿晶生成過程中，孿晶的C軸變?yōu)閹缀跗叫杏诨灞砻?，孿晶的取向轉(zhuǎn)變?yōu)槔忡R織構(gòu)。據(jù)文獻[8]報道，<0002>織構(gòu)的成形性能顯著優(yōu)于棱鏡織構(gòu)。因此，鍍層III相對于鍍層II有顯著增強的基向織構(gòu)，同時孿晶結(jié)構(gòu)也基本消失，因而大大改善了鍍層的成形性能。

鍍層III組織對比鍍層II組織中基向織構(gòu)指數(shù)顯著增強。圖4中10%預(yù)拉伸應(yīng)變后的EBSD分析結(jié)果顯示，鍍層II組織結(jié)構(gòu)中以沿母晶界的宏觀裂紋為主，而在鍍層III組織結(jié)構(gòu)中則以沿細小晶界的微觀裂紋為主，這表明鍍層III能夠有效地限制裂紋擴展，對于提高熱浸鍍鋼板鍍層的成形能力有利，其原因在于更加細小均勻的晶粒組織和更強的<0002>織構(gòu)。

圖4　10%預(yù)應(yīng)變后鍍層開裂行為的EBSD分析

3　結(jié)論

采用微觀分析手段對鍍層退火處理前后所得到的熱浸鍍鍍層的晶粒組織和織構(gòu)進行了觀察和分析，對比研究得出以下結(jié)論：

(1)熱浸鍍鋅鍍層在凝固后得到的是粗大的晶粒組織和以<0002>取向織構(gòu)為主的鍍層。

(2)光整工藝將導致粗大晶粒組織中嚴重的孿晶組織，孿晶組織的織構(gòu)與母晶粒不同，對于鍍層的成形能力有不利影響。

(3)鍍層退火處理工藝可以得到細小均勻的鍍層組織結(jié)構(gòu)和更強的<0002>取向織構(gòu)，有利于提高鍍層的延展性和成形能力。

[1]Tzimas E, Papadimitriou G. Cracking, Mechanisms in high temperature hot-dip galvanized coatings[J]. Sur. Coa. Techno.145(2001)：176-185.

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(責任編輯：李文英)

Influence of Annealing on Grain Size and Texture of Hot-dip Galvanized Coating

Cai Jie1Yang Chengzhi2Huang Daobing1Zhou Xiaozhou2Li Jin2

(1.Research and Development Center of WISCO， Wuhan 430080, Hubei;2.Cold Rolling Plant of WISCO， Wuhan 430083, Hubei)

Grain size and texture have great influence on hot-dip galvanized coating performance. This paper focused on how annealing affects coating grain size and texture. The grain size and texture are compared by OM、SEM and EBSD. The results shows that finer and more uniform grain can be achieved by annealing and meanwhile twinning can dramatically decrease. Furthermore, the <0002> texture increased significantly after annealing which has a positive influence on coating formability and stamping defects improvement.

hot-dip galvanizing; coating; grain size; texture; twinning; annealing

2016-06-15

2016-08-20

蔡捷(1979～)，男，博士，高級工程師.E-mail：ariestimecj@hotmail.com

TG156.21

A

1671-3524(2016)03-0006-03