熱成形工藝對合金化鋅基鍍層微裂紋的影響研究

馮冠文　畢云杰　王偉波　畢玉梅　辛衛(wèi)升

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

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熱成形工藝對合金化鋅基鍍層微裂紋的影響研究

馮冠文1畢云杰1王偉波2畢玉梅2辛衛(wèi)升2

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

熱成形鋼鋅基鍍層可以有效的防止熱沖壓過程中零件的表面氧化，并在后續(xù)使用過程中提供良好的抗腐蝕性能。然而由于鋅基鍍層熔點(diǎn)低，在熱沖壓時(shí)會(huì)導(dǎo)致表面微裂紋的產(chǎn)生，影響零件的機(jī)械性能。研究了熱沖壓成形參數(shù)包括奧氏體化條件，熱沖壓合模溫度和變形量等對合金化鍍層熱成形鋼表面微裂紋的影響，并根據(jù)微裂紋的形成機(jī)理，優(yōu)化了合金化鋅基鍍層熱成形鋼的工藝窗口。

鋅基鍍層；熱成形鋼；微裂紋

隨著汽車輕量化地發(fā)展和國家對抗碰撞性能要求地不斷提升，熱成形鋼在汽車工業(yè)得到了廣泛地應(yīng)用。采用熱成形技術(shù)可極大提高車身整體結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，大幅度提高整車碰撞安全性能，同時(shí)可有效地減輕白車身重量，降低能源消耗，減少環(huán)境污染，提高整車的經(jīng)濟(jì)性能。目前超高強(qiáng)度熱沖壓鋼22MnB5已廣泛應(yīng)用與安全相關(guān)的轎車零部件。通過加熱含硼熱成形鋼到奧氏體化溫度，然后在模具上成型，同時(shí)完成淬火，從而獲得抗拉強(qiáng)度約為1500N/mm2的熱沖壓零件[1]。

熱沖壓零件的應(yīng)用已從B柱等擴(kuò)展到車底部，這就需要較好的防腐蝕性能。鋅基鍍層熱成形鋼能夠有效防止加熱過程中鋼的氧化起皮和脫碳，同時(shí)對成型零件起到抗腐蝕陰極保護(hù)作用。但是鋅基鍍層熱成形鋼在奧氏體化加熱，以及隨后熱沖壓過程中會(huì)有因?yàn)橐簯B(tài)鋅的存在導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生。嚴(yán)重時(shí)，裂紋將擴(kuò)展到基體，影響產(chǎn)品的使用性能，這也是目前需要解決的問題之一[2]。

研究表明[3-4],在熱沖壓鍍層中微裂紋的形成將直接有助于液態(tài)金屬脆化(LME)的問題。微裂紋往往在熱沖壓拉伸應(yīng)變過程中在鋅鍍層產(chǎn)生。在應(yīng)力作用下會(huì)擴(kuò)展到鋼基體。當(dāng)基體裂紋尺寸是10μm以下，對汽車零部件的力學(xué)性能影響不大。然而，在高溫下鍍層的鋅將以液態(tài)金屬形式沿裂紋滲透，它會(huì)大大減少熱沖壓件的伸長率和抗拉強(qiáng)度。由于熱沖壓22MnB5鋼具有較低的伸長率(～6%)，任何減少的延伸將是不可接受的。

表面裂紋是影響鋅基鍍層熱成形鋼發(fā)展的關(guān)鍵因素。在本文中，從冶金角度探討了鋅基鍍層22MnB5熱成形鋼的在加熱過程中的微觀組織演變，鍍層裂紋在熱沖壓成型過程中的形成等。通過對不同熱沖壓參數(shù)的研究，得出減少裂縫形成的可控途徑和工藝窗口。

1　試驗(yàn)

1.1鍍層

試驗(yàn)鋼為現(xiàn)場生產(chǎn)1.5mm厚的冷軋罩式退火鋼板22MnB5。將鋼板激光剪裁成110mm×220mm的尺寸在熱浸鍍試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行合金化熱鍍鋅模擬實(shí)驗(yàn)。采用不同的氣刀參數(shù)和浸潤時(shí)間獲得不同厚度的合金化鍍層試樣，鍍層厚度約為22-45μm。合金化工藝為：退火溫度為700℃并保溫3min，鋅液成分Zn-0.15%Al。熱浸鍍后合金化溫度520℃保溫20s，保護(hù)氣氛15%H2-85%N2，露點(diǎn)控制在-30℃。

表1　試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分

1.2熱成形

選擇鍍層厚度分別為23μm和42μm的試樣在U-型模上進(jìn)行熱沖壓實(shí)驗(yàn)。即合金化后的試樣經(jīng)過激光拼焊在熱處理爐內(nèi)加熱到900℃以上并保溫5min，之后在U-型模上沖壓淬火獲得Ω型試樣(見圖1)。

為分析熱成形后鍍層形貌變化和裂紋擴(kuò)展情況，在彎曲折角處取樣，利用掃描電鏡和輝光進(jìn)行鍍層微觀組織和成分分析。

2　結(jié)果與討論

掃描電鏡觀察表明，熱沖壓前鍍層主要由9%Fe-Zn的δ相組成。對于較厚鍍層的樣品，鍍層表面的鐵含量有輕微的減少。并且在一些很厚的鍍層區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一些ζ相(見圖2)，這個(gè)是由于鍍層過厚導(dǎo)致合金化不完全產(chǎn)生。

樣品在不同奧氏體化溫度下進(jìn)行熱沖壓試驗(yàn)，試樣分別加熱到900℃，920℃和940℃，并保溫不同時(shí)間(3-10min)后開始沖壓。為了研究沖壓溫度對微裂紋形成的影響，在樣品從加熱爐轉(zhuǎn)移到模具過程中，控制傳輸時(shí)間，達(dá)到要求的沖壓合模溫度，實(shí)際熱沖壓的溫度約為800℃到700℃。

圖2　SEM照片顯示截面

掃描電鏡分析表明(見圖3)，熱沖壓后試樣的鍍鋅層主要由Zn含量較高的Γ-Fe4Zn9和Fe含量較高的α-Fe(Zn)組成。α-Fe(Zn)固溶相含大約33%Zn。α-Fe(Zn)固溶相的比例隨著奧氏體化溫度或者時(shí)間的增加而增加，在920℃保溫6min的工藝條件下，鍍層已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為α相。

圖3　熱沖壓后試樣的SEM圖像和輝光檢測

從鍍層截面微觀組織可以看出，在奧氏體化加熱過程中，合金化鍍鋅層與鋼基板之間已經(jīng)形成一個(gè)擴(kuò)散層，鋅的含量沿?cái)U(kuò)散層向鋼基逐漸減少。根據(jù)Fe-Zn相圖，在加熱到高溫時(shí)，F(xiàn)e-Zn在界面層相互擴(kuò)散，形成α-相。當(dāng)加熱溫度高于782℃，由于鍍層液態(tài)相的存在加速了α-相的形成。α-Fe(Zn)的熔點(diǎn)高于其它Fe-Zn相，并隨著Fe含量的增加不斷升高(見圖4橫條紋框區(qū))。在奧氏體化過程中，鍍層與基體界面形成了連續(xù)的固態(tài)α-Fe(Zn)相層。連續(xù)固態(tài)α-相層的存在減緩Fe和Zn的進(jìn)一步反應(yīng)，同時(shí)阻隔了液態(tài)鍍層與鋼基體的直接接觸，有助于降低或者消除在熱沖壓應(yīng)力的作用下的液態(tài)金屬脆化(LME)的影響。

圖4　鐵鋅相圖

分析顯示熱沖壓的U型試樣鍍層中出現(xiàn)少量微裂紋，即使在變形量最大的彎角處，幾乎所有的微裂紋都終止在鍍層與基體的界面處，沒有明顯擴(kuò)展到鋼基體中(見圖3(b))。值得注意的是，較薄鍍層或更長的奧氏體化時(shí)間樣片的微裂紋幾乎很少觀察到。裂紋通常出現(xiàn)在沒有完全轉(zhuǎn)化為α-相的鍍層區(qū)域。合金化鍍鋅熱成形鋼表現(xiàn)出良好的抗氧化性，而無鋅鍍層區(qū)(實(shí)驗(yàn)夾持端)形成大量的表面氧化層。因?yàn)殄儗恿鸭y沒有擴(kuò)展到鋼基，微裂紋對熱沖壓零件的力學(xué)性能不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。

雖然目前關(guān)于熱沖壓鋼鋅基鍍層的微裂紋形成原理沒有同一認(rèn)可的解釋，但研究結(jié)果顯示鋅液的存在和熱沖壓變形應(yīng)力是加速微裂紋形成和擴(kuò)展的主要影響因素。根據(jù)Fe-Zn相圖(見圖4)，在奧氏體化的早期階段鍍層必然會(huì)液化，鋅液會(huì)沿原奧氏體晶界滲透。為了減少液態(tài)鋅的滲透，可以考慮預(yù)擴(kuò)散層或閃鍍鎳工藝。事實(shí)上，當(dāng)鋅液滲入鋼表面時(shí)，α-固溶相開始形成，連續(xù)α-相的形成將起到隔絕鋅液進(jìn)一步直接與奧氏體晶界的接觸。如圖4所示，在熱沖壓過程中，奧氏體化后鍍層的絕大部分將落入橫條紋框區(qū)域，特別是接近鋼基的鍍層區(qū)域。進(jìn)一步延長奧氏體化時(shí)間或者提高奧氏體化溫度將導(dǎo)致鍍層成分在橫條紋框區(qū)左移，這將降低鍍層中的鋅含量和增加鍍層擴(kuò)散層厚度，將影響熱沖壓零件的力學(xué)性能和降低陰極保護(hù)性能。

沿裂紋滲透的鋅液會(huì)脆化晶界和晶格，導(dǎo)致塑性急劇下降。變形應(yīng)力將加速液態(tài)鋅沿晶界的滲透。因此，較長的奧氏體化時(shí)間可以將鍍層低溫鋅鐵相轉(zhuǎn)換為α-鋅鐵固溶相。薄的鍍層(<15μm)更容易完成整個(gè)鍍層的轉(zhuǎn)變，把橫條紋框區(qū)整體移到α-Fe(Zn)相區(qū)，可以減少奧氏體化時(shí)間。如果在一定的奧氏體化溫度和時(shí)間范圍內(nèi)不能完成全部鍍層的α-相轉(zhuǎn)化，可以通過降低熱沖壓合模溫度來避免變形時(shí)液態(tài)鋅的存在，如圖4豎條紋框區(qū)域所示。在這種情況下，鍍層中的α-Fe(Zn)和殘余的Γ-相將在變形前變成固態(tài)相，避免了在成型時(shí)液態(tài)金屬存在。這種情況下，熱沖壓起始溫度一般控制在800°C以下，沖壓成型時(shí)鍍層以固態(tài)的形式存在，因此，盡管鍍層中有低溫Γ-相的存在，熱沖壓后很難觀察到微裂紋存在。由于富鋅Γ-相的存在，提高了熱成形零件的陰極抗腐蝕性能。

3　結(jié)論

根據(jù)對熱成型鋼鍍層相結(jié)構(gòu)演變和微裂紋的研究，較厚鍍層(25～30μm)在熱沖壓后由大量的Γ-相的α-Fe(Zn)固溶相組成,但較薄鍍層(<15μm)幾乎都是α-Fe(Zn)固溶相。微觀組織觀察顯示合金化鍍鋅熱成形鋼具有較好的抗氧化能力。通過控制熱沖壓工藝參數(shù)可以減少熱成形零件的微裂紋，同時(shí)避免鍍層裂紋不會(huì)延伸到鋼基里面，因此對熱成形零件的延伸率核抗拉強(qiáng)度基本沒有影響。

影響鋅基鍍層熱成形鋼微裂紋的主要因素是液態(tài)鋅的存在和沖壓變形應(yīng)力。為了減少液體鋅存在，控制奧氏體化溫度和時(shí)間保證鍍層完全轉(zhuǎn)換為α-Fe(Zn)相。另外，通過降低沖壓合模起始溫度，保證鍍層中任何殘留的液態(tài)相轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)組織，避免熱沖壓過程中液體鋅對晶界脆化的影響。

[1]Karbasian H. andTekkaya A.E. A review on hot stamping[J]. J. Materials Processing Technology, 2010,(210):2102-2118.

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(責(zé)任編輯：李文英)

Feng Guanwen1Bi Yunjie1Wang Weibo2Bi Yumei2Xin Weisheng2

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

Coating can act as oxidation protection for hot forming steel during stamping process. But the coating cracks in the stamping process are the major problem for usage .This paper focused on the effect of hot stamping parameters, such as austenization conditions, stamping temperature and deformation strain, on the phase evolution of the coating, and on the formation of micro-cracks. The optimum hot stamping conditions have been proposed.

galvannealing; hot stamping steel; micro-crack

2016-06-15

2016-08-10

馮冠文(1982～)，女，碩士，工程師.E-mail：fguanguan@foxmail.com

TG174.445

A

1671-3524(2016)03-0013-03