預(yù)合金化處理對22MnB5熱成型鋼鍍層組織成分的影響

張 強，劉家鵬，邱肖盼，尉念倫，孫世清

(1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點實驗室，河北石家莊 050018)

預(yù)合金化處理對22MnB5熱成型鋼鍍層組織成分的影響

張 強1,2，劉家鵬1,2，邱肖盼1,2，尉念倫1,2，孫世清1,2

(1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點實驗室，河北石家莊 050018)

在熱成型鋼上施加鍍層，可有效避免其在熱成型工藝中出現(xiàn)表面氧化、脫碳等缺陷，使成型后工件具有一定程度的抗腐蝕能力，研究了22MnB5熱成型鋼鍍Zn層在升溫過程中的微觀組織結(jié)構(gòu)變化和熱處理工藝對鍍層組織、性能的影響，對鍍鋅22MnB5鋼進行不同的預(yù)合金化+相同的奧氏體化處理后，采用掃描電鏡、能譜儀和輝光光譜分析儀對其鍍層形貌、微觀結(jié)構(gòu)和組成成分進行了分析。其結(jié)果表明，在預(yù)合金化時間相同的情況下，隨著溫度上升，鍍層由開始的ζ相、δ相、Γ1相和Γ相互相摻雜逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐驭Ｏ酁橹?；在預(yù)合金化溫度相同的情況下，隨著預(yù)合金化處理時間的延長，鍍層中的Zn含量逐漸減少，F(xiàn)e含量持續(xù)增加；在經(jīng)過奧氏體化處理后鍍層中Fe含量可達到88%左右，Zn含量可達到8%左右，鍍層幾乎全部為α-Fe(Zn)，只在表面存在少量Γ相，鍍層厚度在12 μm左右；預(yù)合金化工藝為550 ℃保溫30 min、奧氏體化工藝為920 ℃保溫4 min時能得到質(zhì)量較好的鍍層。此結(jié)果對于發(fā)展新型含鍍層熱成型鋼板具有重要參考價值。

相圖與相變；熱成型鋼；預(yù)合金化處理；鋅基鍍層；Zn-Fe相；Г相

22MnB5鋼因其良好的焊接性能、高比強度和良好的塑性而受到廣大汽車生產(chǎn)廠家的青睞，該種鋼淬火后得到的馬氏體，具有很高的強度，并且其成本較低，故廣泛應(yīng)用于制造汽車的安全部件，如汽車的A柱、B柱、防撞梁等[1-4]。但是該種鋼在熱沖壓時需要將其加熱到再結(jié)晶溫度以上，其表面很容易出現(xiàn)氧化和脫碳等缺陷，需要在基體表面附加鍍層予以保護[5-6]。同各種鍍層相比，鋅基鍍層由于其優(yōu)質(zhì)的外觀、良好的陰極保護性能、成型性而受到廣泛應(yīng)用[7]；即使鋅基鍍層上出現(xiàn)小規(guī)模破損，使得基體外露，鍍層也能提供足夠的保護；同時其價格相對較低，因此成為最經(jīng)濟實用和最有潛力的熱成型鋼鍍層之一[8]。

純鋅的熔點和沸點相對于22MnB5來說較低，因而鋅基鍍層的熱加工窗口較窄，在熱沖壓時鍍層內(nèi)很容易出現(xiàn)液態(tài)Zn。因為鋅鐵在高溫下互溶度比較高，液鋅會沿著鐵素體晶界擴散，導(dǎo)致鐵素體晶界結(jié)合力出現(xiàn)下降，從而產(chǎn)生LMIE(液態(tài)金屬導(dǎo)致脆斷)[9-11]。本文采用預(yù)合金化工藝提高鍍層中的Fe含量，使鍍層中的Zn盡量轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的α-Fe(Zn)，減少鍍層中存在的液態(tài)Zn，從而減少或避免LMIE的發(fā)生[12]；同時對不同預(yù)合金化時間、不同預(yù)合金化溫度工藝對鍍層形貌和組織結(jié)構(gòu)及成分的影響進行了研究。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗采用熱浸鍍鋅22MnB5熱成型鋼板，鋼板厚度約為1.5 mm，鍍層厚度約為10 μm，基體中各元素的化學(xué)質(zhì)量分數(shù)如表1所示。為使實驗具有代表性的同時節(jié)省材料，將板材裁成45 mm×90 mm。

表1 試驗鋼22MnB5的主要化學(xué)成分

1.2 試驗方法

圖1 熱處理工藝曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat treatment

試樣的預(yù)合金化和奧氏體化過程在SX-G12123箱式電阻爐中進行，通過焊接在試樣表面的K型熱電偶跟蹤試樣的溫度變化。為了研究不同預(yù)合金化溫度對其鍍層的影響，選擇相同的預(yù)合金化時間，均為10 min，預(yù)合金化溫度分別為450，500，550 ℃；研究不同預(yù)合金化時間對鍍層的作用，選擇預(yù)合金化溫度為550 ℃，時間分別為10，20，30 min；在預(yù)合金化處理后需進行奧氏體化處理，其目的是確保板材均勻奧氏體化。奧氏體化工藝均為920 ℃，保溫4 min[13-14]，其工藝路線如圖1所示。將所得試樣用切板機切割成25 mm×25 mm，每種工藝加工后的試樣分成2組，第1組利用環(huán)氧樹脂對其進行冷鑲，磨拋后進行SEM分析；第2組用EDS能譜儀和輝光光譜分析儀檢測鍍層深度方向的元素分布。

試驗采用FEI Quant 650-FEG場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡及EDAX公司的Pegasus Apex 4型EDS能譜儀對鍍層和表面的形貌進行觀察，并對其元素成分進行定性分析；通過GDA850型輝光光譜分析儀，將所得到的信號強度與濺射所需時間曲線轉(zhuǎn)換為濺射深度和成分濃度曲線，從而得出鍍層中元素成分隨鍍層深度的變化狀況。

圖2 預(yù)合金化之前的鍍層形貌Fig.2 Coating morphology before pre-alloying

2 試驗內(nèi)容與結(jié)果

2.1 初始鍍層結(jié)構(gòu)及形貌特征

預(yù)合金化處理之前的鍍層主要由致密的純鋅層(η相)和抑制層(Fe2Al5)組成[15]，鍍層形貌如圖2所示。鍍層厚度在10 μm左右，在鋅鍍層與基體界面處存在約1 μm的Fe-Al抑制層。抑制層的存在可以防止Fe與Zn發(fā)生劇烈反應(yīng)，防止鍍層因Zn含量過低而過薄，保證鍍層能夠起到足夠的保護作用[7,16]。

2.2 鋅基鍍層結(jié)構(gòu)及相分布

鋅基鍍層在熱處理過程中，F(xiàn)e和Zn原子相互擴散形成Zn-Fe合金層，可先后形成ζ相(FeZn13)、δ相(FeZn7)、Γ1相(Fe5Zn21)、Γ相(Fe3Zn10)以及奧氏體化處理后形成的α-Fe(Zn)，由于ζ相為單斜晶體結(jié)構(gòu)，組織疏松呈針狀，在初始階段可作為Zn原子的擴散通道，生長速度較快，隨著ζ相的增多，Zn原子在擴散時受到的阻力增加，開始在α-Fe和ζ相之間形成Zn含量較低的δ相，δ相結(jié)構(gòu)較為致密，其對Zn原子的阻力較大，只有少量的Zn原子可以擴散至基體處與α-Fe生成Γ1相和Γ相[17-18]。由于各相的構(gòu)成情況對最后的鍍層質(zhì)量至關(guān)重要，而鍍層中Fe，Zn元素的含量直接影響到鍍層中相的組成，因此有必要通過EDS能譜對經(jīng)不同溫度預(yù)合金化處理后鍍層中Fe，Zn元素的含量進行分析。鋅基鍍層的預(yù)合金化時間為10 min，溫度為450 ℃時，ζ相將首先在α-Fe上形核，隨著預(yù)合金化的進行，ζ相逐漸減少變?yōu)棣南?，鍍層最終由δ相和3～4 μm厚度的Г1相組成；500 ℃時Г1相厚度增加至5 μm；550 ℃時，δ與Г1相發(fā)生包析轉(zhuǎn)變,生成硬而脆的Г相，鍍層較完整，當(dāng)Fe含量增加至20%左右時，鍍層幾乎全部由Γ1相和Γ相組成。在450，500，550 ℃3個溫度預(yù)合金化10 min所得到相分布如圖3所示，其Zn，F(xiàn)e元素含量及主要合金相如表2所示。

圖3 預(yù)合金化時間為10 min鍍層相分布Fig.3 Phase distribution of coating when pre-heating time is 10 min

點w(Zn)/%w(Fe)/%主相1——Oxides278.9511.42δ相367.2729.59Γ相478.4810.00δ相575.2118.88Γ1相664.3629.27Γ相

2.3 不同預(yù)合金化溫度對鋅基鍍層的影響

鋅基鍍層在熱處理過程中，F(xiàn)e和Zn原子之間形成Zn-Fe合金相，是金屬間脆性相，因此掌握和控制鍍層中Zn-Fe合金的組成和含量是預(yù)合金化熱浸鍍鋅鋼板的關(guān)鍵[17-18]。在預(yù)合金溫度為450 ℃、預(yù)合金化時間為10 min條件下，Zn原子向鍍層內(nèi)進行擴散。當(dāng)溫度升高后，F(xiàn)e-Zn合金化反應(yīng)加快，鍍層中的Γ1相和Γ相逐漸增多，鍍層的厚度先減后增[19]。450 ℃時鍍層中ζ相、δ相、Γ1相和Γ相相互摻雜，鍍層厚度在8 μm左右，鍍層薄厚不均且存在較多裂紋；500 ℃時，鍍層主要由Γ1+Г相組成，厚度在9.5 μm左右，鍍層較為平整，但鍍層組織中存在明顯裂紋；550 ℃時，鍍層厚度與500 ℃相似，主要成分同樣是Γ1+Г相，但鍍層比500 ℃時平整，且基本不存在明顯裂紋。在預(yù)合金化處理后需進行奧氏體化處理，其目的是確保板材均勻奧氏體化。450 ℃預(yù)合金化處理后進行奧氏體化處理的鍍層厚薄不均，且存在較多裂紋；500 ℃預(yù)合金化處理后進行奧氏體化處理的鍍層比450 ℃時平整，且裂紋較少；550 ℃預(yù)合金化處理再進行奧氏體化處理后的鍍層較為平整，且鍍層中裂紋較小。經(jīng)EDS分析鍍層幾乎全部由α-Fe(Zn)組成。故預(yù)合金化溫度選擇550 ℃。在450，500，550 ℃3個溫度預(yù)合金化10 min所得到的鍍層形貌如圖4所示。預(yù)合金化處理后在920 ℃保溫4 min所得到的鍍層微觀形貌如圖5所示。

圖4 預(yù)合金化時間為10 min的鍍層形貌Fig.4 Coating morphology when pre-alloying time is 10 min

圖5 預(yù)合金化時間為10 min，920 ℃保溫4 min奧氏體化的鍍層形貌Fig.5 Coating morphology when pre-alloying time is 10 min and austenitizing at 920 ℃ for 4 min

2.4 不同預(yù)合金化時間對鋅基鍍層的影響

當(dāng)預(yù)合金化溫度為550 ℃時，隨著保溫時間延長，鍍層中ζ相逐漸變厚，Zn原子向基體內(nèi)擴散將變得困難，于是六方結(jié)構(gòu)的δ相在ζ相和α-Fe之間形成，最終再轉(zhuǎn)化為Γ相。10 min時，因為鍍層中Zn揮發(fā)嚴重，鍍層明顯減??；20 min時，鍍層表面出現(xiàn)Al2O3氧化層，且氧化層較致密，阻止了Zn的進一步揮發(fā)，其中Γ相、Γ1相總含量較保溫時間10 min時有所增加，鍍層厚度在10 μm左右；30 min時，鍍層主要由Г相組成，較為平整且沒有明顯裂紋，鍍層質(zhì)量較好。在奧氏體化處理后，發(fā)現(xiàn)在550 ℃×30 min的試樣鍍層最為平整，且鍍層內(nèi)部裂紋很少，且?guī)缀跞坑搔?Fe(Zn)相組成，鍍層厚度在12 μm左右。由此可知，預(yù)合金化時間為30 min效果較好。在550 ℃預(yù)合金化10，20，30 min處理后鍍層微觀形貌如圖6所示。550 ℃預(yù)合金化處理后920 ℃保溫4 min所得到的鍍層微觀形貌如圖7所示。

圖6 預(yù)合金化溫度為550 ℃的鍍層形貌Fig.6 Coating morphology when pre-alloying temperature is 550 ℃

圖7 預(yù)合金化溫度為550 ℃，920 ℃保溫4 min奧氏體化后的鍍層形貌Fig.7 Coating morphology when pre-alloying temperature is 550 ℃ and austenitizing at 920 ℃ for 4 min

2.5 預(yù)合金化后鍍層沿深度方向元素分布

2.5.1 不同溫度預(yù)合金化+奧氏體化后所得鍍層元素分布

圖8為試驗鋼經(jīng)過不同溫度預(yù)合金化+奧氏體化處理后元素分布示意圖。在預(yù)合金化溫度為450 ℃時，開始由于鍍層中存在孔洞，F(xiàn)e，Zn擴散受阻，鍍層中Zn含量較高，Γ相和Γ1相的含量相對較低，奧氏體化處理后鍍層中Fe含量(質(zhì)量分數(shù)，下同)為72%左右，Zn含量在22%左右；預(yù)合金化溫度為500 ℃時，F(xiàn)e含量在0～22%范圍內(nèi)逐步增長，Γ相增多，奧氏體化處理后鍍層中Fe含量為75%～80%，Zn含量為15%～22%；溫度為550 ℃時，鍍層厚度增加，Γ相和Γ1相的含量明顯增多，奧氏體化處理后鍍層中Fe含量為80%～85%，Zn含量為15%～18%，主要由α-Fe(Zn)構(gòu)成。由圖8可知，在550 ℃下進行預(yù)合金化處理效果較為理想。

圖8 不同溫度預(yù)合金化+奧氏體化后元素分布圖Fig.8 Element distribution after austenitizing under different pre-heating temperature

2.5.2 不同預(yù)合金化時間+奧氏體化后所得鍍層元素分布

圖9為試驗鋼經(jīng)過相同預(yù)合金化溫度，不同預(yù)合金化時間+奧氏體化處理后鍍層元素分布示意圖。時間為10 min時，F(xiàn)e含量在0～28%范圍內(nèi)逐步增長，Zn含量降低至70%左右，Γ相增多；時間為20 min時，鍍層厚度增加至8 μm左右，Γ相和Γ1相的含量有所增加；時間為30 min時，鍍層厚度增加至10 μm，Γ相和Γ1相的含量相對較高。經(jīng)奧氏體化處理后，預(yù)合金化時間為10 min時，最終鍍層中Fe含量為80%～85%，Zn含量為15%～18%；時間為20 min時，最終Fe含量為80%～90%，Zn含量為8%～12%；時間為30 min時，最終Fe含量為88%左右，Zn含量在8%左右，當(dāng)預(yù)合金化時間為30 min時，其鍍層元素分布較為均勻。經(jīng)EDS分析發(fā)現(xiàn)，鍍層幾乎全部由α-Fe(Zn)組成，僅在表面存在很少量的Γ相，鍍層厚度在12 μm左右。故在預(yù)合金化溫度為550 ℃時，預(yù)合金化時間為30 min效果最好。

圖9 不同預(yù)合金化時間+奧氏體化后元素分布圖Fig.9 Element distribution after austenitizing under different pre-heating time

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

1)隨著加熱溫度的提高，鍍層組成由最初ζ相、δ相、Γ1相和Г相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐鸳は酁橹鳎儗雍穸认葴p少后增加。

2)隨著預(yù)合金化處理時間的延長，鍍層中的Zn含量逐漸減少至70%左右，F(xiàn)e含量持續(xù)增加，在預(yù)合金化時間為30 min時，鍍層中Γ1相和Г相成分增多。

3)經(jīng)過預(yù)合金化處理的鍍層在均勻奧氏體化之后，最終厚度在12 μm左右，鍍層中Fe含量可達到88%左右，Zn含量可達到8%左右，鍍層幾乎全部為α-Fe(Zn)，只在表面存在少量Γ相，鍍層比較平整，無明顯裂紋。

4)預(yù)合金化工藝為550 ℃保溫30 min、奧氏體化工藝為920 ℃保溫4 min時能得到質(zhì)量較好的鍍層，在熱沖壓成形時能有效避免液態(tài)Zn導(dǎo)致的LMIE裂紋。

5)本文僅進行了3組試驗，按照趨勢對于更高溫度、更長保溫時間是否有更好的效果有待討論。

3.2 展望

1)目前中國正處于大發(fā)展時期，對于高強度鋼板的需求特別迫切，同時生產(chǎn)設(shè)備水平和產(chǎn)品質(zhì)量也不斷提高。從熱鍍鋅鋼板的發(fā)展趨勢看，良好的附著性、耐蝕性強、成本低、良好的成型性、無污染的合金系列將是熱鍍鋅合金的主要發(fā)展方向。

2)但鋼預(yù)合金化熱鍍鋅的理論研究明顯滯后于生產(chǎn)實踐，導(dǎo)致人們對于合金層形成機理等問題認識不足。因此，開展基礎(chǔ)研究，建立鍍層生長模型，精確控制生產(chǎn)參數(shù)以獲得性能優(yōu)異的鍍層結(jié)構(gòu)，將成為今后幾年該領(lǐng)域的研究重點。

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Influence of pre-alloying process on microstructure and components of 22MnB5 hot stamping steel coating

ZHANG Qiang1, 2， LIU Jiapeng1,2， QIU Xiaopan1,2， YU Nianlun1,2， SUN Shiqing1,2

(1.School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 2.Hebei Key Laboratory of Material Near-Net Forming Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

Using coating on the hot forming steel can effectively avoid the surface defects such as surface oxidation and decarburization in the thermoforming process, and make the workpiece have a certain degree of corrosion resistance after molding. This paper studies the effect of the variation of microstructure and heat treatment process in the heating process of 22MnB5 hot forming steel with Zn plating layer on coating microstructure and properties. The microstructure and morphology of 22MnB5 with zinc based coatings by different pre-alloying and austenitizing technology are analyzed by SEM, EDS, and glow spectrum analyzer. The results show that under the same pre-alloying time, with the temperature improved, the coating's phases change from ζ phase, δ phase, Γ1phase and Γ phase to mainly Γ phase; under the same temperature, as the pre-alloying process time goes by, the contents of Fe gradually increases but Zn decreases, finally the Fe content could reach 88%, and Zn reaches 8% in the coating; the coating is almost all α-Fe (Zn) with only a small amount of Γ phase on the surface, and the thickness of the coating is about 12 μm; high quality coatings could be obtained under the pre-alloying process of heating at 550 ℃ for 30 min and austenitizing at 920 ℃ for 4 min. The result provides important reference for developing new hot forming steel coating.

phase diagram and phase transformation; hot forming steel; pre-alloying; Zinc-based coating; Zn-Fe phase; Г phase

1008-1542(2017)03-0291-07

10.7535/hbkd.2017yx03012

2017-03-24；

2017-04-27；責(zé)任編輯：陳書欣

河北省自然科學(xué)基金(E20142081149)

張 強(1993-)，男，河北張家口人，碩士研究生，主要從事鋼鐵材料表面工程方面的研究。

孫世清教授。E-mail:hbkdssq@163.com

TG174.44

A

張 強，劉家鵬，邱肖盼，等.預(yù)合金化處理對22MnB5熱成型鋼鍍層組織成分的影響[J].河北科技大學(xué)學(xué)報,2017,38(3):291-297. ZHANG Qiang，LIU Jiapeng，QIU Xiaopan,et al.Influence of pre-alloying process on microstructure and components of 22MnB5 hot stamping steel coating[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(3):291-297.