IF鋼合金化鍍鋅板鍍層相結(jié)構(gòu)研究

周元貴 白會(huì)平

(武漢鋼鐵有限公司技術(shù)中心 檢測(cè)所 湖北 武漢：430080)

IF鋼合金化鍍鋅板鍍層相結(jié)構(gòu)研究

周元貴 白會(huì)平

(武漢鋼鐵有限公司技術(shù)中心 檢測(cè)所 湖北 武漢：430080)

采用掃描電鏡(SEM)、聚焦離子束(FIB)、透射電鏡(TEM)及彎曲試驗(yàn)研究了工業(yè)大生產(chǎn)條件下兩種加熱爐功率生產(chǎn)的IF鋼合金化鍍鋅板(GA)鍍層微觀組織和相結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明兩種GA板鍍層表面均由致密的δ相和柱狀ζ相組成；當(dāng)合金化爐的功率由464kW提高到672kW時(shí)，鍍層表面δ相含量由1.14%提高到19.44%，鍍層厚度保持不變；GA板鍍層均由Г相、δ相和ζ相組成，靠近基板區(qū)域主要為Г相，鍍層中心區(qū)域主要為δ相，鍍層近表面主要為ζ相。

合金化鍍鋅板；聚焦離子束；相結(jié)構(gòu)；IF鋼

合金化鍍鋅板(Galvannealed steel sheet，簡(jiǎn)稱GA板)是在傳統(tǒng)熱鍍鋅生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，在鋼帶出鋅鍋后增加合金化退火工藝，從而得到具有不同F(xiàn)e-Zn合金相結(jié)構(gòu)的鍍層鋼板，鍍層中含有不同的金屬間化合物，從鋼基體到鍍層表面主要包括Г(Fe3Zn10)，Г1 (FeZn4)，δ1k(FeZn7)，δ1p(FeZn10) 和 ζ(FeZn13)[1-4]。與普通鍍鋅板相比，合金化鍍鋅板具有良好的耐腐蝕性、涂裝性和焊接性。但在沖壓成形過(guò)程中合金化鍍層會(huì)出現(xiàn)粉化、剝落等現(xiàn)象，研究表明，鍍層的破壞形式與鍍層形貌及相結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[5-6]。本文以工業(yè)大生產(chǎn)條件下的合金化鍍鋅板為研究對(duì)象，通過(guò)掃描電鏡、聚焦離子束、透射電鏡等方法分析比較兩種合金化鍍層的形貌和相結(jié)構(gòu)，對(duì)合金化鍍鋅板的生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所采用的材料為某鋼廠生產(chǎn)的IF鋼合金化鍍鋅板，兩種鍍鋅板基板相同，化學(xué)成分如表1所示，牌號(hào)和工藝參數(shù)見(jiàn)表1所示，二者僅合金化加熱爐功率不同，分別編號(hào)為A和B。合金化加熱爐功率指的是合金化爐中感應(yīng)加熱爐的輸入功率，增大合金化功率會(huì)使帶鋼在合金化過(guò)程中溫度升高。

表1 基板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 合金化熱鍍鋅工藝參數(shù)

采用掃描電鏡觀察鍍層表面及截面形貌，用網(wǎng)格法對(duì)表面相組成進(jìn)行定量分析；由于鍍鋅層厚度不足10μm，而且容易剝落粉化，傳統(tǒng)的透射電鏡薄膜制備方法很難制備出合格的鍍鋅層樣品，利用聚焦離子束可以制備出完整的鍍層薄膜試樣[7]，用透射電鏡觀察，進(jìn)行能譜定量分析和選區(qū)電子衍射分析，確定鍍層相結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 鍍層表面及截面組織結(jié)果及分析

用掃描電鏡觀察鍍層表面形貌，結(jié)果見(jiàn)圖1。A和B樣品鍍層表面形貌類似，均由粒狀且致密的δ相和柱狀的ζ相組成，樣品A表面ζ相較樣品B多，而樣品B表面δ相較樣品A多。每個(gè)樣品選取9個(gè)視場(chǎng)采用網(wǎng)格法對(duì)兩相組分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2。A和B樣品鍍層表面δ相含量分別為1.14%和19.44%。浸蝕后用掃描電鏡觀察鍍層截面形貌，見(jiàn)圖3。兩件樣品鍍層厚度差別不大，A樣品鍍層近表面部分區(qū)域呈枝晶狀，即典型的ζ相形貌特征，B樣品形貌特征不明顯。對(duì)樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，對(duì)拉伸試樣的鍍層斷面進(jìn)行觀察(見(jiàn)圖4)，可以很明顯地觀察到A樣品表面分布大量疏松的柱狀ζ相，而B樣品表面更致密，ζ相分布較A樣品少。結(jié)合兩種樣品的生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，兩者的差別僅僅是加熱爐功率的不同，加熱爐功率的提高使得合金化溫度升高，這意味著適當(dāng)提高的合金化溫度有利于形成更多的δ相，而鍍層厚度不變。

圖1 鍍層表面形貌

圖2 表面相組成定量結(jié)果

圖3 鍍層截面形貌

圖4 鍍層斷面形貌

2.2 鍍層聚焦離子束制樣和透射電鏡分析結(jié)果

聚焦離子束制備合金化鍍鋅板鍍層的薄膜樣品的整個(gè)過(guò)程如圖5所示。如圖5(a)所示首先選擇一塊感興趣的區(qū)域，盡可能的選擇表面平坦的區(qū)域，然后鍍上長(zhǎng)條形的Pt層，為了在后續(xù)的離子束加工過(guò)程中起到保護(hù)樣品的作用。然后在Pt層上下兩側(cè)進(jìn)行離子束切割并進(jìn)行精修，使得樣品表面盡量平整，切割完后如圖5(b)和圖5(c)所示。用Pt將針與樣品進(jìn)行焊合，然后用離子束把樣品從基體中分離下來(lái)，如圖5(d)。把取下的樣品焊合到銅網(wǎng)上，見(jiàn)圖5(e)。經(jīng)過(guò)一系列的精修減薄之后，最終樣品厚度在100nm以下，薄區(qū)較好且鍍層完整，適合進(jìn)行下一步的TEM分析，見(jiàn)圖5(f)。

圖5 FIB制備鍍層透射電鏡薄膜樣品的步驟

將制備好的透射樣品進(jìn)行圖像觀察和能譜分析。選取鍍層三個(gè)區(qū)域進(jìn)行選區(qū)電子衍射分析，這三個(gè)區(qū)域分布是靠近基體區(qū)域，鍍層中間區(qū)域，鍍層近表面區(qū)域，衍射花樣和標(biāo)定的結(jié)果見(jiàn)圖6所示。三個(gè)區(qū)域的相結(jié)構(gòu)分別是Fe11.68Zn39即Г相，F(xiàn)eZn10即δ相，F(xiàn)eZn13即ζ相。其中鍍層近表面區(qū)域衍射花樣含有多套衍射斑點(diǎn)，僅對(duì)尺寸最大分辨率最高的斑點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。

圖7和圖8為樣品的掃描透射(STEM)明場(chǎng)像以及元素的能譜線分析、點(diǎn)分析圖。從圖7及圖8中可以看出，從基體到鍍層表面，F(xiàn)e元素含量逐漸降低，對(duì)應(yīng)的Zn元素含量升高。A樣品的Zn和Fe元素含量的比值在同等截面位置上始終大于B樣品。在靠近基體部位，鍍層中間部位和鍍層近表面部位這三個(gè)部位進(jìn)行能譜分析，A樣品鍍層的Zn和Fe元素含量比分別為1.5，5.5和9，B樣品為1.25，1.5和6。根據(jù)Zn-Fe合金相的成分特征，表明A樣品鍍層中含有更多的Zn/Fe含量比較高的ζ相。這與表面觀察結(jié)果一致，說(shuō)明隨著合金化功率增加，合金化溫度提高，基體中Fe元素與鍍層中Zn元素的相互滲透加劇，導(dǎo)致鍍層中富Fe相增多，富Zn相減少，即δ相增多，ζ相減少。鍍層相的形成過(guò)程比較復(fù)雜，影響因素較多，合金化溫度不同，相變規(guī)律不同，同時(shí)鍍層的相變規(guī)律也和基體的材質(zhì)有關(guān)。一般認(rèn)為在合金化過(guò)程中，首先析出的δ1相與液態(tài)Zn反應(yīng)，生成帶ζ相的爆發(fā)組織，隨著鍍層Fe含量的穩(wěn)步上升，δ相消耗ζ相而長(zhǎng)大，直至ζ相被全部消耗[9]。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)用鋼而言，當(dāng)合金化爐功率從464kW提高到672kW過(guò)程中，F(xiàn)e元素的擴(kuò)散加劇，δ相消耗ζ相而長(zhǎng)大，ζ相減少，鍍層厚度保持不變。

圖6 透射電鏡衍射花樣和標(biāo)定結(jié)果

圖7 A樣品的STEM明場(chǎng)像以及能譜線分析和點(diǎn)分析結(jié)果(體積分?jǐn)?shù)，at%)

圖8 B樣品的STEM明場(chǎng)像以及能譜線分析和點(diǎn)分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1)IF鋼合金化鍍鋅板表面由致密的δ相和柱狀ζ相組成，合金化加熱爐功率為464kW時(shí)，鍍層表面δ相含量?jī)H為1.14%，當(dāng)加熱爐功率提高到672kW時(shí)，鍍層表面的δ相含量提高到19.44%，提高合金化爐功率有利于鍍層表面形成更多的δ相，同時(shí)鍍層厚度保持不變。

(2)IF鋼合金化鍍鋅板鍍層由Г相、δ相和ζ相組成?？拷鍏^(qū)域主要為Г相，鍍層中心區(qū)域主要為δ相，鍍層近表面主要為ζ相。

[1] Marder, A. R., The metallurgy of zinc-coated steel [J], Progress in Materials Science. 45 (2000), pp. 191-271.

[2] Faderl, J. et al., Continuous galvanizing meets press-hardening [C], in Proc. of the 8th Int. Conf. on Zinc and Zinc Alloy Coated Steel Sheet, Genova, Italy (2011). GALVATECH 2011.

[3] S. Wienstr?er, Zinc/iron phase transformation studies on galvannealed steel coatings by X-ray diffraction [J], International Centre for Diffraction Data 2003, Advances in X-ray Analysis, Volume 46(2003):291-296.

[4] Yoshinari NUNOMURA and Takayuki TAKASUGI, Plastic Deformation and Fracture Behavior of Galvannealed Coating[J], ISIJ international 43(2003):454-460.

[5] L.G. Garza and C.J.Van Tyne, Friction and formability of galvannealed interstitial free sheet steel[J], Journals of Materials Processing Technology,187-188(2007):164-168.

[6] C. S. Lin. M. Meshii and C. C. Cheng, Phase evolution in galvanneal coatings on Steel Sheets[J], ISIJ international,35(1995):503-511.

[7] Q. Chao et.al, Enhanced mechanical response of an ultrafine grained Ti-6Al-4V alloy produced through warm symmetric and asymmetric rolling[J], Materials Science & Engineering, A 650 (2016):404-413.

[8] 張彥文，韓榮東，陳宇.運(yùn)用圖像法測(cè)定合金化鍍鋅板鍍層抗粉化性能[J].材料科學(xué)，2013,3:108-111.

[9] Jordan C E, Goggins K M, Marder A R. Interfacial layer development in hot-dip galvanneal coatings on Interstitial Free (IF) steel [J]. Metall&Mater Trans,1994,25A(10):2101-2109.

ResearchonPhaseMicrostructureandPowdering-resistanceofHot-dipGalvannealedSteelSheets

Zhou Yuangui Bai Huiping

(R&D Center of Wuhan Iron &Steel Co., Ltd., Wuhan 430080, Hubei)

The microstructure, phase morphology and powdering performance of two kinds of industrially produced hot-dip galvannealed (GA) coatings on interstitial free (IF) steels were investigated by means of SEM，F(xiàn)IB，TEM and 180 degree bending test. The results show that, the content of δ phase is increasing from 1.14% to 19.44% as the power of furnace is enhanced from 464kW to 672kW and the thickness is not change. There are Г phase、δ phase and ζ phase in both two GA coatings. Г phase mainly exists in the area near the matrix, δ phase mainly exists in the center of the coating, and ζ phase mainly exists near the surface.

hot-dip galvannealed coating; FIB; phase constitution; IF steel

TG142.1+5

A

1671-3524(2017)03-0005-04

2017-05-22

2017-08-20

周元貴(1980～)，女，博士，工程師.E-mail：softrain1980@163.com

(責(zé)任編輯：李文英)