稀土元素鑭對鋁硅鍍層組織結(jié)構(gòu)的影響

周世龍,晉家春,李子濤,王 蕾

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000)

近年來，汽車工業(yè)由于節(jié)能減排及安全性能要求的日益嚴(yán)格，熱成形鋼成為眾多汽車廠商的選擇[1]。常規(guī)的熱成形工藝包括加熱奧氏體化處理、加熱爐轉(zhuǎn)移至壓機、熱成形、淬火[2]。起初開發(fā)的熱成形鋼在高溫下暴露在空氣中，造成鋼板表面氧化、脫碳[3]。鋁硅鍍層熱成形鋼加熱過程中由于鋁硅鍍層的保護避免了加熱、轉(zhuǎn)移過程中鋼基體的氧化、脫碳。

典型鋁硅成分為Al-10%Si，已成熟商業(yè)化應(yīng)用，但仍存在鍍層組織脆性大沖壓過程易形成裂紋、磷化效果不佳等問題，這與鋁硅鍍層組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此很有必要開展不同鋁硅成分對鍍層組織結(jié)構(gòu)的影響研究。

1 試驗材料與方法

試驗所用材料為22MnB5酸軋基料，化學(xué)成分見表1。

表1 原材料化學(xué)成分(wt%)

熱浸鍍模擬試驗機型號CAG-III，工藝參數(shù)控制見表2，浸鍍后未開氣刀。

合金鍍液配制：采用采用Al-12%Si純鋁粒、純鑭粒配制如下成分合金液見表3。

表2 熱浸鍍工藝參數(shù)

表3 鍍液實際成分(wt%)

使用掃描電子顯微鏡、能譜分析儀、輝光放電光譜儀對鍍層表面、截面組織、成分分布進行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層表面組織

圖1中a、b、c分別為鍍液中無La、0.07%La、0.76%La鍍層表面形貌，表4為相應(yīng)的鍍層表面組織成分分析結(jié)果。

發(fā)現(xiàn)：(1)鍍液中無La、0.07%La、0.76%La鍍層表面形貌、成分相似，主要由Al+Si組成，并分布著一定量的長條狀τ6(FeSiAl4)相；(2)當(dāng)鍍液中La含量較少時(0.07%)，鍍層表面無La的富集，當(dāng)鍍液中La含量較多時(0.76%)，鍍層表面La富集明顯，Al+Si、τ6相中皆有La的富集；(3)隨著鍍液中La含量的增多，鍍層表面愈加粗糙。

2.2 鍍層截面組織

圖2中a、b、c分別為鍍液中無La、0.07%La、0.76%La鍍層截面形貌，表5為相應(yīng)的鍍層截面組織成分分析結(jié)果。

圖1 鍍層表面形貌(a、b、c分別為無La、0.07%La、0.76%La)

圖2 鍍層截面形貌(a、b、c分別為無La、0.07%La、0.76%La)

表5 鍍層截面組織成分(wt%)

發(fā)現(xiàn)：(1)三種成分鍍層結(jié)構(gòu)相同，皆由靠近基體的τ5(Fe2SiAl7)相和表層的Al+Si組成(一般τ5與基體中間存在Fe2Al5/FeAl3層，厚度小于1 μm)，表層中分布少量的塊狀τ5相、長條狀τ6相；(2)0.07%La 試樣中無La的富集，0.76%La試樣中表層存在少量的富La相；(3)三種成分τ5層約5 μm左右。

2.3 結(jié)果討論

鋁硅鍍層熱浸鍍過程中，組織形成一般經(jīng)歷以下三個階段[4]，見圖3(Fe-Al-Si三元相圖)：(1)第一階段：熱浸鍍開始階段，在88%Al、3%Fe、9%Si的成分和675 ℃的熱浸鍍溫度下，三元相圖中液相和τ6(Al4-9Fe1-4Si1-4)相維持平衡；(2)第二階段：熱浸鍍過程中，隨著基體中的Fe擴散，靠近基體富Fe液相中生成三元合金相τ5相(Al12-15Fe3-6Si2-5)，但τ5相不能和鐵素體基體保持平衡，在基體和τ5相相之間形成Fe2Al5和FeAl3薄層以維持熱力學(xué)平衡；(3)第三階段：熱浸鍍結(jié)束，冷卻過程中，液相中開始出現(xiàn)針狀τ6相析出和伴隨著Al晶粒的形核長大，在577 ℃時，液體達到共晶成分(87.02%Al、12.2%Si、0.78%Fe)，發(fā)生反應(yīng)L→Al+Si+τ6。

圖3 Fe-Al-Si三元相圖

鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，稀土La為密排六方結(jié)構(gòu)，故稀土La在鋁合金中固溶度較小，一般在0.1%-0.3%，當(dāng)La含量較高(0.76%)時，La與合金元素形成化合物(τ6)。另外，在凝固過程中，La聚集在固-液界面前沿，最終富集在鍍層表面。當(dāng)La含量較高(0.76%)時，鍍層表面形成大量的富含La的粗大化合物τ6，凝固過程中阻礙鋁液流動，鍍層表面變得粗糙。粗糙度測量結(jié)果表明，La含量較高(0.76%)鍍層表面粗糙度(Ra平均約1.2)較無La(Ra平均約1.1)提高約10%。

由于鋁硅鍍層熱成形鋼零部件在經(jīng)過裝車涂裝時，不能在電泳涂漆之前形成質(zhì)量好的磷化膜，為保證電泳涂漆的粘附性和耐蝕性，鋁硅鍍層熱成形鋼表面需保證一定的粗糙度，而添加一定含量的La有利于鍍層的粗糙化，有望改善鋁硅鍍層熱成形鋼的磷化、電泳涂漆效果，使其具有更為優(yōu)良的涂裝防腐性能。

3 結(jié)論

Al-10Si鍍層中添加稀土元素La對鍍層組織結(jié)構(gòu)影響不大，但鑭有表面富集傾向；隨著鍍液中La含量的增多，鍍層表面愈加粗糙。