加熱工藝對(duì)鋅鐵合金熱成形鋼鍍層組織的影響

陳 樂(lè)，晉家春，周世龍，崔 磊

(1.馬鋼股份公司營(yíng)銷中心；2.馬鋼股份技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000)

為防止零件腐蝕及熱沖壓過(guò)程中的高溫氧化，鋁硅鍍層( Al-Si)產(chǎn)品被開(kāi)發(fā)并廣泛商業(yè)化應(yīng)用于熱成形鋼板，純鋅鍍層(GI)、鋅鐵合金化鍍層(GA)產(chǎn)品也被相繼使用。鋅基鍍層鋼板具備鋁硅鍍層鋼板所不具備的陰極保護(hù)作用和切口防護(hù)性能，成為目前研究的熱點(diǎn)，但由于鍍層熔點(diǎn)低，在熱成形過(guò)程中液態(tài)金屬易引起鋼鐵基體產(chǎn)生脆斷的裂紋，限制了其在汽車上的應(yīng)用。為減少液致裂紋脆性，可通過(guò)控制熱沖壓前的加熱過(guò)程，使鍍層中僅含有固態(tài)的α-Fe(Zn)相，或者使液態(tài)鋅或鋅鐵合金相分布于鍍層的最表層，使液態(tài)鋅遠(yuǎn)離基板，在782℃以下的溫度下進(jìn)行零件的熱沖壓成形。在奧鋼聯(lián)預(yù)冷工藝提出前，多采用第一種思路，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了大量的相關(guān)工藝，如加熱速率、預(yù)合金化工藝對(duì)鍍層組織轉(zhuǎn)變規(guī)律研究，并獲得了組織良好的鍍層。帶預(yù)冷工藝條件下，熱成形加熱溫度、保溫時(shí)間對(duì)鍍層組織影響的研究相對(duì)較少。熱成形后的鍍層組織，當(dāng)中的Γ相具備陰極保護(hù)作用，對(duì)產(chǎn)品的耐蝕性能有較大影響，對(duì)研究鋅基鍍層熱成形鋼加熱工藝窗口十分必要，本文重點(diǎn)研究了在當(dāng)前傳統(tǒng)箱式爐加熱工藝下鋅鐵合金熱成形鋼鍍層組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的材料，為某鋼廠生產(chǎn)的基板厚度1.5 mm、雙面鍍層重量140 g/m的鋅鐵合金鍍層熱成形鋼鋼板，基板各化學(xué)元素的含量見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分(wt%)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

將鋅鐵合金熱成形鋼卷落料，于國(guó)內(nèi)某公司Sigma-I熱成形自動(dòng)化生產(chǎn)線，用于某車型A柱零件沖壓。該產(chǎn)線加熱設(shè)備為箱式電阻爐，為研究加熱爐加熱溫度對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)的影響，選擇相同的加熱時(shí)間300 s，加熱溫度分別為860 ℃、880 ℃、890 ℃；研究加熱時(shí)間對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)的影響，選擇相同的加熱溫度890 ℃，加熱時(shí)間分別為180 s、240 s、300 s、360 s。不同加熱工藝下的板料出爐后，采取適當(dāng)?shù)姆绞绞逛\層快冷凝固后于壓機(jī)下進(jìn)行沖壓，關(guān)鍵的沖壓工藝參數(shù)分別為：壓機(jī)壓力800 T，保壓時(shí)間25 s，模具冷卻水溫度40 ℃，無(wú)氣體保護(hù)。

每種工藝下的零件，于相同的部位(見(jiàn)圖1中零件彎曲處側(cè)壁)，截取25 mm*25 mm大小的試樣，鑲嵌后打磨拋光。拋光后采用4%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，采用XL30掃描電鏡對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，應(yīng)用DX4i能譜儀對(duì)鍍層化學(xué)成分進(jìn)行分析，使用PS軟件對(duì)鍍層形貌進(jìn)行分析以計(jì)算Γ相比例。

圖1 零件及取樣部位

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 初始鍍層結(jié)構(gòu)及形貌特征

圖2為熱沖壓前的鍍層形貌，表1為鍍層中各部位主要成分及相組成。熱成形前鍍層主要由表層的δ相和靠近基板的Γ相組成，鍍層整體厚度約為13 μm，其中Γ相厚度約為1.2 μm。

圖2 原始鍍層組織

表2 各點(diǎn)成分及EDS分析結(jié)果

2.2 加熱后的鍍層組織及形貌特征

圖3、圖4為鋅鐵合金熱成形鋼板料經(jīng)不同加熱溫度、加熱時(shí)間加熱、淬火后，零件上鍍層經(jīng)硝酸酒精腐蝕后的SEM形貌。本文中的鋅層經(jīng)過(guò)快冷后，在液態(tài)鋅的凝固點(diǎn)下成形，所得零件中的鍍層均無(wú)擴(kuò)展至基板的裂紋。根據(jù)Fe-Zn二元合金相圖，在高溫加熱下，鐵和鋅不斷相互擴(kuò)散，隨著溫度升高，鍍層中先后形成了ζ相、δ相、Γ1相、Γ相和α-Fe(Zn)相，同時(shí)在782 ℃時(shí)存在Γ-FeZn=α-Fe(Zn)+Zn(Fe)共析反應(yīng)。Γ相中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.5%～28.0%，α-Fe(Zn)中鋅的最大固溶量為45.4%。當(dāng)鍍層加熱到800℃-900 ℃后，表層主要為Г相、界面處為α-Fe(Zn)相，熱沖壓轉(zhuǎn)移和沖壓時(shí)，鍍層中相應(yīng)的液相轉(zhuǎn)變成Г相，成形淬硬后鍍層主要為α-Fe(Zn)相和Г相。鋅基鍍層熱成形鋼產(chǎn)品熱沖壓后，鍍層中的Γ相電極電位更低，具備犧牲陰極保護(hù)作用，在硝酸酒精的作用下，Γ相將優(yōu)先腐蝕，從而與α-Fe(Zn)相區(qū)分開(kāi)來(lái)。SEM低倍形貌下基板與鍍層的界面清晰可見(jiàn)，進(jìn)一步放大鍍層形貌后，腐蝕形貌清晰可見(jiàn)。表3為被腐蝕后的鍍層不同部位對(duì)應(yīng)的成分及主相分析結(jié)果，鍍層中被腐蝕的部位對(duì)應(yīng)Γ相，采用PS對(duì)被腐蝕部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析所計(jì)算出鍍層中Γ相的比例，圖5為根據(jù)鍍層形貌所確認(rèn)的不同溫度、時(shí)間下的鍍層厚度、Γ相比例。隨著加熱溫度、保溫時(shí)間的升高，鍍層的厚度提高，Γ相比例下降，當(dāng)加熱溫度為890 ℃、加熱時(shí)間達(dá)到360 s時(shí)，此時(shí)鍍層中的Γ相基本消失。

圖3 加熱時(shí)間300 s時(shí)不同加熱溫度下的鍍層組織(圖a1-c1對(duì)應(yīng)的加熱溫度依次為860 ℃、880 ℃、890 ℃，圖a2-c2為相應(yīng)的放大形貌)

圖4 加熱溫度為890 ℃時(shí)不同加熱時(shí)間下的鍍層組織(圖a1-d1對(duì)應(yīng)的加熱溫度依次為180 s、240 s、300 s、360 s，圖a2-d2為相應(yīng)的放大形貌)

圖5 鍍層組織隨加熱工藝的變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)

表3 各點(diǎn)成分及EDS分析結(jié)果

2.3 討論

圖6為典型的鋅基鍍層熱成形鋼產(chǎn)品工藝窗口。鋅鍍層高溫下氧化劇烈，加熱溫度不宜超過(guò)890 ℃，過(guò)低基板將不能完全奧氏體化，加熱溫度不能低于860 ℃，故本文選擇該加熱溫度區(qū)間，所得的零件形貌見(jiàn)圖1，零件表面質(zhì)量均良好。關(guān)于加熱時(shí)間，過(guò)短基板可能未完全奧氏體化，并存在液致裂紋和微裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，過(guò)長(zhǎng)則鍍層中Γ相消失，不具備陰極保護(hù)作用，耐蝕性能下降。海斯坦普在傳統(tǒng)熱沖壓線基礎(chǔ)上，通過(guò)一定的方式使鋅層快冷凝固后于壓機(jī)下進(jìn)行沖壓，使鍍層中的液相在成形前完全凝固，所得的鍍層無(wú)擴(kuò)散至基板的裂紋，本文通過(guò)該方法，獲得的鍍層良好、無(wú)擴(kuò)散至基板的裂紋。因此，影響鋅基鍍層熱成形鋼產(chǎn)品加熱時(shí)間的主要因素為基板未完全奧氏體化和鍍層耐蝕性不足。為保證基板完全奧氏體化，加熱溫度不宜低于180 s。高溫?zé)岢尚?，能夠有效的縮短加熱時(shí)間，提高熱沖壓效率。本文研究了在860 ℃至890 ℃加熱溫度范圍內(nèi)，鍍層組織的變化，尤其是890 ℃加熱時(shí)隨加熱時(shí)間的變化。在加熱時(shí)間為180 s時(shí)，鍍層中有較多的Γ相，Γ相比例約為40%，隨著加熱時(shí)間的提高，Γ相降低，當(dāng)加熱時(shí)間提高至360 s時(shí)，Γ相基本消失，此時(shí)鍍層將不具備陰極保護(hù)作用，因此鋅基鍍層熱成形鋼產(chǎn)品，加熱時(shí)間不宜超過(guò)360 s。

圖6 鋅基鍍層熱成形鋼工藝窗口[9]

3 結(jié)論

在890 ℃的溫度下加熱，加熱后快冷使鍍層于凝固點(diǎn)下沖壓成形，可獲得表面質(zhì)量良好、無(wú)擴(kuò)散至基板裂紋的鍍層。

隨著加熱溫度的提高、加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，鋅鍍層逐漸增厚，鍍層中的α-Fe(Zn)相增多，Γ相比例減少。為保證鋅鐵合金熱成形鋼產(chǎn)品完全奧氏體化，加熱時(shí)間不宜低于180 s，此時(shí)鍍層中的Γ相比例最高，約為40%；為保證鋅鐵合金熱成形鋼產(chǎn)品沖壓后鍍層具有陰極保護(hù)作用、保留一定的Γ相，加熱時(shí)間不宜超過(guò)360 s。