Si含量對鋁硅鍍層熱成形前后鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌的影響研究

周世龍,鄧宗吉,陳 樂

(馬鋼股份公司技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000)

隨著汽車行業(yè)對減重、降低能耗、提高安全性能的要求日益提升，熱成形鋼及熱沖壓技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用。而鋁硅鍍層熱成形鋼由于熱沖壓過程中無氧化鐵皮，同時可以提升熱成形零件的耐蝕性能，因此鋁硅鍍層熱成形鋼應(yīng)用較為廣泛。阿賽洛-米塔爾專利技術(shù)的鋁硅鍍層最為成熟，其性能已得到充分的應(yīng)用驗證，成分為8%-11%Si、2%-4%Fe、余量為鋁，典型成分為Al-9.3%Si-2.8%Fe。

鋁硅鍍層中添加Si元素主要目的是降低合金相厚度，從而提高鍍層的成形性能。一般情況下，鋁液中添加5%的Si，即可使合金相的厚度降低70%以上。鋁液中添加不同含量的Si可能對鋁硅鍍層熱成形前后鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌產(chǎn)生影響，從而影響最終產(chǎn)品性能，因此很有必要開展Si含量對鋁硅鍍層熱成形前后鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌的影響研究。

1 試驗材料與方法

試驗所用材料為鍍鋁硅生產(chǎn)線生產(chǎn)的不同Si含量的鋁硅鍍層鋼板，鋼板厚度1.4 mm，基板化學(xué)成分見表1，鋁硅鍍液成分見表2，鍍層重量見表3。本工作采用兩種Si含量鍍液，分別為Al-6%Si與Al-10Si，采用常規(guī)鍍層重量雙面150 g/m。

表1 原材料化學(xué)成分(wt%)

表2 鍍液實際成分(wt%)

表3 雙面鍍層重量(g/m2)

試樣加工尺寸為1.4 mm*100 mm*150 mm，使用箱式電阻爐和平板淬火壓力機對試樣進行加熱、淬火，加熱溫度900 ℃，加熱時間4 min，冷卻速率>30 ℃/s。

使用掃描電子顯微鏡、能譜分析儀對鋁硅鍍層熱成形前后鍍層結(jié)構(gòu)、成分與表面形貌進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱成形前鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌

圖1為Al-6%Si加熱前鋁硅鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌，圖2為Al-10%Si加熱前鋁硅鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌，表4、表5為相應(yīng)的鍍層成分分析結(jié)果。

圖1 Al-6%Si熱成形前鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌

表4 Al-6%Si熱成形前鍍層成分分析結(jié)果(wt%)

圖2 Al-10%Si熱成形前鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌

表5 Al-10%Si熱成形前鍍層成分分析結(jié)果(wt%)

發(fā)現(xiàn)：不同Si含量對鋁硅鍍層熱成形前的鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌影響不大，熱成形前皆由內(nèi)外兩層構(gòu)成，外層為含有一定固溶Si的純Al層并夾雜有少量的柱狀的τ相FeSi2Al，內(nèi)層為Fe-Al-Si三元相τ相FeSiAl，其厚度隨Si含量的變化不大，約5 μm。

2.2 熱成形后鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌

圖3為Al-6%Si加熱后鋁硅鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌，圖4為Al-10%Si加熱后鋁硅鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌，表6、表7為相應(yīng)的鍍層成分分析結(jié)果。

發(fā)現(xiàn)：不同Si含量明顯影響鋁硅鍍層熱成形后的鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌。常規(guī)鍍層成分Al-10%Si加熱后鍍層結(jié)構(gòu)由基體至表面分別為擴散層(Fe+FeAl)、Fe-Al層、Fe-Al-Si層(連續(xù))、Fe-Al層(FeAl或FeAl)，一般情況下，F(xiàn)e-Al層為FeAl或FeAl。但是，當(dāng)Si含量為6%時，加熱后鍍層中Fe-Al-Si相在Fe-Al層中呈不連續(xù)分布，并且鍍層中孔洞數(shù)量與尺寸明顯高于Al-10%Si。另外，Al-10%Si加熱后鍍層表面較Al-6%Si更為粗糙。

圖3 Al-6%Si熱成形后鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌

表6 Al-6%Si熱成形后鍍層成分分析結(jié)果(wt%)

圖4 Al-10%Si熱成形后鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌

表7 Al-10%Si熱成形后鍍層成分分析結(jié)果(wt%)

2.3 結(jié)果討論

鋁硅鍍層中添加Si元素主要目的是降低合金相厚度，從而提高鍍層的成形性能。一般情況下，鋁硅鍍層熱成形前鍍層結(jié)構(gòu)由基體至表面分別為τ相(合金相)和表層的Al+Si組成(一般τ與基體中間存在FeAl/FeAl層，厚度小于1 μm)，表層及鍍層中分布一定數(shù)量的長條狀τ相。本工作中當(dāng)Si含量大于等于6%，合金相厚度降低不明顯，6%Si與10%Si合金相厚度約5 μm。

一般情況下，鋁硅鍍層熱成形后鍍層結(jié)構(gòu)由基體至表面分別為擴散層、Fe-Al層、Fe-Al-Si層、Fe-Al層的四層結(jié)構(gòu)。當(dāng)Si含量為10%時，鍍層為較完整的四層結(jié)構(gòu)，但當(dāng)Si含量較低6%時，F(xiàn)e-Al-Si層呈不連續(xù)分布，這可能與鍍層中Si含量較低，不能形成較多的Fe-Al-Si相有關(guān)。另外，但當(dāng)Si含量較低6%時，鍍層中孔洞數(shù)量、尺寸明顯增加，這可能與加熱過程中的擴散有關(guān)，鍍層中的Si可降低加熱過程中Fe-Al的相互擴散速率，當(dāng)Si含量較低時，F(xiàn)e-Al的相互擴散速率較大，柯肯達爾效應(yīng)較強，造成鍍層中孔洞數(shù)量、尺寸增加。此外，對于熱成形后鍍層表面粗糙度程度，6%Si低于10%Si，這可能與Si含量較低，鍍層熔點較高，鍍層不能充分液化流動并粗糙化有關(guān)。

鋁硅鍍層熱成形后的鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌對最終產(chǎn)品的性能有著至關(guān)重要的作用，為保證良好的焊接、涂裝性能，熱成形后的鍍層結(jié)構(gòu)要求完整、連續(xù)、較少的孔洞且鍍層表面要求較為粗糙。對于上述要求，10%Si明顯優(yōu)于6%Si。

3 結(jié)論

不同Si含量對鋁硅鍍層熱成形前的鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌影響不大，鍍層由內(nèi)外兩層構(gòu)成，外層為含有一定固溶Si的純Al層并夾雜有少量的柱狀的τ相，內(nèi)層主要為Fe-Al-Si三元相τ；

不同Si含量明顯影響鋁硅鍍層熱成形后的鍍層結(jié)構(gòu)與表面形貌，高Si含量的鍍層有利于形成Fe-Al-Si三元相呈連續(xù)分布的鍍層結(jié)構(gòu)，高Si含量的鍍層不易形成孔洞，高Si含量的鍍層熱成形后有利于形成更為粗糙的表面。