加熱溫度對Al-Si涂層熱成形鋼組織及性能的影響

陳 忠

(中國寶武中央研究院馬鋼技術(shù)中心， 安徽 馬鞍山 243002)

21世紀(jì)以來，中國汽車工業(yè)一直呈高速發(fā)展趨勢[1]，自2009年起，中國汽車產(chǎn)銷量連續(xù)蟬聯(lián)全球第一，但是隨著世界各國對全球汽車制造業(yè)環(huán)保要求越來越嚴(yán)格[2]，輕量化已成為保證整車動力性能、安全性能、油耗經(jīng)濟(jì)性實(shí)現(xiàn)良好匹配的最為關(guān)鍵且有效的技術(shù)途徑。輕量化是集先進(jìn)結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝于一體的綜合技術(shù)領(lǐng)域，其中，材料是實(shí)現(xiàn)整車輕量化的基石，而超高強(qiáng)度鋼一直是實(shí)現(xiàn)整車輕量化最具性價比、應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)性原材料[3]。但材料強(qiáng)度若超過1000 MPa，均存在冷沖壓成形回彈明顯、成形性能差[4]等實(shí)際應(yīng)用問題，無法制造復(fù)雜形狀汽車零部件。熱成形技術(shù)通過簡單合金化設(shè)計(jì)，將淬火強(qiáng)化與高溫成形相結(jié)合，獲得1500 MPa以上強(qiáng)度等級[5-9]復(fù)雜形狀汽車零部件，很好地解決了超高強(qiáng)度鋼冷沖壓成形回彈明顯、成形性能差的實(shí)際應(yīng)用問題，已成為全球汽車廠商實(shí)現(xiàn)整車輕量化的關(guān)鍵性技術(shù)途徑。

熱成形鋼系列產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)域有鋁硅涂層熱成形鋼、鋅基涂層熱成形鋼[10]、無涂層熱成形鋼，鋁硅涂層熱成形鋼以其優(yōu)良的耐腐蝕性能[11]、抗高溫氧化性能[12]而得到廣泛的應(yīng)用。袁訓(xùn)華等[13]研究了22MnB5熱成形鋼在不同奧氏體化時間下(900 ℃)熱鍍Al-10%Si涂層的微觀組織變化情況，發(fā)現(xiàn)熱鍍Al-10%Si涂層表面形成一層穩(wěn)定的Al2O3氧化膜，該氧化膜可有效阻止鋁硅涂層在高溫條件下的進(jìn)一步氧化，O滲入涂層的深度遠(yuǎn)小于涂層實(shí)際厚度。張杰等[14]研究了鋼板奧氏體化加熱后Al-10wt%Si涂層的相及硬度變化，發(fā)現(xiàn)涂層厚度隨著加熱溫度的升高而大幅增加。王滕等[11]研究了熱浸鍍工藝對熱成形鋼鋁硅涂層的影響，發(fā)現(xiàn)鋁硅涂層顯微組織由Al基固溶體、Al-Fe-Si三元合金和Al-Fe-二元合金組成。呂家舜等[15]研究了熱沖壓溫度對于Al-Si涂層微觀組織的影響，發(fā)現(xiàn)Al元素向基體滲透的深度可達(dá)30 μm，涂層中Fe含量隨著退火溫度的升高而逐漸增加，涂層物相包括Al-Fe-Si三元合金和Al-Fe二元合金，涂層表面有一層Al2O3氧化膜。謝昀映等[16]研究了熱處理工藝對22MnB5鋼鋁硅涂層氧化層厚度和組織演變的影響，發(fā)現(xiàn)在900 ℃奧氏體化5 min，O元素滲入涂層深度明顯增加，涂層氧化層出現(xiàn)孔洞，涂層表面抗氧化性降低。

本文通過在22MnB5熱成形鋼基體上熱浸鍍制備AS150鋁硅涂層，研究熱成形沖壓工藝的奧氏體化加熱溫度對鋁硅涂層表面粗糙度、涂層顯微組織、合金元素沿涂層與基體深度方向的遷移規(guī)律、涂層厚度及基材硬度的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用涂鍍鋁硅涂層的鋼基材料為C-Si-Mn-Cr-Ti系硼鋼22MnB5，其化學(xué)成分如表1所示。通過工業(yè)化大批量組產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)工藝流程：鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、合金微調(diào)站、LF+RH爐精煉、連鑄、熱軋、酸洗冷軋、連續(xù)退火、熱浸鍍工序制備AS150鋁硅涂層熱成形鋼板，其中，熱浸鍍工序的鍍液含Si量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為8.1%～10.5%，熱浸鍍溫度為615～665 ℃。將原始AS150鋁硅涂層熱成形鋼板在箱式加熱爐(無惰性保護(hù)氣體)中于840、870、900、930、960及1000 ℃下保溫5 min，隨后將奧氏體化鋼板從箱式加熱爐內(nèi)快速轉(zhuǎn)移至平板模具內(nèi)進(jìn)行保壓淬火，保壓時間為15 s，淬火冷卻速度為59 ℃/s。利用T1000便攜式粗糙度儀測量不同加熱溫度下鋁硅涂層熱成形鋼表面的粗糙度Ra及峰值計(jì)數(shù)Rpc，利用ZEISS Sigma 500場發(fā)射掃描電鏡及附帶能譜儀對涂層厚度及相結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，利用GD-Profiler HR輝光放電光譜儀測定Fe、O、Si、Al元素沿垂直于表面方向的遷移量變化規(guī)律，利用HV-1000型維氏硬度計(jì)(加載載滿200 g)檢測鋁硅涂層熱成形鋼基體組織的硬度。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 加熱溫度對合金元素遷移行為的影響

圖1為不同加熱溫度對Al-Si涂層熱成形鋼中Fe、O、Si、Al元素沿垂直于表面方向遷移行為的影響。如圖1(a)所示，隨著加熱溫度的升高，F(xiàn)e沿垂直于表面方向由熱成形鋼基體向Al-Si涂層表面的遷移量逐漸增大，且當(dāng)加熱溫度升高至960 ℃、1000 ℃時，F(xiàn)e遷移量增大的趨勢更為明顯。由圖1(b)可知，隨著加熱溫度的升高， O沿垂直于表面方向由Al-Si涂層表面向熱成形鋼基體的遷移量逐漸增大，且遷移深度增加，最大深度約為2.80 μm。從圖1(c，d)可以看出，加熱溫度較高時，熱成形鋼基體(深度≥50 μm處)所含Si、Al較多。

圖1 加熱溫度對Al-Si涂層熱成形鋼中Fe(a)、O(b)、Si(c)、Al(d)元素沿垂直于表面方向遷移行為的影響Fig.1 Effect of heating temperature on migration behavior of Fe(a), O(b), Si(c) and Al(d) elements in the Al-Si coating hot stamped steel along the direction perpendicular to surface

Fe元素相對原子量近似等于Si、Al元素相對原子量之和，當(dāng)加熱溫度為840 ℃時，沿垂直于表面方向上，F(xiàn)e由熱成形鋼基體向Al-Si涂層表面遷移的動能相對不足，而Si、Al由Al-Si涂層表面向熱成形鋼基體遷移的動能相對較大，因此，F(xiàn)e由熱成形鋼基體向Al-Si涂層表面的遷移量相對較小，Si、Al由Al-Si涂層表面向熱成形鋼基體的遷移量相對較大。隨著加熱溫度進(jìn)一步升高至1000 ℃，F(xiàn)e沿垂直于表面方向由熱成形鋼基體向Al-Si涂層表面遷移的動能達(dá)到最大值，遷移量也達(dá)到最大值，從而使得涂層總厚度及界面結(jié)合層厚度均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。

2.2 加熱溫度對涂層相結(jié)構(gòu)的影響

圖2為不同加熱溫度對Al-Si涂層相結(jié)構(gòu)的影響，由圖2可知，當(dāng)加熱溫度為840 ℃時，Al-Si涂層中的金屬間化合物Fe-Al-Si相呈細(xì)長連續(xù)狀(Fe3Si2Al5相)，且靠近熱成形鋼基體與Al-Si涂層的界面處，當(dāng)加熱溫度升高至870 ℃時，連續(xù)狀的金屬間化合物Fe-Al-Si 相(Fe2SiAl3相)略為變粗。當(dāng)加熱溫度升高至900 ℃時，連續(xù)狀的金屬間化合物Fe-Al-Si相(Fe2SiAl2相)明顯粗化，隨著加熱溫度進(jìn)一步升高至930 ℃、960 ℃，連續(xù)狀的金屬間化合物Fe-Al-Si相轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)狀且粗大的金屬間化合物Fe-Al-Si相(Fe3SiAl3相)，同時向Al-Si涂層表面偏移。當(dāng)加熱溫度升高至1000 ℃時，不連續(xù)狀且更為粗大的金屬間化合物Fe-Al-Si相(Fe4SiAl4相)進(jìn)一步偏移靠近涂層表面。

圖2 不同加熱溫度下Al-Si涂層的相結(jié)構(gòu)Fig.2 Phase structure of the Al-Si coating at different heating temperatures(a) 840 ℃; (b) 870 ℃; (c) 900 ℃; (d) 930 ℃; (e) 960 ℃; (f) 1000 ℃

同時，隨著加熱溫度的升高，Al-Si涂層與熱成形鋼基體界面處的Fe含量逐漸增多，且Al沿垂直于表面方向由Al-Si涂層表面向熱成形鋼基體界面處的遷移量也逐漸增大，所以，F(xiàn)e原子與Al原子在界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的金屬間化合物(Fe+Fe3Al)量增多，從而使得界面結(jié)合層(Fe+Fe3Al)厚度由1.08 μm逐漸增加至15.11 μm。

由圖1可以看出，加熱溫度對合金元素遷移行為有著顯著的影響。當(dāng)加熱溫度為840 ℃時，相對原子量較大的Fe元素沿垂直于表面方向由熱成形鋼基體向Al-Si涂層表面的遷移量很小，相對原子量較小的Si、Al沿垂直于表面方向由Al-Si涂層表面向熱成形鋼基體的遷移量相對較大，所以，細(xì)長連續(xù)狀金屬間化合物Fe-Al-Si相(Fe3Si2Al5相)在熱成形鋼基體與Al-Si涂層界面處附近位置形成。隨著加熱溫度進(jìn)一步升高至1000 ℃，F(xiàn)e沿垂直于表面方向由熱成形鋼基體向Al-Si涂層表面遷移的動能達(dá)到最大值，F(xiàn)e沿垂直于表面方向由熱成形鋼基體向Al-Si涂層表面的遷移量達(dá)到最大值，與Si、Al在靠近涂層表面處形成不連續(xù)狀且粗大的金屬間化合物Fe-Al-Si相(Fe4SiAl4相)。因此，可以看出，F(xiàn)e沿垂直于表面方向由熱成形鋼基體向Al-Si涂層表面的遷移量直接決定了Fe-Al-Si相的形態(tài)、生成位置及界面結(jié)合層厚度。

2.3 加熱溫度對涂層表面粗糙度的影響

圖3為不同加熱溫度對Al-Si涂層熱成形鋼表面粗糙度的影響，由圖3(a)可知，不同加熱溫度下的Al-Si 涂層熱成形鋼表面呈現(xiàn)出不同物性狀態(tài)，當(dāng)加熱溫度從840 ℃升高至1000 ℃時，Al-Si涂層表面顏色依次為黃棕色、棕色、藍(lán)色、淺藍(lán)色、青色、淺紅色，這是因?yàn)橥繉颖砻嫜趸飳?鐵的氧化物等)隨著加熱溫度的升高而發(fā)生轉(zhuǎn)變，且Al-Si涂層表面顏色由基體材質(zhì)(鋼種)、基體厚度、涂層厚度、加熱溫度、保溫時間等因素綜合作用決定。由圖3(b)可知，當(dāng)加熱溫度為840、870及900 ℃時，Al-Si涂層熱成形鋼表面粗糙度Ra值在1.45～1.55 μm范圍內(nèi)，當(dāng)加熱溫度從900 ℃升高至930 ℃時，表面粗糙度Ra值快速上升至1.89 μm；隨著加熱溫度的進(jìn)一步升高，表面粗糙度Ra值逐漸減小。由圖3(c)可知，當(dāng)加熱溫度從840 ℃升高至930 ℃時，Al-Si涂層熱成形鋼表面峰值計(jì)數(shù)Rpc值逐漸增大，當(dāng)加熱溫度為930 ℃時，表面峰值計(jì)數(shù)Rpc值達(dá)到最大值，為218；隨著加熱溫度的進(jìn)一步升高，表面峰值計(jì)數(shù)Rpc值呈逐漸減小的趨勢。綜合來看，當(dāng)加熱溫度為930 ℃時，Al-Si涂層熱成形鋼表面粗糙度及表面峰值計(jì)數(shù)對后續(xù)涂裝工序工件表面質(zhì)量最為有利。

圖3 加熱溫度對Al-Si涂層表面粗糙度的影響(a)表面物性狀態(tài);(b)表面粗糙度Ra;(c)峰值計(jì)數(shù)Rpc值Fig.3 Effect of heating temperature on surface roughness of the Al-Si coating(a) surface physical property state; (b) surface roughness Ra; (c) peak count value Rpc

從圖1可以看出，當(dāng)加熱溫度從840 ℃升高至930 ℃，O沿垂直于表面方向由Al-Si涂層表面向熱成形鋼基體的遷移量逐漸增大，且遷移深度增加，而Fe沿垂直于表面方向由熱成形鋼基體向Al-Si涂層表面的遷移量逐漸增大，因此，Al-Si涂層表面的Fe含量增加，涂層表面有更多的Fe原子與涂層表面的O原子及爐內(nèi)空氣的O原子在高溫條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成不同種類的氧化物層(鐵的氧化物等)，且氧化物含量逐漸增加，同時，隨著加熱溫度的升高，涂層表面的Al原子也會與爐內(nèi)空氣的O原子在高溫條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成更多的含Al氧化物，從而使得Al-Si 涂層表面粗糙度逐漸增大，當(dāng)加熱溫度為930 ℃時，表面粗糙度Ra值、表面峰值計(jì)數(shù)Rpc值均達(dá)到最大值。當(dāng)加熱溫度進(jìn)一步升高至960 ℃、1000 ℃時，Al-Si涂層中的金屬間化合物Fe-Al-Si相明顯粗化，呈不連續(xù)狀，且向Al-Si涂層表面偏移，Al-Si涂層表面粗糙度及表面峰值計(jì)數(shù)均呈逐漸減小的趨勢。

2.4 加熱溫度對涂層厚度的影響

圖4為不同加熱溫度對Al-Si涂層厚度的影響。原始AS150 Al-Si涂層總厚度為22.21 μm，在保溫時間為5 min的恒定條件下進(jìn)行熱沖壓成形，當(dāng)加熱溫度從840 ℃升高至1000 ℃，Al-Si涂層總厚度從27.78 μm增加至40.46 μm，界面結(jié)合層厚度從1.08 μm增加至15.11 μm，涂層增厚從5.57 μm增加至18.25 μm(與原始AS150 Al-Si涂層厚度相比)。

圖4 加熱溫度對Al-Si涂層厚度的影響Fig.4 Effect of heating temperature on thickness of the Al-Si coating

隨著加熱溫度的升高，相對原子量較大的Fe沿垂直于表面方向由熱成形鋼基體向Al-Si涂層表面的遷移量逐漸增大，因此，Al-Si涂層表面的Fe含量增加，涂層表面有更多的Fe原子與涂層表面的O原子及爐內(nèi)空氣的O原子在高溫條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化物層(鐵的氧化物等)，從而使得涂層總厚度增加[13]。同時，隨著加熱溫度的升高，Al-Si涂層與熱成形鋼基體界面處的Fe含量逐漸增多，且Al沿垂直于表面方向由Al-Si涂層表面向熱成形鋼基體界面處的遷移量也逐漸增大，因此Fe原子與Al原子在界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的金屬間化合物(Fe+Fe3Al)量增多，從而使得界面結(jié)合層厚度增加。

2.5 加熱溫度對熱成形鋼基體組織及硬度的影響

圖5和圖6為不同加熱溫度下熱成形鋼基體的硬度和顯微組織。當(dāng)加熱溫度從840 ℃逐漸升高至930 ℃時，熱成形鋼基體的硬度先快速增大，后緩慢增大，隨著加熱溫度進(jìn)一步升高至960 ℃、1000 ℃，熱成形鋼基體的硬度呈緩慢減小的趨勢。這是因?yàn)?，?dāng)加熱溫度為840 ℃時，加熱溫度較低，熱成形鋼基體組織沒有實(shí)現(xiàn)完全奧氏體化，有一定量的鐵素體(軟質(zhì)相)存在，將熱成形鋼試驗(yàn)料片從箱式加熱爐內(nèi)快速轉(zhuǎn)移至平板模具內(nèi)進(jìn)行保壓淬火的過程中，鐵素體(軟質(zhì)相)保存下來，與新形成的馬氏體(硬質(zhì)相)共存，從而使得熱沖壓成形后的熱成形鋼基體硬度明顯偏低，為最小值299 HV0.2；當(dāng)加熱溫度升高至870 ℃、900 ℃ 時，經(jīng)過平板模具淬火的熱成形鋼基體組織中的鐵素體(軟質(zhì)相)含量明顯減少，從而使得熱成形鋼基體硬度值明顯增大；當(dāng)加熱溫度進(jìn)一步升高至930 ℃時，經(jīng)過平板模具淬火的熱成形鋼基體組織為全馬氏體組織，熱成形鋼基體的硬度值達(dá)到最大，為505 HV0.2；隨著加熱溫度進(jìn)一步升高至960 ℃、1000 ℃，熱成形鋼基體組織晶粒逐漸粗化，使得熱成形鋼基體硬度值呈緩慢減小的趨勢。

圖5 加熱溫度對熱成形鋼基體硬度的影響Fig.5 Effect of heating temperature on hardness of the hot stamped steel substrate

圖6 不同加熱溫度下熱成形鋼基體的顯微組織Fig.6 Microstructure of the hot stamped steel substrate at different heating temperatures(a) 840 ℃; (b) 870 ℃; (c) 900 ℃; (d) 930 ℃; (e) 960 ℃; (f) 1000 ℃

3 結(jié)論

1) 隨著加熱溫度的升高，F(xiàn)e沿垂直于表面方向由22MnB5熱成形鋼基體向Al-Si涂層表面的遷移量逐漸增大，O沿垂直于表面方向由Al-Si涂層向熱成形鋼基體的遷移量逐漸增大，O沿垂直于表面方向由Al-Si涂層向熱成形鋼基體遷移的最大深度約為2.80 μm。

2) 當(dāng)加熱溫度為840 ℃時，Al-Si涂層中的金屬間化合物Fe-Al-Si相為Fe3Si2Al5相，呈細(xì)長連續(xù)狀，且靠近熱成形鋼基體與Al-Si涂層的界面處；當(dāng)加熱溫度升高至870 ℃時，金屬間化合物Fe-Al-Si相為Fe2SiAl3相，呈連續(xù)狀，略微變粗；當(dāng)加熱溫度升高至900 ℃時，金屬間化合物Fe-Al-Si相為Fe2SiAl2相，呈連續(xù)狀，明顯粗化；隨著加熱溫度進(jìn)一步升高至930 ℃、960 ℃時，金屬間化合物Fe-Al-Si相為Fe3SiAl3相，呈粗大不連續(xù)狀，向Al-Si涂層表面偏移；當(dāng)加熱溫度升高至1000 ℃時，金屬間化合物Fe-Al-Si相為Fe4SiAl4相，進(jìn)一步偏移靠近涂層表面。

3) 當(dāng)加熱溫度為930 ℃時，涂層表面粗糙度Ra值達(dá)到最大值1.89 μm，峰值計(jì)數(shù)Rpc值達(dá)到最大值218，有利于后續(xù)涂裝工序工件表面質(zhì)量。

4) 隨著加熱溫度的升高，Al-Si涂層總厚度從27.78 μm 增加至40.46 μm，界面結(jié)合層厚度從1.08 μm增加至15.11 μm,涂層增厚從5.57 μm增加至18.25 μm。

5) 隨著加熱溫度的升高，熱成形鋼基體中的鐵素體(軟質(zhì)相)含量逐漸降低，熱成形鋼基體硬度先快速增大，后緩慢增大，隨著加熱溫度進(jìn)一步升高至960、1000 ℃時，熱成形鋼基體組織晶粒逐漸粗化，熱成形鋼基體的硬度呈緩慢減小的趨勢。當(dāng)加熱溫度為930 ℃ 時，熱成形鋼基體的硬度達(dá)到最大值505 HV0.2。