不同鍍層重量的鋁硅鍍層加熱時(shí)的鍍層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律

周世龍， 葉盛薇， 鄧璐璐， 鄧宗吉， 盧茜倩， 鄭笑芳

(1. 馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心， 安徽 馬鞍山 243000；2. 神龍汽車有限公司， 湖北 武漢 430000；3. 泛亞汽車技術(shù)中心有限公司， 上海 201201)

隨著汽車行業(yè)對(duì)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，熱成形鋼零件的需求也快速增加[1-2]。熱沖壓技術(shù)關(guān)鍵工藝過程是加熱、沖壓、保壓和冷卻[3]。熱沖壓過程中鋼與空氣接觸形成氧化膜，會(huì)影響產(chǎn)品美觀和后續(xù)的焊接和噴涂性能，需要進(jìn)行拋丸處理。鋁硅鍍層熱成形鋼因在熱沖壓過程中無氧化鐵皮成形，無需拋丸處理，可降低生產(chǎn)成本而應(yīng)用最為廣泛[4-5]。Arcelor Mittal專利技術(shù)的Al-Si鍍層(化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為8%～11%Si、2%～4%Fe，余量鋁)最為成熟，其性能已得到充分的應(yīng)用驗(yàn)證，典型Al-Si鍍層的化學(xué)成分為Al-9.3%Si-2.8%Fe[6]。

鋁硅鍍層熱成形鋼加熱后的鍍層結(jié)構(gòu)對(duì)最終產(chǎn)品性能有著重要影響[7-8]。常規(guī)鍍層重量(AS150鍍層，60～100 g/m2)的Arcelor Mittal鋁硅鍍層熱成形后的鍍層由基體至表面分為4層結(jié)構(gòu)，分別為擴(kuò)散層、Fe-Al 層、Fe-Al-Si層和Fe-Al層[9]。目前關(guān)于熱處理工藝對(duì)常規(guī)鍍層重量和其他鍍層重量的鋁硅鍍層結(jié)構(gòu)的影響缺乏系統(tǒng)性研究。因此，開展不同鍍層重量的鋁硅鍍層在加熱后的鍍層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律研究，掌握鍍層結(jié)構(gòu)與熱處理工藝的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于制定熱沖壓工藝，指導(dǎo)熱沖壓生產(chǎn)，提高熱沖壓生產(chǎn)效率具有非常重要的意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用材料為鍍鋁硅生產(chǎn)線生產(chǎn)的鋁硅鍍層鋼板，基板采用1.4 mm厚的22MnB5鋼板，鍍液成分Al-10%Si-2%Fe，雙面鍍層重量目標(biāo)值為40、80和150 g/m2，分別標(biāo)記為AS40(薄鍍層)、AS80(薄鍍層)和AS150(厚鍍層)，鍍層形貌分別如圖1所示，可見其單面鍍層厚度分別為8.20、12.50和25.12 μm。采用X射線熒光光譜法對(duì)鋼板沿板寬方向的雙面鍍層重量分布進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果如表1所示，可見所得鋁硅鍍層的鍍層重量基本達(dá)到目標(biāo)值。

圖1 鋁硅鍍層的顯微形貌Fig.1 Morphologies of the Al-Si coatings(a) AS40; (b) AS80; (c) AS150

表1 雙面鋁硅鍍層的重量分布(g/m2)

將上述鋁硅鍍層鋼板加工成尺寸為1.4 mm×75 mm ×150 mm的樣板，使用箱式電阻爐和平板淬火壓力機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行加熱和淬火，冷卻速率>30 ℃/s，具體熱處理工藝：①分別在840、870、900、930、960、1000 ℃保溫5 min；②在930 ℃分別保溫1、2、3、4、5、6、7、8、9 min。采用FEI-QUANTA450掃描電鏡和EDAX-APOLLOX能譜分析儀對(duì)加熱和淬火后的鍍層結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和鍍層厚度進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 加熱溫度對(duì)不同鋁硅鍍層重量鍍層結(jié)構(gòu)的影響

不同加熱溫度下AS40、AS80、AS150鍍層的顯微結(jié)構(gòu)如圖2～圖4所示，相應(yīng)位置化學(xué)成分和相分析結(jié)果如表2～表4所示?？梢钥闯觯孩偌訜釡囟容^低時(shí)(840 ℃)，薄鍍層(AS40和AS80)呈現(xiàn)4層結(jié)構(gòu)(由基體至鍍層表面分別為擴(kuò)散層(Fe+Fe3Al)、Fe-Al層、Fe-Al-Si層和Fe-Al表面層)，而厚鍍層(AS150)呈現(xiàn)5層結(jié)構(gòu)，在4層結(jié)構(gòu)的外側(cè)還存在一層低Fe含量的Fe-Al-Si層，加熱溫度升至900 ℃時(shí)，厚鍍層AS150轉(zhuǎn)變?yōu)?層結(jié)構(gòu)；②加熱溫度較低時(shí)，3種鍍層中Fe-Al-Si層較為連續(xù)且Si含量較高，隨著加熱溫度的升高，F(xiàn)e-Al-Si 層逐漸增厚、Si含量逐漸降低，且厚鍍層AS150較薄鍍層AS40、AS80的Si含量更高、不連續(xù)性更明顯；③擴(kuò)散層下部(靠近基體)與擴(kuò)散層上部(靠近Fe-Al層，如點(diǎn)12、14、18等)Si含量差別較大，擴(kuò)散層上部Si含量較高，該部分實(shí)際成分與Fe-Al-Si層相當(dāng)，隨著加熱溫度的升高，擴(kuò)散層、擴(kuò)散層上部皆逐漸增厚；④隨著加熱溫度的升高，薄鍍層逐漸由4層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?層結(jié)構(gòu)、2層結(jié)構(gòu)，在加熱溫度為930 ℃時(shí)，薄鍍層AS40開始呈3層結(jié)構(gòu)(擴(kuò)散層、Fe-Al層和Fe-Al-Si 層，或存在不連續(xù)Fe-Al表面層)，加熱溫度升至1000 ℃時(shí)，薄鍍層AS40、AS80基本呈兩層結(jié)構(gòu)(擴(kuò)散層和Fe-Al層)。需要說明的是，不論是擴(kuò)散層還是Fe-Al層、Fe-Al-Si層，其中都包含Si，只不過Si含量有所不同，一般擴(kuò)散層中Si含量不超過5%，F(xiàn)e-Al層中Si含量不超過3%，F(xiàn)e-Al-Si層中Si含量大于3%。

圖2 不同加熱溫度下AS40鍍層的顯微結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of the AS40 coating under different heating temperatures(a) 840 ℃; (b) 870 ℃; (c) 900 ℃; (d) 930 ℃; (e) 960 ℃; (f) 1000 ℃

圖3 不同加熱溫度下AS80鍍層的顯微結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure of the AS80 coating under different heating temperatures(a) 840 ℃; (b) 870 ℃; (c) 900 ℃; (d) 930 ℃; (e) 960 ℃; (f) 1000 ℃

圖4 不同加熱溫度下AS150鍍層的顯微結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of the AS150 coating under different heating temperatures(a) 840 ℃; (b) 870 ℃; (c) 900 ℃; (d) 930 ℃; (e) 960 ℃; (f) 1000 ℃

表2 圖2中AS40鍍層不同位置的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)及物相分析

表3 圖3中AS80鍍層不同位置的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)及物相分析

表4 圖4中AS150鍍層不同位置的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)及物相分析

2.2 加熱時(shí)間對(duì)不同鋁硅鍍層重量鍍層結(jié)構(gòu)的影響

不同加熱時(shí)間下AS40、AS80、AS150鍍層的顯微結(jié)構(gòu)如圖5～圖7所示，相應(yīng)位置化學(xué)成分和相分析結(jié)果如表6～表8所示?？梢钥闯觯孩佼?dāng)保溫時(shí)間較短時(shí)，3種鍍層中皆存在未反應(yīng)的Al層(如點(diǎn)50)或Fe2SiAl7(τ5)相(如點(diǎn)32、33、42、51等)，此時(shí)鍍層未完全合金化，隨著保溫時(shí)間的增加，Al層含量減少，τ5相含量快速增加(厚鍍層尤其明顯，如1～2 min時(shí))，當(dāng)τ5相完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦籗i的Fe-Al-Si(Fe與Al含量不同于τ5相，如點(diǎn)34、43等)和貧Si的Fe-Al時(shí)，鍍層完全合金化，且厚鍍層完全合金化的時(shí)間較薄鍍層的長(zhǎng)，厚鍍層完全合金化時(shí)間則為4 min，薄鍍層完全合金化時(shí)間為3 min；②當(dāng)保溫時(shí)間較短時(shí)形成的Fe-Al-Si中間層較為連續(xù)且Si含量較高，隨著加熱時(shí)間的增加，F(xiàn)e-Al-Si 層逐漸增厚、Si含量逐漸降低，且厚鍍層較薄鍍層的Si含量更高；③當(dāng)保溫時(shí)間為5 min時(shí)，薄鍍層AS40開始呈3層結(jié)構(gòu)(擴(kuò)散層、Fe-Al層和Fe-Al-Si層，或存在不連續(xù)Fe-Al表面層)，保溫時(shí)間為6 min時(shí)，呈兩層結(jié)構(gòu)(擴(kuò)散層和Fe-Al層)，薄鍍層AS80于6 min時(shí)呈3層結(jié)構(gòu)，于7 min時(shí)呈兩層結(jié)構(gòu)，厚鍍層AS150未見層數(shù)減少；④當(dāng)保溫時(shí)間大于7 min，薄鍍層AS40、AS80的擴(kuò)散層與表面層之間不存在明顯界面。

圖5 不同保溫時(shí)間下AS40鍍層的顯微結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of the AS40 coating under different holding time(a) 1 min; (b) 2 min; (c) 3 min; (d) 4 min; (e) 5 min; (f) 6 min; (g) 7 min; (h) 8 min; (i) 9 min

保溫時(shí)間/min測(cè)試位置FeAlSi物相13233.556.79.8Fe2SiAl7(τ5)23332.355.911.8Fe2SiAl7(τ5)33460.630.88.6Fe4SiAl443564.729.55.8Fe6SiAl653664.830.05.2Fe6SiAl663765.331.53.2FeAl73866.130.53.4FeAl83971.226.12.7FeAl94069.527.33.2FeAl

3 討論

加熱前3種鍍層結(jié)構(gòu)相似，由基體至鍍層表面分別為Fe-Al合金層(<1 μm)、Fe-Al-Si合金層(τ5，約4.5 μm)、Al層和彌散分布在Al層中的Fe-Al-Si合金相(τ6)[10-11]。不同鍍層重量的鋁硅鍍層在加熱后的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律：①加熱時(shí)，τ5層與Al層反應(yīng)生成液相，此時(shí)Si向液相鍍層中迅速擴(kuò)散形成富Si的Fe-Al-Si層(Fe與Al含量不同于τ5相)，F(xiàn)e-Al-Si層兩側(cè)形成Fe-Al相，此時(shí)靠近基體側(cè)由于Fe與Al的強(qiáng)烈擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散層(Fe和Fe3Al)，此時(shí)鍍層結(jié)構(gòu)由基體至表面依次為擴(kuò)散層、Fe-Al層、Fe-Al-Si層和Fe-Al表面層(此時(shí)鍍層稱為完全合金化)。當(dāng)鍍層未完全合金化時(shí)，鍍層表面存在未反應(yīng)的Al涂層或τ5相。鍍層重量越高的鋁硅鍍層所需完全合金化的溫度越高或時(shí)間越長(zhǎng)，厚鍍層AS150完全合金化溫度不低于900 ℃，保溫時(shí)間不少于4 min，而薄鍍層保溫時(shí)間可減少至3 min；②隨著加熱的進(jìn)行，F(xiàn)e-Al-Si層、擴(kuò)散層逐漸增厚，F(xiàn)e-Al-Si層中Si含量逐漸降低，且厚鍍層AS150的Fe-Al-Si層中Si含量明顯高于薄鍍層，不連續(xù)性增加。另外，厚鍍層AS150未觀察到鍍層層數(shù)減少的現(xiàn)象，而薄鍍層出現(xiàn)鍍層層數(shù)減少的情況，當(dāng)Fe-Al-Si層完全占據(jù)Fe-Al表面層或僅存在少量的Fe-Al表面層時(shí)，鍍層由基體至表面呈3層結(jié)構(gòu)，即擴(kuò)散層、Fe-Al層、Fe-Al-Si層(或存在不連續(xù)的Fe-Al表面層)，當(dāng)Fe-Al-Si層繼續(xù)增厚與擴(kuò)散層相連時(shí)，鍍層由基體至表面呈兩層結(jié)構(gòu)，即擴(kuò)散層、Fe-Al-Si層(或存在不連續(xù)的Fe-Al表面層)。薄鍍層AS40呈3層結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)應(yīng)的熱處理工藝為930 ℃×5 min，呈兩層結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)應(yīng)的熱處理工藝為930 ℃×6 min，薄鍍層AS80呈3層結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)應(yīng)的熱處理工藝為930 ℃×6 min，呈兩層結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)應(yīng)的熱處理工藝為930 ℃×7 min。

表6 圖6中AS80鍍層不同位置的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)及物相分析

圖6 不同保溫時(shí)間下AS80鍍層的顯微結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of the AS80 coating under different holding time(a) 1 min; (b) 2 min; (c) 3 min; (d) 4 min; (e) 5 min; (f) 6 min; (g) 7 min; (h) 8 min; (i) 9 min

圖7 不同保溫時(shí)間下AS150鍍層的顯微結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructure of the AS150 coating under different holding time(a) 1 min; (b) 2 min; (c) 3 min; (d) 4 min; (e) 5 min; (f) 6 min; (g) 7 min; (h) 8 min; (i) 9 min

表7 圖7中AS150鍍層不同位置的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)及物相分析

一般鋁硅鍍層熱成形鋼加熱后鍍層需完全合金化，因?yàn)楫?dāng)鍍層未完全合金化時(shí)，鍍層液化反應(yīng)不充分，鍍層表面粗糙度較低[12]，降低了鍍層的耐蝕性能，并且未完全合金化的Al層或τ5相對(duì)焊接性能不利[13]。另外，熱沖壓廠要求厚鍍層AS150加熱后的擴(kuò)散層厚度≤16 μm，薄鍍層加熱后的擴(kuò)散層厚度≤12 μm。本文對(duì)不同加熱溫度和保溫時(shí)間下不同鋁硅鍍層的擴(kuò)散層厚度和鍍層增厚量(鍍層總厚度-原始鍍層厚度)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯孩匐S著加熱溫度的升高或保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，不同鋁硅鍍層的鍍層總厚度和擴(kuò)散層厚度逐漸增加，且鍍層增厚速率與擴(kuò)散層增厚速率相當(dāng)，即鍍層增厚主要通過擴(kuò)散層厚度的增加實(shí)現(xiàn)；②熱處理工藝為960 ℃×5 min或930 ℃×6 min時(shí)，薄鍍層AS40、AS80的擴(kuò)散層厚度≥12 μm，熱處理工藝為930 ℃×9 min時(shí)，厚鍍層AS150的擴(kuò)散層仍小于16 μm。

圖8 不同加熱溫度(a)和加熱時(shí)間(b)下不同鋁硅鍍層重量擴(kuò)散層厚度和鍍層增厚Fig.8 Diffusion layer thickness and coating thickness increment with different aluminum-silicon coating weight under different heating temperatures(a) and different heating time(b)

此外，本文發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱溫度過高(如≥960 ℃)時(shí)，F(xiàn)e、Al擴(kuò)散速率過快，易造成鍍層組織不均勻、柯肯達(dá)爾孔洞數(shù)量增加等問題[14]，惡化鍍層的耐腐蝕性和焊接性能。綜合考慮鋁硅鍍層熱成形鋼加熱后的鍍層結(jié)構(gòu)、性能變化和產(chǎn)品使用要求，對(duì)于1.4 mm厚22MnB5鋼基板，薄鍍層AS40、AS80的優(yōu)選熱處理工藝為900～930 ℃×3～6 min，厚鍍層AS150的優(yōu)選熱處理工藝為900～930 ℃×4～9 min。另外，考慮到實(shí)際熱沖壓生產(chǎn)效率，保溫時(shí)間一般不超過6 min，因此，厚鍍層AS150的優(yōu)選熱處理工藝為900～930 ℃×4～6 min。

4 結(jié)論

1) 不同鍍層重量的鋁硅鍍層完全合金化時(shí)的鍍層結(jié)構(gòu)相同，由基體至表面依次為擴(kuò)散層、Fe-Al層、Fe-Al-Si層和Fe-Al表面層，且鍍層重量越高時(shí)完全合金化所需的溫度越高或時(shí)間越長(zhǎng)。

2) 隨著加熱的進(jìn)行，F(xiàn)e-Al-Si層和擴(kuò)散層逐漸增厚，F(xiàn)e-Al-Si層中Si含量逐漸降低。厚鍍層AS150未呈現(xiàn)鍍層層數(shù)減少的現(xiàn)象，而薄鍍層AS40、AS80出現(xiàn)鍍層層數(shù)減少的情況。當(dāng)Fe-Al-Si層完全占據(jù)Fe-Al表面層或僅存少量的Fe-Al表面層時(shí)，鍍層由基體至表面呈3層結(jié)構(gòu)，當(dāng)Fe-Al-Si層繼續(xù)增厚與擴(kuò)散層相連時(shí)，鍍層呈2層結(jié)構(gòu)。

3) 綜合考慮鋁硅鍍層熱成形鋼加熱后的鍍層結(jié)構(gòu)、性能變化和產(chǎn)品使用要求，對(duì)于1.4 mm厚22MnB5鋼基板，薄鍍層AS40、AS80的優(yōu)選熱處理工藝為900～930 ℃×3～6 min，厚鍍層AS150的優(yōu)選熱處理工藝為900～930 ℃×4～6 min，此時(shí)薄鍍層AS40呈4層、3層或兩層結(jié)構(gòu)，薄鍍層AS80呈4層或3層結(jié)構(gòu)，厚鍍層AS150呈4層結(jié)構(gòu)。