IF鋼合金化鍍層相結(jié)構(gòu)及60° V彎粉化性能研究

劉東亞 ， 葛 浩 ， 陳友志 ， 崔 磊 ， 張 軍

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

合金化鍍層鋼板（Galvannealed Sheet Steel，簡(jiǎn)稱GA板）是將退火后的鋼帶浸入約460 ℃的熔融鋅鍋內(nèi)，出鋅鍋后通過氣刀吹掃獲得預(yù)期鍍層厚度，然后進(jìn)入合金化爐，在高溫下發(fā)生鍍層與鋼基體的相互擴(kuò)散，從而獲得合金化鍍層[1-4]。GA鍍層組織由δ相、ζ相和Γ相組成，鍍層Fe含量通常為8%～12%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）[5]。由于鍍層是擴(kuò)散形成的，因此在鋼基體/鍍層界面和鍍層表面之間存在Fe的濃度梯度，這就導(dǎo)致了在鍍層表面會(huì)形成低Fe的ζ相（FeZn13）。同時(shí)，在鋼基體/鍍層截面形成了富 Fe的 Γ 相（Fe3Zn10）和 Γ1相（Fe5Zn21）[6-7]。鋅鐵合金鍍層鋼板得益于δ1相的物理化學(xué)特性，可用于汽車車身材料的制造。其他Fe-Zn化合物的存在也會(huì)對(duì)鋅鐵合金鍍層鋼板的使用特性造成一定的影響。

合金化鍍層鋼板較傳統(tǒng)純鋅鍍層鋼板在耐腐蝕性、抗石礫擊打性能、可焊性以及成形性等方面更佳[3,5,8]。上述性能中更優(yōu)的抗石礫擊打性能、可焊接性和耐蝕性能依賴于合金化鍍層的成分，而成形性能的提高依賴于合金化鍍層的結(jié)構(gòu)，且對(duì)鍍層各相的性能比較敏感?；诤辖鸹儗又懈飨鄬?duì)其特性的影響，如何通過工藝方法進(jìn)行控制成了至關(guān)重要的問題。Chattopadhyay[9]的研究表明，產(chǎn)線速度和鍍層Fe含量對(duì)GA鍍層粉化特性具有顯著的影響。Park等[10]研究了合金化溫度對(duì)IF鋼鍍層組織演變規(guī)律，結(jié)果表明，隨著合金化溫度的增加，F(xiàn)e-Zn金屬間化合物相的變化主要為η、ζ相的消失和δ、Γ相的生長(zhǎng)。Norihiko等[11]采用聚焦離子束（Focued Ion Beam，F(xiàn)IB）技術(shù)測(cè)試了鍍層各個(gè)相的性能，發(fā)現(xiàn)Γ1、δ1相均為脆性，Γ、ζ相具有延塑性，由此提出了理想的合金化鍍層相結(jié)構(gòu)為延塑性的Γ相、ζ相及中間夾著脆性的Γ1+δ1相的三明治結(jié)構(gòu)。Subhankar等[12]通過對(duì)合金化爐設(shè)備進(jìn)行改造，使得合金化溫度反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)更具有真實(shí)性和時(shí)效性，獲得了優(yōu)異的合金化鍍層。

本研究結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，在工業(yè)生產(chǎn)線開展IF鋼合金化工藝優(yōu)化的探索，研究不同合金化溫度下鍍層相結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律及其對(duì)抗粉化性能的影響規(guī)律，以期為實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的工藝制度優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為汽車沖壓用IF鋼（Interstitial-free Steel，無間隙原子鋼），其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2，表中n為應(yīng)變硬化指數(shù)，r為塑性應(yīng)變比。試驗(yàn)板的厚度為0.8 mm，單面鍍層重量目標(biāo)值為45 g/m2。

表2 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of test materials

C Si Mn P S Fe≤0.01 ≤0.1 ≤0.15 ≤0.15 ≤0.01 Bal.

合金化工藝調(diào)整試驗(yàn)在連續(xù)熱浸鍍生產(chǎn)線上開展。退火后的帶鋼進(jìn)入鋅鍋進(jìn)行熱浸鍍鋅，隨后經(jīng)氣刀吹掃獲得預(yù)定的鍍層厚度，最后進(jìn)入合金化爐進(jìn)行鍍層的合金化反應(yīng)。合金化爐由2部分組成，包括加熱段和保溫段，其中加熱段采用高頻感應(yīng)加熱，保溫段為電阻絲加熱。本研究中的合金化溫度特指高頻感應(yīng)加熱段的溫度，采用的合金化溫度為 485、500、515、530、545 ℃。

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)樣品的表面和截面進(jìn)行觀測(cè)，采用X射線衍射儀對(duì)樣片鍍層的物相進(jìn)行分析。

將試驗(yàn)鋼板在專用沖孔機(jī)上沖裁成φ50 mm的圓片，使用酒精清洗表面油污，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測(cè)定鍍層中的Fe含量。

采用專用的60° V彎設(shè)備評(píng)價(jià)鍍層抗粉化性能。步驟為：將鋼板沖裁成φ100 mm的試樣，使用酒精洗去表面油污；在V彎設(shè)備上對(duì)試樣進(jìn)行60° V彎；再將V彎試樣展平，將3M膠帶粘貼在彎曲區(qū)域，然后撕下3M膠帶粘貼到白板紙上，使用游標(biāo)卡尺測(cè)試其粉化寬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 合金化溫度對(duì)鍍層相結(jié)構(gòu)的影響

不同合金化溫度下的鍍層XRD衍射圖譜如圖1所示。合金化溫度為485 ℃時(shí)，鍍層主要由純鋅 η、δ、ζ、Γ相組成（圖1a）；合金化溫度為500、515 ℃ 時(shí)，鍍層中主要有 δ、ζ、Γ 相（圖1b、圖1c），此溫度下η相消失；在合金化溫度為530、545 ℃時(shí)，鍍層主要由δ、Γ相組成（圖1d、圖1e）。

圖1 不同合金化溫度下的鍍層XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of galvannealed coating produced at different temperatures

不同合金化溫度下的合金化鍍層表面SEM照片如圖2所示。由圖2a可知：當(dāng)合金化溫度為485 ℃時(shí)，表面由桿狀的ζ、η相組成；隨著合金化溫度提升至500 ℃時(shí)，鍍層表面的桿狀ζ相占主導(dǎo)，同時(shí)開始出現(xiàn)粒狀的δ相（圖2b）；合金化溫度為515 ℃時(shí)，鍍層表面由桿狀的ζ相和粒狀的δ相組成（圖2c）；隨著溫度升至530 ℃，鍍層表面的δ相占比進(jìn)一步提高（圖2d），僅有少量的ζ相；當(dāng)合金化溫度達(dá)到545 ℃時(shí)，表面全部由粒狀的δ相組成，桿狀ζ相消失（圖2e）。值得注意的是，當(dāng)合金化溫度為485 ℃時(shí)，有大量的桿狀ζ相與鍍層表面呈垂直或者近似垂直的方式存在，當(dāng)隨著合金化溫度增加至515 ℃時(shí)，垂直表面或和表面呈一定角度的ζ相基本消失，存在平行于表面的ζ相。在合金化溫度為515、530 ℃時(shí)，表面結(jié)構(gòu)為占主導(dǎo)的δ相和少量的ζ相。就表面相結(jié)構(gòu)而言，如果ζ相過多則會(huì)造成鍍層表面的粗糙度過大，如圖2a所示。表面ζ相粗大且蓬松，會(huì)帶來幾個(gè)方面的問題：一是鍍層的摩擦因素增加造成模具粘鋅[13]；其次，會(huì)惡化鋼板的涂裝性能，同時(shí)會(huì)降低鍍層耐蝕性[4]。

圖2 不同合金化溫度下的鍍層表面鍍層形貌Fig.2 Surface morphology of coatings under different alloying temperatures

不同合金化溫度下的合金化鍍層截面SEM照片如圖3所示。當(dāng)合金化溫度為485 ℃時(shí)，截面近表面?zhèn)却嬖诩s1/2鍍層厚度的ζ相+η相，其余為δ相（圖3a）；隨著合金化溫度提高至500 ℃，截面近表面?zhèn)却嬖诩s1/3鍍層厚度的ζ相，其余為δ相（圖3b）；當(dāng)合金化溫度為515 ℃時(shí)，截面基本不存在ζ相，δ相占主導(dǎo)地位；隨后合金化溫度增加至530、545 ℃時(shí)，截面依然以δ相為主（圖3d、圖3e）。由圖3可知，在合金化溫度為485～545 ℃時(shí)，鍍層/基體界面處都存在Γ相，圖1a～圖1e的衍射圖譜也證實(shí)該結(jié)果，且在530 ℃之前以不連續(xù)狀存在，在545 ℃時(shí)變?yōu)檫B續(xù)的Γ相層，厚度小于1 μm。上述現(xiàn)象表明，在合金化溫度低于500 ℃時(shí)，因Fe/Zn之間的擴(kuò)散有限，鍍層中會(huì)存在大量低Fe的ζ相和η相，過多的ζ相和η相會(huì)惡化鍍層的耐蝕性能，同時(shí)嚴(yán)重影響IF鋼的深沖性能，產(chǎn)品不希望得到該種相結(jié)構(gòu)的鍍層[3]。當(dāng)合金化溫度為515～530 ℃時(shí)，F(xiàn)e/Zn之間的擴(kuò)散比較充分，δ相在鍍層中占主導(dǎo)地位，結(jié)合表面相結(jié)構(gòu)可知，此時(shí)僅表面存在少量的ζ相，基體/鍍層界面的Γ相以不連續(xù)狀出現(xiàn)，在鍍層中占比極小，該鍍層具有良好的綜合性能。當(dāng)合金化溫度提高到545 ℃時(shí)，因Fe/Zn之間擴(kuò)散的更加充分，截面鍍層顯得更加致密，但由于此時(shí)的Γ相已經(jīng)長(zhǎng)大且連續(xù)分布在基體/鍍層截面，可能會(huì)增加鍍層的粉化[9]。

圖3 不同合金化溫度下的鍍層截面形貌Fig.3 Cross-sectional morphology of coatings under different alloying temperatures

2.2 合金化溫度對(duì)鍍層Fe含量的影響

圖4為使用ICP方法測(cè)試的鍍層中的Fe含量。由圖4可知，當(dāng)合金化溫度為485～545 ℃時(shí)，隨著溫度的增加，鍍層中的Fe含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，F(xiàn)e含量變化區(qū)間由7.0%增加至約12.0%。當(dāng)合金化溫度由485 ℃增加至500 ℃時(shí)，鍍層Fe含量增加幅度為3%；而合金化溫度由500 ℃增加至515 ℃時(shí)，鍍層Fe含量的增幅＜0.5%。合金化溫度由530 ℃升高到545 ℃時(shí)，鍍層中Fe含量的增加幅度較大。上述現(xiàn)象主要是由于在不同合金化溫度下鍍層中相結(jié)構(gòu)的演變?cè)斐傻?。結(jié)合圖1a、圖1b可知，當(dāng)合金化溫度由485 ℃升至500 ℃時(shí)，相結(jié)構(gòu)中η相消失，且ζ相大部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣南?，說明該溫度區(qū)間為ζ相向δ相的轉(zhuǎn)變區(qū)間；合金化溫度為500～515 ℃時(shí)，鍍層中主要是δ相，在該階段既未發(fā)生大量的ζ相向δ相的轉(zhuǎn)變，也未發(fā)生大量的δ相向?；颚?相的轉(zhuǎn)變，因此Fe含量在此范圍內(nèi)變化較為緩慢。合金化溫度在515～545 ℃時(shí)，鍍層中的ζ相逐漸消失，鍍層主要由δ相組成，同時(shí)Γ相厚度有所增加，即發(fā)生了δ相向Fe含量更高的Γ相的轉(zhuǎn)變，并在545 ℃時(shí)鍍層中的Fe含量接近12.0%。

圖4 不同合金化溫度下的鍍層中Fe含量Fig.4 Fe content in the coating under different alloying temperatures

2.3 合金化溫度對(duì)鍍層60° V彎粉化寬度的影響

圖5是不同合金化溫度下使用60° V彎設(shè)備得到的鍍層粉化寬度。由圖5可知，當(dāng)合金化溫度為485～545 ℃時(shí)，粉化寬度隨溫度提升而增加。當(dāng)合金化溫度由485 ℃增加到500 ℃，粉化寬度增幅最大超過1 mm；而合金化溫度由500 ℃增加到530 ℃時(shí)，粉化寬度略微增加，增加量約0.4 mm，且粉化寬度小于4 mm。造成上述現(xiàn)象可能的原因?yàn)椋寒?dāng)合金化溫度在485 ℃時(shí)，鍍層中Fe含量約為7%，可認(rèn)為鍍層主要由ζ相+η相構(gòu)成，由于ζ相為軟相，η相為純鋅相，因此在60° V彎試驗(yàn)下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗粉化性能；而當(dāng)合金化溫度提升到500 ℃以上時(shí)，鍍層Fe含量增加到10%左右，以δ相為主，僅有鍍層表面存在一定量的ζ相，δ相較ζ相為硬脆性[11]，因此合金化溫度由485 ℃增加至500 ℃時(shí)，粉化寬度迅速增加。后續(xù)繼續(xù)增加合金化溫度時(shí)，合金化鍍層中δ相占主導(dǎo)并未發(fā)生變化，因此60° V彎粉化寬度的增幅有限，即使在合金化溫度達(dá)到545 ℃時(shí)，鍍層中Fe含量依然小于12%，并未發(fā)生過合金化。

圖5 不同合金化溫度下鍍層60° V彎粉化寬度Fig.5 60° V-bend powdering width of coating under different alloying temperatures

綜合分析不同合金化溫度與IF鋼合金化鍍層相結(jié)構(gòu)、Fe含量以及粉化性能的關(guān)系可知，合金化溫度的選擇至關(guān)重要。合金化溫度較低會(huì)導(dǎo)致鍍層中ζ相的占比高，表面主要由ζ相+純鋅η相，此時(shí)雖然具有良好的抗粉化性能，但是由于ζ相為軟相，摩擦系數(shù)較大，成形時(shí)增加了鋼板與模具間的摩擦，導(dǎo)致出現(xiàn)鍍層剝落，進(jìn)而損傷模具和沖壓件的表面質(zhì)量，因此在生產(chǎn)中應(yīng)予以避免。合金化溫度較高時(shí)，鍍層表面ζ相消失，鍍層全部由脆硬相組成，導(dǎo)致抗粉化性能有所下降。在合金化溫度為515～530 ℃時(shí)，得到的IF鋼鍍層產(chǎn)品具有良好的綜合性能，此時(shí)，鍍層相結(jié)構(gòu)主要由δ相構(gòu)成，這就保證了鍍層的致密性，從而具有較優(yōu)的耐腐蝕性能；表面相結(jié)構(gòu)δ相占主導(dǎo)且含有少量的ζ相，保證了鍍層在具有較低的摩擦系數(shù)的同時(shí)也具有良好的抗粉化性能，從而具有優(yōu)異的成形性能；鍍層Fe含量在10%左右，保證了鍍層中不會(huì)出現(xiàn)較厚的Γ相層，從而保證了鍍層與基體之間有良好的附著力。

3 結(jié)論

1）不同合金化溫度下鍍層有不同的相結(jié)構(gòu)。在485～545 ℃合金化溫度時(shí)，隨著溫度的增加，η、ζ相依次消失，δ、Γ相占比逐步增加。當(dāng)合金化溫度達(dá)515 ℃以上時(shí)，鍍層主要由δ相組成。

2）在合金化溫度為515～530 ℃時(shí)，鍍層相結(jié)構(gòu)主要為δ相，鍍層中Fe含量約為10%，粉化寬度＜4 mm，IF鋼合金化鍍層得綜合性能良好的合金化鍍層。