熱成型鋼板、鋁硅鍍層鋼板和熱鍍純鋅鍍層鋼板的耐蝕性研究

袁 超，李華鑫，馮婷婷，張 錦，姜發(fā)同，馬 秋

(吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江 寧波 315336)

0 前 言

熱成型鋼通過加熱到再結(jié)晶溫度以上并快速冷卻，使組織轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，材料的抗拉強度可達到1 500 MPa。因此，熱成型鋼被廣泛用于制造汽車安全結(jié)構(gòu)件，如前后防撞梁、A柱、B柱、門檻梁和縱梁等，在保證車身碰撞安全性的同時有效減輕車身重量[1-3]。目前，常用的熱成型鋼涵蓋裸板、鋅基鍍層和鋁硅鍍層3種[4, 5]。裸板在加熱過程中容易出現(xiàn)表面氧化和脫碳，且服役過程中容易出現(xiàn)腐蝕和表面疲勞強度降低等問題[5-8]。鋁硅鍍層熱成型鋼最早開發(fā)并實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)并用于汽車零部件制作，鋁硅鍍層能夠提升零部件的被動抗腐蝕能力，但其生產(chǎn)成本高且加工過程中鍍層容易產(chǎn)生開裂[5, 9-11]。近年來，各國鋼鐵企業(yè)和主機廠逐漸將研究重點轉(zhuǎn)向成本低廉且具有優(yōu)異陰極保護作用的鋅基鍍層材料[5, 12, 13]。但是，鋅基鍍層同樣面臨熱成型加熱過程中鋅層的蒸發(fā)以及液態(tài)金屬導(dǎo)致脆性裂紋這2個問題。通過預(yù)合金化或快速預(yù)冷卻等工藝，可有效改善上述問題?，F(xiàn)階段許多汽車制造商亟需了解鋅基鍍層與其他種類鍍層保護能力的差異。因此，本工作對熱成型裸板、鋁硅鍍層熱成型鋼板和鋅基鍍層熱成型鋼板的腐蝕性能進行了對比研究。

1 試 驗

1.1 試驗材料

分別采用國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的熱成型裸板(UC)、熱浸鍍鋁硅鍍層板(AS75/75)和熱浸鍍純鋅鍍層板(GI80/80)作為試材，鋁硅鍍層和純鋅鍍層分別為雙面等厚75/75 g/m2和80/80 g/m2，基材主要化學(xué)成分見表1。

表1 試驗基材主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

熱成型裸板和鋁硅鍍層熱成型鋼板生產(chǎn)工藝為：坯料在890～930 ℃加熱4～5 min后，輸送至沖壓模具完成成型和模具內(nèi)淬火。鋅基鍍層熱成型鋼板生產(chǎn)工藝為：坯料在850～890 ℃加熱4～5 min后，快速冷卻到700～750 ℃后輸送至沖壓模具完成成型和模具內(nèi)淬火。

1.2 測試分析

熱成型裸板、鋁硅鍍層熱成型鋼板和鋅基鍍層熱成型鋼板的耐腐蝕性能通過中性鹽霧試驗進行評估，試驗設(shè)備為Q - Fog CCT1100。中性鹽霧試驗(NSS)依據(jù)GB/T 10125-2012“人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗”，氯化鈉溶液濃度為50 g/L，80 cm2平均沉降速率為1.5 mL/h，pH值為6.5～7.2。

為模擬驗證3種材料在車輛服役過程中的抗腐蝕能力，3種材料同時進行隨車電泳，電泳層厚度約為17 μm。利用專用刀具對電泳漆膜劃叉破損，使劃痕貫穿至基體，劃痕寬度為0.2 mm。隨后3種材料在中性鹽霧環(huán)境下進行42 d腐蝕試驗。

采用Imager.M2m金相顯微鏡對3種熱成型材料的金相組織、鍍層材料截面形貌、腐蝕深度和腐蝕寬度進行檢測。利用FEI teneo掃描電子顯微鏡(SEM)和OXFORD X - MAX能譜儀(EDS)對3種熱成型材料的鍍層相結(jié)構(gòu)和腐蝕產(chǎn)物進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 試材金相組織

熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料的金相組織形貌如圖1所示?？梢?種材料的金相組織基本一致，均為馬氏體和少量殘余奧氏體組織。

圖1 3種材料金相組織形貌Fig. 1 Microstructure of three kinds of plates

2.2 鍍層形貌

熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料截面形貌如圖2所示。熱成型裸板在加熱和傳送過程中，表層中的C元素與空氣中的O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成CO2，導(dǎo)致材料表面形成脫碳層，如圖2a所示，脫碳層深度約為10 μm。鋁硅鍍層熱成型鋼板在加熱過程中，鋁硅鍍層和基體發(fā)生相互擴散，鋁硅鍍層轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的Fe - Al - Si合金化合物相并形成典型的4層結(jié)構(gòu)(如圖2b所示)。結(jié)合表2中鋁硅鍍層各層EDS檢測結(jié)果，I區(qū)為鍍層和基體之間形成的中間擴散層，厚度約為11 μm，該層主要為α - Fe相；II區(qū)中Fe和Al的原子分數(shù)分別為15.34%和35.80%，該層主要為Fe2Al5相；III區(qū)中Fe和Al的原子分數(shù)分別為23.67%和25.17%，該層主要為FeAl相；IV區(qū)中Fe和Al的原子分數(shù)分別為16.16%和43.21%，該層相結(jié)構(gòu)與II區(qū)一致，主要為Fe2Al5相。同時，鋁硅鍍層表面在熱成型后出現(xiàn)明顯裂紋，但裂紋均終止于中間擴散層，并未擴展到基體，見圖2b。鋅基鍍層熱成型鋼板在加熱過程中鋅層和基體發(fā)生相互擴散，純鋅鍍層轉(zhuǎn)變?yōu)殇\鐵合金化鍍層，鍍層厚約25 μm。由表2中鋅基鍍層上中下3個位置EDS檢測結(jié)果可看出，F(xiàn)e的質(zhì)量分數(shù)由界面處的76.85%逐漸降低至近表層63.20%，整個鍍層相結(jié)構(gòu)主要為α - Fe相。同時，鋅鐵合金化鍍層中也存在明顯裂紋，見圖2c，這是由于鍍層和基體熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致在成型和淬火過程中而產(chǎn)生的[14]，但裂紋未滲透到基體。

圖2 3種材料截面形貌Fig. 2 Cross section morphology of three kinds of plates

表2 鋁硅鍍層和鋅基鍍層各點EDS檢測結(jié)果

2.3 腐蝕性能

熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料中性鹽霧腐蝕14，28，42 d后表面形貌如圖3。裸板和鋁硅鍍層鋼板在中性鹽霧試驗14 d時表面已被紅銹全部覆蓋，而鋅基鍍層板在進行到28 d時被紅銹全部覆蓋。3種材料隨試驗時間延長腐蝕程度逐漸加重，其中裸板表面經(jīng)過42 d腐蝕試驗后，表面凹凸不平，出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物明顯堆積；而鋁硅鍍層板和鋅基鍍層板經(jīng)過42 d腐蝕試驗后，表面相比裸板腐蝕更加均勻，未出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物大量堆積，表明2種鍍層對基體起到了良好的隔絕和保護作用。為確定3種材料抵抗紅銹出現(xiàn)的能力，以出現(xiàn)5%紅銹為基準，統(tǒng)計3種材料出現(xiàn)紅銹的時間。熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板出現(xiàn)5%紅銹時間分別為6，76，96 h，表明鋅基鍍層抗紅銹出現(xiàn)能力優(yōu)于鋁硅鍍層，而鋁硅鍍層優(yōu)于裸板。

熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料中性鹽霧腐蝕42 d后截面腐蝕形貌如圖4所示，EDS檢測結(jié)果見表3。如圖4a所示，熱成型裸板存在明顯的腐蝕坑，腐蝕坑深度達到257 μm，同時腐蝕坑表面附著一層腐蝕產(chǎn)物，結(jié)合表3中腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果，該腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物。而鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板表現(xiàn)出更加優(yōu)異的腐蝕性能，腐蝕坑深度明顯低于熱成型裸板，2種材料的最大腐蝕深度分別為134 μm和66 μm，并且腐蝕深度更加平緩均勻。同時，在鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板表面也存在一層腐蝕產(chǎn)物，根據(jù)腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果可以看出該腐蝕產(chǎn)物同樣為鐵的氧化物。

圖3 熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料中性鹽霧腐蝕形貌Fig. 3 NSS corrosion morphology of uncoated, Al - Si - coated and zinc - coated hot - stamped steel plates

圖4 熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料截面腐蝕形貌Fig. 4 Cross - section corrosion morphology of uncoated， Al - Si - coated and zinc - coated hot - stamped steel plates

表3 熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料截面腐蝕產(chǎn)物EDS檢測結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)) %

3種材料隨車電泳后再中性鹽霧腐蝕42 d，截面腐蝕形貌如圖5。對于熱成型裸板，當(dāng)電泳漆膜破損后，由于沒有鍍層的保護作用，基材在寬度和深度方向均腐蝕嚴重，形成明顯腐蝕坑，腐蝕坑的平均寬度和深度分別為75.6 μm和32.2 μm。對于鋁硅鍍層鋼板，由于EUC

圖5 3種材料經(jīng)電泳處理后截面腐蝕形貌Fig. 5 Cross - section corrosion morphology of three kinds of plates after electrophoresis treatment

3 結(jié) 論

(1)3種熱成型材料的金相組織均為馬氏體和少量殘余奧氏體組織。

(2)熱成型裸板表面脫碳層深度約為10 μm，鋁硅鍍層主要由α - Fe相、Fe2Al5相、FeAl相和Fe2Al5相4層結(jié)構(gòu)組成，鋅基鍍層主要由α - Fe相組成。

(3)中性鹽霧環(huán)境下，鋅基鍍層的抗紅銹產(chǎn)生能力優(yōu)于鋁硅鍍層，而鋁硅鍍層優(yōu)于裸板，熱成型裸板、鋁硅鍍層板和鋅基鍍層板3種材料出現(xiàn)5%紅銹的時間分別為6，76，96 h。

(4)中性鹽霧環(huán)境下，熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板的腐蝕深度分別為257，134，66 μm。

(5)中性鹽霧環(huán)境下，鋅基鍍層電泳板的抗腐蝕能力優(yōu)于鋁硅鍍層電泳板，而鋁硅鍍層電泳板優(yōu)于裸板材料電泳板，裸板、鋁硅鍍層和鋅基鍍層的電泳板腐蝕深度分別為32.2，7.0，2.5 μm，腐蝕寬度分別為75.6，42.3，143.8 μm。