高強(qiáng)鍍鋅板沖壓脫鋅原因分析

高興健,劉少先,王俊峰,楊繼武

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司制造部,廣東湛江 524000)

近年來,隨著汽車輕量化的深度進(jìn)行,以及人們對汽車節(jié)能減排、高安全性的要求,采用高強(qiáng)鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材實(shí)現(xiàn)汽車車身輕量化和提高安全性成為一項(xiàng)重要措施[1]。為了提高鋼材強(qiáng)度,在材料設(shè)計(jì)時添加較多Si、Mn等合金元素,這些合金元素在退火過程中會發(fā)生選擇性氧化[2],合金元素在鋼板表面富集,降低鋼板與鍍液之間的潤濕性,因此生產(chǎn)高強(qiáng)熱鍍鋅板除面對性能要求外,還面對表面質(zhì)量和鋅層附著性的巨大挑戰(zhàn)。在生產(chǎn)實(shí)踐中,為改善可鍍性和附著性,通常采用預(yù)氧化的方式,使外氧化轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)氧化,以提高鋅層和基板之間的結(jié)合力,但由此也會出現(xiàn)預(yù)氧化不足或過度的問題。

在沖壓高強(qiáng)鍍鋅板時,遇到一個較大的問題為脫鋅。脫鋅的原因有很多,本文對生產(chǎn)中遇到的3類典型脫鋅零件進(jìn)行分析,結(jié)合微觀特征和生產(chǎn)工藝,找到了其發(fā)生的主要原因,為生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為在沖壓或折彎時發(fā)生脫鋅的高強(qiáng)熱鍍純鋅板,材料的生產(chǎn)流程為煉鋼→熱軋→酸軋→連續(xù)退火→鍍鋅,表1為試驗(yàn)材料的化學(xué)成分。第一類脫鋅如圖1(a)所示,脫鋅現(xiàn)象較嚴(yán)重,在切邊和折彎處表面鋅層大面積脫落,宏觀可見脫落處存在發(fā)黑和發(fā)灰兩種不同的顏色;第二、第三類脫鋅如圖1(b)、(c)所示,均在折彎R角處發(fā)生脫鋅。第一類脫鋅零件采用XRD衍射儀分析板面物相,并采用場發(fā)射掃描電鏡分析脫鋅處形貌和成分,切割制備截面樣品,分析Zn—基板界面特征;第二類脫鋅零件采用場發(fā)射掃描電鏡分析脫鋅處形貌和成分,切割制備截面樣品,分析Zn—基板界面特征;第三類脫鋅零件采用場發(fā)射掃描電鏡分析脫鋅處形貌和成分,并使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)17%的HCl水溶液溶解鋅層至抑制層,分析抑制層形貌和成分。

表1 試驗(yàn)試樣化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of test specimens 單位:%

圖1 脫鋅件的宏觀形貌Fig.1 The macromorphology of test specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 第一類脫鋅

2.1.1 XRD物相分析

采用XRD衍射儀分析脫鋅零件表面物相,如圖2所示。該板面表面物相為Zn和FeO相,未探測到Fe相,在鋅層和基板的界面存在著一層FeO。正常鍍鋅板表面物相應(yīng)為Zn和Fe相,由于材料在鍍鋅前會經(jīng)歷酸洗—退火階段,表面基本不會存在FeO,因此該異?？赡苁敲撲\的主要原因。

2.1.2 表面形貌分析

圖3為脫鋅后發(fā)灰位置的掃描電鏡分析結(jié)果,其成分如表2所示。脫鋅反面存在兩種成分特征,從鋅層到基板界面處分別為疏松的氧化鐵層和致密的Si、Mn氧化物層,未檢測到Zn元素,如圖3(a)所示。由此可見,鋅層下方存在

圖2 表面物相分析結(jié)果Fig.2 Results of surface phase analysis

較厚的氧化鐵層,而脫鋅后的基板表面存在著對應(yīng)的Si、Mn氧化物層和氧化鐵層,如圖3(c)所示。

圖4為脫鋅后發(fā)黑位置的掃描電鏡分析結(jié)果。脫鋅后基板表層基本全是疏松的氧化鐵層,無Si、Mn氧化物層,而邊緣殘留鋅層的地方還可以觀察到一層薄薄的還原鐵層。由此可以看出,脫鋅后發(fā)灰和發(fā)黑只是脫鋅在界面處發(fā)生的位置差異。發(fā)灰處脫鋅發(fā)生在氧化鐵層和Si、Mn氧化物層之間,由于Si、Mn氧化物層較致密,對光線反射較強(qiáng),因此宏觀看著發(fā)灰;發(fā)黑處脫鋅發(fā)生在氧化鐵層內(nèi)部,由于氧化鐵層較疏松,對光線的反射能力弱,因此宏觀看著發(fā)黑。

圖3 發(fā)灰處基板表面SEM圖Fig.3 SEM micrographs on the grey area of the substrate

表2 第一類脫鋅處表面成分 Table 2 The surface compositions of the first type of dezincification 單位:%

圖4 發(fā)黑處基板表面SEM圖Fig.4 SEM micrographs on the black area of the substrate

2.1.3 Zn—基板界面分析

為了更清楚地探究脫鋅發(fā)生的位置及Zn—基板界面狀態(tài),對脫鋅零件切割制備截面金相試樣,采用熱鑲嵌的方式,用掃描電鏡分析Zn—基板之間的界面狀態(tài)。如圖5(a)所示,在脫鋅后的基板表面殘留一層約5 μm厚的氧化鐵層。未脫鋅處的截面可以看到整個界面存在多層結(jié)構(gòu),如圖5(c)所示,從基板一側(cè)開始,分別存在內(nèi)氧化層,Si、Mn氧化物層,氧化鐵層,還原鐵層,Zn層,而氧化鐵層厚度超過20 μm,其中還分別有疏松氧化鐵層和致密氧化鐵層,脫鋅主要發(fā)生在疏松氧化鐵層和致密氧化鐵層之間或氧化鐵層與Si、Mn氧化物層之間。

圖5 截面分析結(jié)果Fig.5 Cross-section analysis result

2.1.4 產(chǎn)生原因分析

根據(jù)上述分析可知,該缺陷與Zn—基板界面中存在異常的氧化鐵有關(guān)。氧化鐵層與基板的內(nèi)氧化層結(jié)合力不強(qiáng)或氧化鐵層內(nèi)部結(jié)合力不強(qiáng),在剪切或沖壓過程中發(fā)生大面積脫落現(xiàn)象。調(diào)查發(fā)現(xiàn)該卷生產(chǎn)過程中其后行卷焊接不良,導(dǎo)致帶鋼運(yùn)行時出現(xiàn)緊急降速,如圖6所示。加熱段采用直火燃燒,表面會發(fā)生氧化,經(jīng)過退火爐后會被完全還原,這一部分還原鐵與鍍層結(jié)合可改善可鍍性,而缺陷處在加熱段停留時間較長,導(dǎo)致生成較厚的氧化鐵皮,經(jīng)過退火爐內(nèi)無法被還原,從而導(dǎo)致缺陷的發(fā)生。

圖6 帶鋼運(yùn)行中央段速度Fig.6 Strip running center speeds

2.2 第二類脫鋅

2.2.1 表面形貌分析

用導(dǎo)電膠帶粘下脫鋅層后用掃描電鏡分析脫鋅反面,如圖7所示。脫鋅的界面處存在魚鱗狀的特征,能譜分析其成分含有Fe、Mn(表3),說明該處脫鋅并非只是鋅層與基板界面脫離,中間存在一層中間相。結(jié)合鍍鋅機(jī)組特點(diǎn),在退火加熱段存在預(yù)氧化,隨后還原,因此該中間層推測為還原鐵層。

圖7 脫鋅處表面形貌Fig.7 Surface morphology at dezincification

表3 第二類脫鋅處表面成分 Table 3 The surface compositions of the second type of dezincification 單位:%

2.2.2 截面形貌分析

為了探究脫鋅處的中間層及Zn—基板界面狀態(tài),對脫鋅零件和未脫鋅零件切割制備截面金相試樣,采用熱鑲嵌的方式,用掃描電鏡分析Zn—基板之間的界面狀態(tài),如圖8(a)所示。脫鋅零件在脫鋅層下方與鋅層結(jié)合的還有一層還原鐵層,其厚度大約為0.3 μm,且還原鐵層與鋅層結(jié)合牢固,并與基板的內(nèi)氧化層發(fā)生脫離,由此可以說明該脫鋅是發(fā)生在還原鐵層與內(nèi)氧化層之間,而未脫鋅零件還原鐵層明顯較薄,在同一倍數(shù)下基本看不出還原鐵層,且還原鐵層與內(nèi)氧化層結(jié)合較好,如圖8(b)所示。

圖8 截面形貌Fig.8 Cross-section morphology

2.2.3 產(chǎn)生原因分析

上述分析可知,脫鋅主要發(fā)生在還原鐵層與內(nèi)氧化層之間,脫鋅零件的還原鐵層較厚。高強(qiáng)鋼中由于添加較多的Si、Mn合金元素,導(dǎo)致鍍液與帶鋼的浸潤性變差。相關(guān)文獻(xiàn)指出,通過控制爐內(nèi)露點(diǎn)和氣氛,將帶鋼表面的外氧化轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)氧化,從而減少Si、Mn等元素在表面的選擇性氧化,提高鋼板的可鍍性[3],但當(dāng)預(yù)氧化過度時,使得界面中還原鐵層和內(nèi)氧化層較厚,還原后會形成過厚的還原鐵層,最終影響鍍層的結(jié)合力。黃才根等[4]研究了預(yù)氧化對熱鍍鋅高強(qiáng)鋼板鋅層附著性的影響,指出當(dāng)火焰加熱爐空氣與燃?xì)獗壤划?dāng),導(dǎo)致鋼板表面氧化鐵過多,隨后退火還原形成過厚的還原鐵層,在沖壓時極易發(fā)生脫落。因此在生產(chǎn)時,需要嚴(yán)格控制爐內(nèi)空燃比,并保持適度的預(yù)氧化。

2.3 第三類脫鋅

2.3.1 表面形貌分析

用導(dǎo)電膠帶粘下脫鋅層后用掃描電鏡分析脫鋅反面,如圖9所示。高倍下表面平整,與上述第二類脫鋅缺陷發(fā)現(xiàn)的魚鱗狀特征有明顯不同,使用能譜儀分析其成分如表4所示,成分主要為C、O、Al、Zn,未檢測到Fe、Mn等元素,由此可以確定,該處脫鋅僅發(fā)生在Zn層和抑制層界面。

圖9 脫鋅處表面形貌Fig.9 Surface morphology at dezincification

表4 第三類脫鋅處表面成分 Table 4 The surface compositions of the third type of dezincification 單位:%

2.3.2 抑制層形貌分析

選取折彎嚴(yán)重脫鋅、輕微脫鋅、未脫鋅零件,使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)17%的HCl水溶液溶解鋅層,保留抑制層,并使用場發(fā)射掃描電鏡分析抑制層形態(tài)。圖10(a)為嚴(yán)重脫鋅零件的抑制層形貌,表面大部分區(qū)域抑制層未有效形成,只形成少量的抑制層顆粒,且顆粒尺寸較小;圖10(b)為輕微脫鋅零件的抑制層形貌,與圖10(a)相比,其抑制層明顯粗大,但也不夠連續(xù);圖10(c)為未脫鋅零件的抑制層形貌,表面抑制層基本連續(xù)且完整,顆粒與顆粒之間緊密結(jié)合,是一種較好的抑制層形態(tài)。

圖10 抑制層形貌Fig.10 Morphology on the inhibition layer

2.3.3 產(chǎn)生原因分析

當(dāng)帶鋼進(jìn)入鋅鍋時,由于Al與Fe比Zn與Fe的金屬間化合物熱力學(xué)穩(wěn)定性更好,因此Al與Fe會優(yōu)先反應(yīng),使得 Al 優(yōu)先通過擴(kuò)散向界面富集,當(dāng)Fe和Al均達(dá)到過飽和時即形成Fe-Al IMC[5],界面中的這一層稱之為抑制層。抑制層的存在會阻礙Zn-Fe界面形成脆性的合金相,對鋅層附著有利,因此一般希望表面形成完整且致密的抑制層。影響抑制層的形成因素主要有帶鋼表面狀態(tài)、鋅鍋Al含量、入鋅鍋溫度等。上述3卷材料生產(chǎn)時入鋅鍋溫度分別為442、456、450 ℃,說明450 ℃是較好的入鋅鍋溫度。李婷婷等[6]研究了入鋅鍋溫度對表面抑制層形成的影響,當(dāng)帶鋼入鋅鍋溫度較低時,鋼基界面沒有足夠的熱量保證 Fe-Al 抑制層的有效形成,鍍層中會形成較厚的 Fe-Zn 合金層,影響鍍層黏附性;當(dāng)帶鋼入鋅鍋溫度較高時,Fe-Al 抑制層顆粒變得粗大。因此帶鋼進(jìn)入鋅鍋時應(yīng)選擇一個適當(dāng)?shù)臏囟取?/p>

3 結(jié)論

造成高強(qiáng)鍍鋅板沖壓脫鋅的原因主要與Zn-基板之間的界面狀態(tài)有關(guān),本文分析的3類脫鋅與基板氧化、還原鐵層過厚、抑制層未有效形成有關(guān)。其中基板氧化主要與帶鋼異常降速有關(guān),由于帶鋼生產(chǎn)時因缺陷造成的降速,部分帶鋼在爐內(nèi)時間過長,造成表面出現(xiàn)較嚴(yán)重的氧化,生產(chǎn)時應(yīng)對出現(xiàn)異常的材料采取有效的處理;還原鐵層和內(nèi)氧化層過厚主要與預(yù)氧化過度有關(guān),生產(chǎn)過程中應(yīng)選擇合適的空燃比,確保預(yù)氧化適當(dāng);抑制層未有效形成與入鋅鍋溫度低有關(guān),生產(chǎn)時應(yīng)根據(jù)鋼種采取合適的入鋅鍋溫度和鋅鍋Al含量,避免入鋅鍋溫度過低或過高,形成不良的抑制層。