IF钢合金化镀层相结构及60° V弯粉化性能研究

2022-11-10刘东亚陈友志

失效分析与预防 2022年5期

刘东亚，葛浩，陈友志，崔磊，张军

（马鞍山钢铁股份有限公司技术中心，安徽马鞍山 243000）

0 引言

合金化镀层钢板（Galvannealed Sheet Steel，简称GA板）是将退火后的钢带浸入约460 ℃的熔融锌锅内，出锌锅后通过气刀吹扫获得预期镀层厚度，然后进入合金化炉，在高温下发生镀层与钢基体的相互扩散，从而获得合金化镀层[1-4]。GA镀层组织由δ相、ζ相和Γ相组成，镀层Fe含量通常为8%～12%（质量分数，下同）[5]。由于镀层是扩散形成的，因此在钢基体/镀层界面和镀层表面之间存在Fe的浓度梯度，这就导致了在镀层表面会形成低Fe的ζ相（FeZn13）。同时，在钢基体/镀层截面形成了富 Fe的 Γ 相（Fe3Zn10）和 Γ1相（Fe5Zn21）[6-7]。锌铁合金镀层钢板得益于δ1相的物理化学特性，可用于汽车车身材料的制造。其他Fe-Zn化合物的存在也会对锌铁合金镀层钢板的使用特性造成一定的影响。

合金化镀层钢板较传统纯锌镀层钢板在耐腐蚀性、抗石砾击打性能、可焊性以及成形性等方面更佳[3,5,8]。上述性能中更优的抗石砾击打性能、可焊接性和耐蚀性能依赖于合金化镀层的成分，而成形性能的提高依赖于合金化镀层的结构，且对镀层各相的性能比较敏感。基于合金化镀层中各相对其特性的影响，如何通过工艺方法进行控制成了至关重要的问题。Chattopadhyay[9]的研究表明，产线速度和镀层Fe含量对GA镀层粉化特性具有显著的影响。Park等[10]研究了合金化温度对IF钢镀层组织演变规律，结果表明，随着合金化温度的增加，Fe-Zn金属间化合物相的变化主要为η、ζ相的消失和δ、Γ相的生长。Norihiko等[11]采用聚焦离子束（Focued Ion Beam，FIB）技术测试了镀层各个相的性能，发现Γ1、δ1相均为脆性，Γ、ζ相具有延塑性，由此提出了理想的合金化镀层相结构为延塑性的Γ相、ζ相及中间夹着脆性的Γ1+δ1相的三明治结构。Subhankar等[12]通过对合金化炉设备进行改造，使得合金化温度反馈调节系统更具有真实性和时效性，获得了优异的合金化镀层。

本研究结合现有的研究成果，在工业生产线开展IF钢合金化工艺优化的探索，研究不同合金化温度下镀层相结构的演变规律及其对抗粉化性能的影响规律，以期为实际生产时的工艺制度优化提供参考。

1 试验材料及方法

试验材料为汽车冲压用IF钢（Interstitial-free Steel，无间隙原子钢），其化学成分见表1，力学性能见表2，表中n为应变硬化指数，r为塑性应变比。试验板的厚度为0.8 mm，单面镀层重量目标值为45 g/m2。

表2 试验材料的力学性能Table 2 Mechanical properties of test materials

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

合金化工艺调整试验在连续热浸镀生产线上开展。退火后的带钢进入锌锅进行热浸镀锌，随后经气刀吹扫获得预定的镀层厚度，最后进入合金化炉进行镀层的合金化反应。合金化炉由2部分组成，包括加热段和保温段，其中加热段采用高频感应加热，保温段为电阻丝加热。本研究中的合金化温度特指高频感应加热段的温度，采用的合金化温度为 485、500、515、530、545 ℃。

采用场发射扫描电子显微镜对样品的表面和截面进行观测，采用X射线衍射仪对样片镀层的物相进行分析。

将试验钢板在专用冲孔机上冲裁成φ50 mm的圆片，使用酒精清洗表面油污，采用电感耦合等离子发射光谱仪测定镀层中的Fe含量。

采用专用的60° V弯设备评价镀层抗粉化性能。步骤为：将钢板冲裁成φ100 mm的试样，使用酒精洗去表面油污；在V弯设备上对试样进行60° V弯；再将V弯试样展平，将3M胶带粘贴在弯曲区域，然后撕下3M胶带粘贴到白板纸上，使用游标卡尺测试其粉化宽度。

2 试验结果及分析

2.1 合金化温度对镀层相结构的影响

不同合金化温度下的镀层XRD衍射图谱如图1所示。合金化温度为485 ℃时，镀层主要由纯锌 η、δ、ζ、Γ相组成（图1a）；合金化温度为500、515 ℃ 时，镀层中主要有 δ、ζ、Γ 相（图1b、图1c），此温度下η相消失；在合金化温度为530、545 ℃时，镀层主要由δ、Γ相组成（图1d、图1e）。

图1 不同合金化温度下的镀层XRD图谱Fig.1 XRD patterns of galvannealed coating produced at different temperatures

不同合金化温度下的合金化镀层表面SEM照片如图2所示。由图2a可知：当合金化温度为485 ℃时，表面由杆状的ζ、η相组成；随着合金化温度提升至500 ℃时，镀层表面的杆状ζ相占主导，同时开始出现粒状的δ相（图2b）；合金化温度为515 ℃时，镀层表面由杆状的ζ相和粒状的δ相组成（图2c）；随着温度升至530 ℃，镀层表面的δ相占比进一步提高（图2d），仅有少量的ζ相；当合金化温度达到545 ℃时，表面全部由粒状的δ相组成，杆状ζ相消失（图2e）。值得注意的是，当合金化温度为485 ℃时，有大量的杆状ζ相与镀层表面呈垂直或者近似垂直的方式存在，当随着合金化温度增加至515 ℃时，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。在合金化温度为515、530 ℃时，表面结构为占主导的δ相和少量的ζ相。就表面相结构而言，如果ζ相过多则会造成镀层表面的粗糙度过大，如图2a所示。表面ζ相粗大且蓬松，会带来几个方面的问题：一是镀层的摩擦因素增加造成模具粘锌[13]；其次，会恶化钢板的涂装性能，同时会降低镀层耐蚀性[4]。

图2 不同合金化温度下的镀层表面镀层形貌Fig.2 Surface morphology of coatings under different alloying temperatures

不同合金化温度下的合金化镀层截面SEM照片如图3所示。当合金化温度为485 ℃时，截面近表面侧存在约1/2镀层厚度的ζ相+η相，其余为δ相（图3a）；随着合金化温度提高至500 ℃，截面近表面侧存在约1/3镀层厚度的ζ相，其余为δ相（图3b）；当合金化温度为515 ℃时，截面基本不存在ζ相，δ相占主导地位；随后合金化温度增加至530、545 ℃时，截面依然以δ相为主（图3d、图3e）。由图3可知，在合金化温度为485～545 ℃时，镀层/基体界面处都存在Γ相，图1a～图1e的衍射图谱也证实该结果，且在530 ℃之前以不连续状存在，在545 ℃时变为连续的Γ相层，厚度小于1 μm。上述现象表明，在合金化温度低于500 ℃时，因Fe/Zn之间的扩散有限，镀层中会存在大量低Fe的ζ相和η相，过多的ζ相和η相会恶化镀层的耐蚀性能，同时严重影响IF钢的深冲性能，产品不希望得到该种相结构的镀层[3]。当合金化温度为515～530 ℃时，Fe/Zn之间的扩散比较充分，δ相在镀层中占主导地位，结合表面相结构可知，此时仅表面存在少量的ζ相，基体/镀层界面的Γ相以不连续状出现，在镀层中占比极小，该镀层具有良好的综合性能。当合金化温度提高到545 ℃时，因Fe/Zn之间扩散的更加充分，截面镀层显得更加致密，但由于此时的Γ相已经长大且连续分布在基体/镀层截面，可能会增加镀层的粉化[9]。

图3 不同合金化温度下的镀层截面形貌Fig.3 Cross-sectional morphology of coatings under different alloying temperatures

2.2 合金化温度对镀层Fe含量的影响

图4为使用ICP方法测试的镀层中的Fe含量。由图4可知，当合金化温度为485～545 ℃时，随着温度的增加，镀层中的Fe含量呈现增加的趋势，Fe含量变化区间由7.0%增加至约12.0%。当合金化温度由485 ℃增加至500 ℃时，镀层Fe含量增加幅度为3%；而合金化温度由500 ℃增加至515 ℃时，镀层Fe含量的增幅＜0.5%。合金化温度由530 ℃升高到545 ℃时，镀层中Fe含量的增加幅度较大。上述现象主要是由于在不同合金化温度下镀层中相结构的演变造成的。结合图1a、图1b可知，当合金化温度由485 ℃升至500 ℃时，相结构中η相消失，且ζ相大部分转变为δ相，说明该温度区间为ζ相向δ相的转变区间；合金化温度为500～515 ℃时，镀层中主要是δ相，在该阶段既未发生大量的ζ相向δ相的转变，也未发生大量的δ相向Γ或Γ1相的转变，因此Fe含量在此范围内变化较为缓慢。合金化温度在515～545 ℃时，镀层中的ζ相逐渐消失，镀层主要由δ相组成，同时Γ相厚度有所增加，即发生了δ相向Fe含量更高的Γ相的转变，并在545 ℃时镀层中的Fe含量接近12.0%。

图4 不同合金化温度下的镀层中Fe含量Fig.4 Fe content in the coating under different alloying temperatures

2.3 合金化温度对镀层60° V弯粉化宽度的影响

图5是不同合金化温度下使用60° V弯设备得到的镀层粉化宽度。由图5可知，当合金化温度为485～545 ℃时，粉化宽度随温度提升而增加。当合金化温度由485 ℃增加到500 ℃，粉化宽度增幅最大超过1 mm；而合金化温度由500 ℃增加到530 ℃时，粉化宽度略微增加，增加量约0.4 mm，且粉化宽度小于4 mm。造成上述现象可能的原因为：当合金化温度在485 ℃时，镀层中Fe含量约为7%，可认为镀层主要由ζ相+η相构成，由于ζ相为软相，η相为纯锌相，因此在60° V弯试验下表现出优异的抗粉化性能；而当合金化温度提升到500 ℃以上时，镀层Fe含量增加到10%左右，以δ相为主，仅有镀层表面存在一定量的ζ相，δ相较ζ相为硬脆性[11]，因此合金化温度由485 ℃增加至500 ℃时，粉化宽度迅速增加。后续继续增加合金化温度时，合金化镀层中δ相占主导并未发生变化，因此60° V弯粉化宽度的增幅有限，即使在合金化温度达到545 ℃时，镀层中Fe含量依然小于12%，并未发生过合金化。

图5 不同合金化温度下镀层60° V弯粉化宽度Fig.5 60° V-bend powdering width of coating under different alloying temperatures

综合分析不同合金化温度与IF钢合金化镀层相结构、Fe含量以及粉化性能的关系可知，合金化温度的选择至关重要。合金化温度较低会导致镀层中ζ相的占比高，表面主要由ζ相+纯锌η相，此时虽然具有良好的抗粉化性能，但是由于ζ相为软相，摩擦系数较大，成形时增加了钢板与模具间的摩擦，导致出现镀层剥落，进而损伤模具和冲压件的表面质量，因此在生产中应予以避免。合金化温度较高时，镀层表面ζ相消失，镀层全部由脆硬相组成，导致抗粉化性能有所下降。在合金化温度为515～530 ℃时，得到的IF钢镀层产品具有良好的综合性能，此时，镀层相结构主要由δ相构成，这就保证了镀层的致密性，从而具有较优的耐腐蚀性能；表面相结构δ相占主导且含有少量的ζ相，保证了镀层在具有较低的摩擦系数的同时也具有良好的抗粉化性能，从而具有优异的成形性能；镀层Fe含量在10%左右，保证了镀层中不会出现较厚的Γ相层，从而保证了镀层与基体之间有良好的附着力。