铝锌合金镀层成形性能影响因素

林传华, 金鑫焱, 阎元媛

(1.宝山钢铁股份有限公司 冷轧厂, 上海 200941；2.宝山钢铁股份有限公司 研究院, 上海 200941)

铝锌合金镀层钢板具有优异的耐腐蚀性能和良好的光热反射性能，在建筑、家电等行业应用广泛[1]。由于镀层组织中各合金相存在差异，因此钢板在使用加工时容易出现裂纹[2]。钢板经过折弯后，镀层表面通常可见裂纹。

WILLIS等[3]对加工后的镀层进行分析，发现了裂纹数量、裂纹平均宽度与镀层厚度有线性相关性，镀层越厚，裂纹越多。GUO等[2]分析了锌花大小对镀层成形性能的影响，发现小锌花钢板比大锌花钢板的裂纹更密集、更短、更窄，穿透钢基体的裂纹数量更少。

铝锌合金镀层由内层的合金层以及外层的外覆层组成。笔者分别对镀层的合金层、外覆层以及界面层进行剖析，分析其对镀层裂纹的影响，希望通过研究镀层显微组织对加工成形性能的影响规律，控制镀层的显微组织结构，从而获得加工成形性能优异的铝锌镀层。

1 试验方法

1.1 镀层厚度对比试验

实际生产中，镀层越厚，钢板折弯后越容易产生裂纹。为了验证这个观点，对铝锌合金镀层钢板进行镀层厚度对比试验。试验材料为热浸镀生产线生产的厚度为0.4 mm的DX51D+AZ铝锌合金镀层钢板。热浸镀时，锌锅温度为600 ℃，钢板入锅温度为600 ℃，浸镀时间为3 s，镀液成分分别为：Al的质量分数为54.9%；Zn的质量分数为43%；Si的质量分数为1.55%；Fe的质量分数为0.474%；其余为固有杂质。在相同工况下，制作出不同镀层厚度的试样，其中1#，2#试样的镀层厚度较厚，3#，4#试样的镀层厚度较薄。试样规格为70 mm×120 mm(长×宽)，先用折弯机将试样折弯120°后，再使用压平仪将其压平到180°。对试样进行金相检验和扫描电镜(SEM)分析，再测量镀层厚度和裂纹长度。

1.2 合金层厚度试验

合金层相比外覆层更容易产生裂纹，对铝锌合金镀层钢板进行合金层厚度试验。试验采用经过深冲的、厚度为1.0 mm的DX54D+AZ铝锌合金镀层钢板，锌锅温度为600 ℃，入锅带钢温度为580～670 ℃。试样规格为340 mm×845 mm(长×宽)，用300 t冲压机(见图1)对试样进行冲压，冲压圆弧角半径为5 mm。冲压后镀层有裂纹的钢板为OK试样[见图2a)]，而镀层剥离甚至起皮露出钢基体的为NG试样[见图2b)]。对镀层截面进行金相检验和SEM分析，再测量镀层的合金层厚度，测量3次后取平均值。

图1 300 t冲压机外观

图2 冲压后不同变形程度镀层试样的宏观形貌

1.3 合金层与外覆层之间界面模拟试验

设计模拟试验，研究镀层组织对成形性能的影响。材料为DX51D+AZ，厚度为0.5 mm，试样规格为70 mm×120 mm(长×宽)。锌锅温度为600 ℃，浸镀时间为3 s。控制气刀压力，使镀层厚度一致，然后用不同冷却方式对试样进行冷却凝固，试样A为自然冷却方式，试样B为强制风冷方式。与镀层厚度对比试验相同，制作折弯试样。采用金相检验和SEM分析试样镀层截面，再测量镀层裂纹的长度。

2 结果与讨论

2.1 镀层厚度的影响

用体式显微镜观察弯折后的试样，其微观形貌如图3所示，图3a),3b)分别为1#，2#试样弯折后截面的微观形貌，镀层表面裂纹(黑色箭头处)清晰可见。图3c)，3d)分别为3#，4#试样弯折后截面的微观形貌，镀层表面裂纹不可见。由图3可知：镀层较厚的1#，2#试样比镀层较薄的3#，4#试样更容易产生裂纹。

图3 1#～4#试样弯折后截面的微观形貌

用SEM分析1#～4#试样，结果如图4所示。图4a)，4b)分别为1#，2#试样的SEM形貌，可知镀层裂纹开口长度(黑色箭头)较大；图4c)为3#试样的SEM形貌，镀层几乎无开裂；图4d)为4#试样的SEM形貌，可知镀层部分开裂(黑色箭头)，相比于1#，2#试样，其裂纹开口长度小。另外还发现4#试样的镀层厚度比3#试样的镀层厚度大。

图4 1#～4#试样弯折后截面的SEM形貌

对1#～4#试样弯折后的镀层裂纹进行量化分析可知：1#，2#试样的实测镀层厚度为22 μm～23 μm，裂纹总长度为472 μm～530 μm，镀层裂纹长度占比(与裂纹总长度的比值)为40%～45%；3#试样的实测镀层厚度为7 μm，裂纹总长度为44 μm，镀层裂纹长度占比为5%； 4#试样的实测镀层厚度为11 μm，裂纹总长度为133 μm，镀层裂纹长度占比为12%。由此可知，镀层较厚的钢板在弯折后易发生开裂。镀层裂纹长度占比与镀层厚度的关系如图5所示。

图5 镀层裂纹长度占比与镀层厚度的关系

钢板弯曲后会发生变形，弯曲的外层受到拉应力被拉长，内层受到压应力被挤压。钢板中间的拉应力与压应力相等，不发生变形，即中性层。钢板弯曲变形时，表层镀层的强度与钢基层会有差异，导致钢板弯曲变形，中性层将不通过横截面的中心，会有少许的偏移，这个偏移量受钢基体强度和镀层强度的影响。以厚度为0.3 mm的钢板为例，钢板厚度是镀层厚度的10倍以上，因此可以简化处理，认为中性层位置不变。

综上所述，铝锌镀层越厚，其成形性能越差。镀层的主要目的是对钢基体进行防护，钢板的服役寿命往往取决于镀层厚度，但是镀层厚度由钢板的使用工况决定，不可随意增减。

2.2 合金层厚度的影响

不同入锌锅带钢温度与合金层厚度的关系如图6所示，由图6可知：随着温度的升高，合金层厚度几乎呈线性增加；660 ℃以上时，合金层厚度超过2 μm；当合金层厚度超过1.3 μm时，镀层更容易出现剥离或起皮并露出钢基体的NG试样形貌。

图6 不同入锌锅带钢温度与合金层厚度的关系

铝锌合金层是镀液中Al，Si元素与钢基体反应的结果。反应的产物为金属间化合物Fe-Al-Si-Zn，构成了镀层的内层[3-5]。合金层厚度应小于5 μm，否则在高应变时镀层会产生裂纹。因此，需要控制合金层厚度。合金层厚度受浸镀时间、反应温度等影响，一般在相同条件下，温度越高，反应越剧烈，合金层厚度越大。

合金层硬度比外覆层大，成形性能比外覆层差，中间合金层是产生裂纹的主要原因。

2.3 合金层与外覆层界面的影响

不同厚度铝锌镀层钢板截面的SEM形貌如图7所示。由图7可知：较厚的镀层与合金层界面处的富锌相占比少，分布着很多硅相[见图7a)]；较薄镀层与合金层界面处的富锌相占比多，硅相相对少[见图7b)]。温度过冷和成分过冷会影响镀层凝固后的组织。1#～4#试样的镀液、钢基体都相同，其显微组织差异是温度过冷造成的。

图7 不同厚度铝锌合金镀层钢板截面的SEM形貌

图9 弯折后A,B试样的铝锌合金镀层表面微观形貌

模拟试验用的铝锌镀层钢板试样外观如图8所示，图8a)是自然冷却试样，编号为A，图8b)为强制风冷试样，编号为B。二者板面锌花大小有差异，试样A的锌花大，试样B的锌花小。弯折后A,B试样的铝锌镀层表面微观形貌如图9所示，试样A可见裂纹[见图9a)]，试样B的裂纹不明显[见图9b)]。

图8 模拟试验用的铝锌合金镀层钢板试样外观

图10为试样A，B的铝锌镀层截面的SEM形貌。由图10可知：试样A镀层与合金层界面处的富锌相占比少，分布着很多硅相；试样B界面处富锌相占比多，硅相少。试样A，B的镀层厚度均约为25 μm，合金层厚度均约为1.1 μm ～1.3 μm。由此可知，镀层凝固时的冷却速率影响镀层的显微组织，界面处显微组织影响镀层的成形性能。

图10 试样A，B的铝锌合金镀层截面的SEM形貌

3 结论

(1) 铝锌合金镀层的显微组织由富铝相、富锌相以及硅相组成，镀层变形过程中不同物相的塑性存在差异，导致钢板产生变形，在使用加工时出现裂纹。镀层越厚，外覆层的变形量越大，受到的拉应力越大，越容易发生开裂。相比较，薄镀层的变形量小，受到的应力小，开裂的倾向减小。

(2) 铝锌合金镀层形成过程中，高温镀液与钢基体之间剧烈反应，形成厚的合金层。过厚合金层的成形性能差，在应变时合金层是产生裂纹的重要来源。要获得性能良好的镀层，需要控制中间合金层的厚度。

(3) 镀后冷却速率不足时，外覆层与合金层之间的界面处容易富集脆而硬的硅相，诱发镀层开裂，成形性能变差。