不同鍍層重量的鋁硅鍍層加熱時的鍍層結構轉變規律

周世龍， 葉盛薇， 鄧璐璐， 鄧宗吉， 盧茜倩， 鄭笑芳

(1. 馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術中心， 安徽 馬鞍山 243000；2. 神龍汽車有限公司， 湖北 武漢 430000；3. 泛亞汽車技術中心有限公司， 上海 201201)

隨著汽車行業對減重、降低能耗、提高安全性能的要求日益提升，熱成形鋼及熱沖壓技術獲得廣泛應用，熱成形鋼零件的需求也快速增加[1-2]。熱沖壓技術關鍵工藝過程是加熱、沖壓、保壓和冷卻[3]。熱沖壓過程中鋼與空氣接觸形成氧化膜，會影響產品美觀和后續的焊接和噴涂性能，需要進行拋丸處理。鋁硅鍍層熱成形鋼因在熱沖壓過程中無氧化鐵皮成形，無需拋丸處理，可降低生產成本而應用最為廣泛[4-5]。Arcelor Mittal專利技術的Al-Si鍍層(化學成分(質量分數，下同)為8%～11%Si、2%～4%Fe，余量鋁)最為成熟，其性能已得到充分的應用驗證，典型Al-Si鍍層的化學成分為Al-9.3%Si-2.8%Fe[6]。

鋁硅鍍層熱成形鋼加熱后的鍍層結構對最終產品性能有著重要影響[7-8]。常規鍍層重量(AS150鍍層，60～100 g/m2)的Arcelor Mittal鋁硅鍍層熱成形后的鍍層由基體至表面分為4層結構，分別為擴散層、Fe-Al 層、Fe-Al-Si層和Fe-Al層[9]。目前關于熱處理工藝對常規鍍層重量和其他鍍層重量的鋁硅鍍層結構的影響缺乏系統性研究。因此，開展不同鍍層重量的鋁硅鍍層在加熱后的鍍層結構轉變規律研究，掌握鍍層結構與熱處理工藝的對應關系，對于制定熱沖壓工藝，指導熱沖壓生產，提高熱沖壓生產效率具有非常重要的意義。

1 試驗材料與方法

試驗所用材料為鍍鋁硅生產線生產的鋁硅鍍層鋼板，基板采用1.4 mm厚的22MnB5鋼板，鍍液成分Al-10%Si-2%Fe，雙面鍍層重量目標值為40、80和150 g/m2，分別標記為AS40(薄鍍層)、AS80(薄鍍層)和AS150(厚鍍層)，鍍層形貌分別如圖1所示，可見其單面鍍層厚度分別為8.20、12.50和25.12 μm。采用X射線熒光光譜法對鋼板沿板寬方向的雙面鍍層重量分布進行檢測分析，結果如表1所示，可見所得鋁硅鍍層的鍍層重量基本達到目標值。

圖1 鋁硅鍍層的顯微形貌Fig.1 Morphologies of the Al-Si coatings(a) AS40; (b) AS80; (c) AS150

表1 雙面鋁硅鍍層的重量分布(g/m2)

將上述鋁硅鍍層鋼板加工成尺寸為1.4 mm×75 mm ×150 mm的樣板，使用箱式電阻爐和平板淬火壓力機對試樣進行加熱和淬火，冷卻速率>30 ℃/s，具體熱處理工藝：①分別在840、870、900、930、960、1000 ℃保溫5 min；②在930 ℃分別保溫1、2、3、4、5、6、7、8、9 min。采用FEI-QUANTA450掃描電鏡和EDAX-APOLLOX能譜分析儀對加熱和淬火后的鍍層結構、化學成分和鍍層厚度進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 加熱溫度對不同鋁硅鍍層重量鍍層結構的影響

不同加熱溫度下AS40、AS80、AS150鍍層的顯微結構如圖2～圖4所示，相應位置化學成分和相分析結果如表2～表4所示?？梢钥闯觯孩偌訜釡囟容^低時(840 ℃)，薄鍍層(AS40和AS80)呈現4層結構(由基體至鍍層表面分別為擴散層(Fe+Fe3Al)、Fe-Al層、Fe-Al-Si層和Fe-Al表面層)，而厚鍍層(AS150)呈現5層結構，在4層結構的外側還存在一層低Fe含量的Fe-Al-Si層，加熱溫度升至900 ℃時，厚鍍層AS150轉變為4層結構；②加熱溫度較低時，3種鍍層中Fe-Al-Si層較為連續且Si含量較高，隨著加熱溫度的升高，Fe-Al-Si 層逐漸增厚、Si含量逐漸降低，且厚鍍層AS150較薄鍍層AS40、AS80的Si含量更高、不連續性更明顯；③擴散層下部(靠近基體)與擴散層上部(靠近Fe-Al層，如點12、14、18等)Si含量差別較大，擴散層上部Si含量較高，該部分實際成分與Fe-Al-Si層相當，隨著加熱溫度的升高，擴散層、擴散層上部皆逐漸增厚；④隨著加熱溫度的升高，薄鍍層逐漸由4層結構轉變為3層結構、2層結構，在加熱溫度為930 ℃時，薄鍍層AS40開始呈3層結構(擴散層、Fe-Al層和Fe-Al-Si 層，或存在不連續Fe-Al表面層)，加熱溫度升至1000 ℃時，薄鍍層AS40、AS80基本呈兩層結構(擴散層和Fe-Al層)。需要說明的是，不論是擴散層還是Fe-Al層、Fe-Al-Si層，其中都包含Si，只不過Si含量有所不同，一般擴散層中Si含量不超過5%，Fe-Al層中Si含量不超過3%，Fe-Al-Si層中Si含量大于3%。

圖2 不同加熱溫度下AS40鍍層的顯微結構Fig.2 Microstructure of the AS40 coating under different heating temperatures(a) 840 ℃; (b) 870 ℃; (c) 900 ℃; (d) 930 ℃; (e) 960 ℃; (f) 1000 ℃

圖3 不同加熱溫度下AS80鍍層的顯微結構Fig.3 Microstructure of the AS80 coating under different heating temperatures(a) 840 ℃; (b) 870 ℃; (c) 900 ℃; (d) 930 ℃; (e) 960 ℃; (f) 1000 ℃

圖4 不同加熱溫度下AS150鍍層的顯微結構Fig.4 Microstructure of the AS150 coating under different heating temperatures(a) 840 ℃; (b) 870 ℃; (c) 900 ℃; (d) 930 ℃; (e) 960 ℃; (f) 1000 ℃

表2 圖2中AS40鍍層不同位置的化學成分(質量分數，%)及物相分析

表3 圖3中AS80鍍層不同位置的化學成分(質量分數，%)及物相分析

表4 圖4中AS150鍍層不同位置的化學成分(質量分數，%)及物相分析

2.2 加熱時間對不同鋁硅鍍層重量鍍層結構的影響

不同加熱時間下AS40、AS80、AS150鍍層的顯微結構如圖5～圖7所示，相應位置化學成分和相分析結果如表6～表8所示?？梢钥闯觯孩佼敱貢r間較短時，3種鍍層中皆存在未反應的Al層(如點50)或Fe2SiAl7(τ5)相(如點32、33、42、51等)，此時鍍層未完全合金化，隨著保溫時間的增加，Al層含量減少，τ5相含量快速增加(厚鍍層尤其明顯，如1～2 min時)，當τ5相完全轉變為富Si的Fe-Al-Si(Fe與Al含量不同于τ5相，如點34、43等)和貧Si的Fe-Al時，鍍層完全合金化，且厚鍍層完全合金化的時間較薄鍍層的長，厚鍍層完全合金化時間則為4 min，薄鍍層完全合金化時間為3 min；②當保溫時間較短時形成的Fe-Al-Si中間層較為連續且Si含量較高，隨著加熱時間的增加，Fe-Al-Si 層逐漸增厚、Si含量逐漸降低，且厚鍍層較薄鍍層的Si含量更高；③當保溫時間為5 min時，薄鍍層AS40開始呈3層結構(擴散層、Fe-Al層和Fe-Al-Si層，或存在不連續Fe-Al表面層)，保溫時間為6 min時，呈兩層結構(擴散層和Fe-Al層)，薄鍍層AS80于6 min時呈3層結構，于7 min時呈兩層結構，厚鍍層AS150未見層數減少；④當保溫時間大于7 min，薄鍍層AS40、AS80的擴散層與表面層之間不存在明顯界面。

圖5 不同保溫時間下AS40鍍層的顯微結構Fig.5 Microstructure of the AS40 coating under different holding time(a) 1 min; (b) 2 min; (c) 3 min; (d) 4 min; (e) 5 min; (f) 6 min; (g) 7 min; (h) 8 min; (i) 9 min

保溫時間/min測試位置FeAlSi物相13233.556.79.8Fe2SiAl7(τ5)23332.355.911.8Fe2SiAl7(τ5)33460.630.88.6Fe4SiAl443564.729.55.8Fe6SiAl653664.830.05.2Fe6SiAl663765.331.53.2FeAl73866.130.53.4FeAl83971.226.12.7FeAl94069.527.33.2FeAl

3 討論

加熱前3種鍍層結構相似，由基體至鍍層表面分別為Fe-Al合金層(<1 μm)、Fe-Al-Si合金層(τ5，約4.5 μm)、Al層和彌散分布在Al層中的Fe-Al-Si合金相(τ6)[10-11]。不同鍍層重量的鋁硅鍍層在加熱后的結構轉變規律：①加熱時，τ5層與Al層反應生成液相，此時Si向液相鍍層中迅速擴散形成富Si的Fe-Al-Si層(Fe與Al含量不同于τ5相)，Fe-Al-Si層兩側形成Fe-Al相，此時靠近基體側由于Fe與Al的強烈擴散轉變為擴散層(Fe和Fe3Al)，此時鍍層結構由基體至表面依次為擴散層、Fe-Al層、Fe-Al-Si層和Fe-Al表面層(此時鍍層稱為完全合金化)。當鍍層未完全合金化時，鍍層表面存在未反應的Al涂層或τ5相。鍍層重量越高的鋁硅鍍層所需完全合金化的溫度越高或時間越長，厚鍍層AS150完全合金化溫度不低于900 ℃，保溫時間不少于4 min，而薄鍍層保溫時間可減少至3 min；②隨著加熱的進行，Fe-Al-Si層、擴散層逐漸增厚，Fe-Al-Si層中Si含量逐漸降低，且厚鍍層AS150的Fe-Al-Si層中Si含量明顯高于薄鍍層，不連續性增加。另外，厚鍍層AS150未觀察到鍍層層數減少的現象，而薄鍍層出現鍍層層數減少的情況，當Fe-Al-Si層完全占據Fe-Al表面層或僅存在少量的Fe-Al表面層時，鍍層由基體至表面呈3層結構，即擴散層、Fe-Al層、Fe-Al-Si層(或存在不連續的Fe-Al表面層)，當Fe-Al-Si層繼續增厚與擴散層相連時，鍍層由基體至表面呈兩層結構，即擴散層、Fe-Al-Si層(或存在不連續的Fe-Al表面層)。薄鍍層AS40呈3層結構時對應的熱處理工藝為930 ℃×5 min，呈兩層結構時對應的熱處理工藝為930 ℃×6 min，薄鍍層AS80呈3層結構時對應的熱處理工藝為930 ℃×6 min，呈兩層結構時對應的熱處理工藝為930 ℃×7 min。

表6 圖6中AS80鍍層不同位置的化學成分(質量分數，%)及物相分析

圖6 不同保溫時間下AS80鍍層的顯微結構Fig.6 Microstructure of the AS80 coating under different holding time(a) 1 min; (b) 2 min; (c) 3 min; (d) 4 min; (e) 5 min; (f) 6 min; (g) 7 min; (h) 8 min; (i) 9 min

圖7 不同保溫時間下AS150鍍層的顯微結構Fig.7 Microstructure of the AS150 coating under different holding time(a) 1 min; (b) 2 min; (c) 3 min; (d) 4 min; (e) 5 min; (f) 6 min; (g) 7 min; (h) 8 min; (i) 9 min

表7 圖7中AS150鍍層不同位置的化學成分(質量分數，%)及物相分析

一般鋁硅鍍層熱成形鋼加熱后鍍層需完全合金化，因為當鍍層未完全合金化時，鍍層液化反應不充分，鍍層表面粗糙度較低[12]，降低了鍍層的耐蝕性能，并且未完全合金化的Al層或τ5相對焊接性能不利[13]。另外，熱沖壓廠要求厚鍍層AS150加熱后的擴散層厚度≤16 μm，薄鍍層加熱后的擴散層厚度≤12 μm。本文對不同加熱溫度和保溫時間下不同鋁硅鍍層的擴散層厚度和鍍層增厚量(鍍層總厚度-原始鍍層厚度)進行了統計分析，結果如圖8所示?？梢钥闯觯孩匐S著加熱溫度的升高或保溫時間的延長，不同鋁硅鍍層的鍍層總厚度和擴散層厚度逐漸增加，且鍍層增厚速率與擴散層增厚速率相當，即鍍層增厚主要通過擴散層厚度的增加實現；②熱處理工藝為960 ℃×5 min或930 ℃×6 min時，薄鍍層AS40、AS80的擴散層厚度≥12 μm，熱處理工藝為930 ℃×9 min時，厚鍍層AS150的擴散層仍小于16 μm。

圖8 不同加熱溫度(a)和加熱時間(b)下不同鋁硅鍍層重量擴散層厚度和鍍層增厚Fig.8 Diffusion layer thickness and coating thickness increment with different aluminum-silicon coating weight under different heating temperatures(a) and different heating time(b)

此外，本文發現當加熱溫度過高(如≥960 ℃)時，Fe、Al擴散速率過快，易造成鍍層組織不均勻、柯肯達爾孔洞數量增加等問題[14]，惡化鍍層的耐腐蝕性和焊接性能。綜合考慮鋁硅鍍層熱成形鋼加熱后的鍍層結構、性能變化和產品使用要求，對于1.4 mm厚22MnB5鋼基板，薄鍍層AS40、AS80的優選熱處理工藝為900～930 ℃×3～6 min，厚鍍層AS150的優選熱處理工藝為900～930 ℃×4～9 min。另外，考慮到實際熱沖壓生產效率，保溫時間一般不超過6 min，因此，厚鍍層AS150的優選熱處理工藝為900～930 ℃×4～6 min。

4 結論

1) 不同鍍層重量的鋁硅鍍層完全合金化時的鍍層結構相同，由基體至表面依次為擴散層、Fe-Al層、Fe-Al-Si層和Fe-Al表面層，且鍍層重量越高時完全合金化所需的溫度越高或時間越長。

2) 隨著加熱的進行，Fe-Al-Si層和擴散層逐漸增厚，Fe-Al-Si層中Si含量逐漸降低。厚鍍層AS150未呈現鍍層層數減少的現象，而薄鍍層AS40、AS80出現鍍層層數減少的情況。當Fe-Al-Si層完全占據Fe-Al表面層或僅存少量的Fe-Al表面層時，鍍層由基體至表面呈3層結構，當Fe-Al-Si層繼續增厚與擴散層相連時，鍍層呈2層結構。

3) 綜合考慮鋁硅鍍層熱成形鋼加熱后的鍍層結構、性能變化和產品使用要求，對于1.4 mm厚22MnB5鋼基板，薄鍍層AS40、AS80的優選熱處理工藝為900～930 ℃×3～6 min，厚鍍層AS150的優選熱處理工藝為900～930 ℃×4～6 min，此時薄鍍層AS40呈4層、3層或兩層結構，薄鍍層AS80呈4層或3層結構，厚鍍層AS150呈4層結構。