純鋅鍍層加熱過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變和表面氧化

純鋅鍍層加熱過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變和表面氧化

由于其抗質(zhì)量和安全的雙重優(yōu)點(diǎn)，熱鉻鋼在汽車行業(yè)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。熱成形鋼在高溫狀態(tài)下沖壓成形并同時(shí)在模具內(nèi)被冷卻淬火,可以獲得強(qiáng)度高達(dá)1500MPa的沖壓件。熱壓成形鋼板直接加熱后會(huì)出現(xiàn)表面的氧化和脫碳,降低了鋼板的使用性能并對(duì)后續(xù)生產(chǎn)帶來(lái)影響。近年來(lái),國(guó)外開發(fā)了多種鍍層應(yīng)用于熱成形鋼,包括Al-Si鍍層和鋅基鍍層等。純鋅鍍層(GI)具有良好的金屬外觀、成形性以及優(yōu)良的屏蔽、陰極保護(hù)性能,應(yīng)用于熱成形鋼板成為目前研究的熱點(diǎn)。商業(yè)應(yīng)用的合金化鋼板中鍍層組織轉(zhuǎn)變?cè)砟壳斑€沒(méi)有完全統(tǒng)一,而應(yīng)用于熱成形鋼的GI鍍層熱浸鍍時(shí)鋅液中的鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,一般為0.2%,且加熱的溫度更高,達(dá)到900℃左右。因此,有必要研究鍍鋅鋼板在加熱至奧氏體化(加熱溫度900℃)過(guò)程中的鍍層組織轉(zhuǎn)變和表面氧化,為純鋅鍍層熱成形鋼工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支持。1試驗(yàn)與分析方法試驗(yàn)材料為國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的冷軋22MnB5鋼板,板厚為1.5mm,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:C0.22,Si0.28,Mn1.25,Cr0.17,B0.002。冷軋板料剪切成120mm×200mm的模擬熱浸鍍?cè)囼?yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣,在CAG-2010連續(xù)退火鍍鋅模擬機(jī)上進(jìn)行熱鍍鋅試驗(yàn),獲得厚度為15μm的純鋅鍍層鋼板。純鋅鍍層鋼板的加熱工藝條件為:分別加熱至500,600,700,800,900℃,保溫5min后冷卻,獲得試樣。鍍層組織觀察在試樣的橫截面上進(jìn)行。試樣經(jīng)冷鑲、磨拋后,用0.2%硝酸酒精溶液腐蝕后獲得理想的鍍層斷面形貌。試樣形貌和能譜分析表征采用FEIQuantaFEG650場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM),掃描加速電壓為20kV,工作距離10mm。該場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡附屬的EDS能譜分析為EDAX公司能譜儀。采用JEOL-JXA8100型電子探針?lè)治鲥儗訑嗝嫔系脑胤植?。采用PhilipsAnalyticalX’PertPROMPDX射線衍射儀(XRD)分析加熱后鍍層表面的相結(jié)構(gòu),靶材為CuKα。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1熱鍍后鍍層的鋅分布圖1為熱浸鍍獲得的GI鍍層斷面SEM形貌。熱浸鍍后的GI鍍層為純鋅層(η相),鍍層厚度15μm,僅在界面處存在一層Fe2Al5抑制層,界面處鋁含量較高。圖2為GI鍍層在不同溫度保溫5min后獲得的鍍層斷面形貌。比較鍍層的厚度可以發(fā)現(xiàn),在500,600和700℃保溫5min后的鍍層厚度基本與加熱前相當(dāng),甚至稍有下降,當(dāng)鍍層在800和900℃保溫5min后,鍍層厚度分別增至25和32μm。而且溫度低于700℃獲得的鍍層與鋼板基體之間有明顯的界面,800和900℃加熱后的鍍層與鋼基體之間的界面并不清晰。通過(guò)電子探針掃描可以獲得不同溫度加熱后的鍍層中的鋅分布(圖3)。鍍層在500℃加熱后,鋅在鍍層中存在兩種強(qiáng)度區(qū)域,分別為區(qū)域1和2。對(duì)兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行能譜分析后獲得兩種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表1),對(duì)照?qǐng)D4的Fe-Zn二元合金相圖富鋅端可以認(rèn)定,靠近鍍層表面的區(qū)域1為FeZn13(ζ相),靠近鍍層/基板界面的區(qū)域2為FeZn7(δ相)。圖3(b)為GI鍍層在600℃加熱后的鋅分布,鍍層明顯分為兩層,對(duì)兩層進(jìn)行能譜分析后的結(jié)果(表1中的區(qū)域3和4)顯示了各自的鋅、鐵含量,查詢相圖可知區(qū)域3和4分別為FeZn7(δ相)和Fe5Zn21(Γ1相)。700℃加熱后的GI鍍層也分為兩層,能譜結(jié)果和相圖分析顯示外層(區(qū)域5)為Fe3Zn10(Γ相),界面附近的鍍層(區(qū)域6)的鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)67.19%,該層物質(zhì)為固溶鋅的α-Fe相[α-Fe(Zn)]。鍍層在800℃加熱后已經(jīng)不再重現(xiàn)鋅濃度的層狀分布,鍍層的大部分區(qū)域由鋅濃度較低的區(qū)域8組成,分析結(jié)果為α-Fe(Zn),靠近鍍層表面的局部區(qū)域存在鋅濃度較高的Γ相(區(qū)域7)。900℃加熱后的鍍層幾乎全由α-Fe(Zn)組成,只是表面存在少量的Γ相。工業(yè)生產(chǎn)的合金化鋼板為了在短時(shí)間內(nèi)增加鐵向鍍層的擴(kuò)散,浸鍍時(shí)鋅鍋中的鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(0.13%),這樣浸鍍后的鋅鍍層與基板之間的Fe2Al5抑制層不完整,合金化處理時(shí),鐵快速擴(kuò)散至鍍層,合金化鋼板中依次包括了η,ζ,δ,Γ1,Γ相。在實(shí)際的熱鍍鋅生產(chǎn)中,鍍層的結(jié)構(gòu)組成不一定完全包含上述各相,取決于浸鍍溫度及時(shí)間,各相可能是有序分布,也可能相互交錯(cuò)。GI鍍層熱浸鍍時(shí)鋅鍋中的鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%,浸鍍后鍍層界面形成一層致密的Fe2Al5抑制層。當(dāng)含有致密抑制層的鍍層在高溫加熱時(shí),可以發(fā)現(xiàn),并不會(huì)在500,600,700℃加熱后的鍍層中同時(shí)出現(xiàn)多種Fe-Zn相,至多存在兩種明顯的Fe-Zn相。這可能是由于鍍層中的致密Fe2Al5層所致。2.2鍍層層厚度的變化圖5為不同溫度保溫5min后鍍層鋁分布的EPMA分析。500℃加熱后,鍍層中的鋁仍然主要集中在鍍層/基體的界面處,少量鋁向鍍層表面擴(kuò)散,由于鋁的親氧性,表面的鋁以Al2O3的形式存在。加熱溫度升高至600℃后,擴(kuò)散至鍍層表面的鋁增多,基本形成氧化鋁層。700℃加熱后,鍍層中的鋁大部分遷移至鍍層表面,但是界面處的鋁仍然呈現(xiàn)為連續(xù)狀態(tài)。溫度升高至800℃,鍍層內(nèi)的鋁基本遷移,900℃加熱后鍍層內(nèi)的鋁完全消失,鋁遷移至鍍層表面形成一層連續(xù)的氧化鋁層。20世紀(jì)70年代開始,歐美學(xué)者提出了Fe2Al5阻擋層理論,認(rèn)為Fe2Al5中間層可以阻止鐵向鋅液中的擴(kuò)散,從而抑制了脆性相的形成,同時(shí)Fe2Al5作為中間層還可以改善合金化鍍層附著性。這個(gè)理論很好地解釋了前節(jié)出現(xiàn)的鍍層厚度在700℃以下加熱后鍍層厚度并沒(méi)有增加,反而稍有下降的現(xiàn)象。由于在700℃以下加熱后,鍍層界面處的Fe2Al5抑制層仍然存在,可以阻止鐵向鍍層的快速擴(kuò)散,鐵、鋅之間的擴(kuò)散只以很低的速率進(jìn)行,鍍層厚度不會(huì)顯著增加,反而由于鍍層表面溫度高,鋅熔化后會(huì)出現(xiàn)一定的揮發(fā),導(dǎo)致鍍層厚度稍微下降。當(dāng)在800,900℃加熱后,由于鋁全部遷移至鍍層表面,界面處的抑制作用消失,鐵、鋅之間急速相互擴(kuò)散,不僅導(dǎo)致了鍍層中鋅含量的大幅減低,形成α-Fe(Zn)相,同時(shí)導(dǎo)致了鍍層厚度的逐漸增加。針對(duì)鍍層表面出現(xiàn)的液鋅揮發(fā),現(xiàn)在的研究大都認(rèn)為形成Al2O3可以阻礙鋅的揮發(fā),起到保護(hù)鍍層的作用。2.3鍍層和鍍層的表面微量元素不同溫度下空氣中加熱后鍍層表面狀態(tài)和元素含量如圖6和表2所示。在空氣中加熱至500℃后,鍍層表面成分主要為鋅,鋁和氧的含量都很低,說(shuō)明此時(shí)鍍層表面還是以純鋅狀態(tài)存在,只有很少的Fe-Zn相和氧化物。隨著加熱溫度升高,表面的氧和鋁含量增加,鋅含量降低。700℃時(shí)氧含量是600℃時(shí)的兩倍以上。700℃時(shí),鋅含量急劇下降,這與鋁轉(zhuǎn)移至鍍層表面,鐵快速擴(kuò)散和形成Fe-Zn合金相有關(guān)。當(dāng)鍍層于900℃加熱后,表面的氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%,而鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至47%,鍍層表面覆蓋了一層氧化物[圖6(e)]。900℃保溫5min后試樣的XRD結(jié)果顯示,表面除了Γ相和Al2O3外,也存在ZnO(圖7),表面形成的這些氧化物都可以抑制鋅的揮發(fā)。因此純鋅鍍層最好在氧化氣氛(空氣)下加熱。3鍍層的組織和成分1)GI鍍層在500,600和700℃加熱后的厚度基本與加熱前無(wú)明顯變化,且鍍層與鋼板基體之間有明顯的界面;當(dāng)鍍層在800和900℃加熱后,鍍層厚度大幅增加,鍍層與鋼基體之間的界面并不清晰。500℃加熱后鍍層組織為ζ相和δ相;隨著加熱溫度升高,鍍層組織轉(zhuǎn)變?yōu)楹F量更高的Γ1相、Γ相和α-Fe(Zn);900℃加熱后鍍層幾乎全為α-Fe(Zn),只在表面存在少量的Γ相。2)500℃加熱后,鍍層中的鋁集中在鍍層/基體的界面處,表面的少量鋁以Al2O3形式存在;600,700℃加熱后,鍍層中的鋁逐漸向鍍層表面遷移,但