鋁鋅合金鍍層成形性能影響因素

林傳華, 金鑫焱, 閻元媛

(1.寶山鋼鐵股份有限公司 冷軋廠, 上海 200941；2.寶山鋼鐵股份有限公司 研究院, 上海 200941)

鋁鋅合金鍍層鋼板具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和良好的光熱反射性能，在建筑、家電等行業(yè)應(yīng)用廣泛[1]。由于鍍層組織中各合金相存在差異，因此鋼板在使用加工時(shí)容易出現(xiàn)裂紋[2]。鋼板經(jīng)過(guò)折彎后，鍍層表面通常可見(jiàn)裂紋。

WILLIS等[3]對(duì)加工后的鍍層進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了裂紋數(shù)量、裂紋平均寬度與鍍層厚度有線性相關(guān)性，鍍層越厚，裂紋越多。GUO等[2]分析了鋅花大小對(duì)鍍層成形性能的影響，發(fā)現(xiàn)小鋅花鋼板比大鋅花鋼板的裂紋更密集、更短、更窄，穿透鋼基體的裂紋數(shù)量更少。

鋁鋅合金鍍層由內(nèi)層的合金層以及外層的外覆層組成。筆者分別對(duì)鍍層的合金層、外覆層以及界面層進(jìn)行剖析，分析其對(duì)鍍層裂紋的影響，希望通過(guò)研究鍍層顯微組織對(duì)加工成形性能的影響規(guī)律，控制鍍層的顯微組織結(jié)構(gòu)，從而獲得加工成形性能優(yōu)異的鋁鋅鍍層。

1 試驗(yàn)方法

1.1 鍍層厚度對(duì)比試驗(yàn)

實(shí)際生產(chǎn)中，鍍層越厚，鋼板折彎后越容易產(chǎn)生裂紋。為了驗(yàn)證這個(gè)觀點(diǎn)，對(duì)鋁鋅合金鍍層鋼板進(jìn)行鍍層厚度對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)材料為熱浸鍍生產(chǎn)線生產(chǎn)的厚度為0.4 mm的DX51D+AZ鋁鋅合金鍍層鋼板。熱浸鍍時(shí)，鋅鍋溫度為600 ℃，鋼板入鍋溫度為600 ℃，浸鍍時(shí)間為3 s，鍍液成分分別為：Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54.9%；Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43%；Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.55%；Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.474%；其余為固有雜質(zhì)。在相同工況下，制作出不同鍍層厚度的試樣，其中1#，2#試樣的鍍層厚度較厚，3#，4#試樣的鍍層厚度較薄。試樣規(guī)格為70 mm×120 mm(長(zhǎng)×寬)，先用折彎?rùn)C(jī)將試樣折彎120°后，再使用壓平儀將其壓平到180°。對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)和掃描電鏡(SEM)分析，再測(cè)量鍍層厚度和裂紋長(zhǎng)度。

1.2 合金層厚度試驗(yàn)

合金層相比外覆層更容易產(chǎn)生裂紋，對(duì)鋁鋅合金鍍層鋼板進(jìn)行合金層厚度試驗(yàn)。試驗(yàn)采用經(jīng)過(guò)深沖的、厚度為1.0 mm的DX54D+AZ鋁鋅合金鍍層鋼板，鋅鍋溫度為600 ℃，入鍋帶鋼溫度為580～670 ℃。試樣規(guī)格為340 mm×845 mm(長(zhǎng)×寬)，用300 t沖壓機(jī)(見(jiàn)圖1)對(duì)試樣進(jìn)行沖壓，沖壓圓弧角半徑為5 mm。沖壓后鍍層有裂紋的鋼板為OK試樣[見(jiàn)圖2a)]，而鍍層剝離甚至起皮露出鋼基體的為NG試樣[見(jiàn)圖2b)]。對(duì)鍍層截面進(jìn)行金相檢驗(yàn)和SEM分析，再測(cè)量鍍層的合金層厚度，測(cè)量3次后取平均值。

圖1 300 t沖壓機(jī)外觀

圖2 沖壓后不同變形程度鍍層試樣的宏觀形貌

1.3 合金層與外覆層之間界面模擬試驗(yàn)

設(shè)計(jì)模擬試驗(yàn)，研究鍍層組織對(duì)成形性能的影響。材料為DX51D+AZ，厚度為0.5 mm，試樣規(guī)格為70 mm×120 mm(長(zhǎng)×寬)。鋅鍋溫度為600 ℃，浸鍍時(shí)間為3 s。控制氣刀壓力，使鍍層厚度一致，然后用不同冷卻方式對(duì)試樣進(jìn)行冷卻凝固，試樣A為自然冷卻方式，試樣B為強(qiáng)制風(fēng)冷方式。與鍍層厚度對(duì)比試驗(yàn)相同，制作折彎試樣。采用金相檢驗(yàn)和SEM分析試樣鍍層截面，再測(cè)量鍍層裂紋的長(zhǎng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層厚度的影響

用體式顯微鏡觀察彎折后的試樣，其微觀形貌如圖3所示，圖3a),3b)分別為1#，2#試樣彎折后截面的微觀形貌，鍍層表面裂紋(黑色箭頭處)清晰可見(jiàn)。圖3c)，3d)分別為3#，4#試樣彎折后截面的微觀形貌，鍍層表面裂紋不可見(jiàn)。由圖3可知：鍍層較厚的1#，2#試樣比鍍層較薄的3#，4#試樣更容易產(chǎn)生裂紋。

圖3 1#～4#試樣彎折后截面的微觀形貌

用SEM分析1#～4#試樣，結(jié)果如圖4所示。圖4a)，4b)分別為1#，2#試樣的SEM形貌，可知鍍層裂紋開(kāi)口長(zhǎng)度(黑色箭頭)較大；圖4c)為3#試樣的SEM形貌，鍍層幾乎無(wú)開(kāi)裂；圖4d)為4#試樣的SEM形貌，可知鍍層部分開(kāi)裂(黑色箭頭)，相比于1#，2#試樣，其裂紋開(kāi)口長(zhǎng)度小。另外還發(fā)現(xiàn)4#試樣的鍍層厚度比3#試樣的鍍層厚度大。

圖4 1#～4#試樣彎折后截面的SEM形貌

對(duì)1#～4#試樣彎折后的鍍層裂紋進(jìn)行量化分析可知：1#，2#試樣的實(shí)測(cè)鍍層厚度為22 μm～23 μm，裂紋總長(zhǎng)度為472 μm～530 μm，鍍層裂紋長(zhǎng)度占比(與裂紋總長(zhǎng)度的比值)為40%～45%；3#試樣的實(shí)測(cè)鍍層厚度為7 μm，裂紋總長(zhǎng)度為44 μm，鍍層裂紋長(zhǎng)度占比為5%； 4#試樣的實(shí)測(cè)鍍層厚度為11 μm，裂紋總長(zhǎng)度為133 μm，鍍層裂紋長(zhǎng)度占比為12%。由此可知，鍍層較厚的鋼板在彎折后易發(fā)生開(kāi)裂。鍍層裂紋長(zhǎng)度占比與鍍層厚度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 鍍層裂紋長(zhǎng)度占比與鍍層厚度的關(guān)系

鋼板彎曲后會(huì)發(fā)生變形，彎曲的外層受到拉應(yīng)力被拉長(zhǎng)，內(nèi)層受到壓應(yīng)力被擠壓。鋼板中間的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力相等，不發(fā)生變形，即中性層。鋼板彎曲變形時(shí)，表層鍍層的強(qiáng)度與鋼基層會(huì)有差異，導(dǎo)致鋼板彎曲變形，中性層將不通過(guò)橫截面的中心，會(huì)有少許的偏移，這個(gè)偏移量受鋼基體強(qiáng)度和鍍層強(qiáng)度的影響。以厚度為0.3 mm的鋼板為例，鋼板厚度是鍍層厚度的10倍以上，因此可以簡(jiǎn)化處理，認(rèn)為中性層位置不變。

綜上所述，鋁鋅鍍層越厚，其成形性能越差。鍍層的主要目的是對(duì)鋼基體進(jìn)行防護(hù)，鋼板的服役壽命往往取決于鍍層厚度，但是鍍層厚度由鋼板的使用工況決定，不可隨意增減。

2.2 合金層厚度的影響

不同入鋅鍋帶鋼溫度與合金層厚度的關(guān)系如圖6所示，由圖6可知：隨著溫度的升高，合金層厚度幾乎呈線性增加；660 ℃以上時(shí)，合金層厚度超過(guò)2 μm；當(dāng)合金層厚度超過(guò)1.3 μm時(shí)，鍍層更容易出現(xiàn)剝離或起皮并露出鋼基體的NG試樣形貌。

圖6 不同入鋅鍋帶鋼溫度與合金層厚度的關(guān)系

鋁鋅合金層是鍍液中Al，Si元素與鋼基體反應(yīng)的結(jié)果。反應(yīng)的產(chǎn)物為金屬間化合物Fe-Al-Si-Zn，構(gòu)成了鍍層的內(nèi)層[3-5]。合金層厚度應(yīng)小于5 μm，否則在高應(yīng)變時(shí)鍍層會(huì)產(chǎn)生裂紋。因此，需要控制合金層厚度。合金層厚度受浸鍍時(shí)間、反應(yīng)溫度等影響，一般在相同條件下，溫度越高，反應(yīng)越劇烈，合金層厚度越大。

合金層硬度比外覆層大，成形性能比外覆層差，中間合金層是產(chǎn)生裂紋的主要原因。

2.3 合金層與外覆層界面的影響

不同厚度鋁鋅鍍層鋼板截面的SEM形貌如圖7所示。由圖7可知：較厚的鍍層與合金層界面處的富鋅相占比少，分布著很多硅相[見(jiàn)圖7a)]；較薄鍍層與合金層界面處的富鋅相占比多，硅相相對(duì)少[見(jiàn)圖7b)]。溫度過(guò)冷和成分過(guò)冷會(huì)影響鍍層凝固后的組織。1#～4#試樣的鍍液、鋼基體都相同，其顯微組織差異是溫度過(guò)冷造成的。

圖7 不同厚度鋁鋅合金鍍層鋼板截面的SEM形貌

圖9 彎折后A,B試樣的鋁鋅合金鍍層表面微觀形貌

模擬試驗(yàn)用的鋁鋅鍍層鋼板試樣外觀如圖8所示，圖8a)是自然冷卻試樣，編號(hào)為A，圖8b)為強(qiáng)制風(fēng)冷試樣，編號(hào)為B。二者板面鋅花大小有差異，試樣A的鋅花大，試樣B的鋅花小。彎折后A,B試樣的鋁鋅鍍層表面微觀形貌如圖9所示，試樣A可見(jiàn)裂紋[見(jiàn)圖9a)]，試樣B的裂紋不明顯[見(jiàn)圖9b)]。

圖8 模擬試驗(yàn)用的鋁鋅合金鍍層鋼板試樣外觀

圖10為試樣A，B的鋁鋅鍍層截面的SEM形貌。由圖10可知：試樣A鍍層與合金層界面處的富鋅相占比少，分布著很多硅相；試樣B界面處富鋅相占比多，硅相少。試樣A，B的鍍層厚度均約為25 μm，合金層厚度均約為1.1 μm ～1.3 μm。由此可知，鍍層凝固時(shí)的冷卻速率影響鍍層的顯微組織，界面處顯微組織影響鍍層的成形性能。

圖10 試樣A，B的鋁鋅合金鍍層截面的SEM形貌

3 結(jié)論

(1) 鋁鋅合金鍍層的顯微組織由富鋁相、富鋅相以及硅相組成，鍍層變形過(guò)程中不同物相的塑性存在差異，導(dǎo)致鋼板產(chǎn)生變形，在使用加工時(shí)出現(xiàn)裂紋。鍍層越厚，外覆層的變形量越大，受到的拉應(yīng)力越大，越容易發(fā)生開(kāi)裂。相比較，薄鍍層的變形量小，受到的應(yīng)力小，開(kāi)裂的傾向減小。

(2) 鋁鋅合金鍍層形成過(guò)程中，高溫鍍液與鋼基體之間劇烈反應(yīng)，形成厚的合金層。過(guò)厚合金層的成形性能差，在應(yīng)變時(shí)合金層是產(chǎn)生裂紋的重要來(lái)源。要獲得性能良好的鍍層，需要控制中間合金層的厚度。

(3) 鍍后冷卻速率不足時(shí)，外覆層與合金層之間的界面處容易富集脆而硬的硅相，誘發(fā)鍍層開(kāi)裂，成形性能變差。