合金化板抗粉化性能分析及優化生產

胡華東

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照276800）

1　前　言

隨著汽車工業的發展，特別對轎車用材提出了更高的要求。為了提高其耐腐蝕性，一方面采取增加鍍鋅板的鋅層重量，另一方面不斷開發具有優良耐腐蝕性能的新品種，Fe-Zn合金化熱鍍鋅板就是其中最有前途、發展最快的品種之一。合金化熱鍍鋅板是指當帶鋼出鋅鍋后進入合金化爐，通過感應加熱、保溫，鐵向鍍層中擴散，使鋅完全轉變為Fe-Zn金屬間化合物，帶鋼經過冷卻段使合金層固化，完成合金化過程并得到最終的合金化鍍層。

Fe-Zn合金化熱鍍鋅板鍍層的成型行能較差，在成形過程中，鍍層易剝落（或粉化），并在模具上產生顆粒的堆積，影響后續工件的加工及表面質量。影響合金化鍍鋅板粉化性能的根本原因是Zn-Fe中間相的組成結構。各相的鐵含量以及晶體學位向不相同，在合金化鍍層承受拉伸或擠壓變形時，各相之間由于承受形變的能力不同，在相界或晶界處發生形變開裂。為改善Fe-Zn合金化熱鍍鋅板鍍層的成型性，提高合金化板的市場占有率，對合金鍍層成型性影響因素進行分析，以期對生產提供指導。

2　合金鍍層成型性影響因素分析

2.1　Zn-Fe中間相的影響

2.1.1中間相形成機理

生產GA板時，首先要破壞抑制層，然后Zn-Fe合金層才能生長，完成合金化過程。GA板的鍍層中可能含有ζ相（FeZn13-單斜結構）、δ1結構相（FeZn7、FeZn10-密堆六方）和Γ相（Fe3Zn10-體心立方結構）/Γ1相（FeZn4-面心立方結構）的金屬間化合物［1］。界面Γ1相的形成和長大過程分為3個階段：第一是形成階段，在合金化開始的瞬間，Γ1相在界面處形核并迅速長大至約1 μm的厚度；第二階段，η相不斷轉變為ζ相，同時δ1相又不斷消耗ζ相而長大，直至ζ相被全部消耗，在整個階段，界面Γ1相的厚度基本不變；第三長大階段，在δ1相中Fe飽和后，Γ1相開始消耗δ1相而增加［2］。觀察發現，δ1相有兩種形態：柵柱狀δ1p相和致密的δ1k相。前者含Fe量較低，后者含Fe量較高。柵柱狀δ1p相在合金化早期出現，隨合金化的進行，靠近基體的δ1p相因含Fe量逐漸增大而轉變成致密的δ1k相。Fe進一步擴散，δ1p相將全部轉化成相。

2.1.2中間相結構的影響

鍍層在成型時易發生的兩個主要缺陷是鍍層的粉化和剝離。有研究認為粉化發生在鐵含量高的Γ相層，鐵含量較低的ζ相層抗粉化性能較好。但ζ相層或ζ與η的混合相層的摩擦系數較大易產生剝離［4］。另外發現，隨δ1k層厚度的增加，開始出現垂直于鍍層-基體界面的裂紋。鍍層表面和次表面以疏松的δ1p相為主的鍍層抗粉化性能明顯好于鍍層表面以致密的粒狀δ1k相為主的鍍層［1］。

根據以上分析及合金化板初期生產經驗，初期生產時工藝狀態不穩定，有的產品合金化后存在ζ與η的混合相層造成合金化不均（見圖1），有的產品合金化后存在較厚Γ相導致粉化性能較差（見圖2）。由于影響Zn-Fe中間相的組成狀態的因素有Fe-Zn合金化條件、鋼基成分等，需要分析Fe-Zn合金化條件和鋼基成分對合金化相層的影響規律并結合初期生產工藝找到針對性的工藝改進方案。

2.2　Fe-Zn合金化條件的影響

熱鍍鋅合金化條件，如鋅液中鋁含量、帶鋼表面鍍鋅層厚度和均勻性、鋅層合金化溫度等，對鋅層合金化后鍍層中鐵含量及鍍層結構產生影響，從而影響鍍層產品的最終性能。

圖1　合金化不均粉化形貌及鍍層相組織結構

圖2　過合金化粉化形貌及鍍層相組織結構

2.2.1鋅液Al含量的影響

對于合金化鍍鋅鋼板，希望在熱鍍鋅過程中不產生過多的Fe-Zn合金相（特別是Γ相），但又希望化合物層能在合金化處理過程中迅速破裂，從而使整個鍍層迅速合金化。

浦井正章［5］的研究指出，過高的含鋁量會導致在合金化過程中鍍層表面質量變壞。當鋅中Al含量為0.13%時，在熱鍍鋅階段已均勻生成薄薄的Zn-Fe合金層，在退火過程中，Fe-Zn合金在基板表面均勻形成，最后形成平坦的鍍層表面。相反，在鋅液高Al含量時（≥0.17%），由于存在較穩定的Fe2Al5中間層，Fe-Zn合金層在鍍鋅時被抑制，在退火過程的起始階段，Fe-Zn合金首先在基板晶界開始形成，形成“突爆”結構，在退火過程中這種結構通過吞食存在于鐵基晶粒內的鋅而向外生長。即由于伴隨著鋅的局部轉移而引起的不均勻合金化反應，使鍍層表面變得凹凸不平。即使鍍層Fe含量較低，鍍層表面不平度的增加也使摩擦系數增高，在變薄拉延的滑動過程中，使抗剝落性能變差。

2.2.2合金化溫度的影響

有研究表明，含Ti-IF鋼合金化帶鋼溫度為430℃、470℃時，鍍層仍然有純鋅η相存在，未完全合金化；在510℃、550℃時，鍍層合金化完全，形成理想的鍍層相結構：表面很薄的ξ相、中間δ1相以及靠近基板的厚度＜1 μm的Γ1相，其抗粉化性優良；590℃時，鍍層內脆性相Γ1相迅速增厚（約2.5 μm）以及ζ相的消失，致使合金化鍍層的抗粉化性變差［6］。

通過以上規律可以總結出：合金化溫度越高，鍍層ζ相越早消失，δ1k相越早出現，相結構惡化更劇烈，粉化量的增加越快。

2.2.3鍍層厚度和鋅層Fe含量的影響

帶鋼鍍層厚度和均勻性直接影響鋅層合金相分布，從而影響鍍層的抗粉化性能。含Ti-IF鋼在相同鋅液Al含量，合金化溫度450～500℃情況下，帶鋼抗粉化性能隨著鍍鋅層厚度和合金層中Fe含量的增加而降低，隨著鍍層中Fe含量增加，鍍層抗粉化性能不斷下降。這是因為隨著Fe含量的增加，鍍層中韌性較好的ζ相將減少而脆性較大的δ1相和Γ1相將增加［2］。Fe含量控制在8%～10%之間可得到良好的抗粉化效果。

綜上所述，隨著鋅層厚度波動、合金化溫度的升高和時間的延長，鍍層中的含Fe量增加，相結構的抗粉化性能隨之呈現惡化趨勢。

2.3　鋼基化學成分的影響

合金化產品生產初期，在IF鋼與高強IF鋼過渡時總是出現過合金化導致粉化或者合金化不均的現象，由于其他合金化條件相同，唯一有區別的是其鋼基成分，Al鎮靜鋼、IF鋼與高強IF鋼鋼種成分見表1。

表1　Al鎮靜鋼、IF鋼與高強IF鋼成分（上限）%

高強IF鋼Si、Mn、P等成分均高于IF鋼。浦井等［7］研究發現，鍍層的Fe含量隨鋼中P含量或P、Si含量總和的增加而下降。P在鋼中，特別是在有碳化物形成元素，如Ti和Nb存在時，還易偏聚在晶界處。P的偏聚限制了Zn的晶界擴散，抑制了“突爆”結構的形成，從而減慢了Fe-Zn合金層的長大。

P的另一個作用是能推遲Γ相的形成。浦井正章［7］的研究指出，當鋼中的P≥0.025%時，可抑制Γ相的出現。隨著P含量的增加，產生“突爆”面積的比例將迅速下降。用含P較高的Ti-IF鋼作為基體進行熱鍍鋅及合金化處理時不形成Γ相層而形成C含量較低韌性較好的Γ1相層［3］。

高強IF鋼、IF鋼、AK鋼相互過渡時合金化相結構變化的機理，也是二冷鍍鋅機組生產初期沒有考慮到的因素之一，導致在生產初期高強IF鋼、IF鋼、AK鋼相互過渡時合金化不均或鍍層過合金化現象嚴重，調整合金化溫度期間造成大量合金化不均改判。現階段根據前期積累的經驗數據提前在焊縫區域修正合金化功率，保證不同鋼種的合金化溫度符合該鋼種特性。

3　Fe-Zn合金化熱鍍鋅板生產

3.1　生產優化

1）制訂優化的生產排程規則。按照鋼種、規格、鋅層牌號，優先級遞減的次序考慮，以確保相關工藝要求的落實和穩定控制；每次生產合金化外板批量必須≥3 000 t，修訂切邊規范，合金化產品必須在鍍鋅或后工序進行剪邊。

2）制訂優化的鋅液鋁含量。根據研究，確定了合金化開始/結束時的鋅液鋁含量為0.15%，維持階段鋅液鋁含量為0.13%±0.01%。

3）合金化亮邊控制。由于機組狀態是變化的，包括鋅液Al含量是變化的，帶鋼的厚度、寬度、機組速度也是變化的，經觀察發現，當帶鋼邊部存在一定寬度的一定程度的“亮邊”時，合金化鍍層的相結構、鐵含量、抗粉化性Al較好。而“亮邊”缺陷，可以通過合金化后的切邊工序消除。“亮邊”是通過控制合金化爐加熱段感應加熱器的功率得到的，感應加熱器功率與鋅液Al含量、帶鋼的厚度、寬度、機組速度成正比。這樣控制，提高了控制的反應速度，減少了波動帶來的合金化不完全或過合金化（粉化）等質量問題。

4）形成固定的鋅鍋輥系維護模式，確保生產合金化板時鋅鍋區域帶鋼運行穩定，使帶鋼進入合金化爐前得到厚度均勻的鋅層。

3.2　優化效果

3.2.1V彎試驗

取兩批合金化產品試樣，優化前試樣編號A1，優化后試樣編號A2，與世界合金化板先進標桿企業B企業生產的合金化鋼板（試樣編號B）、C企業生產的合金化鋼板（試樣編號C）的合金化鍍鋅板的鍍層抗粉化性和鍍層相結構進行比較。結果顯示，優化前生產的合金化熱鍍鋅鋼板鍍層的抗粉化性能不穩定，部分產品的粉化量偏大；優化后生產的合金化鋼板鍍層的抗粉化性能明顯提高，滿足國內汽車用戶的要求。

60°V彎試驗結果見表2。

表2　合金化熱鍍鋅板60°V彎試驗結果

3.2.2雙向杯突試驗

按照國標GB 4156—1984《金屬杯突試驗方法》對合金化鋼板進行雙向杯突試驗，結果見表3。

表3　合金化熱鍍鋅板雙向杯突試驗

通過雙向杯突試驗，對比改進前后合金化層重量差異，以與世界合金化板先進標桿B企業生產的合金化鋼板（試樣編號B）和C企業生產的合金化鋼板（試樣編號C）的合金化鍍鋅板為參照，結果表明，改進后效果明顯，粉化脫落量降低73.5%，已達到或優于世界先進企業質量水平。

4　結　語

在現代化大生產中合金化層質量控制需要綜合考慮合金化溫度、鋅液Al含量、鋅層厚度和鋼基成分。較低且均勻的鋅層厚度及合金化溫度可以得到抗粉化性能良好的合金化鍍層。通過采取有效的工藝改進措施，基本杜絕高強IF鋼合金化不均問題，抗粉化性能90%在2級以上。

目前合金化生產待持續改進的問題：在線鋅層測量儀Fe含量測量需定期標定，生產操作人員可根據帶鋼表面效果及合金層Fe含量來調整工藝，更具針對性。不同鋅液Al含量及鋼種的合金化溫度及機組速度需要建立完善的工藝規范。合金化爐加熱段和均熱段鋅層退火溫度的分布與鍍層粉化量之間的對應關系、帶鋼表面粗糙度及清潔度對在沖壓過程中表面合金化層脫落的影響需要進一步分析與研究。