GA鍍層在冷軋變形下的組織形貌和耐蝕性分析

胡賢磊 覃柱堅 牛春來 柯迪文 支穎

（1 東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819;2 蘇州東寶海星金屬材料科技有限公司，張家港 215600）

1 前言

隨著能源危機和環境問題的日益加劇，汽車輕量化已經成為世界汽車工業可持續發展的必然道路。熱成形工藝與軋制差厚板技術的結合，既提高了車身的強度，又減少了車身材料的浪費，成為各個汽車廠家減重降排方案之一[1-3]。熱沖壓成形技術既可以解決傳統高強度鋼冷沖壓成形難的問題，又能提高成形零件的強度和精度[4]。早期熱成形工藝使用的鋼板表面沒有鍍層，導致奧氏體化過程中，鋼板表層產生氧化和脫碳等缺陷，直接影響表面質量和使用效果[5]。為克服這種缺陷，阿賽樂公司開發成功Al-Si 鍍層板[6]，Al-Si 鍍層熱成型鋼在高溫化會轉變為不同Al-Fe-Si 合金物，熱成形后不需要特別處理，有效保護基板性能。除此之外，Al-Si 鍍層對沖壓模具有良好的保護性能、增強了基體的耐穿孔腐蝕性能。但Al-Si 鍍層在開裂后不具有陰極保護性能，且專利成本較高。

Zn 具有良好的陽極保護特性，將其涂覆在鋼板表面，鍍層產生裂紋后，仍然可以確保鋼板具有良好的耐腐蝕性能。在合金化處理后鍍鋅（Galvanized，GI）鍍層鋼板的Zn 鍍層會形成Zn-Fe合金，有效確?；宓男阅懿皇苡绊慬7-9]。對于汽車零部件而言，由于不同部位零件承受的載荷不一樣，為了有效減輕零件的質量，可將鋼板厚度進行柔性變厚度軋制，然后再進行沖壓變形，這種特殊的變厚度板材稱之為差厚板（或TRB板）。由于Al-Si 鍍層板的專利成本較高，利用鐵鋅合金化（Galvannealed，GA）鍍層熱成型鋼制備軋制差厚板具有一定經濟性?；诓詈癜逯苽涔に嘯10-11]，分析GA 鍍層板在不同壓下率進行冷軋之后的鍍層組織形貌，以及耐腐蝕性能的變化規律，為探索GA 鍍層熱成型鋼差厚板的工藝可行性提供理論支撐。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

試驗所用的基體材料為某鋼廠生產的22MnB5超高強冷軋熱成形鋼板，其化學成分如表1 所示，其表面通過熱浸鍍技術及合金化擴散作用(即在熱浸鍍以后鍍層尚未凝固之前，繼續升溫使得鍍層中Zn、Fe 發生化合反應)生成Zn-Fe 合金鍍層，即GA 鍍層，鍍層原料板厚度為1.5 mm。

表1 22MnB5試驗鋼化學成分（質量分數） %

2.2 試驗方法

冷軋試驗在東北大學自主研發的直拉式四輥可逆冷軋機上進行，原料厚度為1.5 mm，軋制壓下率分別設定為10%、20%、30%、40%、50%，軋制過程中適當噴涂潤滑油，保證軋制過程鍍層的表面質量。

金相試樣沿試驗鋼軋向取樣，試樣經過鑲樣、磨拋后，采用D8 DISCOVER 的X 射線衍射儀對原料板鍍層進行物相分析。在BX53M 的奧林巴斯金相顯微鏡下觀察顯微組織，利用Image-Pro Plus 軟件對不同壓下率下的厚度按標尺進行測量，不同壓下率的鍍層厚度取六組數據，求其平均值。利用JEOL JXA 8530F 的場發射電子探針及附帶的EDS 能譜儀對鍍層Zn、Fe元素擴散分布進行觀察分析。

在FM-700 顯微硬度計下測量維氏硬度，加載速度為50 μm/s，加載載荷為9.81 N，放大倍數選用500 倍，不同壓下率下的鍍層和基體分別測量6 組數據，取其平均值。

采用質量法及極化曲線法衡量22MnB5 鋼及其GA 鍍層腐蝕情況，根據日本標準JIS Z 2371 進行實驗操作，腐蝕溶液為5%NaCl 溶液，鹽溶液在35 ℃±2 ℃下進行噴霧時，所收集的溶液pH 值在6.5～7.2，試樣尺寸為50 mm×40 mm，切割得到的試樣表面用丙酮進行超聲波清洗，為了保證試驗的精確，將試樣四周裸露基體用熔融石蠟進行保護，防止腐蝕，共準備5 組試樣，每組6 個厚度，將制備好的試樣在電子天平上稱重，電子天平精度為0.001 g。

3 結果與討論

3.1 原料板GA鍍層形貌及物相

原料板Zn-Fe 合金化鍍層板的組織形貌及X射線衍射儀（XRD）物相分析結果如圖1 所示，鍍層厚度約為10 μm，鍍層表層主要是由Fe 和Zn 形成的δ(FeZn7、FeZn10)相，除了上述合金相之外，鍍層表面有很薄的自由鋅層，從而使得鍍層表面呈現光亮的Zn 金屬光澤。

圖1 原料GA鍍層板金相及對應XRD物相

3.2 不同壓下率下GA鍍層形貌變化

圖2 位不同壓下率下的鍍層表面形貌。其中，圖2a 為原料鍍層表層形貌，表層粗糙度較大，凹凸不平，有結構致密而平整的連續帶，也有疏松有孔洞的合金帶，結構疏松的合金帶主要為δ相和Γ相，這與原始Zn-Fe 鍍層合金化處理工藝有關系。隨壓下率增大，鍍層表面逐漸光滑。冷軋壓下率為10%時，鍍層表層孔洞沿軋向拉長，表現為微觀針狀孔；壓下率≥30%后，表層針狀孔逐漸閉合，數量逐漸減少。

圖2 不同壓下率下GA鍍層表層形貌

Zn-Fe 合金鍍層經過軋制變形后的截面形貌如圖3 所示。經過冷軋后，鍍層連續性保持完好，鍍層與基體結合良好，說明Zn-Fe 合金鍍層具有較好的延展性。鍍層在冷軋后的厚度變化如圖4 所示，壓下率分別為0、10%、20%、30%、40%、50%時，鍍層厚度分別為10.06 μm、8.78 μm、8.01 μm、7.77 μm、7.43 μm、6.30 μm。隨壓下率增大，鍍層厚度不斷減小。當壓下率≤30%時，鍍層與基體之間的界面比較平整，鍍層變形比較均勻；壓下率達到40%至50%時，界面變得凹凸不平，有部分鍍層嵌入基體界面，鍍層出現破碎現象，但整體呈連續狀態。

圖3 不同壓下率下GA鍍層橫截面形貌

圖4 不同壓下率下鍍層厚度變化

3.3 不同壓下率下鍍層橫截面元素分布

鍍層中元素的分布影響其耐腐蝕抗氧化性能，圖5 為不同壓下率下鍍層板的Zn、Fe、O 元素線掃分布圖，線掃位置從鍍層表層開始至鍍層與基體界面處結束。從圖5a 可看出，原料鍍層中Zn 含量沿厚度方向分布分布較均勻，含量較高，同時鍍層中含有均勻少量的Fe 和更少量的O；壓下率≤20%時，沿厚向Zn、O 元素分布較均勻；壓下率＞20%時，鍍層中的Zn、O 元素沿鍍層厚向變得不均勻，靠近鍍層表面處，波動明顯，靠近界面處，分布均勻，這說明鍍層在冷軋大變形條件下，表層及其附近的元素分布產生了較大的位移，這與大壓下率時界面凹凸不平現象相吻合。

圖5 不同壓下率下的鍍層橫截面截面元素線掃分布

對不同厚度下的鍍層中的Zn、Fe 元素進行面掃，見圖6、圖7。原料板中Zn 元素整體含量很高，呈連續分布狀態。由于界面處的Zn 向基板擴散，表層Zn 有部分氧化或揮發，所以靠近表面處和界面處含量比中間部位低。壓下率≤20%時，鍍層開始發生破碎，Zn 元素分布出現不連續狀態。當壓下率為30%～50%時，由于鍍層硬度增加，塑性降低，磨樣過程中鍍層脫落并附著在鑲料與試樣的縫隙中，面掃時會造成鍍層增厚的假象。接近界面處的Zn 元素的分布呈現鋸齒形（與鍍層的凹凸不平相吻合）。圖7 為不同壓下率下鍍層中的Fe元素含量分布，原料板中Fe 元素呈連續分布狀態，在壓下率30%～50%時，表層的Fe 元素的分布出現明顯不連續性。Fe 元素沿著界面均勻分布，形成一層1 μm 左右的薄過渡層。過渡層Zn 元素比鍍層中的含量低，Fe 元素比鍍層中的含量高。該層主要由Γ相組成，薄片狀的Γ相層通常厚度不超過1 μm。Γ相層的形成主要受基板成分的影響，C、P和Si 等元素阻礙Γ相層的形成，Ti 元素利于其生長。另一方面從面掃圖可以看出，鍍層實際發生了破碎，但裂紋密度不明顯，從而使得金相圖上看不出來，由于Zn 的陽極保護效果，這種裂紋不會對耐蝕性產生影響。

圖6 不同壓下率下鍍層橫截面Zn元素面掃分布

圖7 不同壓下率下鍍層橫截面Fe元素面掃分布

對不同壓下率鍍層截面的元素分布進行能譜分析，如表2 所示。Zn 元素含量總體較高，表層、中間及界面處的基本在72%～87%之間，壓下率≥30%時，表層的Zn 元素含量比中間及界面處的稍高，但總體影響不大。Fe 元素在表層和中間位置的分布差距不大，但界面處Fe 元素含量明顯增高，這與界面處基體組織Fe 含量高有關系。壓下率對Fe 元素分布影響不大。壓下率≤10%時，界面處鍍層中沒有O 元素，隨壓下率增大，可觀察到一定數量的O 元素存在，表層和中間層的O 元素通過協同變形轉移到界面處，而且O 元素總體分布不均勻。

表2 鍍層不同厚度處能譜元素含量（質量分數）%

3.4 鍍層和基體硬度變化

GA 鍍層進行不同壓下率的冷軋后硬度也會發生變化，如表3 所示。每個壓下率下硬度值取6組數據，求其平均值。圖8 可看出，原料板鍍層和基體的硬度基本相等，鍍層和基體的硬度均隨壓下率的增大而增大，鍍層的硬度整體上大于基體的硬度，但差距不大。這也證實了即使經過大變形率的冷軋，鍍層和基體結合完好的原因，同時硬度的差異造成了大壓下率下鍍層界面處呈現鋸齒形的特點。

表3 不同壓下率下基體和GA鍍層的硬度值

圖8 不同壓下率下基體和GA鍍層的硬度變化

3.5 冷軋對GA鍍層耐蝕性的影響

從圖9 中可以看出不同壓下的無鍍層22MnB5鋼板隨著腐蝕時間的增大，其減重在不斷增加。當腐蝕時間小于4.5 h 時，其減重速度最快，當腐蝕時間超過4.5 h 時，減重呈直線增加，但減重速度小于初始階段減重速度。隨著腐蝕時間的增大，不同厚度板之間的減質量差距在不斷增大。

圖9 不同壓下率下22MnB5鋼板腐蝕質量變化

圖10 為不同壓下率下GA 鍍層板腐蝕減重變化規律。隨腐蝕時間的增大，不同壓下率的腐蝕失重增大，當腐蝕時間小于4.5 h，其腐蝕減重較快，隨著腐蝕時間的進一步增加，其減重速度趨平緩。50%壓下率鍍層表面孔洞閉合，耐蝕性有所增加，腐蝕失重相較少。但不同壓下率的GA 板減質量相差不大，說明冷軋加工工藝對其耐腐蝕影響影響很小。

圖10 不同壓下率下的GA鍍層板減重規律

兩者對比之下，無鍍層板的失質量普遍高于鍍層板，并且隨著腐蝕時間的增大，裸板失質量呈直線上升，鍍層板腐蝕失質量趨于平緩，鍍層對基體起到了很好的保護作用。

4 結論

a.隨壓下率增大，鍍層厚度近似線性減小。軋制后，鍍層表層微孔洞沿軋向拉長，形成針狀，且隨壓下率增大而減少，壓下率大于40%時，針狀微孔洞消失。鍍層在軋制過程連續性較好，未出現脫落現象。

b.不同壓下率軋制后，鍍層中Zn 含量較為均勻，且含量較高，在腐蝕過程中均對基體起到良好的保護作用，達到了預期效果，為GA 鍍層熱成型鋼差厚板的實際生產探明了方向。