姜進(jìn)京, 周 林, 鄧宗吉

(1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司 商用車技術(shù)中心, 上海 200438；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心, 馬鞍山 243000)

隨著汽車輕量化的發(fā)展和安全標(biāo)準(zhǔn)要求的逐年提高，熱成形鋼由于具有強(qiáng)度高、密度低、無回彈等特點(diǎn)，在汽車車身安全件(如A，B柱和防撞梁等)的用量越來越大，擁有廣闊的市場前景。通過使用高強(qiáng)度鋼板可減薄許多汽車零部件和結(jié)構(gòu)件的厚度，減輕汽車質(zhì)量，進(jìn)而改善環(huán)境問題[1-2]。

在熱沖壓成形過程中，熱成形鋼在850～950 ℃的爐內(nèi)奧氏體化3～10 min，然后迅速轉(zhuǎn)移到模具中同時(shí)進(jìn)行成形和淬火處理，最終獲得拉伸強(qiáng)度大于1 500 MPa、顯微組織全為馬氏體的結(jié)構(gòu)件[3]。然而，無涂層熱沖壓硼鋼在加熱轉(zhuǎn)移過程中，表層易發(fā)生氧化脫碳，影響熱沖壓件的強(qiáng)度和模具壽命[4]。鋁-硅涂層是常用的熱成形鋼涂層，這種涂層不僅耐高溫，還具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和抗高溫氧化性能，可以防止鋼板表面氧化和脫碳[5]。由于帶涂層熱成形鋼解決了氧化和脫碳的問題，因而得到了廣泛的應(yīng)用，目前應(yīng)用最廣泛的是鋁-硅涂層(涂層中硅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)。另外,鋁-硅涂層熱成形鋼熱沖壓成形后表面即使不經(jīng)過磷化處理也具有優(yōu)良的涂裝性能和優(yōu)異的點(diǎn)焊性能。

鋁-硅涂層熱成形鋼涂層中的裂紋及涂層厚度是影響鋁-硅涂層熱成形鋼使用性能的關(guān)鍵因素。鋁-硅涂層中的鋁、硅元素和鋼基體中的鐵元素在高溫下會(huì)相互擴(kuò)散而發(fā)生相變，由于涂層中金屬間相與鋼基體的熱膨脹系數(shù)不一致，會(huì)導(dǎo)致涂層中出現(xiàn)裂紋[6-9]。目前,對于熱沖壓成形過程中加熱參數(shù)對鋁-硅涂層熱成形鋼涂層的相結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響已有學(xué)者做了大量的研究和報(bào)道，但很少有學(xué)者研究熱沖壓的加熱工藝對不同厚度涂層的鋁-硅涂層熱成形鋼的影響[8]，為此，筆者選取了3種不同涂層厚度的鋁-硅涂層熱成形鋼，研究了其在熱沖壓成形過程中不同淬火熱處理溫度下涂層相結(jié)構(gòu)的演變和涂層厚度的變化規(guī)律。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用某鋼廠生產(chǎn)的AS140，AS80，AS40 3種不同涂層厚度的鋁-硅涂層熱成形鋼，其化學(xué)成分如表1所示。鋼板厚度均為1.4 mm，采用線切割加工成尺寸為4 mm×10 mm×1.4 mm的試樣，初始涂層截面形貌如圖1所示，選取多個(gè)位置測量涂層厚度，結(jié)果分別為(26.2±0.6),(12.8±0.3),(6.6±0.2 μm)。 對初始涂層進(jìn)行能譜分析(EDS),可知試樣表層由基體到涂層方向AS140相結(jié)構(gòu)順序?yàn)锳l7Fe2Si(τ5)、純鋁和Al-Si二元共晶，AS80相結(jié)構(gòu)順序?yàn)锳l7Fe2Si(τ5)、純鋁和Al+Si二元共晶，AS40相結(jié)構(gòu)順序?yàn)锳l7Fe2Si(τ5)和純鋁。

表1 鋁-硅涂層熱成形鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of Al-Si coating hotstamped steel (mass fraction) %

圖1 不同厚度鋁-硅涂層熱成形鋼初始涂層截面形貌Fig.1 Cross section morphology of initial coating on hot stamped steel with different thicknesses Al-Si coating

采用DIL805A/D型淬火膨脹儀(加熱方式為感應(yīng)加熱)，在奧氏體化時(shí)間為180 s條件下對試樣進(jìn)行不同溫度的淬火熱處理(溫度分別為910，930，950，970 ℃)，將3種不同涂層厚度的熱成形鋼板以10 ℃·s-1的速率加熱至試驗(yàn)溫度并保溫，使之完全奧氏體化，然后以50 ℃·s-1的速率冷卻至室溫，熱處理工藝參數(shù)如表2所示。

表2 鋁-硅涂層熱成形鋼的淬火熱處理工藝參數(shù)Tab.2 Quenching heat treatment process parameters of hotstamped steel with Al-Si coating

2 結(jié)果與討論

2.1 淬火熱處理溫度對涂層相結(jié)構(gòu)的影響

在奧氏體化時(shí)間為180 s下進(jìn)行不同溫度的淬火熱處理后，帶有不同厚度鋁-硅涂層的熱成形鋼其涂層的截面形貌如圖2所示。為判斷涂層中的相，對不同淬火工藝處理的涂層中金屬間化合物進(jìn)行能譜分析(EDS)，結(jié)果如表3所示。

表3 鋁-硅涂層熱成形鋼涂層中不同金屬間化合物的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.3 EDS analysis results of different intermetallic compoundsin hot stamped steel with Al-Si coating (mass fraction) %

圖2 不同淬火熱處理溫度下AS140，AS80，AS40鋁-硅涂層熱成形鋼的涂層截面SEM形貌Fig.2 SEM morphology of the coating section of AS140,AS80，AS40 hot stamped steel with Al-Si coating atdifferent quenching heat treatment temperatures

試驗(yàn)采用感應(yīng)加熱的方式進(jìn)行淬火熱處理，加熱速率較快，所以加熱溫度為910 ℃時(shí)，3種厚度的涂層均已完全合金化，涂層中沒有純鋁相的存在。AS140和AS80試樣表層均為4層結(jié)構(gòu)，AS140試樣表層從鋼基體到涂層方向相結(jié)構(gòu)的順序?yàn)棣?Fe層、Fe2Al5層、τ1+τ2層和Fe2Al5層，AS80試樣表層相結(jié)構(gòu)的順序?yàn)棣?Fe層、Fe2Al5層、FeAl層和Fe2Al5層;AS40試樣表層相結(jié)構(gòu)近似為3層結(jié)構(gòu)，由α-Fe層，中間Fe2Al5相及外層不連續(xù)且硅含量高的FeAl相構(gòu)成。3種不同厚度的涂層中，其擴(kuò)散層外側(cè)均出現(xiàn)一層薄薄的FeAl相，且此FeAl層的厚度隨溫度的升高而增大。在AS140試樣的鋁-硅涂層中，涂層中間形成白色不連續(xù)富硅相(τ1+τ2)，且隨著加熱溫度升高，白色富硅相的體積比增大，同時(shí)向涂層表層遷移，當(dāng)溫度升至950 ℃后，發(fā)生τ1+τ2相向FeAl相的轉(zhuǎn)變；在AS80試樣中，涂層中間形成白色連續(xù)富硅相(FeAl相)，隨溫度的升高，中間白色富硅相由連續(xù)變得不連續(xù)，然后逐漸消失；在AS40試樣中，涂層中形成白色不連續(xù)的富硅相(FeAl相)，隨溫度的升高，白色富硅相消失。通過對比3種不同厚度涂層的相結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，涂層越薄，合金化速率越大，合金化時(shí)間越短，判斷主要是涂層減薄，鐵向涂層、鋁向鋼基體的擴(kuò)散路徑變短，鐵、鋁飽和時(shí)間變短所致。

由圖2可見，奧氏體化后，在涂層內(nèi)部、涂層的表層和擴(kuò)散層中均出現(xiàn)孔洞，且隨溫度的升高，孔洞的數(shù)量和尺寸也在增加，擴(kuò)散層中的孔洞形成機(jī)制符合柯肯達(dá)爾(Kirkendall)效應(yīng)，即鐵和鋁擴(kuò)散系數(shù)不同導(dǎo)致界面形成空位，空位聚集形成孔洞[8]。在相同的淬火工藝下，不同厚度涂層擴(kuò)散層中柯肯達(dá)爾孔洞數(shù)量由多到少、尺寸由大到小的順序均為AS140，AS80，AS40，判斷主要是由于較厚的涂層具有較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硅和鋁，能長時(shí)間保持較高的濃度梯度，因此，由于涂層中局部化學(xué)勢降低較慢，鋁和硅向鋼基體擴(kuò)散的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力較高，與較薄涂層比較，鋁-鐵的相互擴(kuò)散作用較劇烈。此外，在涂層中還出現(xiàn)了裂紋，在垂直于涂層與基體的界面方向上擴(kuò)展，這是由于脆性的金屬間化合物與鋼基體的熱膨脹系數(shù)不一致，裂紋向基體方向擴(kuò)展，直至擴(kuò)展到擴(kuò)散層(α-Fe相)時(shí)被抑制[10-12]。

2.2 淬火熱處理溫度對涂層總厚度和擴(kuò)散層厚度的影響

不同厚度涂層的鋁-硅涂層鋼經(jīng)過不同溫度的淬火熱處理后，對涂層厚度進(jìn)行測量，涂層總厚度和擴(kuò)散層厚度隨溫度的變化規(guī)律如圖3所示，可見隨加熱溫度升高，3種厚度涂層的涂層總厚度和相互擴(kuò)散層厚度均增大。判斷是因?yàn)闇囟仍礁?，鐵、鋁原子擴(kuò)散系數(shù)越大，擴(kuò)散速率越快，導(dǎo)致鐵、鋁之間的擴(kuò)散越劇烈。擴(kuò)散層是涂層中的鋁、硅向鋼基體擴(kuò)散時(shí)，穩(wěn)定基體中鐵的體心立方(bcc)晶格在奧氏體化過程中形成的α-Fe相[10]。根據(jù)圖3b)可知，3種不同厚度涂層的擴(kuò)散層厚度相當(dāng)。判斷是因?yàn)棣?Fe相的生長主要取決于鋁和硅在涂層中的化學(xué)勢及這些元素在基體和涂層界面轉(zhuǎn)化相中的擴(kuò)散系數(shù)，基體和涂層界面的FeAl相和α-Fe均為bcc結(jié)構(gòu)，在相同的淬火工藝條件下，鋁和硅在各自相中的擴(kuò)散系數(shù)相近，且涂層中鋁和硅化學(xué)勢的差異對其向基體擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)影響較小[13]。因此，在相同加熱條件下，3種不同厚度涂層的擴(kuò)散層厚度相當(dāng)。

圖3 不同試樣涂層總厚度和擴(kuò)散層厚度與淬火熱處理溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between a) total coating thickness and b) diffusion layer thickness of different samples and quenching heat treatment temperature

3 結(jié)論

(1) 涂層厚度不同，加熱后涂層中形成的相結(jié)構(gòu)也不相同。隨淬火加熱溫度升高，涂層中間形成白色的富硅相τ1+τ2，并向FeAl相轉(zhuǎn)變，在同一熱處理溫度下，隨涂層減薄，鐵、鋁原子的擴(kuò)散路徑變短，鐵、鋁的飽和時(shí)間減少，熱處理過程中的合金化時(shí)間減少。

(2) 淬火處理后涂層中出現(xiàn)裂紋和孔洞，且隨淬火加熱溫度升高，孔洞數(shù)量變多、尺寸變大，在相同的淬火加熱溫度下，相對于薄涂層，厚涂層中孔洞的數(shù)量更多、尺寸更大。

(3) 隨淬火加熱溫度升高，涂層總厚度和擴(kuò)散層厚度均增加；同一加熱溫度下3種厚度涂層的相互擴(kuò)散層厚度相當(dāng)。