胡賢磊 覃柱堅(jiān) 牛春來 柯迪文 支穎

（1 東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)和環(huán)境問題的日益加劇，汽車輕量化已經(jīng)成為世界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然道路。熱成形工藝與軋制差厚板技術(shù)的結(jié)合，既提高了車身的強(qiáng)度，又減少了車身材料的浪費(fèi)，成為各個(gè)汽車廠家減重降排方案之一[1-3]。熱沖壓成形技術(shù)既可以解決傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼冷沖壓成形難的問題，又能提高成形零件的強(qiáng)度和精度[4]。早期熱成形工藝使用的鋼板表面沒有鍍層，導(dǎo)致奧氏體化過程中，鋼板表層產(chǎn)生氧化和脫碳等缺陷，直接影響表面質(zhì)量和使用效果[5]。為克服這種缺陷，阿賽樂公司開發(fā)成功Al-Si 鍍層板[6]，Al-Si 鍍層熱成型鋼在高溫化會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌珹l-Fe-Si 合金物，熱成形后不需要特別處理，有效保護(hù)基板性能。除此之外，Al-Si 鍍層對(duì)沖壓模具有良好的保護(hù)性能、增強(qiáng)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(hù)性能，且專利成本較高。

Zn 具有良好的陽極保護(hù)特性，將其涂覆在鋼板表面，鍍層產(chǎn)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(huì)形成Zn-Fe合金，有效確保基板的性能不受影響[7-9]。對(duì)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(zhì)量，可將鋼板厚度進(jìn)行柔性變厚度軋制，然后再進(jìn)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(jīng)濟(jì)性?；诓詈癜逯苽涔に嘯10-11]，分析GA 鍍層板在不同壓下率進(jìn)行冷軋之后的鍍層組織形貌，以及耐腐蝕性能的變化規(guī)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(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的基體材料為某鋼廠生產(chǎn)的22MnB5超高強(qiáng)冷軋熱成形鋼板，其化學(xué)成分如表1 所示，其表面通過熱浸鍍技術(shù)及合金化擴(kuò)散作用(即在熱浸鍍以后鍍層尚未凝固之前，繼續(xù)升溫使得鍍層中Zn、Fe 發(fā)生化合反應(yīng))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(yàn)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 試驗(yàn)方法

冷軋?jiān)囼?yàn)在東北大學(xué)自主研發(fā)的直拉式四輥可逆冷軋機(jī)上進(jìn)行，原料厚度為1.5 mm，軋制壓下率分別設(shè)定為10%、20%、30%、40%、50%，軋制過程中適當(dāng)噴涂潤(rùn)滑油，保證軋制過程鍍層的表面質(zhì)量。

金相試樣沿試驗(yàn)鋼軋向取樣，試樣經(jīng)過鑲樣、磨拋后，采用D8 DISCOVER 的X 射線衍射儀對(duì)原料板鍍層進(jìn)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(duì)不同壓下率下的厚度按標(biāo)尺進(jìn)行測(cè)量，不同壓下率的鍍層厚度取六組數(shù)據(jù)，求其平均值。利用JEOL JXA 8530F 的場(chǎng)發(fā)射電子探針及附帶的EDS 能譜儀對(duì)鍍層Zn、Fe元素?cái)U(kuò)散分布進(jìn)行觀察分析。

在FM-700 顯微硬度計(jì)下測(cè)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(shù)選用500 倍，不同壓下率下的鍍層和基體分別測(cè)量6 組數(shù)據(jù)，取其平均值。

采用質(zhì)量法及極化曲線法衡量22MnB5 鋼及其GA 鍍層腐蝕情況，根據(jù)日本標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 2371 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，腐蝕溶液為5%NaCl 溶液，鹽溶液在35 ℃±2 ℃下進(jìn)行噴霧時(shí)，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(jìn)行超聲波清洗，為了保證試驗(yàn)的精確，將試樣四周裸露基體用熔融石蠟進(jìn)行保護(hù)，防止腐蝕，共準(zhǔn)備5 組試樣，每組6 個(gè)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(jié)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(jié)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(xiàn)光亮的Zn 金屬光澤。

圖1 原料GA鍍層板金相及對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)致密而平整的連續(xù)帶，也有疏松有孔洞的合金帶，結(jié)構(gòu)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(guān)系。隨壓下率增大，鍍層表面逐漸光滑。冷軋壓下率為10%時(shí)，鍍層表層孔洞沿軋向拉長(zhǎng)，表現(xiàn)為微觀針狀孔；壓下率≥30%后，表層針狀孔逐漸閉合，數(shù)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(jīng)過軋制變形后的截面形貌如圖3 所示。經(jīng)過冷軋后，鍍層連續(xù)性保持完好，鍍層與基體結(jié)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(shí)，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(dāng)壓下率≤30%時(shí)，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(dá)到40%至50%時(shí)，界面變得凹凸不平，有部分鍍層嵌入基體界面，鍍層出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，但整體呈連續(xù)狀態(tài)。

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(jié)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(shí)鍍層中含有均勻少量的Fe 和更少量的O；壓下率≤20%時(shí)，沿厚向Zn、O 元素分布較均勻；壓下率＞20%時(shí)，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(dòng)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(chǎn)生了較大的位移，這與大壓下率時(shí)界面凹凸不平現(xiàn)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(duì)不同厚度下的鍍層中的Zn、Fe 元素進(jìn)行面掃，見圖6、圖7。原料板中Zn 元素整體含量很高，呈連續(xù)分布狀態(tài)。由于界面處的Zn 向基板擴(kuò)散，表層Zn 有部分氧化或揮發(fā)，所以靠近表面處和界面處含量比中間部位低。壓下率≤20%時(shí)，鍍層開始發(fā)生破碎，Zn 元素分布出現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)。當(dāng)壓下率為30%～50%時(shí)，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(shí)會(huì)造成鍍層增厚的假象。接近界面處的Zn 元素的分布呈現(xiàn)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(xù)分布狀態(tài)，在壓下率30%～50%時(shí)，表層的Fe 元素的分布出現(xiàn)明顯不連續(xù)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，F(xiàn)e 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(zhǎng)。另一方面從面掃圖可以看出，鍍層實(shí)際發(fā)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(hù)效果，這種裂紋不會(huì)對(duì)耐蝕性產(chǎn)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(duì)不同壓下率鍍層截面的元素分布進(jìn)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(shí)，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(guān)系。壓下率對(duì)Fe 元素分布影響不大。壓下率≤10%時(shí)，界面處鍍層中沒有O 元素，隨壓下率增大，可觀察到一定數(shù)量的O 元素存在，表層和中間層的O 元素通過協(xié)同變形轉(zhuǎn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3.4 鍍層和基體硬度變化

GA 鍍層進(jìn)行不同壓下率的冷軋后硬度也會(huì)發(fā)生變化，如表3 所示。每個(gè)壓下率下硬度值取6組數(shù)據(jù)，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(shí)了即使經(jīng)過大變形率的冷軋，鍍層和基體結(jié)合完好的原因，同時(shí)硬度的差異造成了大壓下率下鍍層界面處呈現(xiàn)鋸齒形的特點(diǎn)。

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(duì)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(shí)間的增大，其減重在不斷增加。當(dāng)腐蝕時(shí)間小于4.5 h 時(shí)，其減重速度最快，當(dāng)腐蝕時(shí)間超過4.5 h 時(shí)，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(shí)間的增大，不同厚度板之間的減質(zhì)量差距在不斷增大。

圖9 不同壓下率下22MnB5鋼板腐蝕質(zhì)量變化

圖10 為不同壓下率下GA 鍍層板腐蝕減重變化規(guī)律。隨腐蝕時(shí)間的增大，不同壓下率的腐蝕失重增大，當(dāng)腐蝕時(shí)間小于4.5 h，其腐蝕減重較快，隨著腐蝕時(shí)間的進(jìn)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(zhì)量相差不大，說明冷軋加工工藝對(duì)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(guī)律

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

4 結(jié)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(zhǎng)，形成針狀，且隨壓下率增大而減少，壓下率大于40%時(shí)，針狀微孔洞消失。鍍層在軋制過程連續(xù)性較好，未出現(xiàn)脫落現(xiàn)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(duì)基體起到良好的保護(hù)作用，達(dá)到了預(yù)期效果，為GA 鍍層熱成型鋼差厚板的實(shí)際生產(chǎn)探明了方向。