林传华1,金鑫焱2,阎元媛2
(1.宝山钢铁股份有限公司 冷轧厂,上海 200941;2.宝山钢铁股份有限公司 研究院,上海 200941)
摘 要:分析了铝锌合金镀层厚度、合金层厚度以及界面层显微组织对镀层成形性能的影响。 结果表明:铝锌合金镀层越厚,外覆层变形量越大,受到的拉应力越大,越容易产生裂纹;合金层越 厚,其在应变时越容易发生开裂;镀后冷却速率越慢,界面层越容易富集脆而硬的硅相,进而使镀层 开裂,镀层的成形性能变差。
关键词:热镀锌铝;成形;合金层;凝固;裂纹 中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)10-0029-05
铝锌合金镀层钢板具有优异的耐腐蚀性能和良 好的光 热 反 射 性 能,在 建 筑、家 电 等 行 业 应 用 广 泛[1]。由于镀层组织中各合金相存在差异,因此钢 板在使用加工时容易出现裂纹[2]。钢板经过折弯 后,镀层表面通常可见裂纹。 WILLIS等[3]对加工后的镀层进行分析,发现 了裂纹数量、裂纹平均宽度与镀层厚度有线性相关 性,镀层越厚,裂纹越多。GUO 等[2]分析了锌花大 小对镀层成形性能的影响,发现小锌花钢板比大锌 花钢板的裂纹更密集、更短、更窄,穿透钢基体的裂 纹数量更少。 铝锌合金镀层由内层的合金层以及外层的外覆 层组成。笔者分别对镀层的合金层、外覆层以及界 面层进行剖析,分析其对镀层裂纹的影响,希望通过 研究镀层显微组织对加工成形性能的影响规律,控 制镀层的显微组织结构,从而获得加工成形性能优 异的铝锌镀层。
1 试验方法 1.1 镀层厚度对比试验
实际生产中,镀层越厚,钢板折弯后越容易产生 裂纹。为了验证这个观点,对铝锌合金镀层钢板进行 镀层厚度对比试验。试验材料为热浸镀生产线生产 的厚度为0.4mm 的 DX51D+AZ铝锌合金镀层钢 板。热浸镀时,锌锅温度为600℃,钢板入锅温度为 600℃,浸镀时间为3s,镀液成分分别为:Al的质量 分数为54.9%;Zn的质量分数为43%;Si的质量分数 为1.55%;Fe的质量分数为0.474%;其余为固有杂 质。在相同工况下,制作出不同镀层厚度的试样,其 中1 # ,2 # 试样的镀层厚度较厚,3 # ,4 # 试样的镀层厚度较薄。试样规格为70mm×120mm(长×宽),先 用折弯机将试样折弯120°后,再使用压平仪将其压 平到 180°。 对 试 样 进 行 金 相 检 验 和 扫 描 电 镜 (SEM)分析,再测量镀层厚度和裂纹长度。
1.2 合金层厚度试验
合金层相比外覆层更容易产生裂纹,对铝锌合 金镀层钢板进行合金层厚度试验。试验采用经过深 冲的、厚度为1.0 mm 的 DX54D+AZ铝锌合金镀 层钢板,锌锅温度为600 ℃,入锅带钢温度为580~ 670 ℃。试样规格为340mm×845mm(长×宽), 用300t冲压机(见图1)对试样进行冲压,冲压圆弧 角 半径为5mm。冲压后镀层有裂纹的钢板为OK 试样[见图2a)],而镀层剥离甚至起皮露出钢基体 的为 NG 试样[见图2b)]。对镀层截面进行金相检 验和SEM 分析,再测量镀层的合金层厚度,测量3 次后取平均值。
1.3 合金层与外覆层之间界面模拟试验
设计模拟试验,研究镀层组织对成形性能的影 响。材料为 DX51D+AZ,厚度为0.5 mm,试样规 格为 70 mm×120 mm(长 × 宽)。 锌 锅 温 度 为 600 ℃,浸镀时间为3s。控制气刀压力,使镀层厚 度一致,然后用不同冷却方式对试样进行冷却凝固, 试样 A 为自然冷却方式,试样 B 为强制风冷方式。 与镀层厚度对比试验相同,制作折弯试样。采用金 相检验和 SEM 分析试样镀层截面,再测量镀层裂 纹的长度。
2 结果与讨论
2.1 镀层厚度的影响
用体式显微镜观察弯折后的试样,其微观形貌 如图3所示,图3a),3b)分别为1 # ,2 # 试样弯折后 截面的微观形貌,镀层表面裂纹(黑色箭头处)清晰 可见。图3c),3d)分别为3 # ,4 # 试样弯折后截面的 微观形貌,镀层表面裂纹不可见。由图3可知:镀层 较厚的1 # ,2 # 试样比镀层较薄的3 # ,4 # 试样更容 易产生裂纹。 用SEM 分析1 # ~4 # 试样,结果如图4所示。 图4a),4b)分别为1 # ,2 # 试样的SEM 形貌,可知镀 层裂纹开口长度(黑色箭头)较大;图4c)为3 # 试样 的SEM 形貌,镀层几乎无开裂;图4d)为4 # 试样的 SEM 形貌,可知镀层部分开裂(黑色箭头),相比于 1 # ,2 # 试样,其裂纹开口长度小。另外还发现4 # 试 样的镀层厚度比3 # 试样的镀层厚度大。 对1 # ~4 # 试样弯折后的镀层裂纹进行量化分 析可知:1 # ,2 # 试 样 的 实 测 镀 层 厚 度 为 22μm~ 23μm,裂纹总长度为472μm~530μm,镀层裂纹 长度占比(与裂纹总长度的比值)为40%~45%;3 # 试样 的 实 测 镀 层 厚 度 为 7 μm,裂 纹 总 长 度 为 44μm,镀层裂纹长度占比为5%;4 # 试样的实测镀 层厚度为11μm,裂纹总长度为133μm,镀层裂纹 长度占比为12%。由此可知,镀层较厚的钢板在弯 折后易发生开裂。镀层裂纹长度占比与镀层厚度的 关系如图5所示。 钢板弯曲后会发生变形,弯曲的外层受到拉应 力被拉长,内层受到压应力被挤压。钢板中间的拉 应力与压应力相等,不发生变形,即中性层。钢板弯 曲变形时,表层镀层的强度与钢基层会有差异,导致 钢板弯曲变形,中性层将不通过横截面的中心,会有 少许的偏移,这个偏移量受钢基体强度和镀层强度 的影响。以厚度为0.3 mm 的钢板为例,钢板厚度 是镀层厚度的10倍以上,因此可以简化处理,认为 中性层位置不变。 综上所述,铝锌镀层越厚,其成形性能越差。镀 层的主要目的是对钢基体进行防护,钢板的服役寿 命往往取决于镀层厚度,但是镀层厚度由钢板的使 用工况决定,不可随意增减。
2.2 合金层厚度的影响
不同入锌锅带钢温度与合金层厚度的关系如图 6所示,由图6可知:随着温度的升高,合金层厚度 几乎呈线性增加;660 ℃以上时,合金层厚度超过2 μm;当合金层厚度超过1.3μm 时,镀层更容易出现 剥离或起皮并露出钢基体的 NG 试样形貌。
铝锌合金层是镀液中 的结果。反应的产物为金属 Al 间 ,Si 化 元 合 素 物 与钢基体反应 Fe-Al-Si-Zn, 构成了镀层的内层[3-5]。合金层厚度应小于5μm, 否则在高应变时镀层会产生裂纹。因此,需要控制 合金层厚度。合金层厚度受浸镀时间、反应温度等 影响,一般在相同条件下,温度越高,反应越剧烈,合 金层厚度越大。 合金层硬度比外覆层大,成形性能比外覆层差, 中间合金层是产生裂纹的主要原因。
2.3 合金层与外覆层界面的影响
不同厚度铝锌镀层钢板截面的 SEM 形貌如图 7所示。由图7可知:较厚的镀层与合金层界面处 的富锌相占比少,分布着很多硅相[见图7a)];较薄 镀层与合金层界面处的富锌相占比多,硅相相对少 [见图7b)]。温度过冷和成分过冷会影响镀层凝固 后的组织。1 # ~4 # 试样的镀液、钢基体都相同,其 显微组织差异是温度过冷造成的。
模拟试验用的铝锌镀层钢板试样外观如图8所 示,图8a)是自然冷却试样,编号为 A,图8b)为强制 风冷试样,编号为 B。二者板面锌花大小有差异,试 样 A的锌花大,试样 B的锌花小。弯折后 A,B试样 的铝锌镀层表面微观形貌如图9所示,试样 A 可见 裂纹[见图9a)],试样B的裂纹不明显[见图9b)]。 图10为试样 A,B的铝锌镀层截面的 SEM 形 貌。由图10可知:试样 A 镀层与合金层界面处的 富锌相占比少,分布着很多硅相;试样 B 界面处富 锌相占比多,硅相少。试样 A,B的镀层厚度均约为 25μm,合金层厚度均约为1.1μm ~1.3μm。由此 可知,镀层凝固时的冷却速率影响镀层的显微组织,界面处显微组织影响镀层的成形性能。
3 结论
(1)铝锌合金镀层的显微组织由富铝相、富锌 相以及硅相组成,镀层变形过程中不同物相的塑性 存在差异,导致钢板产生变形,在使用加工时出现裂 纹。镀层越厚,外覆层的变形量越大,受到的拉应力 越大,越容易发生开裂。相比较,薄镀层的变形量 小,受到的应力小,开裂的倾向减小。 (2)铝锌合金镀层形成过程中,高温镀液与钢 基体之间剧烈反应,形成厚的合金层。过厚合金层 的成形性能差,在应变时合金层是产生裂纹的重要 来源。要获得性能良好的镀层,需要控制中间合金 层的厚度。 (3)镀后冷却速率不足时,外覆层与合金层之 间的界面处容易富集脆而硬的硅相,诱发镀层开裂, 成形性能变差。
文章来源：材料与测试网