鋼板連續熱浸鍍鋁硅鍍層的微觀結構和冷成形性能

魏煥君 何先勇 崔麗麗 唐學斌 馮運莉

（1.河鋼唐鋼技術中心，河北唐山 063000；2.河鋼唐鋼生產制造部，河北唐山 063000；3.唐鋼微爾自動化公司，河北唐山 063000；4.華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山 063210）

熱浸鍍鋁硅涂層的鋼板具有優異的耐熱、耐蝕、抗高溫氧化和耐磨損等性能，因此應用廣泛［1-3］。鍍鋁硅產品通常經過熱沖壓或冷沖壓成形。對于熱沖壓成形產品，鋁硅鍍層鋼板無需噴丸或酸洗，因而改善了加工環境、提高了產品精度，降低了氧化鐵皮對模具的損傷，還可顯著改善鋼板的耐蝕性。要進行冷沖壓加工的鍍鋁硅鋼板的耐熱性遠優于鍍鋅板，且耐蝕性良好，其應用日趨廣泛［3-5］。隨著鍍鋁硅產品的大量應用，鍍層的質量問題也逐漸暴露出來，主要有沖壓時開裂導致耐蝕性降低、表面產生色差等，這些問題與鍍層的相結構密切相關，因此研究鋁硅涂層的相組成具有重要意義。目前，對鋼板熱浸鍍鋁硅涂層熱成形性能的研究較多［6-9］，而對其冷成形性能的研究較少，且研究的熱浸鍍鋁硅涂層主要是分批熱浸鍍的，浸鍍時間和方法與連續熱浸鍍有較大的區別［10-14］，對連續熱浸鍍鋁硅鍍層的研究也較少。本文研究了鋼板連續熱浸鍍鋁硅鍍層的形成原理，分析了要冷成形的連續熱浸鍍鋁硅鋼板鍍層的組織，研究了鋼板浸入渡槽的溫度對鍍層形貌和開裂傾向的影響。

1 試驗材料與方法

試驗設備為連續式熱浸鍍產線，鍍液成分為Al-10%Si（質量分數，下同），基板為0.8 mm厚冷軋低碳鋼板，化學成分為0.05%C，0.43%Mn，0.04%Si，0.020%S，0.035%P。鋼板連續熱浸鍍鋁硅的工藝流程為酸軋→清洗→連續退火→熱浸鍍→氣刀→冷卻→光整→表面處理。金相試樣采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液侵蝕。采用AXIO Imager.A2m型金相顯微鏡和KYKYEM3200型掃描電子顯微鏡進行金相檢驗；采用美國熱電熒光能譜儀和輝光光譜檢測鍍層成分。

2 試驗結果及討論

2.1 鍍層結構

圖1為連續熱浸鍍鋁硅涂層的微觀形貌。從圖1可以看出，鍍層可分為合金層和鋁-硅層（Al-Si）兩部分。實際生產中，鍍層厚度可采用氣刀控制在20～50 μm；合金層厚度與浸鍍參數有關，一般為3～10 μm。

生產中鋁硅鍍液的溫度一般為640～710℃，鋼板浸入渡槽的溫度為610～710℃。鋼板浸入鋁硅鍍液時，Fe原子向鍍液而Al原子向基板擴散。熱浸鍍結束后，鍍層由兩部分組成，一部分為靠近基板的Fe-Al合金層，另一部分是與鍍液成分相同的鋁-硅（Al-Si）層。研究［10-15］表明，合金層由內層的Fe2Al5相和外層的FeAl3相組成，Fe2Al5相呈舌狀。從圖1可看出，基體與合金層的界面較平直，不呈舌狀，這可能與浸鍍方式、浸鍍溫度和浸鍍時間有關。生產中，浸鍍時間與帶速和渡槽尺寸有關。

圖1 鋁硅鍍層的微觀形貌Fig.1 Micrographs of the aluminum-silicon coating

圖2（a）為采用能譜儀線掃描分析獲得的鋁硅鍍層中Fe、Al、Si元素的分布，橫坐標零點為基體與鍍層的交界處，從此處開始向鍍層表面線掃描，結果如圖2（b）所示。從圖2（b）可以看出，鍍層表面鋁含量最高，合金層中次之，鄰近基板的合金層最少；鐵元素從表面向內逐漸增多；鍍層中硅元素有一個峰值，這與鋁硅層相組成有關。輝光光譜測試是通過陰極濺射將試樣表面層層剝離，很適合檢測鍍層中的元素分布。圖3為鋁硅鍍層表面及其與基體交界面的輝光光譜測試結果，與圖2能譜分析的元素分布結果一致。

圖2 鋁硅鍍層中的元素分布Fig.2 Distributions of the elements in the aluminum-silicon coating

圖3 鋁硅鍍層表面（a）及其與基體交界面（b）的輝光光譜分析結果Fig.3 Glow discharge optical emission spectroscopy analysis at surface of the aluminum-silicon coating（a）and interface between the coating and the base metal（b）

2.2 鍍層組織

圖4（a）為鍍層表面的微觀形貌，可以看出，盡管經過氣刀和光整，鍍層表面仍凹凸不平。由于鋼板出渡槽后溫度迅速降低至鍍液凝固點以下，富鋁樹枝晶首先形成并快速生長至整個鍍層，但厚度方向的生長受氣刀控制，涂層表面的枝晶較為發達。經過拋光腐蝕后可以看出，枝晶在平行于表面的二維方向生長迅速，如圖4（b～d）所示。其中富鋁相為粗大的樹枝晶，呈團簇狀，且只向兩個方向定向生長，大小、長短不等，最長達1 500 μm，間距21.71 μm。

圖4 鋁硅層的微觀結構Fig.4 Microstructures of the aluminum-silicon coating

圖5表明：每個枝晶團簇之間以及枝晶間隙均有細小短棒狀（尺寸19.75 μm）或點狀富硅相，且富硅相細小，分布集中；在富硅相之間有塊狀初生硅相及少量富鐵相，二值化處理后，各相比例為富鋁相約85.65%，富硅相約14.18%，初生硅相約0.17%，富鐵相極少。

圖5 鋁硅涂層中的相Fig.5 Phases in the aluminum-silicon coating

根據Al-Si二元相圖，初生硅達到過共晶成分時才能析出。然而研究［16］發現，在亞共晶成分時，Al-Si鍍液中有初生硅相析出，相變過程為L→L＋α（Al）→L＋α（Al）＋Si初生→ （Si共晶＋α（Al））＋α（Al）＋Si初生。鋁-硅（Al-Si）鍍液快速冷卻時，隨著α（Al）枝晶的快速生長，Si元素從樹枝晶中排出并富集于樹枝晶的間隙，導致初生硅析出，如圖5所示。在連續熱浸鍍鋁硅的過程中，Fe元素溶解于鍍液中，并被帶入鍍層，也有部分Fe原子穿過合金層擴散至鍍層，在富鋁樹枝晶形成過程中富集于樹枝晶間隙，與Si、Al形成Fe-Al-Si相，但數量極少。各相的能譜分析結果如表1所示。

表1 鋁硅鍍層中各相成分（原子分數）Table 1 Compositions of each phase in the aluminum-silicon coating（atom fraction）%

2.3 鋼板浸入渡槽的溫度對鍍層開裂傾向的影響

從圖6可以看出，隨著鋼板浸入渡槽的溫度從640℃提高到710℃，合金層厚度增加；640℃進入渡槽的鋼板涂層的合金層厚3.74 μm，650℃入槽的鋼板涂層的合金層厚4.15 μm，710℃入槽的鋼板合金層厚4.31 μm。鍍液與基板之間的反應極快，鍍層合金層的厚度取決于鍍液的鐵含量，熱浸鍍時Fe元素溶出量越多，合金層越厚。鐵溶出量取決于熱浸鍍溫度和時間，熱浸溫度越高、時間越長，Fe元素向外溶出量越多；溫度越高，反應也越快，合金層越厚，但鍍液中的Si會抑制合金層生長。

從涂層形貌可知，鋼板浸入渡槽的溫度對鋁-硅（Al-Si）涂層的影響較大。鋼板浸入渡槽的溫度低，鍍層中富硅相發達，640℃浸入渡槽的鋼板涂層中α（Al）枝晶間的富硅相幾乎貫穿涂層，如圖6（a）所示；650℃浸入渡槽的鋼板情況有所改善，但富硅相仍較發達；710℃浸入渡槽的鋼板鍍層中富硅相細小且較彌散。

圖6 640（a）、650（b）和710℃（c）浸入渡槽的鋼板的涂層Fig.6 Coatings on the sheet dipped into the coating bath at 640（a），650（b），and 710℃ （c）

冷成形過程中，在基板變形產生的拉應力或壓應力的作用下，合金層均會開裂，這與合金層韌性差、硬度高有關；而合金層外側的鋁-硅（Al-Si）層的強韌性較好，只要其沒有如圖7所示的裂紋和剝落等缺陷，鍍層仍具有保護基板的作用。

圖7 冷成形后鋁硅鍍層表面的缺陷Fig.7 Defects at surface of the aluminum-silicon coating after cold forming

圖8表明，浸入不同溫度渡槽的鋼板形成的涂層冷成形后鄰近基板的合金層均有裂紋。浸入640℃渡槽的鋼板涂層在冷變形過程中，鋁-硅（Al-Si）層中粗大的富硅相與富鋁相交界處出現裂紋，并擴展到硅相富集處，部分裂紋沿平行于基板表面的方向擴展，如圖8（a）所示；也有裂紋垂直于基板表面，貫穿涂層，如圖8（b）所示。橫、縱向裂紋的交叉極易導致鍍層剝落。浸入650℃渡槽的鋼板涂層冷成形后，厚度方向無裂紋，但平行于基板表面方向沿富硅相發生了開裂和剝落，如圖8（c，d）所示。浸入710℃渡槽的鋼板涂層中富硅相較分散、細小，僅合金層出現裂紋，近表面的鋁-硅（Al-Si）層與基板結合緊密，沒有裂紋。

圖8 浸入溫度為640（a，b），650（c，d）和710℃ （e，f）的渡槽的鋼板冷成形后鍍層的微觀形貌Fig.8 Micrographs of the coatings on the sheet dipped into the coating bath at 640（a，b），650（c，d），and 710℃ （e，f）after cold forming

上述結果說明，鋼板浸入渡槽的溫度對鋁硅鍍層冷變形時的開裂傾向影響顯著，浸入640℃渡槽的鋼板，鋁-硅（Al-Si）層中粗大的富硅相導致鍍層在冷成形時嚴重開裂和剝落。入槽溫度升高，有利于減小鍍層開裂傾向，鋼板浸入溫度應高于650℃即710℃的渡槽，冷成形后其鍍層仍與基板緊密結合，未開裂和剝落。然而，在連續熱浸鍍鋁硅涂層生產中，鋼板浸入渡槽的溫度過高會導致渡槽內生成的渣量增多，進而影響涂層的表面質量。因此鋼板浸入渡槽的溫度應控制在650～710℃。

3 結論

（1）熱浸鍍鋁硅鍍層由合金層和鋁-硅（Al-Si）層組成，基板與合金層的界面較平直，涂層中有富鋁相、富硅相和初生硅相，偶有極少量富鐵相。

（2）鋁-硅（Al-Si）層中富鋁相呈粗大的枝晶狀，樹枝晶呈團簇狀，枝晶間隙有富硅相，富硅相內有塊狀初生硅相。

（3）鋼板浸入渡槽的溫度對鋁硅鍍層的組織及其冷成形時的開裂傾向有顯著影響，冷沖壓時，鋁-硅（Al-Si）層一般在粗大富硅相與富鋁相交界處開裂，浸入640℃渡槽的鋼板涂層的富硅相粗大，貫穿涂層。隨著鋼板浸入渡槽溫度的提高，富硅相尺寸減小，分布趨于彌散，有利于提高鍍層的冷變形性能，減小鍍層冷變形時的開裂傾向。