加熱溫度與保溫時間對鋁-硅鍍層組織演變的影響

郭 健, 魏煥軍, 楊麗娜, 趙江林

(唐山鋼鐵集團有限責(zé)任公司 技術(shù)中心, 唐山 063016)

22MnB5熱成形鋼已廣泛用于汽車零部件的生產(chǎn)中，但傳統(tǒng)熱成形鋼由于熱處理奧氏體化過程中存在表面氧化起皮等問題，導(dǎo)致鋼板表面強度和模具使用壽命降低。熱浸鍍鋁-硅鍍層主要由鋁-鐵和鋁-硅-鐵二元及三元金屬間化合物組成，具有良好的耐高溫和抗氧化性能，而且熱成形后的鍍層還具有良好的耐腐蝕性能，已廣泛應(yīng)用于熱成形鋼的生產(chǎn)中。目前國內(nèi)外已有對鋁-硅鍍層相結(jié)構(gòu)組成方面的研究[1-7]，為明確熱處理加熱過程對鍍層組織的影響，筆者重點分析了加熱前后鋁-硅鍍層相結(jié)構(gòu)的變化，及在不同加熱溫度和保溫時間下，鍍層中合金層厚度的變化規(guī)律，以期為控制熱成形產(chǎn)品質(zhì)量提供參考。

1 試驗材料與試驗方法

試驗采用材料為22MnB5鋼，厚度為1.2 mm的鋁-硅鍍層鋼板，EN 10083-3：2006SteelsforQuenchingandTempering—Part3:TechnicalDeliveryConditionsforAlloySteels中22MnB5鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of steel plate (mass fraction) %

采用Gleeble 3500型熱模擬機將鋼板分別加熱至870，890，910，930，950 ℃保溫5 min，冷卻至室溫，測試不同加熱溫度下的合金層厚度；將試樣加熱至920 ℃，分別保溫1，5，10，20 min后冷卻至室溫，測試不同保溫時間下的合金層厚度。利用金相顯微鏡、掃描電鏡、輝光光譜儀分析鍍層鋼板不同加熱工藝前后鋁-硅鍍層微觀組織、鍍層成分、合金層厚度的變化。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 加熱前鋼板截面微觀組織結(jié)構(gòu)

加熱前鋁-硅鍍層鋼板截面的微觀組織形貌見圖1，可見截面組織主要由鋼基體、中間合金層、表面鋁-硅層3部分組成，合金層厚度為5～7 μm。鋼板截面成分線掃描結(jié)果見圖2，可見由鋼基體至鍍層表面方向中間合金層中鋁元素的含量逐漸升高，鐵元素的含量逐漸降低，形成Fe2Al5，F(xiàn)e2SiAl7二元和三元金屬間化合物[5-6]。 鍍層厚度均勻，合金層與鋼基體相界面連續(xù)、清晰，提高了鍍層與基體之間的結(jié)合力。

圖1 加熱前鍍層鋼板微觀組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of steel plate cross section before heating

圖2 加熱前鋼板截面的成分線掃描結(jié)果Fig.2 Composition line scanning results of steel plate section before heating

2.2 加熱前鍍層表面微觀組織

加熱前鋼板鍍層表面的微觀組織形貌見圖3，可見主要由富鋁相、富硅相組成，富鋁相比例最高，同時含有少量塊狀富鐵相。鋼板鍍層表面相結(jié)構(gòu)形成是由于鍍液凝固過程中，首先富鋁相的樹枝晶形成長大，在這個過程中硅元素從樹枝晶中排出并富集于樹枝晶的間隙位置，形成鋁-硅二元合金；同時凝固過程中有一部分鐵原子透過界面層擴散至鍍層樹枝晶間隙中，在鋼板表面形成了塊狀鋁-鐵-硅三元合金組織[5]。

圖3 加熱前鍍層表面微觀組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of coating surface before heating

2.3 加熱后鋼板截面微觀組織結(jié)構(gòu)

將鋼板加熱到920 ℃保溫5 min冷卻后，鋁-硅鍍層厚度方向微觀組織形貌見圖4，可見主要由表面鋁-硅層、鍍層中間合金層、鋼基體3部分組成，鍍層中間合金層厚度為10～11 μm。鋼板截面成分線掃描結(jié)果見圖5，可見加熱過程中，基體中的鐵元素由基體向外擴散,鍍層表面鐵含量達到45%～55%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)，形成Fe2SiAl2，F(xiàn)e2Si2Al5等金屬間化合物[5-6]；在合金層與鍍層的交界處存在一個硅元素含量的峰值。硅元素在合金層與鍍層的交界處富集，抑制鐵元素由鋼基體向鍍層表面擴散，從而有效阻止加熱后中間合金層厚度的進一步增加，提高了鍍層的成形性能。

圖4 熱處理后鋼板截面微觀組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of steel plate cross section after heat treatment

圖5 加熱后鋼板截面的成分線掃描結(jié)果Fig.5 Composition line scanning results of steel plate section after heating

2.4 加熱后鍍層表面微觀組織

加熱后，鋁-硅鍍層表面生成致密的Al2O3膜，其形貌和成分見圖6，7。對比圖3可知加熱前鍍層的原始表面較平滑，幾乎沒有細孔；加熱后，鍍層表面存在明顯的孔隙，這些小孔隙隨著奧氏體化時間的增加逐漸增大，增加了鍍層的表面粗糙度，降低了鍍層孔隙的抗氧化能力。

圖6 加熱后鍍層表面微觀組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of coating surface after heating

圖7 加熱后鍍層表面能譜分析結(jié)果Fig.7 Energy spectrum analysis results of coating surface after heating

2.5 保溫時間、加熱溫度對合金層厚度的影響

測量不同加熱溫度、保溫時間處理的鋼板的合金層厚度，結(jié)果見圖8和圖9,可見合金層厚度由5～7 μm增加到20～25 μm。因為鐵進入鋁液的擴散系數(shù)大于鋁進入鐵的擴散系數(shù),溫度越高、保溫時間越長，反應(yīng)速率越快，則鐵向外擴散越充分。因此合金層的厚度主要在于鐵的溶出，鐵元素溶出量愈多，合金層厚度越大。

圖8 合金層厚度隨加熱溫度變化曲線Fig.8 Variation curve of alloy layer thickness with heating temperature

圖9 合金層厚度隨保溫時間變化曲線Fig.9 Variation curve of alloy layer thickness with holding time

3 結(jié)論

(1) 加熱前鍍層鋼板合金層主要由Fe2Al5二元金屬間化合物和Fe2SiAl7三元金屬間化合物組成，加熱后鍍層合金層主要由Fe2SiAl2， Fe2Si2Al5等金屬間化合物組成，表面生成了致密的Al2O3膜。

(2) 在合金層與鍍層的交界處存在硅元素的富集，可以有效阻止合金層厚度的進一步增加，提高了鍍層的成形性能。

(3) 鍍層變厚的驅(qū)動力是鐵元素的擴散。隨著加熱溫度升高、保溫時間延長，鐵元素溶出量增多，合金層厚度增大，鍍層表面鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到45%～55%。