預(yù)氧化處理對(duì)Q & P鋼表面組織及其失效行為的影響

牛金瑜 王 華 陳 璋 何燕霖 李 麟

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

Q & P鋼是滿(mǎn)足車(chē)身輕量化要求的理想材料，但在應(yīng)用于汽車(chē)生產(chǎn)中時(shí)，這類(lèi)鋼板還需具有良好的耐蝕性。目前，提高鋼板耐蝕性最經(jīng)濟(jì)的方法是采用連續(xù)熱浸鍍鋅[1- 2]。為了提升強(qiáng)度，Q & P鋼中硅、錳等合金元素含量相應(yīng)增加[3]，在鍍鋅退火過(guò)程中，這些元素很容易發(fā)生選擇性氧化，在鋼板表面形成連續(xù)的氧化物層，不利于鋅液對(duì)鋼板的潤(rùn)濕。此外，在受到拉伸載荷作用時(shí)，這些合金元素形成的氧化物容易在鋼板表面產(chǎn)生微裂紋從而造成開(kāi)裂[4- 6]。有資料表明[7- 9]：采用預(yù)氧化處理可還原部分氧化物，控制汽車(chē)鋼板鍍鋅過(guò)程中表面組織的形成，提高潤(rùn)濕性。但目前對(duì)于高強(qiáng)度Q & P鋼的預(yù)氧化研究并不多見(jiàn)，且由于難以準(zhǔn)確表征外加應(yīng)力下氧化物層的失效行為，所以無(wú)法深入探討預(yù)氧化處理對(duì)鋼表面組織形成的影響。

基于此，本文對(duì)980 MPa級(jí)Q & P鋼進(jìn)行連續(xù)熱浸鍍鋅退火處理，分析不同退火工藝條件下表面氧化物層的形成，并采用聚焦離子束(FIB)撕裂Q & P鋼表面，研究表面氧化物層的失效行為，從而探討預(yù)氧化處理對(duì)高強(qiáng)度Q & P鋼表面組織和失效行為的影響，以期為工業(yè)生產(chǎn)提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用Q & P冷軋鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.21 C- 2.34Mn- 1.59Si- 0.037Al，試樣尺寸為100 mm×200 mm×1.5 mm。退火試驗(yàn)在Iwatani Surtec HDG型熱鍍鋅工藝模擬機(jī)上進(jìn)行，退火氣氛(體積分?jǐn)?shù))為20%H2+80%N2。1號(hào)試驗(yàn)鋼在預(yù)氧化露點(diǎn)為+10 ℃的條件下以30 K/s速率從室溫加熱到820 ℃，然后在-30 ℃露點(diǎn)下退火4 min，隨后以20 K/s速率冷卻到460 ℃保溫40 s，最后冷卻至室溫。2號(hào)試驗(yàn)鋼退火過(guò)程中的露點(diǎn)始終為-30 ℃。

退火后采用Helios 600i雙束型聚焦離子束(FIB)制備透射電鏡試樣，然后采用JEOL JEM- 2100F場(chǎng)發(fā)射透射電鏡(FE- TEM)分析試樣表面氧化物的結(jié)構(gòu)和形貌，加速電壓為200 keV。

采用聚焦離子束(FIB)對(duì)1號(hào)鋼進(jìn)行預(yù)處理、撕裂和萃取試樣。首先在試樣表面沉積Pt，然后將W型機(jī)械手焊接在Pt表面，用以撕裂氧化層，捕捉裂紋尖端后，切斷包含裂紋尖端的區(qū)域，從而獲得表層失效位置最終試樣。然后對(duì)該試樣進(jìn)行成分分析，并進(jìn)行TEM觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖1和圖2分別為1號(hào)和2號(hào)鋼的表面形貌及成分分析。從圖1可以看出，經(jīng)預(yù)氧化的1號(hào)鋼表層可分為3部分，最外層為還原鐵層，氧化層分布在還原鐵層與基體之間，如圖1(a)所示。結(jié)合成分與結(jié)構(gòu)分析，1號(hào)鋼表面氧化層主要包括顆粒狀MnO(見(jiàn)圖1(b,c))，及非晶SiO2(見(jiàn)圖1(d,e))。氧化物層厚度約1 μm。

圖1 1號(hào)鋼表面組織TEM形貌及EDS元素分析Fig.1 TEM morphologies and EDS element analysis of the surface layer in the steel No.1

圖2 2號(hào)鋼表面組織TEM形貌及EDS元素分析Fig.2 TEM morphologies and EDS element analysis of the surface layer in the steel No.2

由圖2(a)可見(jiàn)，未經(jīng)預(yù)氧化的2號(hào)鋼表面沒(méi)有還原鐵層，氧化物層厚度超過(guò)2 μm。氧化層中氧化物主要為顆粒狀MnO(見(jiàn)圖2(b,c))，及從表面延伸到基體中的帶狀非晶SiO2(見(jiàn)圖2(e))。此外，在氧化層中還觀察到Mn2SiO4分布，如圖2(d)所示。

1號(hào)鋼表面失效位置的TEM分析結(jié)果如圖3所示。可以看出，最外層是還原鐵層，裂紋周?chē)植加蠱n和Si的氧化物，初步推斷裂紋起源于還原鐵層與基體之間的氧化物層。

圖3 1號(hào)鋼表面開(kāi)裂位置的TEM分析Fig.3 TEM analysis of the surface crack location of the steel No.1

3 分析與討論

在高溫條件下，水蒸汽可以分解為氫氣和氧氣，在退火過(guò)程中產(chǎn)生氧分壓使氣氛具有一定的氧化能力。氧分壓與選擇性氧化物的種類(lèi)與形貌密切相關(guān)，而連續(xù)鍍鋅過(guò)程中的退火溫度、氫氣含量和露點(diǎn)是決定氧分壓的重要參數(shù)，它們之間滿(mǎn)足以下關(guān)系[10- 11]：

(1)

式中：Psat(H2O)為水蒸汽飽和蒸汽壓，P(H2)為氣氛中的氫氣分壓，T為退火溫度(K)。

露點(diǎn)(DP)與氣氛中水蒸汽飽和蒸汽壓有關(guān)，具體為：

lgPsat(H2O)=

(2)

由式(1)和式(2)可以得到露點(diǎn)與氧分壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 露點(diǎn)與氧分壓對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Oxygen partial pressures at different dew points

由表1可見(jiàn)，隨著露點(diǎn)的升高，氧分壓增大，氣氛氧化性也增強(qiáng)，合金元素更容易向鋼板表面擴(kuò)散偏聚[12- 13]。1號(hào)鋼在加熱階段的露點(diǎn)高于2號(hào)鋼，因此，1號(hào)鋼中易氧化的Si、Mn元素向表面大量偏聚，從而形成較薄的表面氧化層；2號(hào)鋼的露點(diǎn)較低，在退火過(guò)程中表面形成的氧化層較厚，是1號(hào)鋼厚度的1倍以上。此外， 1號(hào)鋼在高露點(diǎn)加熱時(shí)氣氛氧化性強(qiáng)，表面會(huì)生成Fe的氧化物。在之后退火保溫階段被還原成Fe覆蓋在鋼板表面，在鍍鋅過(guò)程中更容易形成Fe2Al5Zn0.4抑制層，從而提高鋼表面與鋅液的潤(rùn)濕性及結(jié)合力，因此，預(yù)氧化可以改善Q & P鋼的可鍍性。

為了解預(yù)氧化對(duì)Q & P鋼表面失效行為的影響，對(duì)1號(hào)鋼裂紋(圖3)開(kāi)展進(jìn)一步研究。由圖4可見(jiàn)，裂紋區(qū)域存在Si和Mn的氧化物。由圖5(a)可以看出，氧化物主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是位于裂紋尖端及未開(kāi)裂區(qū)域(黃圈)的MnO；另一類(lèi)出現(xiàn)在裂紋擴(kuò)展區(qū)域兩側(cè)(紅圈)，主要為非晶SiO2和Mn- Si- O混合氧化物，如圖5(c)所示。Mn的氧化物分布在裂紋終止的位置以及未發(fā)生開(kāi)裂的位置，而SiO2分布在裂紋擴(kuò)展區(qū)域的兩側(cè)，可以推斷出氧化層中SiO2位置更容易發(fā)生開(kāi)裂，使基體與鍍層分離。由此可見(jiàn)，雖然預(yù)氧化可以改善鋅液中鋼板的潤(rùn)濕性，但帶狀SiO2會(huì)加劇裂紋的橫向擴(kuò)展，在受到外加載荷時(shí)，容易發(fā)生開(kāi)裂，造成表面層失效。

圖4 裂紋兩側(cè)元素分布Fig.4 Elements distribution at two sides of the crack

圖5 1號(hào)鋼表面裂紋周?chē)趸镄蚊布癊DS元素分析Fig.5 Morphologies and EDS element analysis of oxides around the crack at the surface of the steel No.1

4 結(jié)論

(1)退火處理后，試驗(yàn)鋼表面組織中出現(xiàn)MnO、帶狀非晶SiO2以及Mn- Si- O的復(fù)合氧化物，未經(jīng)預(yù)氧化的鋼表面氧化層較厚。

(2)經(jīng)預(yù)氧化的鋼，在加熱階段采用高露點(diǎn)，氧分壓增大，可使鋼中合金元素向表面富集，形成的氧化物層較??；在退火階段采用低露點(diǎn)，可使鋼板表面出現(xiàn)還原鐵層，有助于提高鋼板表面潤(rùn)濕性。

(3)在外加載荷作用下，氧化層中SiO2位置更容易開(kāi)裂，且裂紋橫向擴(kuò)展，導(dǎo)致表面層失效。