郭 健, 魏煥軍, 楊麗娜, 趙江林

(唐山鋼鐵集團(tuán)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(qiáng)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(guó)內(nèi)外已有對(duì)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(duì)鍍層組織的影響，筆者重點(diǎn)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(shí)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(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(jī)將鋼板分別加熱至870，890，910，930，950 ℃保溫5 min，冷卻至室溫，測(cè)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(cè)試不同保溫時(shí)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(yàn)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(shí)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(zhǎng)大，在這個(gè)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(shí)凝固過程中有一部分鐵原子透過界面層擴(kuò)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(kuò)散,鍍層表面鐵含量達(dá)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(gè)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(kuò)散，從而有效阻止加熱后中間合金層厚度的進(jìn)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(duì)比圖3可知加熱前鍍層的原始表面較平滑，幾乎沒有細(xì)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(shí)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(shí)間、加熱溫度對(duì)合金層厚度的影響

測(cè)量不同加熱溫度、保溫時(shí)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?yàn)殍F進(jìn)入鋁液的擴(kuò)散系數(shù)大于鋁進(jìn)入鐵的擴(kuò)散系數(shù),溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)速率越快，則鐵向外擴(kuò)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(shí)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(jìn)一步增加，提高了鍍層的成形性能。

(3) 鍍層變厚的驅(qū)動(dòng)力是鐵元素的擴(kuò)散。隨著加熱溫度升高、保溫時(shí)間延長(zhǎng)，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(dá)到45%～55%。