袁 超，李華鑫，馮婷婷，張 錦，姜發(fā)同，馬 秋

(吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江 寧波 315336)

0 前 言

熱成型鋼通過(guò)加熱到再結(jié)晶溫度以上并快速冷卻，使組織轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，材料的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1 500 MPa。因此，熱成型鋼被廣泛用于制造汽車安全結(jié)構(gòu)件，如前后防撞梁、A柱、B柱、門檻梁和縱梁等，在保證車身碰撞安全性的同時(shí)有效減輕車身重量[1-3]。目前，常用的熱成型鋼涵蓋裸板、鋅基鍍層和鋁硅鍍層3種[4, 5]。裸板在加熱過(guò)程中容易出現(xiàn)表面氧化和脫碳，且服役過(guò)程中容易出現(xiàn)腐蝕和表面疲勞強(qiáng)度降低等問(wèn)題[5-8]。鋁硅鍍層熱成型鋼最早開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)并用于汽車零部件制作，鋁硅鍍層能夠提升零部件的被動(dòng)抗腐蝕能力，但其生產(chǎn)成本高且加工過(guò)程中鍍層容易產(chǎn)生開(kāi)裂[5, 9-11]。近年來(lái)，各國(guó)鋼鐵企業(yè)和主機(jī)廠逐漸將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向成本低廉且具有優(yōu)異陰極保護(hù)作用的鋅基鍍層材料[5, 12, 13]。但是，鋅基鍍層同樣面臨熱成型加熱過(guò)程中鋅層的蒸發(fā)以及液態(tài)金屬導(dǎo)致脆性裂紋這2個(gè)問(wèn)題。通過(guò)預(yù)合金化或快速預(yù)冷卻等工藝，可有效改善上述問(wèn)題?，F(xiàn)階段許多汽車制造商亟需了解鋅基鍍層與其他種類鍍層保護(hù)能力的差異。因此，本工作對(duì)熱成型裸板、鋁硅鍍層熱成型鋼板和鋅基鍍層熱成型鋼板的腐蝕性能進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

分別采用國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的熱成型裸板(UC)、熱浸鍍鋁硅鍍層板(AS75/75)和熱浸鍍純鋅鍍層板(GI80/80)作為試材，鋁硅鍍層和純鋅鍍層分別為雙面等厚75/75 g/m2和80/80 g/m2，基材主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)基材主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

熱成型裸板和鋁硅鍍層熱成型鋼板生產(chǎn)工藝為：坯料在890～930 ℃加熱4～5 min后，輸送至沖壓模具完成成型和模具內(nèi)淬火。鋅基鍍層熱成型鋼板生產(chǎn)工藝為：坯料在850～890 ℃加熱4～5 min后，快速冷卻到700～750 ℃后輸送至沖壓模具完成成型和模具內(nèi)淬火。

1.2 測(cè)試分析

熱成型裸板、鋁硅鍍層熱成型鋼板和鋅基鍍層熱成型鋼板的耐腐蝕性能通過(guò)中性鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估，試驗(yàn)設(shè)備為Q - Fog CCT1100。中性鹽霧試驗(yàn)(NSS)依據(jù)GB/T 10125-2012“人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)”，氯化鈉溶液濃度為50 g/L，80 cm2平均沉降速率為1.5 mL/h，pH值為6.5～7.2。

為模擬驗(yàn)證3種材料在車輛服役過(guò)程中的抗腐蝕能力，3種材料同時(shí)進(jìn)行隨車電泳，電泳層厚度約為17 μm。利用專用刀具對(duì)電泳漆膜劃叉破損，使劃痕貫穿至基體，劃痕寬度為0.2 mm。隨后3種材料在中性鹽霧環(huán)境下進(jìn)行42 d腐蝕試驗(yàn)。

采用Imager.M2m金相顯微鏡對(duì)3種熱成型材料的金相組織、鍍層材料截面形貌、腐蝕深度和腐蝕寬度進(jìn)行檢測(cè)。利用FEI teneo掃描電子顯微鏡(SEM)和OXFORD X - MAX能譜儀(EDS)對(duì)3種熱成型材料的鍍層相結(jié)構(gòu)和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 試材金相組織

熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料的金相組織形貌如圖1所示?？梢?jiàn)3種材料的金相組織基本一致，均為馬氏體和少量殘余奧氏體組織。

圖1 3種材料金相組織形貌Fig. 1 Microstructure of three kinds of plates

2.2 鍍層形貌

熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料截面形貌如圖2所示。熱成型裸板在加熱和傳送過(guò)程中，表層中的C元素與空氣中的O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成CO2，導(dǎo)致材料表面形成脫碳層，如圖2a所示，脫碳層深度約為10 μm。鋁硅鍍層熱成型鋼板在加熱過(guò)程中，鋁硅鍍層和基體發(fā)生相互擴(kuò)散，鋁硅鍍層轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的Fe - Al - Si合金化合物相并形成典型的4層結(jié)構(gòu)(如圖2b所示)。結(jié)合表2中鋁硅鍍層各層EDS檢測(cè)結(jié)果，I區(qū)為鍍層和基體之間形成的中間擴(kuò)散層，厚度約為11 μm，該層主要為α - Fe相；II區(qū)中Fe和Al的原子分?jǐn)?shù)分別為15.34%和35.80%，該層主要為Fe2Al5相；III區(qū)中Fe和Al的原子分?jǐn)?shù)分別為23.67%和25.17%，該層主要為FeAl相；IV區(qū)中Fe和Al的原子分?jǐn)?shù)分別為16.16%和43.21%，該層相結(jié)構(gòu)與II區(qū)一致，主要為Fe2Al5相。同時(shí)，鋁硅鍍層表面在熱成型后出現(xiàn)明顯裂紋，但裂紋均終止于中間擴(kuò)散層，并未擴(kuò)展到基體，見(jiàn)圖2b。鋅基鍍層熱成型鋼板在加熱過(guò)程中鋅層和基體發(fā)生相互擴(kuò)散，純鋅鍍層轉(zhuǎn)變?yōu)殇\鐵合金化鍍層，鍍層厚約25 μm。由表2中鋅基鍍層上中下3個(gè)位置EDS檢測(cè)結(jié)果可看出，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由界面處的76.85%逐漸降低至近表層63.20%，整個(gè)鍍層相結(jié)構(gòu)主要為α - Fe相。同時(shí)，鋅鐵合金化鍍層中也存在明顯裂紋，見(jiàn)圖2c，這是由于鍍層和基體熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致在成型和淬火過(guò)程中而產(chǎn)生的[14]，但裂紋未滲透到基體。

圖2 3種材料截面形貌Fig. 2 Cross section morphology of three kinds of plates

表2 鋁硅鍍層和鋅基鍍層各點(diǎn)EDS檢測(cè)結(jié)果

2.3 腐蝕性能

熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料中性鹽霧腐蝕14，28，42 d后表面形貌如圖3。裸板和鋁硅鍍層鋼板在中性鹽霧試驗(yàn)14 d時(shí)表面已被紅銹全部覆蓋，而鋅基鍍層板在進(jìn)行到28 d時(shí)被紅銹全部覆蓋。3種材料隨試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)腐蝕程度逐漸加重，其中裸板表面經(jīng)過(guò)42 d腐蝕試驗(yàn)后，表面凹凸不平，出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物明顯堆積；而鋁硅鍍層板和鋅基鍍層板經(jīng)過(guò)42 d腐蝕試驗(yàn)后，表面相比裸板腐蝕更加均勻，未出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物大量堆積，表明2種鍍層對(duì)基體起到了良好的隔絕和保護(hù)作用。為確定3種材料抵抗紅銹出現(xiàn)的能力，以出現(xiàn)5%紅銹為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)3種材料出現(xiàn)紅銹的時(shí)間。熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板出現(xiàn)5%紅銹時(shí)間分別為6，76，96 h，表明鋅基鍍層抗紅銹出現(xiàn)能力優(yōu)于鋁硅鍍層，而鋁硅鍍層優(yōu)于裸板。

熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料中性鹽霧腐蝕42 d后截面腐蝕形貌如圖4所示，EDS檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。如圖4a所示，熱成型裸板存在明顯的腐蝕坑，腐蝕坑深度達(dá)到257 μm，同時(shí)腐蝕坑表面附著一層腐蝕產(chǎn)物，結(jié)合表3中腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果，該腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物。而鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板表現(xiàn)出更加優(yōu)異的腐蝕性能，腐蝕坑深度明顯低于熱成型裸板，2種材料的最大腐蝕深度分別為134 μm和66 μm，并且腐蝕深度更加平緩均勻。同時(shí)，在鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板表面也存在一層腐蝕產(chǎn)物，根據(jù)腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果可以看出該腐蝕產(chǎn)物同樣為鐵的氧化物。

圖3 熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料中性鹽霧腐蝕形貌Fig. 3 NSS corrosion morphology of uncoated, Al - Si - coated and zinc - coated hot - stamped steel plates

圖4 熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料截面腐蝕形貌Fig. 4 Cross - section corrosion morphology of uncoated， Al - Si - coated and zinc - coated hot - stamped steel plates

表3 熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板3種材料截面腐蝕產(chǎn)物EDS檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

3種材料隨車電泳后再中性鹽霧腐蝕42 d，截面腐蝕形貌如圖5。對(duì)于熱成型裸板，當(dāng)電泳漆膜破損后，由于沒(méi)有鍍層的保護(hù)作用，基材在寬度和深度方向均腐蝕嚴(yán)重，形成明顯腐蝕坑，腐蝕坑的平均寬度和深度分別為75.6 μm和32.2 μm。對(duì)于鋁硅鍍層鋼板，由于EUC

圖5 3種材料經(jīng)電泳處理后截面腐蝕形貌Fig. 5 Cross - section corrosion morphology of three kinds of plates after electrophoresis treatment

3 結(jié) 論

(1)3種熱成型材料的金相組織均為馬氏體和少量殘余奧氏體組織。

(2)熱成型裸板表面脫碳層深度約為10 μm，鋁硅鍍層主要由α - Fe相、Fe2Al5相、FeAl相和Fe2Al5相4層結(jié)構(gòu)組成，鋅基鍍層主要由α - Fe相組成。

(3)中性鹽霧環(huán)境下，鋅基鍍層的抗紅銹產(chǎn)生能力優(yōu)于鋁硅鍍層，而鋁硅鍍層優(yōu)于裸板，熱成型裸板、鋁硅鍍層板和鋅基鍍層板3種材料出現(xiàn)5%紅銹的時(shí)間分別為6，76，96 h。

(4)中性鹽霧環(huán)境下，熱成型裸板、鋁硅鍍層鋼板和鋅基鍍層鋼板的腐蝕深度分別為257，134，66 μm。

(5)中性鹽霧環(huán)境下，鋅基鍍層電泳板的抗腐蝕能力優(yōu)于鋁硅鍍層電泳板，而鋁硅鍍層電泳板優(yōu)于裸板材料電泳板，裸板、鋁硅鍍層和鋅基鍍層的電泳板腐蝕深度分別為32.2，7.0，2.5 μm，腐蝕寬度分別為75.6，42.3，143.8 μm。