摘 要:分析了鋁鋅合金鍍層厚度、合金層厚度以及界面層顯微組織對鍍層成形性能的影響。 結(jié)果表明:鋁鋅合金鍍層越厚,外覆層變形量越大,受到的拉應(yīng)力越大,越容易產(chǎn)生裂紋;合金層越 厚,其在應(yīng)變時(shí)越容易發(fā)生開裂;鍍后冷卻速率越慢,界面層越容易富集脆而硬的硅相,進(jìn)而使鍍層 開裂,鍍層的成形性能變差。

關(guān)鍵詞:熱鍍鋅鋁;成形;合金層;凝固;裂紋

中圖分類號:TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)10-0029-05

鋁鋅合金鍍層鋼板具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和良 好的光 熱 反 射 性 能,在 建 筑、家 電 等 行 業(yè) 應(yīng) 用 廣 泛[1]。由于鍍層組織中各合金相存在差異,因此鋼 板在使用加工時(shí)容易出現(xiàn)裂紋[2]。鋼板經(jīng)過折彎 后,鍍層表面通?？梢娏鸭y。

WILLIS等[3]對加工后的鍍層進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn) 了裂紋數(shù)量、裂紋平均寬度與鍍層厚度有線性相關(guān) 性,鍍層越厚,裂紋越多。GUO 等[2]分析了鋅花大 小對鍍層成形性能的影響,發(fā)現(xiàn)小鋅花鋼板比大鋅 花鋼板的裂紋更密集、更短、更窄,穿透鋼基體的裂 紋數(shù)量更少。

鋁鋅合金鍍層由內(nèi)層的合金層以及外層的外覆 層組成。筆者分別對鍍層的合金層、外覆層以及界 面層進(jìn)行剖析,分析其對鍍層裂紋的影響,希望通過 研究鍍層顯微組織對加工成形性能的影響規(guī)律,控 制鍍層的顯微組織結(jié)構(gòu),從而獲得加工成形性能優(yōu) 異的鋁鋅鍍層。

1 試驗(yàn)方法

1.1 鍍層厚度對比試驗(yàn)

實(shí)際生產(chǎn)中,鍍層越厚,鋼板折彎后越容易產(chǎn)生 裂紋。為了驗(yàn)證這個(gè)觀點(diǎn),對鋁鋅合金鍍層鋼板進(jìn)行 鍍層厚度對比試驗(yàn)。試驗(yàn)材料為熱浸鍍生產(chǎn)線生產(chǎn) 的厚度為0.4mm 的 DX51D+AZ鋁鋅合金鍍層鋼 板。熱浸鍍時(shí),鋅鍋溫度為600℃,鋼板入鍋溫度為 600℃,浸鍍時(shí)間為3s,鍍液成分分別為:Al的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為54.9%;Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43%;Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為1.55%;Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.474%;其余為固有雜 質(zhì)。在相同工況下,制作出不同鍍層厚度的試樣,其 中1 # ,2 # 試樣的鍍層厚度較厚,3 # ,4 # 試樣的鍍層厚度較薄。試樣規(guī)格為70mm×120mm(長×寬),先 用折彎機(jī)將試樣折彎120°后,再使用壓平儀將其壓 平到 180°。 對 試 樣 進(jìn) 行 金 相 檢 驗(yàn) 和 掃 描 電 鏡 (SEM)分析,再測量鍍層厚度和裂紋長度。

1.2 合金層厚度試驗(yàn)

合金層相比外覆層更容易產(chǎn)生裂紋,對鋁鋅合 金鍍層鋼板進(jìn)行合金層厚度試驗(yàn)。試驗(yàn)采用經(jīng)過深 沖的、厚度為1.0 mm 的 DX54D+AZ鋁鋅合金鍍 層鋼板,鋅鍋溫度為600 ℃,入鍋帶鋼溫度為580~ 670 ℃。試樣規(guī)格為340mm×845mm(長×寬), 用300t沖壓機(jī)(見圖1)對試樣進(jìn)行沖壓,沖壓圓弧 角 半徑為5mm。沖壓后鍍層有裂紋的鋼板為OK 試樣[見圖2a)],而鍍層剝離甚至起皮露出鋼基體 的為 NG 試樣[見圖2b)]。對鍍層截面進(jìn)行金相檢 驗(yàn)和SEM 分析,再測量鍍層的合金層厚度,測量3 次后取平均值。

1.3 合金層與外覆層之間界面模擬試驗(yàn)

設(shè)計(jì)模擬試驗(yàn),研究鍍層組織對成形性能的影 響。材料為 DX51D+AZ,厚度為0.5 mm,試樣規(guī) 格為 70 mm×120 mm(長 × 寬)。 鋅 鍋 溫 度 為 600 ℃,浸鍍時(shí)間為3s?？刂茪獾秹毫?使鍍層厚 度一致,然后用不同冷卻方式對試樣進(jìn)行冷卻凝固, 試樣 A 為自然冷卻方式,試樣 B 為強(qiáng)制風(fēng)冷方式。 與鍍層厚度對比試驗(yàn)相同,制作折彎試樣。采用金 相檢驗(yàn)和 SEM 分析試樣鍍層截面,再測量鍍層裂 紋的長度。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層厚度的影響

用體式顯微鏡觀察彎折后的試樣,其微觀形貌 如圖3所示,圖3a),3b)分別為1 # ,2 # 試樣彎折后 截面的微觀形貌,鍍層表面裂紋(黑色箭頭處)清晰 可見。圖3c),3d)分別為3 # ,4 # 試樣彎折后截面的 微觀形貌,鍍層表面裂紋不可見。由圖3可知:鍍層 較厚的1 # ,2 # 試樣比鍍層較薄的3 # ,4 # 試樣更容 易產(chǎn)生裂紋。

用SEM 分析1 # ~4 # 試樣,結(jié)果如圖4所示。 圖4a),4b)分別為1 # ,2 # 試樣的SEM 形貌,可知鍍 層裂紋開口長度(黑色箭頭)較大;圖4c)為3 # 試樣 的SEM 形貌,鍍層幾乎無開裂;圖4d)為4 # 試樣的 SEM 形貌,可知鍍層部分開裂(黑色箭頭),相比于 1 # ,2 # 試樣,其裂紋開口長度小。另外還發(fā)現(xiàn)4 # 試 樣的鍍層厚度比3 # 試樣的鍍層厚度大。

對1 # ~4 # 試樣彎折后的鍍層裂紋進(jìn)行量化分 析可知:1 # ,2 # 試 樣 的 實(shí) 測 鍍 層 厚 度 為 22μm~ 23μm,裂紋總長度為472μm~530μm,鍍層裂紋 長度占比(與裂紋總長度的比值)為40%~45%;3 # 試樣 的 實(shí) 測 鍍 層 厚 度 為 7 μm,裂 紋 總 長 度 為 44μm,鍍層裂紋長度占比為5%;4 # 試樣的實(shí)測鍍 層厚度為11μm,裂紋總長度為133μm,鍍層裂紋 長度占比為12%。由此可知,鍍層較厚的鋼板在彎 折后易發(fā)生開裂。鍍層裂紋長度占比與鍍層厚度的 關(guān)系如圖5所示。

鋼板彎曲后會發(fā)生變形,彎曲的外層受到拉應(yīng) 力被拉長,內(nèi)層受到壓應(yīng)力被擠壓。鋼板中間的拉 應(yīng)力與壓應(yīng)力相等,不發(fā)生變形,即中性層。鋼板彎 曲變形時(shí),表層鍍層的強(qiáng)度與鋼基層會有差異,導(dǎo)致 鋼板彎曲變形,中性層將不通過橫截面的中心,會有少許的偏移,這個(gè)偏移量受鋼基體強(qiáng)度和鍍層強(qiáng)度 的影響。以厚度為0.3 mm 的鋼板為例,鋼板厚度 是鍍層厚度的10倍以上,因此可以簡化處理,認(rèn)為 中性層位置不變。

綜上所述,鋁鋅鍍層越厚,其成形性能越差。鍍 層的主要目的是對鋼基體進(jìn)行防護(hù),鋼板的服役壽 命往往取決于鍍層厚度,但是鍍層厚度由鋼板的使 用工況決定,不可隨意增減。

2.2 合金層厚度的影響

不同入鋅鍋帶鋼溫度與合金層厚度的關(guān)系如圖 6所示,由圖6可知:隨著溫度的升高,合金層厚度 幾乎呈線性增加;660 ℃以上時(shí),合金層厚度超過2 μm;當(dāng)合金層厚度超過1.3μm 時(shí),鍍層更容易出現(xiàn) 剝離或起皮并露出鋼基體的 NG 試樣形貌。

鋁鋅合金層是鍍液中 Al,Si元素與鋼基體反應(yīng) 的結(jié)果。反應(yīng)的產(chǎn)物為金屬間化合物 Fe-Al-Si-Zn, 構(gòu)成了鍍層的內(nèi)層[3-5]。合金層厚度應(yīng)小于5μm, 否則在高應(yīng)變時(shí)鍍層會產(chǎn)生裂紋。因此,需要控制 合金層厚度。合金層厚度受浸鍍時(shí)間、反應(yīng)溫度等 影響,一般在相同條件下,溫度越高,反應(yīng)越劇烈,合 金層厚度越大。

合金層硬度比外覆層大,成形性能比外覆層差, 中間合金層是產(chǎn)生裂紋的主要原因。

2.3 合金層與外覆層界面的影響

不同厚度鋁鋅鍍層鋼板截面的 SEM 形貌如圖 7所示。由圖7可知:較厚的鍍層與合金層界面處 的富鋅相占比少,分布著很多硅相[見圖7a)];較薄 鍍層與合金層界面處的富鋅相占比多,硅相相對少 [見圖7b)]。溫度過冷和成分過冷會影響鍍層凝固 后的組織。1 # ~4 # 試樣的鍍液、鋼基體都相同,其 顯微組織差異是溫度過冷造成的。

模擬試驗(yàn)用的鋁鋅鍍層鋼板試樣外觀如圖8所 示,圖8a)是自然冷卻試樣,編號為 A,圖8b)為強(qiáng)制 風(fēng)冷試樣,編號為 B。二者板面鋅花大小有差異,試 樣 A的鋅花大,試樣 B的鋅花小。彎折后 A,B試樣 的鋁鋅鍍層表面微觀形貌如圖9所示,試樣 A 可見 裂紋[見圖9a)],試樣B的裂紋不明顯[見圖9b)]。

圖10為試樣 A,B的鋁鋅鍍層截面的 SEM 形 貌。由圖10可知:試樣 A 鍍層與合金層界面處的 富鋅相占比少,分布著很多硅相;試樣 B 界面處富 鋅相占比多,硅相少。試樣 A,B的鍍層厚度均約為 25μm,合金層厚度均約為1.1μm ~1.3μm。由此 可知,鍍層凝固時(shí)的冷卻速率影響鍍層的顯微組織, 界面處顯微組織影響鍍層的成形性能。

3 結(jié)論

(1)鋁鋅合金鍍層的顯微組織由富鋁相、富鋅 相以及硅相組成,鍍層變形過程中不同物相的塑性 存在差異,導(dǎo)致鋼板產(chǎn)生變形,在使用加工時(shí)出現(xiàn)裂 紋。鍍層越厚,外覆層的變形量越大,受到的拉應(yīng)力 越大,越容易發(fā)生開裂。相比較,薄鍍層的變形量 小,受到的應(yīng)力小,開裂的傾向減小。

(2)鋁鋅合金鍍層形成過程中,高溫鍍液與鋼 基體之間劇烈反應(yīng),形成厚的合金層。過厚合金層 的成形性能差,在應(yīng)變時(shí)合金層是產(chǎn)生裂紋的重要 來源。要獲得性能良好的鍍層,需要控制中間合金 層的厚度。

(3)鍍后冷卻速率不足時(shí),外覆層與合金層之 間的界面處容易富集脆而硬的硅相,誘發(fā)鍍層開裂, 成形性能變差。

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<文章來源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 58卷 > 10期 (pp:29-33)>