【文章內(nèi)容簡介】 溫度對合金層的生長速度有很大影響，合金化溫度高，合金 層的生長速度快。合金化過程實際上是個擴散過程，溫度的影響是不難理解的。在生產(chǎn)中，人們很關(guān)心合金化的速度，即熱鍍鋅鋼板從進入合金化爐到合金層達到一定的 Fe 含量（合金化度）所用的時間。這合金化所用的時間包括前面講的阻擋層的破壞用的時間（孕育期）和合金層生長用的時間。鍍層的合金化速度是決定了在生產(chǎn)線設(shè)計時考慮合金化爐的長度的一個因素，在合金化爐一定的情況下，決定了可以達到的生產(chǎn)速度。 在實際生產(chǎn)中，鍍層的 Fe含量控制目標(biāo)在 1011wt%，工藝條件中鋅液的 Al含量不變，通常是 %。對現(xiàn)場操作的工人 ，要做的工作是：對于以一特定的鋼種為基板和一定鍍層厚度的熱鍍鋅鋼板，用什么樣的工藝（溫度和生產(chǎn)速度）才能達到規(guī)定的合金化度，即鍍層的 Fe含量為 1011wt%。顯然，這樣的工藝有很多，即一系列的溫度和速度的組合。把這些組合畫成曲線（溫度對速度），就是所謂工藝窗口。工藝窗口對知道合金化熱鍍鋅鋼板的生產(chǎn)是很有幫助的，它可以通過實驗確定。 從上面關(guān)于阻擋層和 ZnFe合金層的生長的討論，我們知道影響合金化反應(yīng)的因素有合金化溫度、鋅液 Al 含量，和基板的化學(xué)成分。這些因素有的影響阻擋層的破壞時間，有的影響合金相是生長 速度，有的對兩個方面都有影響。合金 15 化反應(yīng)速度快，達到一定合金化度的時間就短。合金化爐的長度除以合金化要用的時間，就可得到生產(chǎn)線應(yīng)該用的生產(chǎn)速度。對促進合金化反應(yīng)的因素，可以提高生產(chǎn)速度。下面用工藝窗口的概念直觀地看一下影響合金化速度的那些因素在合金化過程中的作用。 圖 13(10) 影響工藝窗口的因素： a)鋅液 Al 含量； b)基板成分； c)鍍層厚度； d)合金化爐 從圖 13a)可以看到，當(dāng)鋅液的 Al 含量從 %增加到 %時，合金化的工藝窗口發(fā)生了明顯的左移，合金化速度變慢 。合金化溫度為 490℃ 時，鍍層的Fe 含量要控制在 1011%，生產(chǎn)線的速度不能超過 60m/min。比較鋅液 Al 含量為%和 %兩種情況，低 Al 時，合金化速度對溫度的敏感性增加，同時工藝窗口變窄， Al 含量為 %時，溫度的變化范圍大約是 5℃，而 %時為 10℃。 圖 13b)是基板成分對合金化速度的影響的一個很好的例子。 IF 鋼的合金化速度很快，即使鋅液的 Al 含量在 %，它仍以 60m/min 的速度生產(chǎn)，得到正常合金化度的合金化熱鍍鋅鋼板，而在這種條件下，低碳鋁鋼的合金化速度只能為 ，這在生產(chǎn)上是不可能的。 影響合金化工藝窗口的因素還有鍍層厚度和合金化爐的特性（圖 13c 和 d） ,a b c d 鍍層厚度： 60g/m2 合金化段： 5m 鋅液： ％ Al 鍍層厚度： 80/m2 鋅液： ％ Al 合金化段： 10m 鋅液： ％ Al 鍍層厚度： 609/m2 16 不同的生產(chǎn)線有不同的工藝窗口。鍍層厚度改變工藝窗口曲線的位置，厚度增加，合金化速度只能降低，或提高溫度，說明在合金化熱鍍鋅鋼板生產(chǎn)中，鍍層厚度控制的重要性。 合金化鍍層的剝落和粉化 合金化熱鍍鋅鋼板的鍍層中可能含有 的相有ζ、δ Γ 1 和Γ， 這些相較純鋅硬而脆，在加工變形過程中容易發(fā)生破壞。合金化熱鍍鋅鋼板鍍層破壞的方式有剝落和粉化兩中形式。 合金化鍍層的剝落（ flaking） 鍍層的剝落是鍍層 在剪切應(yīng)力的作用下沿鍍層 /鋼基板界面分開的現(xiàn)象，剝落下來的鍍層粉末的尺寸為鍍層的厚度。 過去很長一段時間認為鍍層的剝落是因為鍍層與鋼板界面的脆性的 Γ相，而且發(fā)現(xiàn)鋅液中的 Al 含量增加可以提高鍍層的附著力，這被解釋為鋅液中的 Al抑制了Γ相的生長的緣故。但是后來的研究表明，Γ相不但不是鍍層剝落的原因，而且Γ相的生成增加了鍍層的附著力。 合金化熱鍍鋅鋼板的鍍層的附著力與鍍層的 Fe含量的關(guān)系如圖 14所示。從圖可以看到，當(dāng)鍍層的 Fe含量在 89%經(jīng)過最低點后鍍層的附著力反而增加了。事實上，當(dāng)鍍層的 Fe 含量在 10％左右時 ，在鍍層和鋼基的界面就有Γ相的生成，這時的Γ相可能很薄，用掃描電鏡不易看到。用搭接試樣的拉伸試驗測定鍍層的附著力，搭接試樣的尺寸為 80X20mm，搭接部分為 。用掃描電鏡觀察斷裂的界面，或先將鍍層用含緩蝕劑的鹽酸溶液將鍍層腐蝕掉，然后觀察鋼板的表面形貌。觀察發(fā)現(xiàn)，鍍層Γ相與鋼板的界面是呈鋸齒狀的，如圖 15 所示。正是由于鍍層和鋼板表面之間的這種鋸齒狀的交叉，增加了鍍層的附著力。 0 5 10 15 鍍 層 Fe 含 量 圖 14 鍍層剪切強度隨鍍層 Fe 含量和鋅鍋 Al 含量變化 (9) %Al %Al %Al %Al 黑色：鍍層內(nèi)部斷裂 白色：鍍層 /鋼板界面斷裂 17 鋅液中 Al 含量 的增加可提高鍍層附著力的原因可用合金層生長的不均勻來解釋。前面已經(jīng)介紹，鋼板表面晶粒的取向不同，在它上面生成的 Fe2Al5 阻擋層的取向和對 Zn 擴散的抑制作用是不同的，而且隨阻擋層厚度的增加，這種晶粒之間的差別加大。合金層的生長一方面是鋅鍍層轉(zhuǎn)變?yōu)?FeZn合金層，另一方面鍍層也向鋼板深處生長。生長快的地方向鋼板里邊生長深一點，生長慢的地方向里生長淺一點，這樣就形成了晶粒尺度的鋸齒狀交叉如圖 16 所示。這就解釋了鋅液的 Al含量增加，鍍層的剪切強度增加的原因。 合金化鍍層的粉化（ powdering） 合金化鍍層的粉化是鍍層在變形時，特別在壓縮變形時在鍍層內(nèi)部破壞的一種形式。鍍層以粉末狀態(tài)從鍍層脫落下來，粉末的尺寸小于鍍層的厚度。鍍層粉化是合金化熱鍍鋅鋼板的一個固有特性，是它的一個弱點。但是，由于熱鍍鋅技圖 15 搭接剪切試驗基板斷口表面 SEM 象 (9) a) %%Al b) %%Al 圖 16 鍍層結(jié)構(gòu)隨合金化變化的示意圖 （ 9） 18 術(shù)的進步和對粉化的機理和影響因素的了解，我們現(xiàn)在可以把粉化控制在用戶可以接受的程度，已經(jīng)成功的沖壓出象汽車門內(nèi)板一樣變形復(fù)雜的零件。 與鍍層的剝落一樣，很長一段時間認為鍍層的粉化是由于鍍層生成了脆性的Γ相的緣故，但是觀察粉化試樣的橫截面發(fā)現(xiàn)，鍍層并不是在Γ相中破壞的，而是在Γ相與δ 1 相的界面斷開的， 說明鍍層的薄弱環(huán)節(jié)不在Γ相，而在δ 1 相靠近鋼板的部分。圖 17是 合金化鍍層與的粉化形態(tài) 合金化熱鍍鋅鋼板的鍍層中的 δ 1 相分外層的柵狀δ p 和靠近鋼板側(cè)的致密δ k。 據(jù)研究表明，對于過合金化的鍍層，鍍層的 Fe 含量高，也由一定厚度的 Γ相 。這時 δ k由大小相差很大的晶粒所組成，并且很脆，粉化就在鍍層的這部分發(fā)生。雖然Γ相不是粉化的原因，但是它仍然是合金化度的一個標(biāo)志，Γ相厚說明鍍層過合金化了，鍍層的抗粉化性能變差。 合金化鍍層的粉化除了與鍍層的 Fe 含量有 關(guān)外還和鍍層的厚度和合金化溫度有關(guān)。圖 19 表示鍍層厚度與鍍層粉化的關(guān)系，鍍層越厚，粉化越嚴(yán)重。我們可以用單位面積鍍層中的 Fe 的量表示鍍層的厚度和鍍層的 Fe 含量的綜合效果。圖 17 合金化鍍層的粉化形態(tài) (8) 圖 18 鍍層粉化與鍍層 Fe 含量的關(guān)系 (8) Zn Coating Weight 177。 19 圖 20 表示的單位面積鍍層中的 Fe 的量的關(guān)系。該圖同時還表明了合金化溫度對鍍層粉化的影響，合金化溫度高，鍍層的抗粉化性能變壞。 粉化與基板成分有密切的關(guān)系，眾所周知， TiIF 鋼為基板的合金化熱鍍鋅鋼板的抗粉化性能較差，而含 Nb、 Si 和 P 的 IF 鋼為基板的合金化熱鍍鋅鋼板的抗粉化性能則較好。研究發(fā)現(xiàn)，含 Si 和 P 的 IF 鋼為基板的熱鍍鋅鋼板的合金化的速度較慢，鍍層界面 Γ 1相 /Γ相的比例高。 前面講過，合金化溫度高，鍍層的抗粉化性能差。而合金化溫度高，說明合金化速度快。鋅液中的 Al 含量高，使熱鍍鋅鋼板界面的阻擋層厚，從而降低合金化速度。同樣 Al 含量高時，合金化熱鍍鋅鋼板的抗粉化性能好。這樣得到一個普遍的規(guī)律：合金化速度慢的因素可以提高合金化鋼板的抗粉化性能，促進合金化速度增加的因素，使合金化鋼板的抗粉化性能降低（圖 21）。 另外還有一個普遍的規(guī)律，即合金化速度慢，合金化鍍層的表面粗糙度大，圖 19 粉化與鍍層厚度的關(guān)系 圖 20 粉化與鍍層表面含 Fe 量和合金化溫度的關(guān)系 Best adhesion = lowest reactivity PIF AK~TiNbIF TiIF Worst adhesion = highest reactivity 圖 21 鍍層粉化與基板的關(guān)系 （ 10） 粉 化 量 mg/. 粉 化 量 mg/. 20 合金化速度快，合 金化鍍層表面平坦。前面講過，使阻擋層破壞速度降低的因素，如鋅鍋 Al 含量的增加，將使阻擋層的破壞速度不均勻，合金化的生長速度也不均勻，生長快的的地方把鋅液從生長慢的的地方吸引過來，這樣生長快的地方鍍層就厚，而生長慢的地方就薄，這就是是鍍層表面變的粗糙的原因。 圖 22 影響鍍層表面輪廓的因素 (13) 鍍層的抗粉化用鍍層在加工中鍍層粉化脫落的量來表示，標(biāo)準(zhǔn)的測試方法 簡單的有： U 型彎曲試驗、 60?彎曲試驗和單向拉伸試驗。較復(fù)雜的方法有雙杯突試驗（ Double Olsen）、 圓筒沖壓試驗（ Cylindricalcup test）和壓筋拉伸試驗（ Draw bead test）等。 合金化鍍層的使用性能 合金化熱鍍鋅鋼板由鋼廠交付用戶以后，還要進行機械加工（沖壓或彎曲等）、焊接、磷化和涂漆等后續(xù)處理。在這些后續(xù)處理中，我們除了會碰到鍍層粉化問題外，還會遇到其他方面的使用性能問題。 加工性能 合金鍍層的加工性能表現(xiàn)為兩各方面，即鍍層對整個鍍層鋼板的加工性能的影響和鍍層本身在加工過程中的粉化性能。 當(dāng)沖壓汽車零件時，合金化熱鍍鋅鋼板通過鍍層與模具作用 ,如摩擦系數(shù) ,影響 鋼板的沖壓性能，通常鍍層鋼板的表面的摩擦系數(shù)大于冷軋鋼板，所以鍍層鋼板的沖壓性能一般要低于無鍍層的冷軋鋼板。合金鍍層的合金化程度不同，鍍層表面的組織和摩擦系數(shù)也不一樣，因而沖壓性能也不一樣。鍍層表面為ζ相時，NbTiIF鋼 Al 含量，％ 表面粗糙度，Ra, μ m IF 鋼 AK 鋼 21 摩擦系數(shù)大，不利于沖壓；鍍層表面為δ 1 相時，摩擦系數(shù)小，有利沖壓。 預(yù)磷化的合金化熱鍍鋅鋼板，或者在表面鍍一層高 Fe 的 FeZn 合金層的合金化熱鍍鋅鋼板（稱為 GAM），沖壓性能可大大提高。用高級的潤滑油也可提高合金化熱鍍鋅鋼板的沖壓性。 關(guān)于合金化熱鍍鋅鋼板在加工中的粉化問題上一 節(jié)已經(jīng)作了詳細的討論。雖然現(xiàn)代的生產(chǎn)技術(shù)可以控制鍍層的粉化在可接受的程度，但是改善合金化熱鍍鋅鋼板的抗粉化性能仍是大家關(guān)心的問題。 磷化性能 鍍層的磷化性能反映鍍層在磷化處理中生成均勻致密的磷化膜的能力。磷化膜的質(zhì)量直接影響涂漆后漆膜的附著力和抗膜下腐蝕的能力。磷化膜的好壞可以用掃描電鏡觀察其表面形貌和涂漆后漆膜的膜下腐蝕來評價。 圖 24 是寶鋼 GA 熱鍍鋅鋼板磷化試驗的結(jié)果，總的來說當(dāng)鍍層的 Fe 含量在10％以上時能獲得連續(xù)致密的磷化膜， Fe 含量高，磷化膜更加細小致密。我們也觀察到，當(dāng)鍍層的 Fe含量 為 %時，鍍層就不連續(xù)了。 Fe:% Fe:% Fe:% Fe:% 鍍層 相 潤滑油 低←坯料壓邊力→高δ 1 Oδ 1