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北京京杰锐思技术开发有限公司主营业务：镀(铝)锌生产线、镀锌铝镁生产线、彩涂生产线、酸洗生产线、废酸再生机组、脱脂生产线/重卷生产线、纵剪机组、退火机组、拉伸弯曲矫直机组、横切机组、电镀锡生产线、电控系统工程、在线锌层测厚。手机：18811619650 电话：010-67870840/67883494
摘要：镀锌热成形钢是继铝硅镀层后一种新的镀层热成形钢，具有良好的耐腐蚀及阴极保护性能、防止 钢板加热时表面高温氧化起皮和脱碳、优良的外观和冲压性能、较好的焊接和涂镀性能等优点 。锌基镀 层化学成分为 99% Zn、< 1% Al 及其他杂质，当镀层温度 < 600 ℃ 时，Al 与基体中的 Fe 在镀层与铁基体 界面处生成约 1 μm 厚的 Fe2 Al5 抑制层，阻止基体中的 Fe 原子向镀层中扩散；镀层温度 800 ℃ 时，镀层 中的 Al 元素基本都迁移至镀层表面，形成连续的 Al2 O3 薄膜阻碍 Zn 的蒸发 。镀层温度增加 ≥700 ℃ 后，抑制层破坏，大量 Fe 元素扩散进入镀层形成 Al、Fe 化合物相，镀层体密度变化增厚 。镀锌热成形钢 的奥氏体化加热温度、保温时间、入模成形温度对零件的耐腐蚀性、镀层液相脆性 LME 防控有直接影 响，最佳的工艺参数为加热温度 880 ℃ 、加热时间 360 s、入模成形温度 ≤700 ℃ 。镀锌热成形钢板的焊 接及涂装性能良好，在汽车车身安全结构件有很大的应用前景。
关键词：热冲压；镀锌层；抑制层；扩散；入模温度；液相金属脆性
引言
超高强热成形钢板随着汽车轻量化的需要，在汽 车安全件的应用比例自 22MnB5 马氏体热成形钢诞 生 20 年来，呈现逐年增加的趋势，目前在汽车白车身 的平均应用比例≥17% , 单车最高用量达到 24% 。当 前我国热成形钢的用量在国际上处于首位，已建成的 热冲压产线将近 300 条，年产能＞2 亿件。为了避免 热成形钢在高温加热时发生表面氧化起皮和脱碳，提 升制件的表面质量和耐腐蚀性，镀锌涂层热成形钢板 越来越多地应用于汽车零部件。锌基镀层具有优良的 金属外观和冲压性能、焊接性能和涂镀性能等优点，近 年来在汽车行业得到了广泛的重视和应用[1 - 4] 。
加热温度下锌镀层组织结构及抗氧化研究
原 始 状 态 的 锌 基 镀 层 化 学 成 分 为 99% Zn ,
<1%A1及其他杂质。当镀层加热至<600℃时，在镀层与铁基体界面处会生成一层厚度约为1m左右的 Fe，Al；金属间化合物,称为抑制层。其作用是抑制 爬 原子向镀层中扩散生成脆性的Fe-Zn金属化合物。抑制层的连续性与致密程度与镀锌层的结合质量相关。镀层加热温度 700℃时，镀层中A1元素开始向镀层表面迁移，界面处的 Fe，Al 减弱，但是仍保持连续状态。镀层温度 800℃时，镀层中的A1元素基本都迁移至镀层表面，抑制层大部分被破坏。镀层温度900℃时，抑制层完全消失，A1完全迁移到镀层表面，形成连续 A0；薄膜阻碍Zn的蒸发，使基体与外界保持隔离状态，防止氧化腐蚀[5-7]。详见图 1。
镀层厚度随着加热温度的升高而增厚，如图2所示。500℃时厚度无变化，600℃时厚度略有下降,主要是由于 Zn 层的蒸发作用，700 ℃时厚度增加22%，主要是因为抑制层的破坏加速了镀层中Zn与基体距的互扩散，导致镀层中距-Zn化合物生成与体密度发生变化[9]。800~900℃时，抑制层完全消失，镀层与基板之间元素扩散量增大，厚度增加66%~130%。
镀层中的显微组织结构随着温度的升高发生变化。根据 Fe-Zn二元相图[3](图3)，500℃时，产生8相(Zn83%，Fe16%)和相：600 ℃时，产生T相和8相(Zn83%，Fe16%)；700℃时，产生Г相和a-Fe(Zn)相，其中，「相是FeZn化合物(Fe40%，Zn60%)，T相分布于镀层表面，a-Fe(Zn)相分布在镀层与基体界面处，该固溶体成分为Fe65%、Zn40%:800~900℃。产生a-Fe(Zn)相和少量T相。详见图4与图5。
镀锌层钢板的工艺及性能研究
镀锌热成形钢除具有抗高温氧化及循环腐蚀 特点，镀层出现裂纹或损伤后还具有牺牲阳极保护 效果、提升汽车零部件耐久性能的优点 。不足之处 是极易产生液相金属致脆裂纹 LME[10] 。镀锌层热 成形钢成形工艺分为直接热成形或间接热成形工 艺，直接热成形工艺简单、成本低，但 LME 难以控制，适合于成形结构简单、拉延深度低的制件 。 间 接热成形首先利用冷成形方法将制件成形，然后利 用模中精整及淬火方法硬化零件到超高强状态，制 件成形精度高、表面质量好，易于控制成形过程的 LME , 不足之处是需要 2 套模具成形，成本较高。 镀锌热 成 形 钢 的 出 厂 及 热 冲 压 后 的 力 学 性 能 见 表 1 。
2.1 加热时间与耐腐蚀性能的关系
试验表明，热成形钢奥氏体化加热时间对Z镀层耐腐蚀及牺牲阳极保护作用有直接的影响。镀锌热成形钢奥氏体化加热温度为890℃，在此温度下镀层显微组织结构为a-Fe(Zn)相和少量T相，分别在加热时间180s、240s、300s下进行热冲压试验，结果如表2所示。随着加热时间延长，镀层增厚，镀层的腐蚀电位升高有利于降低镀层的初期腐蚀速率，循环腐蚀时间 96 h、240h时样片失重率呈下降趋势，腐蚀480h时试样失重率在240s加热时间下最低。因此从耐蚀角度分析，锌基镀层热成形钢腐蚀速率最低的最佳奥氏体化加热时间是240s左右。评估镀层牺牲阳极保护的条件是，防腐镀层低于基体的电位差30.25 V。加热时间300s时镀层电位与基体氏电位差为0.303(Fe的电极电位-0.440 V)，因此镀层对基体仍然具有牺牲阳极保护的作用。加热温度和保温时间对镀层腐蚀电位的影响详见图6。
2.2 冲压成形温度对镀层 LME 的影响及预防措施[11-14]
镀层出现LME 裂纹的必要条件是成形时钢板表面存有液相金属Zn的数量和成型时表面张应力值的大小。在热成形奥氏体化890℃的加热温度下，镀层次表面含有部分T相(Fe,Zn。)，T 相成分60%Zn+40%Fe，由Zn-段 二元相图可査到，T相的熔点是 782 ℃，当成形温度大于 782 ℃时镀层中会产生大量的液相Zn金属。对于直接热冲压工艺，制件在变形应力的作用下表面会出现微裂纹或微缺陷，液相 Zn 快速渗入在镀层中形成裂纹，在应力驱动下扩展至基体，形成LME致脆现象。在直接热成形工艺下规避 LME的方法是将成形温度控制在 780℃以下，或利用间接热成形工艺，使应变应力出现在冷成形阶段，而加热时应力释放，热冲压制件在硬化阶段处于较低的应力状态。图 ７ 显示的是镀层中的微裂纹没有扩展至基体。
2.3 热成形钢镀锌层对焊接性能的影响
图 ８ 为 ９００ ℃不同保温时间下镀锌层表面接触电阻测量值变化。可以看出，电阻值变化不大，但随着加热时间延长接触电阻先降后升，加热 １０ ｍｉｎ 后达到最低值。点焊工艺参数与普通镀锌板相同，表 ３是焊接电流为 ８． ２ ～ ９． ０ ｋＡ 时的工艺参数及剪切强度值，图 ９ 为焊点失效钢板形貌，均为熔核拉脱断口。
镀锌涂层热成形钢板的应用场景及实例
镀锌涂层热成形钢板由于具有良好的高温抗氧化性能和镀锌层的牺牲阳极保护作用，除具有铝硅涂层防止高温加热基体表面氧化脱碳、提升钢板表面质量作用外，特别适合用于车身的潮湿易腐蚀区域和易遭受外来异物冲击破坏涂漆层导致基板腐蚀而过早失效的下车身高强度安全件，如图10所示的前机舱地板纵梁后段、门槛梁、地板横梁、后地板纵梁、A柱下段及B柱加强梁、前后防撞梁等。目前，BMW车系的热成形钢制件全部使用镀锌层钢板，可提高车身的耐腐蚀性能。
常见的问题及规避
4.1镀锌热成形钢应用时常见问题。
(1)镀锌层蒸发造成锌膜不连续,使基体高温氧化表面产生氧化皮；
(2)热成形过程中出现的液相金属脆性问题 LME；
(3)应用成本高于 A1-Si涂层。
4.2问题的规避方法
(1)影响锌层蒸发的因素是奥氏体化加热温度和时间。加热温度应<900℃，保温时间应在保证基体热透的情况下尽量短。
(2)镀层出现 LME裂纹的必要条件是成形时钢板表面存有一定数量的液相金属Z及成型时表面应变张力值过大。解决方法是降低零件入模成形温度减少液相 Zn 的数量及 T.<780℃；成形工艺采用间接热成形技术，即将成形与火硬化两工序分开处理,成形采用传统的冷成形工艺完成，随后加热成形零件移入模具中快冷保压硬化处理，减少成形应变力。
(3)与直接热成形相比，造成间接热成形成本高的原因是增加了1套冷成形模具成本，为降低应用成本也可采用直接热成形工艺，但是需要在产线上增加预冷工序，降低人模成形温度，减少钢板表面的熔融Zn 数量。
(4)间接热成形工艺适合于几何形貌复杂、尺寸精度较高的零部件成形。
结语
镀锌热成形钢镀层在奥氏体化加热温度保温时，由于镀层中的 A1元素扩散至镀层表面，形成连续 0 薄膜防止镀层Zn的蒸发，有效隔离了基体与加入气氛的接触，防止基体表面氧化起皮和脱碳，提升制件的表面质量和耐腐蚀性。热成形零件加工时,通过合理地控制加热温度、保温时间、入模成形温度等工艺参数，使热成形零件在模具中接触快冷完成马氏体相变，可获得抗拉强度>1500MPa、A ≥7%的机械性能，并能有效控制镀层液相脆性LME 问题。
热成形钢奥氏体化加热时间对Zn 镀层耐腐蚀及牺牲阳极保护作用有直接的影响，当加热时间在300~360s区间时，镀锌层电位低于基体Fe电位，满足牺牲阳极保护的必要条件:电位差30.25V要求，适和于车身下车体易腐蚀零件应用，A-Si涂层没有牺牲阳极保护的作用。镀锌热成形钢板的焊接及涂装性能良好，在汽车车身安全结构件上有很大的应用前景。最佳的工艺参数供参考:加热温度880℃，加热时间 300s~360 s，人模成形温度≤700 ℃。
参考文献
2024-11-08
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