22MnB5热成形钢Al-Si镀层结构变化和元素分布

利用光学显微镜和SEM，观察的22MnB5钢Al-Si镀层的奥氏体化前后的结构变化，并结合EDS进行镀层里的元素分布及合金形成情况。结果表明，奥氏体化前，镀层以Al、Si为主，同时由于热镀的作用，会有少量Al-Fe-Si三元合金，其结构一般会认为是三层结构。奥氏体化后镀层主要是Al-Fe-Si三元合金和Al-Fe二元合金，其结构一般是五层结构或岛状结构。

引言

当前，世界各国对汽车的安全，节能和环保的法规要求越来越严。同时，汽车生产商面对着复杂的市场环境，和人们对汽车安全性的要求日益增强，对汽车车身结构件的研发和制造提出了“高强度，轻量化”的要求。目前，高强度钢板热冲压技术被广泛应用于制造汽车车身结构零部件，它能满足汽车的碰撞性能要求，同时也实现了轻量化，其中最广泛也最具代表性的钢种就是22MnB5。

与传统的冷冲压成形技术不同，热成形技术是将高强度钢在加热过程中实现相变，使珠光体和铁素体均匀奥氏体化，然后在模具内冲压成形，同时利用模具内的冷却水道，将冲压成形的零件快速均匀的冷却，从而将奥氏体转化为马氏体。进而使汽车用高强度钢获得更高的屈服强度和抗拉强度，有效的提升车身的整体性能，获得更高的安全性。
 
然而，在热成形过程中，若使用裸板，在高温下会使表面氧化而形成氧化皮。为不影响后续的涂装工序，热成形后的零件需要经过喷丸或酸洗去掉钢板表面的氧化皮，这使得生产工序和成本增加。而且钢板在氧化的同时也会引起钢板表面的脱碳，进而影响钢板的强度，同时耐腐蚀性也得不到保障。所以，镀层板的运用能解决上述工艺问题。目前热成型钢镀层主要分为两种：一种是铝硅（Al-Si）镀层，另一种是锌基镀层。Al-Si镀层具备加热时无氧化皮脱落，冲压后无需喷丸或喷砂，成形精度高，无需氮气保护且耐腐蚀性能好等特点，目前在热冲压成形工艺中得到广泛应用。

所以，研究Al-Si镀层对零件的焊接性，涂装性和防腐蚀性有重要作用。本文论述了Al-Si镀层热成型钢在热冲压前后镀层结构变化和元素、化学成分的分布情况，对企业在生产指导和工艺参数有参考意义。

⑴试验材料试验使用的带铝硅镀层的热成型钢22MnB5，厚度为1.6mm，其基材的化学成分如表1。镀层成分中Al占85.65%，Si占8.53%，其单面的平均镀层重量约为73g/m2。
(2)试验方法
本次试验所用厚度1.6mm钢材切割成300mm×600mm的方板，采用平板模具（如图1），使用液压伺服压机500T压力，保压6s，模拟零件成形和冷却的过程。连续性加热炉全长约为27m，采用机械手臂从加热炉转运到模腔内，转运时间约为8s。

图1试验所用的平板模具

镀层的金相显微组织分析在倒置金相显微镜1000倍上进行，将试样切割成合适的尺寸后，进行镶嵌和320#-1200#砂纸逐步打磨。之后采用1μm金相抛光剂对镶块金相抛光，使用4%硝酸酒精溶液腐蚀，腐蚀时间5s左右。镀层断面组织的扫描电镜观察和分析在FEIQuanta400场发射扫描电镜上进行，镀层组织中的元素分布和含量采用扫描电镜配备的EDAX公司EDS能谱议进行分析。扫描电镜观察时，试样表面粘贴导电胶，增加表面导电性，减少材料与环氧树脂之间的电荷聚集引起的图像畸变。

图2光学显微镜下热处理前Al-Si镀层的断面组织

⑴热处理前Al-Si镀层的断面组织

热镀Al-10%Si镀层断面组织光学显微镜图像如图2所示。可以看出，总镀层的厚度约为25mm，热镀Al-10%Si镀层主要由冷却过程中纯Al和纯Si共晶反应形成的金属间化合物组成，局部存在纯Si相呈细长条状，呈灰色。镀层由3部分组成，最外层为纯Al层，其中包括少量富Si相和Fe-Al-Si三元合金；中间层为Fe-Al-Si三元合金相；内层为Fe-Al合金层，主要成分是Fe2Al5和FeAl3。镀层与钢基体之间存在一层较亮的中间层为合金层，厚度约5mm，分析其为Fe2SiAl7。在金属间化合物Fe2SiAl7和钢基体之间存在一层薄薄的由Fe2Al5和FeAl3组成的化合物层。

(2)热处理后Al-Si镀层的断面组织

920℃，290s和940℃，270s后热镀Al-Si镀层断面不同区域的EDS分析结果如表1和表2所示。可以从SEM图像中看出，两组参数钢板奥氏体化后形成的镀层结构，其形态并不相同。

图3(a)镀层可以分为5层结构，总镀层厚度为35μm，其中第一层和第三层富含铝，根据EDS结果分析为Fe2Al5。第二层和第四层为富硅层，镀层中的Si大部分聚集在这两层，以三元Al-Fe-Si金属间化合物的形式存在，一般为Fe5SiAl4+Fe2SiAl2[4]。靠近基体第五层，Fe元素含量最多，基本为Fe3Al和α-Fe。第四层和第五层即为合金层，其厚度为8.5μm。

而图3(b)总镀层厚度为35μm，其第二层区域呈岛状，第一三层区域呈海状，第四层和第五层仍为合金层，其厚度约为9μm。两种参数奥氏体化后镀层的元素分布基本是一致的。

结果分析

⑴奥氏体化时热镀Al-10%Si镀层中的元素与钢基体中的Fe元素通过相互扩散，镀层中原来的Al、Si单相和少量的Al-Fe-Si三元合金转变为大量的三元Al-Fe-Si或二元Fe-Al金属间化合物。

⑵随着奥氏体化时间的延长，镀层中的Fe含量和镀层厚度逐渐增加，元素扩散逐渐趋于平衡，镀层主要由Fe2SiAl2、Fe2Al5和Fe5SiAl4组成。宏观表现就是镀层表面的粗糙度也越来越大，表面层状的氧化物也增多，影响镀层后续的涂装和焊接等性能。

⑶同时，镀层结构变化也逐渐呈现规律，一般来说会呈现五层结构，如图3(a)所示。但第二层也会呈现不连续状态，即岛状结构，如图3(b)所示。

图3(a)920℃，290sAl-Si镀层断面

图3(b)940℃，270sAl-Si镀层断面