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預電鍍鎳層改善高強雙相鋼鍍鋅層質量
m.xjyjc.com.cn 化學鍍鎳--合航集團 2013-08-11 22:43
深圳表面處理網：先進高強度鋼(AHSS)如雙相(DP)鋼、相變誘導塑性(TRIP)鋼以及淬火-碳分配(Q&P)鋼已經成功地被開發(fā)出來，并廣泛地應用到汽車工業(yè)，實現(xiàn)了汽車減重和安全性的提高。其中，雙相鋼是汽車工業(yè)最常用的AHSS之一，這是由于DP鋼具有連續(xù)屈服行為，并且比傳統(tǒng)的低合金高強度(HSLA)鋼具有更高的強屈比(UTS/YS)。為了要將DP鋼應用在汽車工業(yè)，鍍鋅對DP鋼獲得耐腐蝕性能而言非常重要。
典型的DP鋼的化學成分為：約0.1%C，最高2%Mn以及含一定量Si、Cr、Mo和Ni以提高淬透性。非金屬元素如C、P、S和合金元素如Mn和Si都可能偏析到鋼板基體表面，因此引起鋼板表面出現(xiàn)選擇性氧化，帶鋼表面的氧化物可能對反應浸潤性有不利影響，并導致在熱浸鍍鋅或連續(xù)退火線的退火過程中出現(xiàn)裸點缺陷。人們提出采用Technigalva和高溫鍍鋅等幾種方式來獲取更好附著力的合金化鋅層，但是在這些鍍鋅工藝中可能出現(xiàn)浮渣，或鍍鋅設備出現(xiàn)腐蝕等現(xiàn)象。最近，McDermid等人研究認為，優(yōu)化退火氣氛的氧化勢以及熱鍍鋅過程中鋁熱劑的還原反應，就可以獲得良好附著力的鍍鋅層。不過，由于AHSS鋼板通常含有一定量的C、Mn、Si以及一些其他合金元素如Cr、Ni和Mo。在這種情況下，與低碳鋼相比，特別是在單位熱循環(huán)方面，AHSS鋼板的熱鍍鋅過程就變得更為困難。此外，Si在DP鋼及其他類型AHSS鋼中起著脫氧劑及抑制基體中形成碳化物的作用，因而是這些鋼中不可缺少的元素。但是在加入一定量Si后引起的圣德林(Sandelin)效應，將導致鋅層變厚，附著力變差，而且至今還沒有解決這一問題的有效途徑。
本研究中提出了一種實現(xiàn)更好附著力的合金化鋅層的工藝，即在熱鍍鋅前，在雙相鋼的基體上預電鍍一層鎳，從而改善合金化鋅層質量。本研究中所選擇的預電鍍的鎳層厚度約5μm，原因是：必須深入研究Fe、Zn和Ni的三元反應，從而評價在熱浸鍍鋅過程中鎳層的作用，必需要5μm厚的鎳層才能保證鎳在鋼基體上均勻沉積。另外，如果鎳層太薄，測量誤差就可能相當大。在這種情況下，5μm厚的鎳層能最大程度上有效地減少測量誤差。在熱鍍鋅后，研究了鍍鋅層質量，并通過鍍層顯微組織的特征分析，研究在預電鍍鎳層后鋅層附著力變好的原因。
1試驗過程
研究中所使用雙相鋼的化學成分為：0.1177%C-0.274%Si-1.907%Mn-0.0114%P-0.0053%S
-0.0063%。熱鍍鋅模擬用鋼板的尺寸為120mm×180mm×1.5mm。
在電鍍鎳前，鋼板試樣用NaOH溶液清洗后在水中漂洗，并在酒精中進行超聲波清洗，最后在空氣中干燥。電鍍用典型鎳Watts電鍍液配制如下：分析試劑級化學品(NiSO4.6H2O300g/L、NiCl2.H2O50g/L、H3BO440g/L)配上0.1g/L十二烷硫酸鈉。加入10%硫酸以保證pH值控制在3.6-4.0之間。在大氣中電鍍，電流密度為30mA.cm-2。為了研究鎳層對熱浸鍍鋅工藝以及退火過程中Fe-Ni及Ni-Zn反應的影響，通過控制不同的電鍍時間，獲得5μm、7μm和12μm等三種不同厚度的鎳層。
在電鍍后，在實驗室模擬熱浸鍍鋅試驗，采取的相應工藝為：將試樣以4℃/s加熱到820℃，保溫80s，然后以7℃/s冷卻到460℃，進行熱鍍鋅，時間3s，然后急冷。熔融鋅液中鋁含量為0.18%，模擬試驗在還原性氣氛下進行，氣氛組成為95%N2-5%H2，其露點為-20℃。
利用硝酸浸蝕出顯微組織。從DP鋼上截取橫截面鍍鋅層，進行了鍍層的物相分析。利用LECOGDS-850輝光放電光學發(fā)射顯微鏡表征了不同元素的定量深度曲線，利用X衍射儀確定各種不同物相，利用掃描電鏡分析鍍鋅層中各個相的形貌和化學成分。
2結果及討論
2.1合金化鍍層的表面形貌與附著力
對直接鍍鋅及在熱浸鍍鋅前預電鍍鎳層的DP鋼的表面形貌進行了觀察。對直接鍍鋅鋼板表面裸點進行了形貌與化學成分分析。結果顯示，裸點中心的錳含量為4.72%，氧含量為7.30%，這表明合金元素向基體表面偏析并形成氧化物。在基體表面氧化錳的存在將可能導致鋼板在鍍鋅過程中涂鍍性差，這與他人的研究結果一致。發(fā)現(xiàn)直接鍍鋅鋼板表面裸點缺陷數(shù)量明顯多于熱浸鍍鋅前預電鍍鎳層的DP鋼。這說明DP鋼在鍍鋅前，在鋼板基體表面預電鍍一層鎳，將減弱合金元素由于富集在鋼板表面而帶來的效果惡化。
對所有試樣都進行了沖擊與彎曲試驗，結果顯示無明顯開裂或分層現(xiàn)象，說明在預電鍍鎳層后DP鋼板基體與Zn之間附著性好。
2.2鍍層顯微組織
1)鍍層深度曲線
為了研究合金元素的分布，采用GDOES分析儀檢測了合金化鍍層的深度曲線。結果顯示，Mn和Si呈向鋼表面偏析的趨勢，引起Mn和Si在鋼板表面出現(xiàn)中心峰。認為合金元素的偏析對合金化鍍層的質量存在不利影響。另一方面，具有鎳層的試樣的GDOES分析結果顯示，由于在鋼基體與熔融鋅液之間存在鎳層，使得Mn和Si沒有向鋼的表面偏析。
另外，在Zn/基體界面處存在一個明顯Al峰，這是由于形成了Fe-Al金屬間抑制層。然而，對預電鍍鎳層的試樣，由于在同一深度處，鐵的濃度要明顯低于Al的濃度，從而有可能在界面處不出現(xiàn)Fe-Al金屬間抑制層。此外，在另外一些分析中分別都出現(xiàn)兩個Al峰，這可能是由于Al在Zn及Zn-Al金屬間層中的溶解度都相當?shù)汀＝Y果，當試樣在熱浸鍍鋅及隨后的冷卻過程中，可能發(fā)生了Al原子向Zn鍍層表面及Zn/Ni界面處擴散。并且，隨著鎳層厚度的增加，鍍層中鐵的含量減少。以往研究認為，在鍍鋅過程中Fe和Zn原子相互擴散，對鍍層產生惡化效果。因此，在鋼板基體上鍍上一層鎳，盡管造成Zn層大大增厚，但會給合金化鍍層帶來有利效果。
2)鍍層橫截面分析
對直接鍍鋅及在熱浸鍍鋅前預電鍍5μm鎳層的DP鋼的試樣進行了掃描電鏡分析。結果顯示，在直接鍍鋅的鍍鋅層中形成了ζ相和δ相。而在電鍍5μm鎳層鋼板的鍍鋅層中，在Zn層與基體之間出現(xiàn)含鐵的鎳層。此外，EDS結果顯示在熱浸鍍鋅過程中，在Zn/Ni界面處形成了Ni-Zn金屬間化合物。可以認為鎳層能控制鐵原子的擴散，并抑制了鋅液與基體的直接反應，而這與直接鍍鋅過程完全不同。最終，在預電鍍鎳層的鋼板試樣中沒有發(fā)現(xiàn)ζ相。
盡管在研究中，EDS結果顯示鍍層中δ相，但XRD沒有發(fā)現(xiàn)δ相，這可能是由于與ζ相和Г相相比，δ相的量相對較少。從預電鍍鎳層的試樣鍍鋅層表面進行的XRD分析顯示，在鍍鋅層中存在三種物相：鎳相、Ni3Zn22金屬間化合物相及η相。從接近鎳/基體界面區(qū)域進行的XRD分析顯示，基體鐵相與含鐵的鎳相共生。結合SEM結果，可以得出如下結論：在預電鍍鎳層的試樣鍍鋅層中不存在ζ相。眾所周知，ζ相通常表現(xiàn)出異常長大行為，導致附著力差的鍍層過厚。本研究通過在鋼基體表面預鍍一層鎳，可抑制ζ相的形成，因此改善了鋅層質量。
最后，觀察了直接鍍鋅及在熱浸鍍鋅前預電鍍鎳層的試樣中的η相峰值強度，結果顯示在預電鍍鎳層后，在η相層中存在有利晶體學織構，看來η相有利于(0001)生長方向。η相層的擇優(yōu)晶體學取向可能來自于Ni3Zn22化合物層的存在。據研究報導，織構可能對合金化鍍鋅層的性能有重大影響，應進一步研究影響機理。
3結語
高強度雙相鋼在預電鍍鎳層后進行鍍鋅，研究了鍍鋅層質量及鎳層對鍍鋅層的影響，得出如下結論：
1)在鍍鋅前對鋼板表面進行預電鍍一層鎳，鋼板表面合金元素的偏析及選擇性氧化能顯著降低。與直接鍍鋅試樣相比，預電鍍鎳層DP鋼的鍍鋅層表面裸點缺陷的數(shù)量得到有效地減少。
2)盡管預電鍍鎳層導致鋅層顯著增厚，但能有效地抑制鐵原子向鋅層中擴散。
3)直接鍍鋅試樣的鍍層由η相層和ζ相層組成，然而預電鍍鎳層的試樣的鍍層由含鐵的鎳層、Ni3Zn22金屬間相層及η相層組成，同時沒有發(fā)現(xiàn)ζ相層。
4)預電鍍鎳層改變了鋅液的凝固行為，導致在η-Zn相層中出現(xiàn)(0001)晶體學織構。
對鍍鋅層中的各種物相進行了XRD分析，結果顯示，直接鍍鋅的試樣的鍍鋅層由η相和ζ相組成。有研究認為，F(xiàn)e-Zn金屬間相在鋼基體上形核順序為：ζ相、δ相，最后是Г相。
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