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第40卷 第3期 上 海 金 属
Vol.40,No.3
2018年5月 游衣
SHANGHAI METALS
May ,201853
基金项目：国家自然科学基金(No.51674163)
作者简介：杨洪林，男，博士，研究方向为精密冲压用钢，热冲压用镀层钢板，热镀锌㊁锌铝镁等,E⁃mail: 通信作者：王华，博士，实验师，研究方向为汽车钢的显微组织㊁力学性能及热浸镀锌工艺等,E⁃mail:wh225@shu.edu
扩散处理工艺对镀锌层组织和性能的影响
杨洪林1,3 霍季萍2 王 华2
(1.南极光新材料(上海)有限公司，上海 201908;2.上海大学分析测试中心，上海 200044;
3.镕凝精工新材料科技(上海)有限公司，上海 201908)
【摘要】 研究了扩散处理工艺对要进行热冲压成形的钢板含0.17%Al (质量分数)的镀锌层组织和性能的影响㊂结果表明，随着扩散处理温度的提高和保温时间的延长，镀锌层组织和性能发生了明显的变化，在520℃扩散处理20s 后镀锌层表面的ζ相消失㊂随着扩散处理温度的升高，镀锌层与钢基体界面处的Γ相增厚，在500~520℃时增厚尤为明显㊂当镀层由ζ相和疏松的δ相或者由疏松的δ相和Γ相构成时，镀层塑性较好㊂而致密的δ相会明显降低镀层的塑性㊂
【关键词】 扩散处理 热浸镀锌 热冲压用钢 抗粉化性 铝
Effect of Galvannealing Process on the Microstructure and
Property of Zinc Coating
Yang Honglin 1,3 Huo Jiping 2 Wang Hua 2
(1.South Polar Lights New Material (Shanghai )Co.,Ltd.,Shanghai 201908,China ;2.Instrumental
Analysis &Rearch Center ,Shanghai University ,Shanghai 200044,China ;3.Rolling P.T.
New Material (Shanghai )Co.,Ltd.,Shanghai 201908,China )
【Abstract 】
The effect of galvannealing process on the microstructures and properties of zinc
coating with 0.17%Al by mass on a sheet to be stamped was investigated.The results showed that obvious changes took place in the zinc coating with the increa of galvannealing temperature as well as the extending of the holding time.The ζpha disappeared on the surface of the coating after galvannealing at 520℃for 20s.As the galvannealing temperature incread ,particularly up to
500-520℃,the Γpha at the coating⁃matrix interface became thicker.The coating consisting of ζpha and loo δpha ,or of loo δpha and Γpha exhibited batter plasticity ,whereas compact
δpha will render plasticity of the coating much less.【Key
Words 】
galvannealing ,hot⁃dip galvanizing ,hot stamping steel ,pulverization
resistance ,aluminum
镀锌板具有较好的耐蚀性，且生产成本较低，在汽车行业得到了广泛的应用㊂热浸镀锌合金分为纯锌(GI)和锌铁合金(GA)㊂GA 是在镀锌后经扩散处理使钢板基体中的铁元素扩散到镀层中，形成锌⁃铁合金镀层㊂与GI 相比,GA 合金具有较高的耐蚀性㊁涂镀性和焊接性能[1]㊂GA 钢
板镀层中的Fe⁃Zn 相为脆性相，在成形过程中容易剥离和粉化㊂GA 镀层的成形性能与扩散处理后的组织密切相关[2]㊂Mataigne 等[3]认为，最佳的扩散处理组织是镀层表面的ζ相刚好消失而δ相还未长大时㊂扩散处理后的组织受扩散处理工艺㊁钢板成分和镀锌液中铝含量的影响[4⁃5]㊂目
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前普遍认为,GA 镀层的成形性能与镀层中Γ相密切相关，镀层脱落常发生在Γ相与基体的界面处，镀层中的Γ相越厚，镀层的抗粉化性能越差[6⁃7]㊂Cheng 等[8]指出，在Γ相厚度对抗粉化性的影响方面，高强钢比IF 钢更为明显㊂
在镀锌液的铝含量对扩散处理组织的影响方面，较低的铝含量易引起扩散处理后镀层中的铁含量过高，降低镀层的抗粉化性[9]，提高镀锌液中的铝含量能提高镀层的抗粉化性㊂Urai 等[10]研究发现,
较高的铝含量会导致扩散处理后ζ相与δ相之比增大㊂Nakayama [11]研究发现，提高镀锌液中的铝含量可降低扩散处理后镀层中Γ相的厚度㊂随着高强钢在汽车中的广泛使用，扩散处理高强钢的应用越来越广[12]㊂由于高强钢中的Mn㊁Si 等亲氧元素会富集在钢板表面[13]，易在镀锌过程中消耗钢板表面的铝元素而产生长条状的铁锌相㊂
目前，对高强钢采用含铝量较高的镀锌液热浸镀锌后的扩散处理的研究还比较少[14]，扩散处理前退火过程中表面富集的合金元素发生的氧化及基体化学成分对扩散处理的影响还不清楚㊂为此，本文以热冲压用钢为基板，采用铝质量分数为
0.17%的镀锌液，研究了扩散处理工艺对镀层的组织和成形性能的影响㊂
1 试验材料与方法所用基板为热冲压用钢，其化学成分(质量
份数,%)为0.24C,0.26Si,1.14Mn,0.003B㊂将试验钢板裁剪成尺寸为220mm ×120mm ×
1.2mm 的试样，在热浸镀锌模拟设备(IWATANI)上热浸镀锌，镀锌液中铝的质量分数为0.17%㊂将镀锌后的试样裁剪成120mm ×20mm 大小，在热浸镀锌模拟设备上通过红外辐射加热的方法按
图1工艺进行扩散处理㊂将镀锌试样用添加缓蚀剂(硫代硫酸钠)的10%盐酸水溶液去除表面的锌层，用S4200扫描电镜观察镀层与钢基体界面处的形貌㊂用1%的硝酸酒精溶液腐蚀扩散前㊁后的镀锌层，在扫描电镜下观察镀层截面的形貌㊂将扩散处理后的镀层进行 0T”折弯试验以评价镀层的成形性能
㊂
图1 镀锌试样的扩散处理工艺
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Fig.1 Galvannealing process curve for the galvanized samples
2 结果与讨论
2.1 镀锌层组织
图2为扩散处理前镀锌层的截面和镀层⁃基
体界面的形貌㊂图2表明，当镀锌液中铝的质量分数为0.17%时，在镀层⁃基体的界面处有一层ζ相，厚度为1.5μm 左右㊂对于IF 钢，当镀锌液中铝的质量分数超过0.15%时，镀层中的ζ相将消失，形成连续的Fe⁃Al 相[15]㊂但对于高强钢，由于在退火过程中合金元素富集而发生选择性氧化，从而消耗界面处的铝元素[16]，使界面处形成的Fe⁃Al 相不连续而产生ζ相㊂从图2(b)中的界面扫描图可以看出，界面处主要由粒状Fe 2Al 5相[17]和ζ相组成,ζ相的分布不均匀，易在表面轧制的裂纹处产生㊂界面上ζ
相的不均匀性将会引
图2 扩散处理前镀锌层横截面(a )和基体/镀层界面(b )的SEM 照片
Fig.2 SEM images of (a )the cross ction and (b )the substrate⁃coating interface of the zinc coatings
before galvannealing
第3期 杨洪林等：扩散处理工艺对镀锌层组织和性能的影响
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起扩散处理进程的差异，导致表面不均匀合金化，因此，对于经过扩散处理的热冲压用钢需要控制镀层表面的粗糙度㊂
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2.2 扩散处理对镀层组织的影响图3是经过如图1所示的工艺扩散处理后镀
层的表面形貌㊂从图3可以看出，在480℃保温20
s 后，镀层表面主要由柱状ζ相构成(图3(a))；当温度升高至500℃时，镀层表面的ζ相开始分解(图3(b))，而在520℃保温10s 时，镀层表面开始出现δ相(图3(c))㊂当继续在520℃保温20和
30s 后，镀层表面均主要由δ相组成(图3(d)和图3(e))㊂继续升高温度至550℃保温20s 后，镀层表面形貌没有显著变化(图3(f))㊂这表明，在较高的扩散处理温度下，镀层表面也没有发生合金化㊂其主要原因是，镀层与基体界面处形成了Fe⁃Al 相,Fe⁃Al 相的存在能降低扩散处理过程中的Fe⁃Zn 反应速率[18]㊂另外需要注意的是，扩散处理过程中产生的大量ζ相(图3(a)㊁3(b))将导致在成形过程中出现粘锌现象㊂
芝麻酱烧饼图4为扩散处理后镀层的表面形貌㊂图4表明，扩散处理后镀层表面出现了明显的条纹状合金，条纹方向与轧制方向一致,
主要是由轧制条纹
图3 在不同温度扩散处理不同时间后镀锌层的SEM 形貌
Fig.3 SEM images of the zinc coating galvannealed at different temperatures for different
times
图4 在520℃扩散处理30s 后镀锌层的SEM 形貌
Fig.4 SEM images of the zinc coating galvannealed
at 520℃for 30s
引起的㊂结合图2(b)界面处的扫描电镜照片可以看出，轧制后表面微裂纹处的ζ相较多，因为该裂纹处没有Fe⁃Al 相的阻碍作用，因此ζ相在扩散处理过程中会急剧增大，导致表面合金化条纹的形成㊂因此，控制好冷轧工艺对改善钢板表面质量具有重要作用㊂
图5为扩散处理后镀层截面的显微组织㊂从图中可以看出，经过480℃保温20s 扩散处理后，镀层表面有明显的柱状ζ相，次表层为疏松的δ相，在镀层与基体的界面处未发现Γ相[19⁃20]㊂在500℃保温20s 扩散处理后，镀层表面的ζ相减少，镀层与基体的界面处形成了较薄的Γ相㊂在
520℃保温10s 后，镀层主要由疏松的δ相构成,
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ζ相基本消失，界面处的Γ相增厚，但呈不连续的分散状态；保温时间延长至20s后，镀层中疏松的δ相转变为致密的δ相，并且Γ相增厚，形成连续的相层；保温时间进一步延长至30s后，镀层中的δ相更为致密,Γ相厚度变化不大；升高扩散处理温度至550℃保温20s后,Γ相厚度增厚
㊂
图5 在不同温度扩散处理不同时间后镀层截面的显微组织
Fig.5 Microstructures of the cross ction of the zinc coating galvannealed at different temperatures
for different times
高强钢主要用于汽车内板，更注重扩散处理
后镀层的成形性能，因此应尽量减少表面的ζ相,
减薄镀层⁃基体界面处Γ相的厚度㊂图6为扩散厨房瓷砖
处理温度和时间对Γ相厚度的影响㊂可以看出,
扩散处理温度对Γ相的厚度影响更为明显，随着
扩散处理温度的升高,Γ相厚度增加，并且在
500~520℃时影响最大㊂在520℃扩散处理
10~30s对合金层厚度的影响不明显(图
6(b))㊂
图6 扩散处理(a)温度和(b)时间对镀层中Γ相厚度的影响
Fig.6 Thickness ofΓpha in the coating as a function of(a)temperature and(b)time of galvannealing 为了降低Γ相的厚度，目前常采用先高温后低
温扩散处理的方法来提高镀层的抗粉化性能㊂据
此，首先将试样以20℃/s的速率加热至580℃，随
后以4℃/s的速率冷却至500℃，最终以20℃/s
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的速率冷却至室温(用580→500℃(-4℃/s)表示该处理工艺)㊂图7为扩散处理后试样的表面形貌和截面组织㊂可以看出，镀层表面形成了较粗大的δ相(图7(a))，并且δ相更为致密(图7(b))；而镀层⁃基体界面处的Γ相厚度达2.2μm，将严重影响镀层的成形性能和抗粉化性能[21]㊂
2.3 扩散处理后镀层的成形性能
试验通过 0T”弯曲后观察弯曲处镀层的脱
落情况以评价镀层的成形性能㊂图8为试样进行 0T”弯曲后，用胶带粘结弯曲处表面后的照片,
从成形后的宏观照片上看，镀层没有出现明显的剥离现象
㊂
田开头的成语
图7 经580→500℃(-4℃/s )扩散处理后试样的(a )表面和(b )截面扫描电镜照片
Fig.7 SEM images of (a )the surface and (b )the cross ction of the coating subjected to galvannealing
(580→500℃(-4℃/s
))
图8 经不同温度扩散处理不同时间的试样弯曲试验后的照片
Fig.8 Images of specimens galvannealed at different temperatures for different times after bending test
为了研究镀层的成形性能，对弯曲处表面进行了扫描电镜分析㊂从图9可以看出，提高扩散
处理温度后试样弯曲处裂纹增多，并且裂纹变宽㊂对比图5的SEM 照片可以发现，当镀层由ζ相和疏松的δ相或者疏松的δ相与Γ相构成时其塑性较好，而由致密的δ相构成时，镀层的塑性严重恶化，其粉化现象也比较严重(图9(d))㊂
从弯曲试验后镀层的开裂处可以看出(图10
(b))，镀层脱落是发生在界面处的Γ相层，主要是由于Γ相铁含量高，脆性较大[22⁃23]所致㊂一般认为，裂纹长度和数量与Γ相的厚度有关[21]，但在研究过程中发现，合金化镀层中存在较厚的Γ
相(图10(c))时也未发现严重的脱落和粉化现象㊂其原因可能是由于弯曲过程镀层在弯曲处主要受表面拉应力的作用，镀层受到的剪切应力较小㊂
3 结论(1)镀锌液中铝的质量分数为0.17%时，热冲压用钢的镀锌层主要由ζ相和Fe⁃Al 相构成,ζ相在表面的轧制缺陷处聚集，在扩散处理过程中易引起合金化条纹的出现㊂
平行公理(2)在480℃扩散处理20s 后，镀层表面主
要由ζ相组成;520℃扩散处理20s 后镀层表面的ζ相基本消失，主要由δ相组成㊂
