預電鍍鎳層改善高強雙相鋼鍍鋅層質量

    深圳表面處理網：先進高強(qiang)(qiang)度鋼(gang)(gang)(AHSS)如雙相(xiang)(DP)鋼(gang)(gang)、相(xiang)變誘(you)導塑性(xing)(xing)(TRIP)鋼(gang)(gang)以及淬(cui)火(huo)-碳分配(Q&P)鋼(gang)(gang)已經成功地(di)(di)被開發出(chu)來，并廣泛地(di)(di)應用到汽(qi)車(che)工業，實現了汽(qi)車(che)減重和安(an)全性(xing)(xing)的(de)提高。其中(zhong)，雙相(xiang)鋼(gang)(gang)是汽(qi)車(che)工業最(zui)常(chang)用的(de)AHSS之一，這是由于(yu)DP鋼(gang)(gang)具有連續(xu)屈服行為(wei)，并且比(bi)傳統(tong)的(de)低合金高強(qiang)(qiang)度(HSLA)鋼(gang)(gang)具有更高的(de)強(qiang)(qiang)屈比(bi)(UTS/YS)。為(wei)了要(yao)將DP鋼(gang)(gang)應用在(zai)汽(qi)車(che)工業，鍍鋅對DP鋼(gang)(gang)獲得耐腐蝕(shi)性(xing)(xing)能而(er)言非常(chang)重要(yao)。

    典(dian)型的(de)(de)DP鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)化(hua)學成(cheng)分為(wei)：約0.1%C，最高(gao)2%Mn以及(ji)含(han)一定(ding)量Si、Cr、Mo和(he)Ni以提高(gao)淬透(tou)性。非金屬元(yuan)素(su)如C、P、S和(he)合(he)金元(yuan)素(su)如Mn和(he)Si都可(ke)能(neng)偏析到鋼(gang)(gang)(gang)板(ban)基(ji)體(ti)表(biao)(biao)面(mian)，因此引起鋼(gang)(gang)(gang)板(ban)表(biao)(biao)面(mian)出現(xian)(xian)選(xuan)擇性氧化(hua)，帶鋼(gang)(gang)(gang)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)氧化(hua)物可(ke)能(neng)對反應(ying)浸(jin)(jin)潤性有(you)不利影響，并導(dao)致在(zai)(zai)熱浸(jin)(jin)鍍(du)(du)鋅或連續(xu)退(tui)火(huo)(huo)線的(de)(de)退(tui)火(huo)(huo)過程(cheng)中(zhong)(zhong)出現(xian)(xian)裸點缺陷。人們提出采用Technigalva和(he)高(gao)溫鍍(du)(du)鋅等幾種方(fang)式來獲取更好(hao)附(fu)著力的(de)(de)合(he)金化(hua)鋅層，但(dan)是(shi)在(zai)(zai)這(zhe)些鍍(du)(du)鋅工藝中(zhong)(zhong)可(ke)能(neng)出現(xian)(xian)浮渣，或鍍(du)(du)鋅設備出現(xian)(xian)腐蝕等現(xian)(xian)象。最近，McDermid等人研究認為(wei)，優化(hua)退(tui)火(huo)(huo)氣氛的(de)(de)氧化(hua)勢(shi)以及(ji)熱鍍(du)(du)鋅過程(cheng)中(zhong)(zhong)鋁熱劑(ji)的(de)(de)還原(yuan)反應(ying)，就(jiu)可(ke)以獲得(de)良好(hao)附(fu)著力的(de)(de)鍍(du)(du)鋅層。不過，由于AHSS鋼(gang)(gang)(gang)板(ban)通常含(han)有(you)一定(ding)量的(de)(de)C、Mn、Si以及(ji)一些其(qi)他合(he)金元(yuan)素(su)如Cr、Ni和(he)Mo。在(zai)(zai)這(zhe)種情況下，與低碳鋼(gang)(gang)(gang)相比，特別是(shi)在(zai)(zai)單(dan)位熱循環方(fang)面(mian)，AHSS鋼(gang)(gang)(gang)板(ban)的(de)(de)熱鍍(du)(du)鋅過程(cheng)就(jiu)變得(de)更為(wei)困難(nan)。此外，Si在(zai)(zai)DP鋼(gang)(gang)(gang)及(ji)其(qi)他類型AHSS鋼(gang)(gang)(gang)中(zhong)(zhong)起著脫氧劑(ji)及(ji)抑制基(ji)體(ti)中(zhong)(zhong)形成(cheng)碳化(hua)物的(de)(de)作用，因而(er)是(shi)這(zhe)些鋼(gang)(gang)(gang)中(zhong)(zhong)不可(ke)缺少的(de)(de)元(yuan)素(su)。但(dan)是(shi)在(zai)(zai)加入一定(ding)量Si后引起的(de)(de)圣德林(lin)(Sandelin)效(xiao)(xiao)應(ying)，將(jiang)導(dao)致鋅層變厚，附(fu)著力變差，而(er)且(qie)至今還沒有(you)解決這(zhe)一問題(ti)的(de)(de)有(you)效(xiao)(xiao)途徑。

    本研究(jiu)中(zhong)提出了一(yi)種實現更好(hao)附著力的(de)(de)合金化鋅(xin)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)工(gong)藝，即在(zai)(zai)(zai)(zai)熱(re)鍍(du)(du)鋅(xin)前，在(zai)(zai)(zai)(zai)雙(shuang)相鋼的(de)(de)基(ji)體(ti)上預(yu)電(dian)鍍(du)(du)一(yi)層(ceng)(ceng)(ceng)鎳(nie)(nie)(nie)，從(cong)而改善合金化鋅(xin)層(ceng)(ceng)(ceng)質量(liang)(liang)。本研究(jiu)中(zhong)所選擇的(de)(de)預(yu)電(dian)鍍(du)(du)的(de)(de)鎳(nie)(nie)(nie)層(ceng)(ceng)(ceng)厚(hou)度約5μm，原(yuan)因(yin)是：必須深入研究(jiu)Fe、Zn和(he)Ni的(de)(de)三(san)元(yuan)反應，從(cong)而評價在(zai)(zai)(zai)(zai)熱(re)浸鍍(du)(du)鋅(xin)過(guo)(guo)程中(zhong)鎳(nie)(nie)(nie)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)作用(yong)，必需(xu)要5μm厚(hou)的(de)(de)鎳(nie)(nie)(nie)層(ceng)(ceng)(ceng)才(cai)能(neng)保證鎳(nie)(nie)(nie)在(zai)(zai)(zai)(zai)鋼基(ji)體(ti)上均勻沉(chen)積。另外(wai)，如果鎳(nie)(nie)(nie)層(ceng)(ceng)(ceng)太薄，測量(liang)(liang)誤差就可(ke)能(neng)相當大。在(zai)(zai)(zai)(zai)這(zhe)種情況(kuang)下，5μm厚(hou)的(de)(de)鎳(nie)(nie)(nie)層(ceng)(ceng)(ceng)能(neng)最大程度上有效地減少測量(liang)(liang)誤差。在(zai)(zai)(zai)(zai)熱(re)鍍(du)(du)鋅(xin)后，研究(jiu)了鍍(du)(du)鋅(xin)層(ceng)(ceng)(ceng)質量(liang)(liang)，并通過(guo)(guo)鍍(du)(du)層(ceng)(ceng)(ceng)顯(xian)微組織(zhi)的(de)(de)特(te)征(zheng)分析，研究(jiu)在(zai)(zai)(zai)(zai)預(yu)電(dian)鍍(du)(du)鎳(nie)(nie)(nie)層(ceng)(ceng)(ceng)后鋅(xin)層(ceng)(ceng)(ceng)附著力變好(hao)的(de)(de)原(yuan)因(yin)。

    1試驗過程

    研究(jiu)中所(suo)使(shi)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(ni)用鋼板的尺寸為120mm×180mm×1.5mm。

    在(zai)電鍍(du)(du)鎳(nie)前，鋼板試(shi)樣(yang)用(yong)NaOH溶液清(qing)洗后在(zai)水中(zhong)漂洗，并在(zai)酒(jiu)精中(zhong)進行超聲(sheng)波清(qing)洗，最后在(zai)空氣(qi)中(zhong)干燥。電鍍(du)(du)用(yong)典型鎳(nie)Watts電鍍(du)(du)液配(pei)制(zhi)如下：分析(xi)試(shi)劑級(ji)化(hua)學品(NiSO4.6H2O300g/L、NiCl2.H2O50g/L、H3BO440g/L)配(pei)上0.1g/L十二(er)烷(wan)硫酸鈉。加(jia)入10%硫酸以保證pH值控制(zhi)在(zai)3.6-4.0之間(jian)。在(zai)大(da)氣(qi)中(zhong)電鍍(du)(du)，電流密度(du)為30mA.cm-2。為了研(yan)究鎳(nie)層對熱浸(jin)鍍(du)(du)鋅工藝(yi)以及(ji)(ji)退火過程中(zhong)Fe-Ni及(ji)(ji)Ni-Zn反應的影響，通過控制(zhi)不(bu)同的電鍍(du)(du)時(shi)間(jian)，獲得5μm、7μm和12μm等三種不(bu)同厚度(du)的鎳(nie)層。

    在(zai)電鍍(du)后，在(zai)實驗(yan)室模(mo)擬熱浸鍍(du)鋅試(shi)驗(yan)，采取的相應工(gong)藝為(wei)(wei)：將試(shi)樣以4℃/s加熱到(dao)820℃，保溫80s，然(ran)后以7℃/s冷卻到(dao)460℃，進行熱鍍(du)鋅，時間3s，然(ran)后急冷。熔融鋅液(ye)中(zhong)鋁含量(liang)為(wei)(wei)0.18%，模(mo)擬試(shi)驗(yan)在(zai)還原(yuan)性氣(qi)(qi)氛下進行，氣(qi)(qi)氛組(zu)成為(wei)(wei)95%N2-5%H2，其露點為(wei)(wei)-20℃。

    利用(yong)硝酸(suan)浸蝕出顯微(wei)組織。從DP鋼上截取橫截面(mian)鍍(du)鋅層，進行了(le)鍍(du)層的(de)物相(xiang)分(fen)析。利用(yong)LECOGDS-850輝(hui)光放電(dian)光學發射顯微(wei)鏡表征了(le)不同元素的(de)定(ding)(ding)量(liang)深度曲(qu)線，利用(yong)X衍射儀確定(ding)(ding)各(ge)(ge)種不同物相(xiang)，利用(yong)掃描電(dian)鏡分(fen)析鍍(du)鋅層中各(ge)(ge)個相(xiang)的(de)形貌和(he)化學成(cheng)分(fen)。

    2結(jie)果(guo)及討論

    2.1合金化(hua)鍍層(ceng)的表面形貌與附著力

    對直(zhi)接(jie)(jie)鍍(du)(du)鋅及在(zai)熱浸鍍(du)(du)鋅前預電(dian)鍍(du)(du)鎳(nie)(nie)層(ceng)的(de)DP鋼的(de)表(biao)(biao)(biao)面形貌進行(xing)了觀察。對直(zhi)接(jie)(jie)鍍(du)(du)鋅鋼板(ban)表(biao)(biao)(biao)面裸點進行(xing)了形貌與化學(xue)成分分析(xi)。結(jie)果(guo)顯(xian)示，裸點中心的(de)錳含(han)量(liang)為4.72%，氧(yang)(yang)含(han)量(liang)為7.30%，這(zhe)表(biao)(biao)(biao)明(ming)合(he)金元(yuan)素(su)(su)向基體表(biao)(biao)(biao)面偏析(xi)并形成氧(yang)(yang)化物。在(zai)基體表(biao)(biao)(biao)面氧(yang)(yang)化錳的(de)存在(zai)將可能導致鋼板(ban)在(zai)鍍(du)(du)鋅過程中涂(tu)鍍(du)(du)性(xing)差，這(zhe)與他人(ren)的(de)研究結(jie)果(guo)一致。發(fa)現直(zhi)接(jie)(jie)鍍(du)(du)鋅鋼板(ban)表(biao)(biao)(biao)面裸點缺陷數量(liang)明(ming)顯(xian)多于(yu)熱浸鍍(du)(du)鋅前預電(dian)鍍(du)(du)鎳(nie)(nie)層(ceng)的(de)DP鋼。這(zhe)說明(ming)DP鋼在(zai)鍍(du)(du)鋅前，在(zai)鋼板(ban)基體表(biao)(biao)(biao)面預電(dian)鍍(du)(du)一層(ceng)鎳(nie)(nie)，將減(jian)弱合(he)金元(yuan)素(su)(su)由于(yu)富集在(zai)鋼板(ban)表(biao)(biao)(biao)面而(er)帶來的(de)效果(guo)惡(e)化。

    對(dui)所有試樣都進行了沖擊(ji)與彎曲試驗，結果顯(xian)示無(wu)明顯(xian)開裂或分層(ceng)現象(xiang)，說明在預電鍍鎳層(ceng)后DP鋼板基(ji)體與Zn之間附著性好(hao)。

    2.2鍍層顯微組織

    1)鍍(du)層深度曲線

    為(wei)了(le)研究合金元素的(de)(de)(de)分布，采用GDOES分析(xi)(xi)儀檢測了(le)合金化鍍層的(de)(de)(de)深度曲線。結(jie)(jie)果顯(xian)示，Mn和Si呈向鋼(gang)表面(mian)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)趨勢，引起Mn和Si在(zai)鋼(gang)板表面(mian)出現中(zhong)心峰。認(ren)為(wei)合金元素的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)對(dui)合金化鍍層的(de)(de)(de)質量存(cun)在(zai)不利影響。另(ling)一方面(mian)，具有(you)鎳層的(de)(de)(de)試(shi)樣的(de)(de)(de)GDOES分析(xi)(xi)結(jie)(jie)果顯(xian)示，由(you)于在(zai)鋼(gang)基體與熔融(rong)鋅液之間存(cun)在(zai)鎳層，使得(de)Mn和Si沒有(you)向鋼(gang)的(de)(de)(de)表面(mian)偏(pian)(pian)(pian)析(xi)(xi)。

    另外，在(zai)(zai)(zai)Zn/基體界面(mian)處(chu)(chu)存(cun)在(zai)(zai)(zai)一(yi)個明(ming)(ming)顯Al峰，這(zhe)是由于(yu)形成(cheng)了(le)Fe-Al金(jin)(jin)屬間抑(yi)制層(ceng)。然而，對預(yu)電(dian)鍍(du)鎳(nie)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)試(shi)樣，由于(yu)在(zai)(zai)(zai)同一(yi)深(shen)度(du)(du)處(chu)(chu)，鐵的(de)(de)(de)(de)(de)濃度(du)(du)要(yao)明(ming)(ming)顯低于(yu)Al的(de)(de)(de)(de)(de)濃度(du)(du)，從(cong)而有可(ke)能(neng)在(zai)(zai)(zai)界面(mian)處(chu)(chu)不出現Fe-Al金(jin)(jin)屬間抑(yi)制層(ceng)。此(ci)外，在(zai)(zai)(zai)另外一(yi)些(xie)分(fen)析中分(fen)別都出現兩(liang)個Al峰，這(zhe)可(ke)能(neng)是由于(yu)Al在(zai)(zai)(zai)Zn及Zn-Al金(jin)(jin)屬間層(ceng)中的(de)(de)(de)(de)(de)溶解度(du)(du)都相(xiang)當低。結果(guo)，當試(shi)樣在(zai)(zai)(zai)熱浸鍍(du)鋅(xin)及隨后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)冷卻過程中，可(ke)能(neng)發生(sheng)了(le)Al原(yuan)子(zi)向Zn鍍(du)層(ceng)表(biao)面(mian)及Zn/Ni界面(mian)處(chu)(chu)擴散。并且，隨著鎳(nie)層(ceng)厚度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增加，鍍(du)層(ceng)中鐵的(de)(de)(de)(de)(de)含量減少(shao)。以(yi)往研究認為，在(zai)(zai)(zai)鍍(du)鋅(xin)過程中Fe和Zn原(yuan)子(zi)相(xiang)互擴散，對鍍(du)層(ceng)產生(sheng)惡化效果(guo)。因(yin)此(ci)，在(zai)(zai)(zai)鋼板基體上(shang)鍍(du)上(shang)一(yi)層(ceng)鎳(nie)，盡(jin)管造(zao)成(cheng)Zn層(ceng)大大增厚，但會(hui)給(gei)合金(jin)(jin)化鍍(du)層(ceng)帶(dai)來有利效果(guo)。

    2)鍍(du)層橫截面(mian)分(fen)析

    對(dui)直(zhi)(zhi)接(jie)(jie)(jie)鍍鋅(xin)(xin)及在(zai)熱浸(jin)鍍鋅(xin)(xin)前預電(dian)鍍5μm鎳(nie)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)DP鋼的(de)試樣(yang)(yang)進行了(le)掃描電(dian)鏡分析。結果顯示(shi)，在(zai)直(zhi)(zhi)接(jie)(jie)(jie)鍍鋅(xin)(xin)的(de)鍍鋅(xin)(xin)層(ceng)(ceng)(ceng)中形成了(le)ζ相和δ相。而在(zai)電(dian)鍍5μm鎳(nie)層(ceng)(ceng)(ceng)鋼板的(de)鍍鋅(xin)(xin)層(ceng)(ceng)(ceng)中，在(zai)Zn層(ceng)(ceng)(ceng)與(yu)基體之間出現(xian)含鐵(tie)的(de)鎳(nie)層(ceng)(ceng)(ceng)。此外，EDS結果顯示(shi)在(zai)熱浸(jin)鍍鋅(xin)(xin)過程中，在(zai)Zn/Ni界面處(chu)形成了(le)Ni-Zn金屬間化(hua)合物。可以認為鎳(nie)層(ceng)(ceng)(ceng)能控制(zhi)鐵(tie)原子的(de)擴散，并抑制(zhi)了(le)鋅(xin)(xin)液(ye)與(yu)基體的(de)直(zhi)(zhi)接(jie)(jie)(jie)反應，而這與(yu)直(zhi)(zhi)接(jie)(jie)(jie)鍍鋅(xin)(xin)過程完全不同。最終，在(zai)預電(dian)鍍鎳(nie)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)鋼板試樣(yang)(yang)中沒有(you)發現(xian)ζ相。

盡管在(zai)研(yan)究中，EDS結果(guo)顯(xian)示(shi)鍍(du)層中δ相，但XRD沒有發現δ相，這可能(neng)是由于與ζ相和(he)Г相相比，δ相的(de)量(liang)相對較少。從預電鍍(du)鎳層的(de)試樣(yang)(yang)鍍(du)鋅(xin)(xin)層表(biao)面進行(xing)的(de)XRD分析(xi)顯(xian)示(shi)，在(zai)鍍(du)鋅(xin)(xin)層中存在(zai)三種物相：鎳相、Ni3Zn22金(jin)屬(shu)間化合物相及η相。從接近鎳/基(ji)體(ti)(ti)界面區域進行(xing)的(de)XRD分析(xi)顯(xian)示(shi)，基(ji)體(ti)(ti)鐵相與含鐵的(de)鎳相共生。結合SEM結果(guo)，可以得出如下結論：在(zai)預電鍍(du)鎳層的(de)試樣(yang)(yang)鍍(du)鋅(xin)(xin)層中不(bu)存在(zai)ζ相。眾所周(zhou)知，ζ相通常表(biao)現出異常長大行(xing)為(wei)，導(dao)致附著力差(cha)的(de)鍍(du)層過(guo)厚。本研(yan)究通過(guo)在(zai)鋼基(ji)體(ti)(ti)表(biao)面預鍍(du)一(yi)層鎳，可抑制ζ相的(de)形(xing)成，因(yin)此改善了鋅(xin)(xin)層質(zhi)量(liang)。

    最(zui)后(hou)，觀察(cha)了(le)直(zhi)接鍍(du)(du)鋅(xin)(xin)及在(zai)熱(re)浸鍍(du)(du)鋅(xin)(xin)前(qian)預電鍍(du)(du)鎳層(ceng)的試(shi)樣中的η相(xiang)(xiang)峰值強度，結果顯示在(zai)預電鍍(du)(du)鎳層(ceng)后(hou)，在(zai)η相(xiang)(xiang)層(ceng)中存在(zai)有利晶(jing)體學織構，看來η相(xiang)(xiang)有利于(yu)(0001)生長方向。η相(xiang)(xiang)層(ceng)的擇優晶(jing)體學取向可能來自于(yu)Ni3Zn22化合物層(ceng)的存在(zai)。據研(yan)究報導，織構可能對(dui)合金化鍍(du)(du)鋅(xin)(xin)層(ceng)的性能有重大影響(xiang)，應進一步研(yan)究影響(xiang)機理。

    3結語

     高強度雙相鋼在預電鍍(du)(du)鎳(nie)層(ceng)(ceng)(ceng)后進行鍍(du)(du)鋅，研究了鍍(du)(du)鋅層(ceng)(ceng)(ceng)質量及鎳(nie)層(ceng)(ceng)(ceng)對鍍(du)(du)鋅層(ceng)(ceng)(ceng)的影響(xiang)，得出如下結論：

    1)在鍍(du)鋅(xin)(xin)前(qian)對鋼板表面(mian)進行預(yu)電鍍(du)一層鎳，鋼板表面(mian)合金元素的偏(pian)析及選擇性氧化能顯(xian)著降低。與直接鍍(du)鋅(xin)(xin)試樣相比(bi)，預(yu)電鍍(du)鎳層DP鋼的鍍(du)鋅(xin)(xin)層表面(mian)裸點缺陷的數(shu)量得(de)到有效地減少。

    2)盡管預電鍍鎳層(ceng)導致鋅層(ceng)顯著增厚，但能有效地抑制鐵原(yuan)子向鋅層(ceng)中擴散。

    3)直接鍍(du)鋅試樣(yang)的(de)(de)鍍(du)層(ceng)由(you)η相(xiang)層(ceng)和(he)ζ相(xiang)層(ceng)組(zu)成，然而預電鍍(du)鎳(nie)層(ceng)的(de)(de)試樣(yang)的(de)(de)鍍(du)層(ceng)由(you)含鐵的(de)(de)鎳(nie)層(ceng)、Ni3Zn22金屬間相(xiang)層(ceng)及η相(xiang)層(ceng)組(zu)成，同時沒有(you)發(fa)現ζ相(xiang)層(ceng)。

    4)預電鍍鎳層改變了鋅液的凝固行(xing)為，導致(zhi)在η-Zn相(xiang)層中出(chu)現(xian)(0001)晶(jing)體學(xue)織構(gou)。

    對鍍鋅(xin)層(ceng)中(zhong)的各種物相(xiang)進行了(le)XRD分析，結(jie)果顯示，直接鍍鋅(xin)的試樣的鍍鋅(xin)層(ceng)由η相(xiang)和(he)ζ相(xiang)組成(cheng)。有研究認為，Fe-Zn金屬間相(xiang)在鋼基(ji)體上形核順序(xu)為：ζ相(xiang)、δ相(xiang)，最后是(shi)Г相(xiang)。

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