基板划痕对热镀锌及合金化镀层组织结构的影响

江社明，  袁训华，  李亚东，  李远鹏，  张启富

(中国钢研科技集团有限公司先进金属材料涂镀国家工程实验室，北京100081)

摘 要：研究了IF钢表面划痕深度对热镀锌镀层及合金化镀层表面缺陷的影响、划痕部位镀层的生长过程、组织结构及合金化行为。试验及分析结果表明，热镀锌时锌液能够有效填充划痕凹陷，从而降低基板表面的划痕缺陷，但划痕缺陷可以遗传到合金化镀层表面；在镀层合金化过程中，与正常部位相比缺陷部位的合金化速度快；随着镀层合金化的进行，缺陷部位的Zn—Fe合金与正常部位的锌发生反应并生长，使缺陷部位的Zn—Fe合金的生成量增加，合金化镀层逐渐隆起。

关键词：基板伤痕；热镀锌钢板；组织结构；突起

近年来随着高档热镀锌及合金化钢板在汽车和家电中应用量的不断扩大，人们对镀层表面质量的要求变得越来越高^[1-3]。而热镀锌及合金化钢板用作汽车外板时要求具有良好的表面质量^[4]。热镀锌及合金化镀层表面缺陷的形成原因主要有两个方面，一方面是由于在热镀锌及合金化镀层生产过程形成的表面缺陷，主要是锌液中锌渣的影响^[5-6]，通过研究锌渣在锌液中的存在状态、镀层中锌渣的合金化行为及在生产中采取控制锌渣形成的措施已经取得成效^[7-8]。另一方面是由于热镀锌基板表面缺陷的遗传使得后续镀锌及合金化钢板镀层表面质量不能满足要求，主要是带钢表面铁粉的影响，或者炉底辊与带钢间存在细微的相对滑动时会导致基板表面划伤^[9-11]。而基板划伤在热镀锌及合金化过程中镀层的生长过程、组织结构及合金化行为还有待进一步研究。

因此本文通过制备表面划痕深度不同的IF钢板，并对刻痕深度与热镀锌合金化镀层表面缺陷的关系、划痕部位镀层的生长过程、组织结构及合金化行为进行研究，找出划痕对热镀锌及合金化镀层性能的影响。

1  试验材料及方法

1．1试验材料

试验材料为超低碳IF钢，基板成分见表1(质量分数，％)，试样尺寸0．8mm×220mm×120mm。热镀锌时锌液温度460℃，浸镀时间3s。使用划痕仪沿基板浸镀方向以3min为间隔在基板中央刻划，载荷为0．1、0．5、1．0、2．0、5．0N。将表面有划痕的原板在10％H₂一N₂保护气氛中于780℃退火30s，还原其表面；冷却到465℃后浸入锌液，随后进行合金化处理，合金化温度为500℃，合金化时间分别为20s和30s。

1．2划痕部位镀层的结构

通过光学显微镜和扫描电镜对试样和镀层断面进行观察。测量基板划痕的高度、深度及镀锌、合金化后镀层缺陷部位的高度。分析在热镀锌及合金化过程中Zn—Fe合金在划痕部位的形貌及生长行为，并通过调整合金化时间得到了不同工艺的热镀锌合金化钢板镀层。

2  试验结果及分析

2．1基板划痕对热镀锌及合金化钢板镀层表面缺陷的影响

以载荷为2．0N的划痕为研究对象，其热镀锌后的断面形貌如图1。划痕中央凹陷边缘翘起。热镀锌后载荷与划痕深度D及翘起高度五的关系如图2，从图中可以看出划痕深度D和翘起高度矗都随载荷的增加而增加，并且两者数值相近。

从图3可以看出，随着划痕深度D值的增大，翘边高度h值也逐渐增高。在划痕深度较浅(D<16μm)时，翘边高度h值略小于划痕深度D。当划痕深度D逐渐增大时，翘边高度h值增幅降低，逐渐趋于平直。这主要是由于当划痕深度较深时，所需的变形应力大。较大的变形应力使凹陷处的晶粒与基板脱离，并没有通过塑性变形转移到凹陷两侧，所以当D值达到一定值时，h值变化缓慢。

2．2划痕部位的镀层组织结构

图4为划痕部位热镀锌后镀层表面及断面的组织结构，从图4(a)可以看出在镀层表面呈水平走向的黑色线条区域为基板划伤部位镀层后的表面形貌，在整个视场范围内镀层表面基本处在同一个平面内，划痕缺陷部位的镀层晶粒较正常部位的晶粒更细小，基板划痕翘起边缘顶端没有被锌液完全填充。从图4(b)可以看出热镀锌时基板划痕部位的凹陷处被液态锌液全部填满，划痕翘起边缘顶端的镀层非常薄。而热镀锌生产过程中锌液中一般需要添加适量的铝，由于Al—Fe之间的反应活性远大于Zn—Fe之间的反应活性，在热镀锌生产过程中在镀层表面首先形成一层Al—Fe层抑制Zn—Fe之间的快速反应。但是缺陷部位的基体与锌液接触的比表面积比正常部位大，导致此处锌液中的铝含量比正常部位要低，Al—Fe合金层的生成量少，抑制层不连续，抑制作用降低，所以此处锌铁之间的反应速度比正常部位要快，锌液可以迅速填充整个缺陷凹陷部位，因此镀层表面的缺陷不明显。

图5为镀层500℃合金化，合金化时间为20s[图5(a)、(b)]和30s[图5(c)、(d)]时划痕部位热镀锌合金化后镀层表面及断面的组织结构，从图5(a)可以看出划痕部位的结构呈“驼峰状”，与正常部位的镀层组织相比较，凸起部位的组织更加细小、致密，但在缺陷部位的底部存在小的空隙。从图5(b)可以看出由于缺陷部位的抑制层不连续，在合金化过程中会优先发生抑制层的破裂而发生锌一铁反应，所以划痕部位比正常部位处的合金化速度快。划痕凹陷处内部及划痕翘起外侧的金属锌由于与基体铁发生了合金化反应而大幅减小，由此可知，划痕凹陷处的镀层随着合金化的进行不断向划痕翘起的顶端转移，同时体积显著增大，其结果是导致在划痕翘起部位的镀层表面隆起。这说明在缺陷部位的镀层在合金化过程中发生了熔融锌从正常部位向缺陷部位的转移。当合金化时间延长至30s时，由于锌一铁之间的反应不断进行划痕翘起部位的的铁原子逐渐被消耗，如图5(c)、(d)所示，翘起两侧的镀层逐渐向缺陷部位的凹陷处生长，导致凹陷部位逐渐被锌一铁合金相填满，并逐渐隆起。所以划痕部位的镀层随着合金化的进行逐渐向Zn—Fe合金转化，同时体积不断增大，其结果是导致镀层表面隆起。

3讨论

3．1缺陷部位热镀锌过程中镀层的反应

由以上分析可知，热镀锌时缺陷部位镀层的反应速度比正常部位快。其原因是划痕的存在使缺陷处钢板表面发生畸变或引起残余应力，并且缺陷部位的比表面积增大，且缺陷部位的锌液中的铝含量显著降低，熔融锌与基体的反应量增大。所以缺陷部位镀层的反应速度明显大于正常部位镀层的反应速度，使得缺陷凹陷部位镀层的生长速度增加，镀层表面缺陷降低。

通过对热镀锌过程中Zn—Fe初期的反应进行分析认为锌液中的铝与钢基体之间发生反应而在镀层与基体界面之间生成一层Fe—Al合金层能够抑制Zn—Fe之间的反应，上述分析结果表明，缺陷部位的基体反应速度比正常部位大。因此可以判定，热镀锌生产过程中缺陷部位基体界面附近锌液中铝的浓度比正常部位低，Fe—Al合金化层的生成量少，对Zn—Fe之间反应的抑制能力降低。

3．2缺陷部位的合金化行为

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