热成形过程中锌基镀层诱导高强钢基体的开裂行为及机理研究

Hot forming technology for ultra-high strength steel is an one of most important research topics in the field of automotive lightweight technology. The zinc-rich coating of strip surface could effectively prevent the plate surface decarburization and oxidation, and for stamping parts provide cathodic protection performance. However, the phenomenon of liquid-metal-induced embrittlement which is produced in direct forming has greatly limited the application of zinc-based coating. And It is one of the key scientific problems to be solved urgently in hot forming field. Our results show that different process parameters and alloying elements of bath have different effects on cracking manner and to the extent of hot forming process, and the liquid-metal-induced embrittlement mechanism remains to be in-depth study. Based on above, the effects of austenitizing process parameters on coating microstructure evolution will further be investigated in this proposal. And wetting behavior mechanism of the liquid Zn at high temperature on the austenite grain boundary of strip steel would be understand. Then, strip embrittlement sensitivity and mechanism under the synergistic effect of liquid Zn and stress would be presented. Finally, coating composition adjustment and optimization of forming process would be collected to inhibit the cracking phenomenon. Our reseach work could provide theoretical support and guidance for the development of new zinc-rich coating for hot stamping steels. And our work have a clear and innovative and important theoretical and applied value.

超高强度钢热成形技术是汽车行业轻量化领域的重要研究课题之一。带钢表面富锌镀层可有效防止钢板表面脱碳、氧化，并为冲压件提供阴极保护性能，应用前景广阔。但直接成形中产生的液态金属诱导脆性开裂现象极大的限制了锌基镀层的推广应用，是本领域亟待解决的关键科学问题之一。申请人团队前期结果表明，不同的热成形工艺参数和镀液合金元素对热成形过程中基体开裂方式和程度有不同的影响，但开裂机理仍然有待深入研究。基于此，本项目将进一步系统研究奥氏体化工艺参数对镀层组织演变的影响规律，结合三维原子探针、第一性原理和相图计算解析开裂现象的微观机制，了解高温下液态Zn对带钢表面奥氏体和铁素体晶界的润湿行为机理，阐述液态Zn和应力协同作用下诱导带钢脆化敏感性和机理，并尝试通过镀层成分调整和热成形工艺优化对开裂现象进行抑制，为开发新型热成形用富锌镀层提供理论支持和指导。预期具有明确创新性以及重要理论与应用价值。

通过热成形工艺生产的高强钢广泛运用于汽车领域，锌基镀层能为高强钢提供额外的阴极保护性能，因此它成为热成形镀层发展的重要方向，但是在热成形过程中饱受液态金属致脆（LME）问题的困扰，限制了它的商业应用。.本项目在对热成形过程中锌基镀层诱导高强钢基体开裂行为的研究中进行了很多有建设性的工作，对奥氏体化过程中镀层与基板的互扩散行为和镀层的组织演变进行了详细的描述，对液态锌脆化晶界进行了微观机理解释以及对镀锌板液态锌致脆问题的解决措施进行了初步研究，这对理解和解释裂纹的形成和扩展以及抑制液态锌致裂纹非常有用。通过实验和理论计算得到如下结论：.1. 按Fe2Al5抑制层破裂的阶段，基板中的Fe向镀层的扩散分为扩散受到抑制、不均匀扩散、均匀扩散三个阶段，镀层中的Zn向基板的扩散分为液态锌侵蚀界面层、通过晶界扩散形成长条状渗透现象、通过体扩散形成过渡扩散层三个阶段。.2. 基板向镀层的扩散使镀层处于α-Fe(Zn)+ ZnLiquid两相区，镀层中存在着液态锌；镀层向基板的扩散使界面处重新形成一层过渡扩散层，基板的开裂行为包括液态锌使bcc Fe相的过渡扩散层开裂和使fcc Fe相的基体开裂。.3. Zn脆化bcc Fe晶界物理作用方面的因素为Zn元素使bcc Fe晶界发生膨胀，增加Fe-Fe键的键长，削弱Fe-Fe键的结合；电化学方面的因素为Zn与Fe形成共价键，降低Fe-Fe键之间的电荷密度，削弱Fe-Fe键的强度。.4. 镀层高温组织演变规律为Zn→FeZn10→α-Fe(Zn)。液态锌向基板的渗透现象与应力作用无关，且渗透发生在镀层熔化后；合理的22MnB5钢镀锌板（22MnB5 + GI）奥氏体化保温时间为3 min。.本项目中液态金属致脆问题及其抑制机理的研究对直接热冲压工艺下裂纹产生机理和控制技术具有重要意义，对锌基镀层热冲压零件在汽车上的应用提供理论指导。