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GA钢板锌镀层粉化机理的研究

作　者: 肖良红
导　师: 苏旭平
学　校: 湘潭大学
专　业: 材料学
关键词: GA钢板锌镀层粉化组织残余应力界面结合强度合金化工艺参数
分类号: TG174.44
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

GA汽车镀锌钢板具有优异的抗腐蚀性能、好的喷涂性和可焊接性，已广泛应用于汽车外壳覆盖件生产，但在冲压成形时GA钢板锌镀层容易产生粉化缺陷。本研究课题从影响GA钢板锌镀层粉化的因素（镀层组织、残余应力、界面结合强度、冲压成形时镀层所处应力状态）入手，研究了GA钢板合金化锌镀层粉化的机理。对上海宝钢提供的H220BD型GI镀锌钢板在不同合金化退火工艺参数下进行了退火处理、测量分析了各种合金化组织的残余应力、与基底的界面结合强度，利用这些测量参数对GA钢板冲压成形过程中的应力状态进行了有限元模拟计算；结合粉化检测实验结果，对比各种合金化工艺参数所得组织的性能，确定了GA钢板最佳合金化工艺参数。首先将H220BD型GI钢板在盐浴炉中、按温度分别为450℃、500℃、550℃，每个温度下的退火时间为5秒、10秒、30秒、120秒进行合金化退火获得GA钢板，各种GA钢板锌镀层中主要组织均为δ相；随着退火时间的延长，δ相的厚度增加。当退火时间足够长时，镀层表面也会出现较多的δ相。通过粉化检测发现：500°C下的合金化退火所得锌镀层在相同变形条件下的粉化量比450°C下和550°C下合金化退火所得组织的都要小。在相同合金化退火温度下，GA钢板锌镀层的粉化量首先随合金化退火保温时间的延长而增加，随后又随退火时间的增加而略有减少；在较长退火时间（>30s）下、温度越高，粉化越严重。用纳米压痕方法测量分析了不同合金化工艺参数下所获得的GA钢板锌镀层中的残余应力。当扩散退火时间大于5s时，镀层中存在110MPa-240MPa之间的残余拉应力；GA钢板锌镀层中的残余拉应力首先随退火时间的延长而迅速增大，后来又随时间的增加而减少，而残余拉应力一般随温度的升高而减小。其中500℃和550℃下保温退火10s和120s所得组织的残余应力较小，它们的粉化量都较小；而450℃和550℃下保温退火30s所得组织的残余应力都较大，它们的粉化量都较大。新开发了一种普适的镀层/基底界面强度测试方法，并用这种新型鼓泡法测量得到GA钢板锌镀层与钢基底的界面强度在3.8995J/m2-174.888J/m2之间，发现界面强度首先随退火时间的延长而迅速降低；退火到一定时间后，又随时间的延长而稍有增加，但基本趋于稳定。当退火时间较短时，界面结合强度随退火温度的升高而降低，当退火时间延长到一定时间后，温度对界面结合强度的影响很小。其中450℃和550℃下保温退火30s所得合金化锌镀层与基底的界面强度都较低，它们的粉化量都较大；在500℃下退火所得试样的界面强度都较大（>9J/m2），它们的粉化量都较小。通过粉化检测实验，对比各种镀层的界面结合强度和残余应力得到：δ相太薄或太厚粉化都较严重；残余应力越大、界面强度越低，粉化量越大。GA钢板最佳合金化工艺参数为500°C下保温120秒左右。通过以上研究工作为解决GA钢板锌镀层在冲压成形时出现的粉化问题提供理论依据，对提高我国GA钢板质量，促进连续镀锌工业的发展有所贡献。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章引言  10-12
第2章文献综述  12-28
  2.1 热浸镀锌的发展概要  12-13
  2.2 热浸镀锌工艺简介  13-15
  2.3 热浸镀锌镀层组织和缺陷及 Fe-Zn 相图  15-21
    2.3.1 Fe-Zn 相图  15-17
    2.3.2 热浸镀锌镀层的组织形貌  17-20
    2.3.3 GA 钢板镀层组织缺陷与失效  20-21
  2.4 影响 GA 钢板锌镀层粉化失效的因素  21-26
    2.4.1 GA 钢板镀层组织对粉化失效的影响  21-23
    2.4.2 GA 钢板镀层/钢基底界面结合强度对粉化失效的影响  23-24
    2.4.3 GA 钢板锌镀层中残余应力对粉化失效的影响  24-25
    2.4.4 GA 钢板冲压成形时锌镀层中应力状态对粉化失效的影响  25-26
  2.5 本课题的研究内容  26-28
第3章 GA 钢板锌镀层的合金化处理  28-35
  3.1 研究背景  28-29
  3.2 H220BD 型 GI 钢板的合金化退火  29-34
  3.3 本章小结  34-35
第4章 GA 钢板锌镀层中的残余应力  35-55
  4.1 研究背景  35-36
  4.2 残余应力的来源  36-37
  4.3 残余应力的测量方法  37-42
    4.3.1 X 射线衍射法  37
    4.3.2 悬臂梁法  37-38
    4.3.3 基底曲率法  38
    4.3.4 压痕法  38-42
  4.4 压痕法测量和分析锌镀层中的残余应力  42-54
    4.4.1 Suresh 理论模型  42-46
    4.4.2 Yun-Hee 理论模型  46-48
    4.4.3 压痕实验测量锌镀层中的残余应力  48-54
  4.5 本章小结  54-55
第5章 GA 钢板锌镀层与钢基底的界面结合强度  55-76
  5.1 研究背景  55-60
  5.2 测量界面结合强度的新型鼓泡法  60-66
    5.2.1 理论模型  60-65
    5.2.2 鼓泡试验过程  65-66
  5.3 鼓泡法测量 GA 钢板界面结合强度的实验结果与分析  66-74
    5.3.1 鼓泡法测量 GA 钢板界面结合强度的实验结果  66-72
    5.3.2 实验结果分析  72-74
  5.4 本章小结  74-76
第6章 GA 钢板成形过程中的应力状态数值模拟  76-91
  6.1 研究背景  76-77
  6.2 GA 钢板冲压成形数值模拟过程  77-81
    6.2.1 模拟计算所用参数  77-78
    6.2.2 GA 钢板弯曲过程的应力有限元分析  78-81
  6.3 数值模拟结果与分析  81-90
    6.3.1 数值模拟结果  81-85
    6.3.2 修改计算模型  85-87
    6.3.3 模拟计算结果与分析  87-90
  6.4 本章小结  90-91
第7章 GA 钢板锌镀层的粉化检测与分析  91-96
  7.1 研究背景  91
  7.2 检测实验过程  91-92
  7.3 检测实验结果与分析  92-95
  7.4 本章小结  95-96
第8章全文结论  96-98
参考文献  98-109
攻读博士学位期间发表的相关论文及成果  109
主持或参与的与本工作有关的课题  109-110
致谢  110

GA钢板锌镀层粉化机理的研究

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