通过水喷淋预冷实现热冲压锌涂层 22MnB5 钢中液态金属脆化裂纹与马氏体淬透性的耦合控制

《Materials Science and Engineering: A》：Coupled Control of Liquid-Metal-Embrittlement Cracking and Martensitic Hardenability in Hot-Stamped Zn-Coated 22MnB5 Steel by Water-Spray Pre-Cooling

　　液态金属脆化（LME）限制了锌镀层22MnB5钢的直接热冲压，因为穿透基体的锌助裂裂纹会引发早期断裂并降低拉伸韧性。本研究在U形热冲压前引入中间喷雾预冷步骤，以调控界面损伤与马氏体淬硬性之间的竞争关系。考察了四个标称喷雾终止温度：800、750、720和680°C。在800°C条件下，观察到穿透基体的裂纹及裂纹尖端的锌富集现象，综合证据与LME辅助损伤机制一致，尽管不能完全排除脆性Fe-Zn金属间化合物断裂的贡献。将喷雾终止温度降至750–720°C后，主要损伤模式转变为涂覆层内裂纹。720°C条件下的抗拉强度为1622 ± 10.0 MPa，总延伸率为10.0 ± 0.15%，且强度-韧性乘积最高。尽管其延伸率与680°C条件下无显著差异，但仍保持了显著更高的抗拉强度。进一步冷却至680°C未检测到基体渗透现象，但抗拉强度降至1550 ± 10.2 MPa，原因是含铁素体区域削弱了马氏体承载网络。这些结果表明，优选的预冷条件必须限制穿透基体的锌助裂损伤，同时保持足够的基体淬硬性。在所测试的四个条件下，720°C提供了最佳的整体平衡。22MnB5热成型钢广泛应用于汽车安全件领域，因为经过奥氏体化、热成型和模具淬火后，以马氏体为主的基体可以提供超过1500 MPa的抗拉强度[1]、[2]、[3]、[4]。对于工业应用而言，表面保护同样重要。Al-Si镀层广泛用于限制热冲压过程中的氧化[5]、[6]、[7]、[8]，而基于锌的镀层此外还能提供牺牲防腐保护[5]、[9]、[10]。然而，锌基镀层在直接热冲压中的使用受到LME的限制[12]、[14]、[15]、[16]。从力学性能角度来看，LME的关键后果不是镀层裂纹本身，而是形成锌助裂的穿透基体裂纹，这会引发早期拉伸断裂并降低韧性。锌镀层22MnB5钢中的LME通常与拉伸应力的同时存在、易感的奥氏体晶界或镀层/基体界面状态，以及高温变形过程中可移动的富锌液相相关联[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。当加工温度处于或高于Fe-Zn液相活动区间时，富锌液相可以润湿并渗透受拉奥氏体晶界，降低局部晶界结合力，并促进沿晶裂纹向钢基体内部扩展[12]、[15]、[18]、[19]。近期热力学研究进一步表明，Fe-Zn晶界偏析与界面相不稳定性与LME易感性起源密切相关[20]、[21]。这些研究表明，热历史不仅控制镀层相状态，还决定界面裂纹是否能在最终热冲压件上作为早期断裂触发点。已提出多种方法以缓解锌镀层热成型钢中的LME，包括表面脱碳[22]、改性镀层结构和Zn-Al-Mg体系[5]、[10]、[26]、优化的奥氏体化[16]、[25]、[30]，以及改性的成型或热处理路径[23]、[27]、[28]、[29]。这些方法为降低LME易感性提供了有用策略，但其中许多需要改变材料成分、镀层结构、热循环时间或成型路径。更重要的是，大多数现有讨论聚焦于镀层演化或裂纹形成，而界面裂纹模式、最终基体状态与拉伸响应之间的耦合关系仍缺乏充分阐明。对于承载热冲压件，核心问题在于是否能在不牺牲马氏体淬硬性和强度-韧性平衡的前提下实现LME抑制。在本研究中，在锌镀层22MnB5钢的直接U形热冲压前引入了中间喷雾预冷步骤，以调控预成型热路径和镀层/基体界面状态。选取了800、750、720和680°C四个标称喷雾终止温度，以覆盖先前Fe-Zn LME和预冷研究中所考察的工艺区间[9]、[12]、[15]、[16]、[28]、[29]。喷雾预冷的实际作用应与模具淬火相区分。所提出的喷雾步骤不是额外的成型后淬火，也不替代模具淬火。相反，它是在奥氏体化和成型之间施加的短程上游热处理步骤，旨在减少板材变形前可移动富锌液相的可用性。后续的模具接触阶段仍负责钢基体的同时成型和快速冷却。因此，预冷终点必须仔细选择：预冷不足可能使界面处于易受穿透基体锌助裂裂纹的状态，而过量预冷可能降低基体淬硬性，如680°C时观察到的含铁素体区域所示。从工业角度来看，喷雾预冷可能提供一种快速且可调的方法来修改预成型热路径，而无需改变锌镀层成分或取消传统模具淬火步骤。它还可能降低施加于模具上的温度，并为平衡界面损伤与基体淬硬性提供工艺窗口参考。然而，这些优势在量产规模下仍属于潜在而非已验证的。大型零件的温度均匀性、与生产循环时间的兼容性、喷水处理、工艺重复性以及模具长期性能需要进一步工业验证。因此，720°C仅被确定为在当前实验室装置下测试的四个条件中最优选的标称喷雾终止温度。研究目标不仅是确定一个能抑制LME的预冷温度，还要阐明界面裂纹模式转变与基体淬硬性如何共同决定拉伸响应。核心假设是，只有当消除锌助裂的穿透基体裂纹路径，同时基体在模具淬火期间仍保留足够的马氏体淬硬性时，才能获得最佳力学性能。基于这一概念，提出了一种界面-基体双重约束机制，用于控制锌镀层热成型钢中由LME引起的早期断裂。本研究的创新之处在于组合研究对象、实验范围和工艺窗口解读。首先，Wang等人[28]研究了液压锻造路径中的预冷，其变形模式与板材成型[24]不同，而本研究考察的是热镀锌22MnB5钢U形板材热冲压前的喷雾预冷。两项研究因此在试样几何形状、成型模式、变形路径和评价目标上均存在差异。其次，利用统一的裂纹形貌、裂纹尖端EDS、镀层相、基体微观组织和拉伸性能测量方法，对四个预冷终止温度（800、750、720和680°C）进行比较。这使得界面损伤转变可以与力学性能响应一起进行评估。第三，结果被组织为界面-基体工艺窗口框架：优选条件必须抑制穿透基体的锌助裂裂纹，同时保持足够的马氏体淬硬性。在测试的四个条件中，720°C提供了最佳平衡。关于与本文作者此前发表文献[25]、[30]的关系，那些研究考察了奥氏体化和常规热冲压对锌镀层结构和裂纹的影响。本研究则聚焦于四个终止温度下的喷雾预冷，并将界面裂纹模式与镀层成分、基体微观组织和拉伸响应进行关联。此处报告的所有实验和图表均为本研究新生成；未重复使用任何已发表的显微组织图谱或力学性能数据集。因此，重叠仅限于材料体系和标准表征方法。本研究所用材料为商用22MnB5硼钢片，厚度1.4 mm，因其优异的淬硬性和模具淬火后的马氏体转变能力，广泛应用于热成型领域[1]、[2]、[3]、[4]。基体的化学成分列于表1。热处理前，钢表面镀覆了一层平均厚度约11 μm的热浸锌层，以提供牺牲防腐保护。锌镀层22MnB5钢的界面失效行为随喷雾预冷终止温度的变化而显著改变，表明预冷的作用不仅仅是降低成型温度，而是改变镀层/基体界面处的活跃裂纹模式。如图3所示，镀层从高温预冷时与LME辅助机制一致的严重基体导向裂纹，明显转变为涂覆层内……本研究考察了喷雾预冷对热冲压锌镀层22MnB5钢中界面LME裂纹、基体淬硬性和拉伸响应的耦合影响。主要结论如下：1. 喷雾预冷将主要损伤模式从与LME辅助机制一致的穿透基体裂纹转变为涂覆层内损伤。这一裂纹模式转变具有重要意义，因为穿透基体的裂纹可作为早期断裂触发点。2. ……张广奇：软件。张思佳：获取资助。陈守栋：调查研究。张宇阳：形式分析。董毅康：数据整理。陈时达：撰写——初稿。黄华贵：项目管理、获取资助。刘向华：方法论。卢日欢：撰写——审阅与编辑、监督、获取资助。陈敬奇：获取资助作者声明无利益冲突。? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。本研究由国家自然科学基金（批准号52005432）、河北省钢铁冶金自然科学基金（批准号E2021203179）、河北省自然科学基金—燕赵青年学者计划（批准号E2023203260）、河北省科技计划（批准号24431002D和HG2025125）、河北省教育厅科研项目（批准号QN2026208）以及石家庄市产学研合作……陈时达 | 董毅康 | 张宇阳 | 程震东 | 陈守栋 | 张思佳 | 张广奇 | 陈敬奇 | 卢日欢 | 刘向华 | 黄华贵河北燕山大学冷轧带钢装备与工程技术国家工程研究中心，河北秦皇岛，066004，中华人民共和国