爐內邊部加熱器對熱鍍鋅加P高強鋼力學性能及表面質量的影響

供稿|焦坤，富聿晶，劉宏亮，陳宇，姜文超

作者單位：本鋼板材股份有限公司技術研究院，遼寧 本溪 117000

內 容 導 讀

本文針對熱鍍鋅加P高強鋼在生產過程中邊部加熱器對材料力學性能及表面質量的影響進行了研究。P元素會造成帶鋼邊部的溫降從而影響材料的力學性能及表面質量。研究表明，生產過程中退火段邊部加熱器設定高于帶鋼退火溫度10～20 ℃時可以保證材料邊部與中心的力學性能均勻性，并且材料晶粒度基本保持一致；入鋅鍋前的均衡段邊部加熱器設定為475～485 ℃時可有效避免材料由于溫降而造成的表面質量缺陷，但設定為485 ℃時存在造成鋅渣缺陷的風險。因此爐內邊部加熱器設定應高于該段帶鋼溫度20 ℃。

隨著汽車輕量化理念的不斷深化和環保壓力的不斷增加，汽車用熱鍍鋅高強鋼所占比例也在逐年增加，汽車廠對材料的要求不僅局限于產品的力學性能，同時也對材料的表面質量提出更高的要求。近年來高強鋼的主要添加元素有P、Si、Mn、Cr等，其中P是較為經濟又有效的強化元素，但加P高強鋼在鍍鋅過程中易出現邊部溫降而造成表面缺陷。本文針對溫降較為劇烈的熱鍍鋅加P高強鋼生產過程中邊部加熱器的使用對材料力學性能及表面缺陷的影響進行了分析，同時對鍍鋅前爐內投入邊部加熱工藝進行了優化分析[1-3]。

材料制備及方法

采用熱鍍鋅加P高強鋼進行生產，生產過程中對熱鍍鋅爐內邊部加熱器進行溫度設定，主要對邊部溫降進行補償，熱鍍鋅加P高強鋼成分見表1?？紤]到在退火過程中P的晶界富集會造成材料的冷加工脆性，而添加Nb、Ti復合可以有效抑制材料的冷加工脆性[4-7]。

本文實驗主要針對邊部加熱補償對熱鍍鋅加P高強鋼表面質量及力學性能影響進行研究。分別采用不同的邊部電加熱器進行溫度設定，主要包括退火段邊部加熱器以及在冷卻段后、鍍鋅入口前的均衡段邊部加熱器，具體見表2，并對不同情況下帶鋼進行取樣分析。通過Zwick電子拉伸機分別對邊部以及中心處試樣進行了力學性能檢測，同時對不同均衡段邊部加熱器設定溫度情況下邊部試樣進行了掃描電鏡分析。

表 1 熱鍍鋅加P高強鋼典型鋼種H220YD+Z成分(質量分數，%)

表 2 實驗過程中邊部加熱器的設定情況

結果分析

邊部加熱器對力學性能的影響

對退火后邊部及中心處試樣進行了力學性能檢測，見表3。按標準HC220YD+Z屈服強度應高于220 MPa，抗拉強度應低于410 MPa。從表中可以看出，材料在未投入邊部加熱器時材料的力學性能邊部和中心處差異較大，邊部抗拉強度(402 MPa)已經接近標準上限，同時材料的延伸率較低；當投入邊部加熱器后材料邊部力學性能得到明顯改善，但當邊部加熱器投入+30 ℃時，4#試樣邊部屈服強度為221 MPa，已經接近材料的標準下限，因此從整體的力學性能情況看，邊部加熱器應設定較退火溫度高10～20 ℃對材料的綜合力學性能更好，材料整體性能均勻性良好。

表 3 邊部加熱器對材料力學性能的影響

同時對邊部加熱器不同情況下試樣進行金相分析，由于中心處顯微組織基本一致，只針對邊部試樣進行了顯微組織分析，見圖1。從圖中可以看出材料邊部試樣的晶粒度隨著邊部加熱器設定溫度的升高而減小，從11.0 μm減小到9.5 μm。當邊部加熱器設定溫度提高至840 ℃時，材料軋向晶粒尺寸為11.4 μm，所有邊部試樣顯微組織主要為鐵素體組織(見表4)。

邊部加熱器對邊部表面質量的影響

當材料在均衡段未投入邊部加熱器時會在鍍鋅后邊部出現表面缺陷，材料邊部出現明顯黑色針條狀缺陷，在均衡段設置邊部加熱器且溫度設定為475℃(3#試樣)和485 ℃(4#試樣)時缺陷得以解決。對缺陷試樣1#邊部以及良好試樣4#邊部進行微觀組織對比分析，從圖2可以看出在均衡段不投入邊部加熱器的1#試樣缺陷部位Fe含量較高，說明缺陷部位為明顯的漏鍍缺陷，同時O含量及Mn含量均為正常值，表明缺陷部位未出現氧化物[8-12]，這可能是邊部冷卻速度過大使得鍍鋅時邊部溫度和鋅鍋溫度差異較大，造成鍍鋅不良。均衡段投入邊部加熱后，邊部鋅層缺陷得到解決，邊部鋅層良好，邊部加熱器溫度設定475～485 ℃時效果良好，但當邊部加熱器溫度設定為485 ℃時帶鋼帶入溫度過高，造成鋅鍋溫度波動從而產生鋅渣缺陷。

圖 1 不同邊部加熱器情況下顯微組織

圖 2 未投入邊部加熱(1#)與邊部加熱器(4#)設定485 °C時邊部試樣微觀組織對比

表 4 不同邊部加熱器情況下材料晶粒度及晶粒尺寸

結束語

(1)在熱鍍鋅生產加P高強鋼過程中邊部加熱器的投入是十分必要的，材料邊部的屈服強度及抗拉強度會隨著邊部加熱器設定溫度的升高而降低，但延伸率會得到提高，當邊部加熱器設定為465～475 ℃時材料邊部性能與中心處性能基本保持一致，但當溫度設定485 ℃時材料邊部性能接近標準。

(2)冷卻段后均衡段邊部加熱器的投入會有效的減少加P高強鋼才鍍鋅過程中出現的邊部質量缺陷，通過邊部加熱器對材料邊部溫度進行補償，有效防止P元素造成的快速溫降，從而保證材料邊部質量，當均衡段邊部加熱器設定為475～485 ℃時可以避免材料邊部的表面缺陷，但均衡段邊部加熱器設定為485 ℃時，帶鋼邊部的溫度較高，會造成鋅鍋溫度的提高，造成鋅鍋中鐵渣的增加，從而帶來鋅渣缺陷。

(3)在熱鍍鋅生產加P高強鋼時需要投入使用邊部加熱器，并且在退火段與均衡段邊部加熱器應設定為帶鋼溫度+20 ℃，即針對H220YD+Z退火段設定為835 ℃，均衡段設定為475 ℃。