冷卻工藝對(duì)800 MPa級(jí)熱鍍鋅雙相鋼性能及表面質(zhì)量影響

供稿|富聿晶，王鯤鵬，李瑩瑩，鄭懷宇，周亮

作者單位：1. 本鋼技術(shù)研究院，遼寧 本溪 117000；2. 遼寧科技學(xué)院，遼寧 本溪 117004

內(nèi) 容 導(dǎo) 讀

針對(duì)熱鍍鋅生產(chǎn)過程中不同冷卻工藝對(duì)熱鍍鋅雙相鋼的性能和表面質(zhì)量的影響進(jìn)行研究，分別采用鍍前形成馬氏體及鍍后形成馬氏體兩種工藝，設(shè)定了不同的快冷模式，得到不同冷卻工藝條件下的組織、性能及表面情況。研究表明，當(dāng)冷卻工藝選擇鍍前形成馬氏體時(shí)，采用快冷至馬氏體形成溫度以下，感應(yīng)加熱至鋅鍋溫度后進(jìn)行鍍鋅處理，材料力學(xué)性能降低，但延伸率較好。鍍后形成馬氏體時(shí)采用中溫轉(zhuǎn)變工藝，在中溫轉(zhuǎn)變區(qū)，殘余奧氏體中會(huì)富集C、Mn等合金元素，提高殘余奧氏體淬透性，使材料在鍍后冷卻過程中獲得更多的馬氏體，同時(shí)鐵素體的純凈性提高，得到更加良好的力學(xué)性能；但快冷溫度超過490 ℃時(shí)，會(huì)造成鋅鍋溫度增高，造成表面鋅灰、鋅渣等缺陷，因此快冷溫度控制在465～475 ℃范圍內(nèi)更有利于材料滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)具有較好的表面質(zhì)量。

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車用鋼的安全性能面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，汽車廠對(duì)原材料的要求也越來越嚴(yán)格，高強(qiáng)熱鍍鋅雙相鋼具有出色的力學(xué)性能和表面耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)[1]，在汽車安全件中得到廣泛應(yīng)用。與連退雙相鋼相比，熱鍍鋅雙相鋼需要進(jìn)行鍍鋅處理，而帶鋼鍍鋅時(shí)必須保證鋅鍋溫度為(460±5) ℃[2-3]，連退生產(chǎn)過程中可以靈活控制冷卻速率，合理配比鐵素體、馬氏體含量，但熱鍍鋅雙相鋼受入鍋溫度的影響，因而如何合理控制冷卻速率及表面質(zhì)量成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問題[3-5]。本文針對(duì)不同冷卻工藝及模式下材料的綜合性能以及高強(qiáng)度熱鍍鋅雙相鋼表面缺陷進(jìn)行分析，并通過實(shí)驗(yàn)確定材料的生產(chǎn)工藝。

實(shí)驗(yàn)材料及參數(shù)

熱鍍鋅雙相鋼DP780成分體系

采用熱鍍鋅雙相鋼DP780+Z進(jìn)行不同冷卻模式及快冷溫度實(shí)驗(yàn)，材料規(guī)格為1.4 mm×1200 mm，對(duì)材料進(jìn)行了四次工業(yè)生產(chǎn)調(diào)試，材料主要成分見表1。對(duì)不同卷進(jìn)行了不同冷卻模式實(shí)驗(yàn)，并對(duì)每一卷試樣進(jìn)行了取樣分析。

表 1 實(shí)驗(yàn)中熱鍍鋅DP780成分情況(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

熱鍍鋅DP780實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

實(shí)驗(yàn)過程中主要對(duì)冷卻工藝進(jìn)行研究，控制其他參數(shù)不變，保證清洗段、鋅鍋溫度以及光整值不變，同時(shí)采用一致的保溫溫度以及機(jī)組速度，保證材料初始兩相區(qū)加熱過程中鐵素體、奧氏體比例一致[6]，通過相同的機(jī)組運(yùn)行速度使材料保溫時(shí)間一致，本文主要針對(duì)不同冷卻模式及快冷溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但快冷溫度不宜過高，材料入鍋溫度高會(huì)提高鋅鍋溫度造成鐵損增加，容易形成浮渣造成鍍鋅表面缺陷，具體工藝參數(shù)如表2所示。

表 2 實(shí)驗(yàn)過程中冷卻段參數(shù)設(shè)定及其他溫度參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

冷卻模式對(duì)力學(xué)性能的影響

分別對(duì)采用鍍前形成馬氏體即冷卻至馬氏體形成溫度以下的材料(4#工藝)、采用鍍后冷卻形成馬氏體(2#工藝)材料進(jìn)行力學(xué)性能及顯微組織對(duì)比，如表3所示。從材料力學(xué)性能可以看出，采用鍍后冷卻形成的貝氏體量更多，同時(shí)材料強(qiáng)度相應(yīng)得到提高，而采用鍍前將冷卻溫度降至馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以下形成馬氏體量基本與鍍后冷卻工藝一致，但在鍍鋅過程中馬氏體得到適量的回火使材料獲得較高的延伸率，所以對(duì)材料進(jìn)行了電鏡顯微組織分析，從圖1中可以看出鍍后冷卻材料中貝氏體含量較多，而且馬氏體更加明亮，證明馬氏體中含碳量較多，而鍍前形成馬氏體材料中馬氏體較暗，材料中馬氏體在鍍鋅過程中發(fā)生了回火反應(yīng)，馬氏體強(qiáng)度降低，材料延伸性能更優(yōu)良。

表 3 不同冷卻模式下材料的性能結(jié)果情況

圖 1 不同試樣電鏡顯微組織分析：(a)2#樣；(b)4#樣

快冷溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

通過不同快冷溫度實(shí)驗(yàn)對(duì)生產(chǎn)試樣進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，主要針對(duì)材料性能、組織情況，采用實(shí)驗(yàn)室Zwick拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行性能檢測(cè)，并采用Zeiss公司生產(chǎn)的SUPRA55熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)材料顯微組織進(jìn)行觀測(cè)，具體信息見表4所示。通過檢測(cè)可以看出，熱鍍鋅雙相鋼DP780在該成分體系下，冷卻參數(shù)對(duì)性能影響較大，在機(jī)組運(yùn)行速度不變的情況下，不同的快冷出口溫度直接影響材料的冷卻速率，當(dāng)冷卻溫度較高或較低時(shí)可以有效避開材料貝氏體轉(zhuǎn)變的鼻尖溫度，較低冷卻溫度時(shí)材料獲得了較大的冷卻速率，但材料中馬氏體得到適量的回火，造成材料性能下降，但回火馬氏體使材料中馬氏體強(qiáng)度得到改善，獲得較好的延伸率。

表 4 熱鍍鋅DP780不同冷卻溫度條件下性能情況

根據(jù)強(qiáng)度分布情況，對(duì)材料進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，主要對(duì)材料各相比例及顯微組織進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表5所示。在退火溫度相同時(shí)，材料原始奧氏體、鐵素體比例一致。當(dāng)帶鋼在冷卻過程中，冷卻模式接近中溫轉(zhuǎn)變工藝，帶鋼在中溫區(qū)會(huì)使鐵素體中的C、Mn等合金元素更有效地向奧氏體擴(kuò)散，使奧氏體中富集大量C、Mn等合金元素，造成奧氏體淬透性得到提高，帶鋼在終冷時(shí)獲得更多的馬氏體，同時(shí)鐵素體更加純凈。從圖2中也可以看出冷卻溫度較高時(shí)材料M+A島分布更加彌散，同時(shí)M+A量也有所增加。

圖 2 不同試樣熱鍍鋅DP780冷卻溫度實(shí)驗(yàn)顯微組織：(a)1#500 °C；(b)2#475 °C；(c)3#450 °C

冷卻溫度對(duì)帶鋼表面質(zhì)量影響

根據(jù)帶鋼浸入鋅鍋的溫度不同，材料的表面狀態(tài)也會(huì)發(fā)生不同的情況。當(dāng)入鍋溫度過高時(shí)，帶鋼會(huì)將原始熱量帶入鋅鍋中，尤其是厚料時(shí)鋅鍋溫度提高情況明顯，隨著鋅鍋溫度的提高，帶鋼鐵損量加大；當(dāng)鋅鍋回溫時(shí)，鐵的溶解度下降，會(huì)在鋅鍋中出現(xiàn)大量浮渣，使帶鋼表面出現(xiàn)鋅渣缺陷。但冷卻溫度過低時(shí)，帶鋼入鍋時(shí)溫度無法保證寬度方向均勻分布，邊部溫度明顯低于鋅鍋溫度，出現(xiàn)點(diǎn)狀缺陷，通過掃描電鏡對(duì)點(diǎn)狀缺陷進(jìn)行了分析(圖3和表6 )，從數(shù)據(jù)中可以看出，點(diǎn)狀缺陷處基本為Fe基，無鋅層保護(hù)，同時(shí)對(duì)鍍層進(jìn)行了斷面分析，可以看出點(diǎn)狀缺陷基本未發(fā)生鍍鋅處理，帶鋼邊部入鍋溫度過低，造成Fe-Zn反應(yīng)不劇烈，材料在通過高壓氣刀噴吹時(shí)會(huì)出現(xiàn)鋅層脫離，造成點(diǎn)狀漏鍍?nèi)毕輀7-8]。

圖 3 冷卻溫度為350 °C時(shí)材料邊部斷面缺陷情況

同時(shí)對(duì)邊部及中心處抑制層形貌進(jìn)行了分析，采用腐蝕劑對(duì)材料表面鋅層進(jìn)行處理，從抑制層形貌可以看出邊部抑制層存在較為明顯的空洞，這是造成材料表面鋅層不良的主要因素[9]，中心處抑制層更加的均勻致密，從而有效地保護(hù)鍍鋅板表面質(zhì)量，如圖4所示。

表 6 圖譜中元素定量分析情況(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖 4 冷卻溫度低時(shí)邊部、中心處抑制層形貌：(a)邊部低倍形貌；(b)邊部高倍形貌；(c)中心低倍形貌；(d)中心高倍形貌

結(jié)束語

(1)針對(duì)DP780成分體系下熱鍍鋅高強(qiáng)雙相鋼應(yīng)采用中溫轉(zhuǎn)變工藝即鍍后形成馬氏體組織，可以在中溫轉(zhuǎn)變區(qū)發(fā)生鐵素體凈化及殘奧富C、Mn等合金元素，提高奧氏淬透性，增加材料最終馬氏體含量，保證材料力學(xué)性能良好。(2)采用鍍后形成馬氏體工藝時(shí)冷卻溫度不宜超過490 ℃，因其穩(wěn)定過高會(huì)導(dǎo)致鋅鍋溫度升高，增加材料的鐵損，鋅鍋回溫后鐵在鋅液中溶解度降低，會(huì)造成鋅渣，從而影響材料表面質(zhì)量。(3)材料在冷卻過程中冷卻溫度不宜過低，冷卻溫度較低時(shí)會(huì)造成材料邊部溫降嚴(yán)重，造成鋅鐵結(jié)合性較差，經(jīng)過高壓氣刀造成材料漏鍍?nèi)毕荨?4)熱鍍鋅高強(qiáng)度雙相鋼冷卻溫度在465～475 ℃時(shí)，材料的綜合性能較為良好，同時(shí)也可以獲得良好的表面質(zhì)量，提高材料產(chǎn)成率。