热处理工艺对冷轧热镀锌双相钢组织与性能的影响

2021-11-30逯龙

中国金属通报 2021年22期

逯龙

（河钢唐钢高强汽车板有限公司，河北唐山 063000）

双相钢是汽车制造领域中应用较多的高强钢，其屈强比较低，加工硬化率极高，塑性配合性能好、强度高，具有多重优势。现针对冷轧热镀锌的双相钢展开研究，分析热处理工艺技术给其性能与组织形成的影响[1-3]。

1 冷轧双相钢概述

冷轧双相钢目前被广泛应用于汽车制造领域，可降低汽车重量，使汽车构件具备更高的机械强度，以此满足汽车车身设计的要求。虽然高强度低合金的钢可满足汽车用钢方面的强度需求，但是这种钢成型性能较差，双相钢弥补了应用缺陷，在保持极高强度的同时成型性也较好，同时抗碰撞吸收能较高。对冷轧双相钢的性能特点进行分析，其抗拉强度很高，强度相对偏低，初始阶段应变硬化程度高，在低应变情况时显现出的加工硬化指数很高，烘烤硬化值也不低。通常条件下，烘烤硬化值处于35到80Mpa之间，不会产生室温时效现象。进行冷轧处理后，应在连续性的退火线上针对带钢展开热处理，其组织并未实现完全奥式体化；当退火温度高于Ac1温度，仅有较少的贝氏体组织+铁素体或者珠光体组织+铁素体能向奥氏体转变，范围仅在10%到15%；开展淬火处理，在温度达到室温时，奥氏体可有效转变成马氏体，所以铁素体的基体分布一定量的马氏体岛。

2 材料与方法

冷轧热镀锌双相钢在接受热处理时，处理效果与采用连续退火技术所形成的处理效果不同，需要完成两相区的多次退火处理，后续环节进行冷却，温度大约为460℃，再完成热镀锌处理，最后继续冷却使温度降低到室温。在处理期间，双相钢的组织性能会受到冷却速度、缓冷段以及保温温度等因素的影响。利用真空型感应炉实现熔炼双相钢的目标，需要进行6道热轧，终轧温度是870℃，水冷温度为650℃时进行模拟卷曲，冷轧压下率在80%左右。完成冷轧处理后，进行切割，临界区上的退火温度是780℃、800℃与830℃，保温时间控制在50s，以50℃/s左右的快冷速度降低到460℃后进行15s的保温，对热镀锌工艺进行模拟，最后温度降到室温。样品在800℃的临界区实现保温，缓冷速度在10℃/s左右，温度达到750℃时再保持50℃/s的快冷速度，降至460℃，保温时间为15s。热处理后，检测材料的伸长率、抗拉强度与屈服强度等信息。最后对试样实施抛光研磨侵蚀处理，通过扫描电镜与光学显微镜对其微观组织形貌进行观察。

3 热处理工艺给冷轧热镀锌双相钢性能与组织形成的影响

3.1 力学性能受到的影响

工业生产中所使用的双相钢与试制材料具有的抗拉强度均高于600MPa，但是工业生产样品的伸长率超过30%，而实验室试样的伸长率却在20%以下。实验室试样在临界退火温度升高时，屈强比、屈强强度以及抗拉强度均呈现出增大的趋势，但是生产率却在持续下降。实验室试样在多种退火温度下的强度比仅设置缓冷段的工业生产样品强度高3MPa左右，虽然强度偏低，但是伸长率却很高。拉伸期间，两个试样均产生了连续屈服现象，成形零件的表面就不会出现起皱的问题，可省略精整轧制与附加操作，简化加工过程，其加工硬化速率较快，不会聚集过多微孔，实现对局部缩颈的有效延迟[4]。

当临界区的实际退火温度升高后，合金元素与碳更容易朝向奥氏体富集，进而导致奥氏体的淬透性增强；当奥氏体原本的体积分数提升后，新生成的奥氏体所具有的碳浓度有明显降低，退火之后冷却期间的贝氏体对应的相变区将逐步扩大，贝氏体相变效果得到促进，因相变形成的贝氏体量有所提升，形成均匀的冷却效果后，冷却效率可促使奥氏体向马氏体转变，当临界区的实际退火温度增加后，马氏体在组织中的体积分数因此提升，否则马氏体受退火温度增加情况的影响，转变活动也会发生变化。在实验室设置的退火情况中，冷却速率与均匀性都无法被保障，完成退火之后，组织包括贝氏体、铁素体与马氏体。如果退火温度出现降低的情况，铁素体晶粒的平均直径值也随之增大，第二相体积分数会随之降低，具体体现在贝氏体与马氏体上，双相钢的抗拉强度随之形成缩减趋势，伸长率不同，呈现增长趋势，形成一定的抗拉强度后，双相钢处于相对较低的温度临界区进行退火，可使塑性与强度进行更好地配合。

3.2 组织受到的影响

低温退火时，试样组织出现了铁素体、马氏体组织与贝氏体组织，当临界区温度升高后，贝氏体组织的实际含量有明显增加，相对地，铁素体量逐步缩减，锰在铁素体与马氏体中有不同程度的扩散，对扩散过程进行控制时，锰元素会顺延铁素体的晶界进行偏聚，冷却时，这一处区域显现出极强的淬透性，催生了高锰马氏体边圈，不同的临界区退火温度条件下，组织均有高亮马氏体边圈，临界区温度提升后，马氏体含量呈下降趋势。工业生产样处于800℃的临界温度后，退火并缓冷至750℃，而后继续快冷镀锌，其具有明显的双相钢组织，贝氏体与马氏体交互附着于铁素体晶界上，马氏体存在明显的岛浮突，具有均匀分布的特点，铁素体晶粒的分布也较为均匀，形成相对理想化的双相钢组织形貌。当临界区的退火温度提升后，铁素体的晶粒平均尺寸会缩减，而第二相的实际体积分数在增加。

针对双相钢进行热镀锌处理时，应区别于普通的连退热处理工艺，将钢带从退火炉中取出时，必须保障温度达到460℃。对其进行热浸镀处理，冷却速度相对较低，所以最终产生的组织中大多不是设想的马氏体与铁素体双相组织，无法达到组织要求，必须要处理组织与冷却温度之间存在的矛盾。可尝试将合金元素加入其中，使贝氏体与珠光体的转变情况发生改变，以此规避贝氏体或者珠光体出现转变。如果需要使双相钢在实现合金化处理后仍旧保持双相组织，必须要增加锰的质量分数，需要增加2.3%到2.5%，但是当锰的加入量超过限制时，钢板表面区域的浸润性会遭受不良影响，导致镀锌性逐步恶化，增加铬与硅等元素后，也可促进马氏体的有效生成，然而同样会给锌液原本的浸润性构成影响，因此此种方法的可行性不强，需要额外解决浸润性的问题。

除了使用合金元素外，可借助锌液淬火技术将冷却速率加快。带钢自退火段出来后，调整温度至600℃，形成高温条件，将其向锌液中浸入，这种处理方法可实现快冷处理，通过这种处理技术能够适当减少合金元素原本的加入量，使镀层形成更高的质量水平，相对地，其给镀锌设备提出的要求也更为严苛。

两种处理方法虽然都能满足处理需求，形成合适的组织，但是均存在局限性，在实际选择以及使用时，必须要对设备实际能力与经济成本进行分析与考察，同时实际进行冷却处理时可能会出现问题，如贝氏体组织与珠光体组织产生。在实验室对退火试验进行模拟时，问题较为突出，控制冷却速率的难度加大，无法实现冷热均匀，最终形成的双相钢组织为复相组织，包括贝氏体、马氏体与铁素体。无论是工业生产的试样还是实验室的试制品都产生贝氏体组织，其第二相分布形态、体积分数与铁素体晶粒的平均尺寸并不相同，给性能带去相应的影响。

3.3 热处理工艺应用建议

工业生产的双相钢第二相体积分数低于30%。铁素体的晶粒平均尺寸是14.19μm，虽然贝氏体组织在最终组织中也有所体现，然而其综合性能良好，塑性与强度都可满足要求，这一结果也证明了热处理技术的重要性，控制热处理工艺，重点控制冷却均匀性、冷却速率与保温温度等参数，通过上述控制措施可使组织满足要求，不仅贝氏体和马氏体体积分数符合标准，铁素体的晶粒平均尺寸也能满足要求，铁素体的晶界上贝氏体和马氏体也呈现出均匀分布的状态。材料处于变形过程中，软相与硬质相都可维持良好的协调变形状态，以此产生符合预期的力学性能。所以在优化双相钢的力学性能时，要将控制重点转移到第二相的分布形态以及体积分数上。

可将缓冷段增加到热处理活动中，以此形成取向附生型铁素体，这种铁素体在产生锰、碳元素后会逐步转移到奥氏体中，以此强化奥氏体所具有的淬透性，同时也能获取纯净度金更高的铁素体，实现改善双相钢塑性的目标。对比实验室的制样与工业生产的双相钢，发现工业生产的产品更具有优势，除了能满足均匀冷却与冷却速率方面的要求，缓冷段也发挥了作用。

双相钢的性能除受到热处理工艺影响外，还会受到合金元素的影响，在进行热处理时，铁素体的性质及形态、马氏体形态与淬透性均处于影响范围中。普通的双相钢中的合金元素含量较低，种类相对单一，Si-Mn系的双相钢较多，除此之外还有Mn-Nb以及Mn-V系以及高Si系，基于工艺应用要求，可添加一定量的Mo与Cr。可通过P与Si实现对铁素体的强化，使铁素体保持更高强度，减弱铁素体原本的延性。Si可加宽临界区的实际处理范围，调整双相钢的力学性能，使延性以及强度维持良好的重现性与稳定性；对加热环节产生的奥氏体形态进行改变，使马氏体均匀又细密，在改善强化效果的同时，使延性与强度更好地配合；Si属于固溶强化类元素，其可使碳的偏聚速度加快，形成极高的铁素体净化程度，消除间隙固溶强化，也减少冷却期间容易出现的粗大化碳化物；强化淬透性的效果极佳；Si在固溶至铁素体内部后，可给位错的交互作用产生影响，提升硬化速率，实现均匀延伸，如果Si的含量过高，板材表面质量将变差，导致高Si型双相钢受到限制。P具有与Si相反的作用，但是其对铁素体产生的强化效果更强。锰是双相钢中极为常见的合金元素，其与冷却速度有一定关系，对双相钢使用连续退火工艺后，由于锰的存在，双相钢自身的延性能够得到改善，断裂应变能力有所提升，断口组织形貌也能被改善，如果同时有锰与硅两种元素，应用效果更为突出。Mo属于钼系碳化物形成的元素，进入临界区加热环节后，钼的碳化物基本已经溶解，所以会给奥氏体岛所具有的淬透性产生正面影响。钼在热轧双相钢中相对多见，其可对珠光体的转变产生影响。

碳与Nb能够产生化合物，且性质较为稳定，处于临界区进行加热时，并不会轻易溶解，如果冷却速度适中，双相钢在含有Nb的基础上还可生产取向附生型铁素体，实现对延性的改善；如果将适量Ti与Nb加入到双相钢中，钢已经形成了低碳当量的条件，借助氮、碳化物质点的弥散析出活动，可对晶粒进行细化处理，强化钢的韧性与强度，促使钢形成良好的使用性与可焊性。另外冷轧双相钢本身具有比较低的合金含量，主要添加元素是Si与Mn，借助退火后快速快冷操作获取双相组织，热镀锌双相钢需要在热镀锌的生产线上完成退火处理，才能满足组织与性能的要求[5]。