800 MPa级热基镀锌复相钢的开发

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(1. 首钢技术研究院 京唐技术中心， 北京 100043；2. 首钢技术研究院 薄板研究所， 北京 100043；3. 首钢京唐钢铁联合有限责任公司 制造部， 河北 唐山 063210)

随着能源和环境问题日益凸显，节能和环保已成为汽车工业发展不可避免的议题。因此，先进高强钢在汽车车身上的应用种类、使用比例和强度级别逐渐提高[1-2]。在这些先进高强钢中，复相钢具有较高的强塑性以及优良的翻边、折弯和扩孔性能，可用于制造各类对局部成形能力要求较高的零部件，如车门防撞杆、座椅滑轨和底盘悬挂件等，因而得到了广泛的研究与应用[3-6]。其中，汽车底盘类零件属于非表面件，对钢板的表面质量要求不高，但对折弯和扩孔等局部成形性能要求非常高，因此通常用热轧或酸洗复相钢制造。目前，国外的一些公司已经可以稳定生产1000 MPa级热轧复相钢，国内的一些公司也已实现800 MPa级热轧复相钢稳定供货，并且完成1000 MPa级热轧复相钢研发[6-9]。

然而，由于热轧和酸洗复相钢表面无镀层保护，一旦零件表面的电泳漆膜出现剥落和划伤，钢材基体将直接暴露在外，极易发生锈蚀。随着汽车服役环境的多样化，常规热轧或酸洗复相钢已无法满足底盘零件高耐蚀性要求。近年来，热基镀锌技术的快速发展，为开发具有表面镀层的热轧复相钢提供了可能。但是，由于生产设备和工艺技术的限制，目前只有少数企业具备热基镀锌复相钢的供货能力。鉴于此，本文以低碳复相钢为研究对象，采用优化的生产工艺制备了所需的试验钢，并通过SEM、TEM及力学性能测试等方法分析了退火镀锌过程中热轧复相钢显微组织、析出相和力学性能的演变规律，开发了800 MPa级热基镀锌复相钢工业产品。

1 试验材料与方法

试验钢板坯的化学成分如表1所示。为了避免Si元素选择性氧化对镀锌表面质量的影响，试验钢采用低Si设计。钢中添加Cr、Mo、Nb、Ti，通过微合金元素的添加及成分调控，可得到析出强化及固溶强化的良好匹配效果，有助于试验钢获得较高的抗拉强度和扩孔性能[6]，从而使试验钢达到较好的综合性能。

表1 试验钢的化学成分(质量分数, %)

图1为试验钢的热轧及退火镀锌工艺的示意图。首先将试验钢板坯加热至1250 ℃及以上保温，使微合金元素充分固溶及均匀化，再进行粗轧和精轧，控制终轧温度不低于880 ℃，随后经层流冷却至500 ℃以下卷取，得到2.5 mm厚的热轧复相钢。待热轧复相钢冷至室温后，开卷进行酸洗，去除带钢表面的氧化铁皮。热轧带钢的退火镀锌工序在连续热镀锌产线进行，首先将带钢预热至220 ℃，随后以10 ℃/s的速率加热至620～680 ℃进行均热，均热时间为50～150 s，接着以15 ℃/s的冷却速率冷至460 ℃进行镀锌，最后以大于10 ℃/s的速率冷却至室温。

在热轧态和退火镀锌钢板上切取金相试样，经机械研磨和抛光后，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在Zeiss Ultra-55扫描电镜下观察显微组织。在热轧和退火镀锌钢板上切取300 μm厚的样片，然后研磨至50 μm并冲裁出φ3 mm的圆片，随后在电压29 V、温度-10 ℃条件下用Struers TenuPol-5型电解双喷减薄仪制成薄膜透射试样，最后在JEM-2000FX型透射电镜下观察精细组织及可动位错形貌。析出相的观察采用碳萃取复型试样，经研磨和抛光后，放入体积分数为4%的硝酸酒精溶液中侵蚀，然后用喷涂仪在其表面喷附一层碳膜，并划分网格，接着用体积分数为10%的硝酸酒精溶液使碳膜与试样分离，碳膜经去离子水清洗后放入铜网中，然后制取透射试样在TEM下观察析出相形态，并用透射电镜配备的能谱仪确定析出相成分。根据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》和GB/T 24174—2009《钢 烘烤硬化值(BH2)的测定方法》，在热轧态和退火镀锌钢板上沿纵向切取初始标距为80 mm的拉伸试样，利用ZWICK/Roell Z100拉伸试验机检测钢板的强度、断后伸长率和烘烤硬化值(BH2)，拉伸速率为2.0 mm/min。根据GB/T 15825.4—2008《金属薄板成形性能与试验方法 第4部分：扩孔试验》，利用ZWICK BUP1000成形试验机测定热轧态和退火镀锌钢板的扩孔率。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

热轧态和退火镀锌试验钢的显微组织如图2所示。由图2(a)可见，热轧态试验钢的显微组织主要由铁素体、马氏体和马/奥岛组成。部分铁素体沿轧制方向呈拉长状，这是因为试验钢中Nb、Ti含量较高，提高了再结晶温度，导致终轧温度进入未再结晶区，奥氏体晶粒不断被压扁拉长，相变后的部分铁素体遗传了奥氏体晶粒拉长的形态。马氏体尺寸相对较大，内部板条形态明显，是尺寸较大的热轧奥氏体晶粒在卷取后相变得到的。马/奥岛尺寸相对较小，是小尺寸奥氏体晶粒相变不完全得到的组织，通常与其周围的铁素体晶粒共同构成粒状贝氏体组织。经退火镀锌后，试验钢的显微组织主要由铁素体和高温回火马氏体构成，如图2(b)所示。这是由于退火温度较高，原马氏体和马/奥岛分解，渗碳体大量析出，形成了铁素体和渗碳体的机械混合体，即高温回火马氏体组织。

图2 热轧态(a)和退火镀锌(b)试验钢的显微组织Fig.2 Microstructure of the as-hot-rolled(a) and annealing galvanized(b) tested steel

利用TEM观察了热轧态和退火镀锌试验钢铁素体内的位错形貌，结果如图3所示。图3(a)为热轧试验钢中的板条马氏体和被马氏体包围的铁素体组织，可见铁素体内存在大量可动位错。热轧后的层流冷却过程中，首先发生铁素体相变，当冷至500 ℃以下卷取时，未转变的奥氏体发生贝氏体和马氏体相变，体积膨胀，挤压周围的铁素体组织，导致铁素体内部出现大量可动位错。在进行退火镀锌时，由于均热温度较高，组织回复明显，铁素体内可动位错与其他位错相互缠结、抵消，位错密度大幅降低但组态更加稳定，如图3(b)所示。

图3 热轧态(a)和退火镀锌(b)试验钢铁素体内的位错形貌Fig.3 Dislocation morphologies in ferrite of the as-hot-rolled(a) and annealing galvanized(b) tested steel

热轧态和退火镀锌试验钢中的析出相形貌及能谱如图4所示。图4(a)为热轧试验钢中的椭球形或棒状析出相形貌，尺寸较大，长轴尺寸集中在50 nm左右。这是由于卷取后的缓慢冷却过程中，析出相有足够的时间长大粗化。图4(b)为图4(a)中圆圈标示析出相的能谱，其中Nb、Ti和Mo的衍射峰明显可见，可知其为Nb、Ti和Mo的复合碳化物。图4(c)为镀锌试验钢中的球形析出相形貌，尺寸约20 nm，远小于热轧试验钢中的析出相。图4(d)为图4(c)中圆圈标示析出相的能谱，表明这部分细小的析出相也是Nb、Ti和Mo的复合碳化物。由于图4(c)中观察到的析出相尺寸细小、尚未粗化，推测其并非在热轧卷取过程中析出，而是在退火镀锌过程中析出。

图4 热轧态和退火镀锌试验钢中的析出相形貌(a, c)及能谱(b, d)(a,b)热轧钢；(c,d)退火镀锌钢Fig.4 Morphologies(a, c) and EDS(b, d) of precipitates in the as-hot-rolled and annealing galvanized tested steel(a,b) as-hot-rolled steel; (c,d) annealing galvanized steel

2.2 力学性能

图5为试验钢力学性能测试方向示意图。表2为热轧态试验钢的力学性能。由表2可见，热轧态试验钢的纵向屈服强度、抗拉强度、屈强比和断后伸长率分别为629 MPa、928 MPa、0.68和12%。与纵向性能相比，热轧态试验钢45°方向的屈服和抗拉强度分别降低8 MPa和15 MPa，屈强比一致，断后伸长率稍有升高；横向屈服和抗拉强度分别升高41 MPa和21 MPa，屈强比升高至0.71，断后伸长率略有下降。由图2(a)可知，热轧态试验钢的显微组织主要由铁素体、马氏体和马/奥岛构成，铁素体属于软相，易于屈服，马氏体和马/奥岛属于硬相，对提高抗拉强度有利，因此热轧态试验钢具有较低的屈强比。另外，由于铁素体与马氏体或马/奥岛之间硬度差异较大，在局部变形过程中，软硬相界面之间极易产生裂纹，导致热轧态试验钢的扩孔率偏低，只有31%。

图5 试验钢力学性能测试方向示意图Fig.5 Schematic diagram of test directions of mechanical properties of the tested steel

表2 热轧态试验钢的力学性能

退火镀锌试验钢的力学性能见表3。由表3可知，镀锌试验钢的纵向屈服强度、抗拉强度、屈强比、断后伸长率和烘烤硬化值分别为769 MPa、852 MPa、0.90、14.5%和43 MPa。与热轧态试验钢相比，镀锌试验钢的纵向屈服强度升高140 MPa，抗拉强度降低76 MPa，屈强比和断后伸长率均有不同程度升高。这是由于退火镀锌后，铁素体中的可动位错密度大幅降低，并且析出更多细小的Nb、Ti和Mo的复合碳化物阻碍位错运动，导致屈服强度大幅升高。同时，马氏体和马/奥岛在退火镀锌过程中分解，得到高温回火马氏

表3 退火镀锌试验钢的力学性能

体组织，导致抗拉强度显著降低。与热轧态试验钢相比，退火镀锌试验钢的铁素体和回火马氏体之间强度、硬度差异减小，协同变形能力增强，在两相界面处不易萌生裂纹，因此局部变形能力显著提升[10-11]，扩孔率达到53%。另外，镀锌试验钢纵向、45°方向和横向的屈服强度最大差值为21 MPa，抗拉强度最大差值为28 MPa，均低于热轧态，表明镀锌试验钢的各向异性显著降低。图6为镀锌试验钢纵向的工程应力-工程应变曲线，可见镀锌试验钢呈连续屈服。整体上，开发的镀锌复相钢屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和烘烤硬化值均达到了VDA 239-100：2016Flacherzeugnisseausstahlzurkaltumformungsheetsteelforcoldforming标准要求，并且具有较高的扩孔性能，适合于复杂结构件的成形。

图6 退火镀锌试验钢的工程应力-工程应变曲线Fig.6 Engineering stress-engineering strain curve of the annealing galvanized tested steel

3 结论

1) 热轧态复相钢的显微组织主要由铁素体、马氏体和马/奥岛构成；退火镀锌复相钢的显微组织则主要由铁素体和高温回火马氏体构成。

2) 退火镀锌过程中，马氏体和马/奥岛分解形成高温回火马氏体，铁素体内可动位错密度降低，同时析出纳米级Nb、Ti和Mo的复合碳化物，导致抗拉强度降低，屈服强度和扩孔率显著提高。

3) 热基镀锌复相钢的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和烘烤硬化值分别为769 MPa、852 MPa、14.5%和43 MPa，扩孔率达到53%，具有良好的力学性能和局部成形性能。