退火工艺对980 MPa级热镀锌双相钢组织及性能的影响

刘鹏飞， 杨 波， 陈 宇， 刘宏亮

(鞍钢集团钢铁研究院本钢技术中心， 辽宁 本溪 117000)

安全、环保、节能成为当前汽车制造业的发展趋势，生产超高强度钢(抗拉强度大于780 MPa)能够在不降低汽车安全性的前提下减轻质量，已成为汽车行业大力发展的目标[1]。先进高强钢包括双相钢、复相钢、相变诱导塑性钢、QP钢、马氏体钢和热冲压成形钢，其中双相钢具有屈强比低、高撞击吸收能和良好的成形性能等优点[2]，特别适合于制作汽车的结构件和防撞件，市场前景广阔。热镀锌工艺参数主要包括均热温度、缓冷温度、快冷出口温度、入锌锅温度等。基于热镀锌生产线设备特点，缓冷段较短，缓冷温度随均热温度和带速的变化而调整。带钢入锌锅温度受热镀锌机组在线锌锅影响需保持在460 ℃左右。本文根据热镀锌机组实际参数，模拟研究均热温度和快冷出口温度对980 MPa级热镀锌双相钢组织和力学性能的影响，以期对该钢种连退镀锌工艺的制定及优化提供参考。

1 试验材料与方法

试验钢的化学成分设计如表1所示。试验钢经过转炉冶炼，炉外精炼，连铸制备成230 mm厚板坯，再经过热轧制备成3.0 mm厚热轧原料，热轧板经酸洗后冷轧成1.2 mm厚，冷轧压下率为60%。将工业化生产的冷硬板加工成450 mm×150 mm×1.2 mm试验料片，采用奥钢联热模拟试验机进行连退镀锌热模拟试验。热模拟后的板料分别制备成金相试样和拉伸试样，采用OLYMPUS-BX51型光学显微镜以及EVO50型扫描电镜观察组织和断口形貌。依据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，使用CMT30吨微机控制电子万能试验机进行力学性能测试。

表1 试验钢的化学成分(质量分数，%)

图1 不同均热温度下热镀锌双相钢的显微组织Fig.1 Microstructure of the hot dip galvanized dual-phase steel at different soaking temperatures(a,b) 800 ℃; (c,d) 820 ℃; (e,f) 840 ℃

2 试验结果与分析

2.1 均热温度对双相钢的影响

考虑到热镀锌机组实际产线的设备能力，热模拟试验设定均热温度区间800～840 ℃，具体为800、820和840 ℃。试验钢运行速度设定为100 m/min，保温72 s后以9 ℃/s的冷速冷至710～750 ℃，再以24～28 ℃/s的冷速快速冷却至460 ℃，等温45 s后入锌锅，镀锌时间为17 s，最后空冷至室温模拟连退镀锌过程。对不同均热温度下的试验钢进行微观组织观察，见图1。在不同均热温度下，试验钢的组织均为铁素体+马氏体两相组织，马氏体主要呈岛状弥散分布于铁素体基体中，根据GB/T 18876.1—2002《应用自动图像分析测定钢和其他金属中金相组织、夹杂物含量和级别的标准试验方法 第1部分：钢和其他金属中夹杂物或第二相组织含量的图像分析与体视学测定》测得马氏体体积分数分别为34%、41%和45%。

由图2可见，随着均热温度的升高，热镀锌双相钢的屈服强度和屈强比呈不断增加的趋势；抗拉强度呈先增加而后略微下降的趋势，在820 ℃达到最大值1002 MPa；断后伸长率变化不明显，在8%～9%范围内波动。均热温度从800 ℃提高到820 ℃，奥氏体含量增多，冷却过程中，过冷奥氏体转变成更多的马氏体组织，钢中的马氏体含量增加，使得铁素体中由于马氏体相变膨胀生成的可动位错密度增加[3]，从而使得可动位错线长度减小。当在外力作用下位错发生滑移时，滑移阻力增加，从而造成屈服强度的增加。随着均热温度进一步升高到840 ℃，奥氏体化更加充分，奥氏体中的碳浓度降低，且由于试验钢的碳含量较低(≤0.10)，导致快冷过程中马氏体中碳含量降低[4-5]，虽然该温度下马氏体含量较多，但是双相钢的抗拉强度主要取决于马氏体的比例以及其中的碳含量[6]，导致试验钢的抗拉强度略微降低。从不同均热温度下的力学性能结果可得出，840 ℃下的综合力学性能最佳，后续的模拟快冷出口温度工艺也将在均热温度为840 ℃的基础上进行。

图2 不同均热温度下热镀锌双相钢的力学性能Fig.2 Mechanical properties of the hot dip galvanized dual-phase steel at different soaking temperatures

对试验钢的拉伸断口进行观察(见图3)，发现具有明显特征的韧窝状花样，属于韧性断裂，并在韧窝中观察到小颗粒析出，对其进行EDS分析，显示含有Nb、Ti、C、N的峰。

图3 均热温度为820 ℃时热镀锌双相钢的拉伸断口形貌及EDS分析Fig.3 Tensile fracture morphology and EDS analysis of the hot dip galvanized dual-phase steel at soaking temperature of 820 ℃

2.2 快冷出口温度对双相钢的影响

考虑到热镀锌机组设备能力以及快冷出口温度过高会影响表面质量[7]，设定快冷出口温度为340～480 ℃，具体为340、370、400、430、460和480 ℃。热模拟试验设定均热温度为840 ℃，试验钢运行速度为100 m/min，保温72 s后以9 ℃/s的冷却速率冷至750 ℃，再以26～39 ℃/s的冷却速率冷却至快冷段，等温45 s后入锌锅，镀锌时间为17 s，最后空冷至室温模拟连退镀锌过程。图4为不同快冷出口温度下热镀锌双相钢的力学性能。可见，随着快冷出口温度的升高，热镀锌双相钢的屈服强度先降低后升高，抗拉强度先升高后降低而后又升高，断后伸长率先保持大致平稳然后迅速降低，屈强比变化较平稳，从0.63变化到0.56。

图4 不同快冷出口温度下热镀锌双相钢的力学性能Fig.4 Mechanical properties of the hot dip galvanized dual-phase steel at different rapid cooling outlet temperatures

图5为不同快冷出口温度下热镀锌双相钢的SEM照片，发现组织均为铁素体和弥散分布的马氏体，并伴有颗粒状碳化物析出，测得马氏体体积分数分别为33%、36%、32%、33%、45%和45%。快冷出口温度为340 ℃和370 ℃时，如图5(a，b)所示，组织中马氏体回火分解明显，马氏体边缘结构相对模糊，同时可观察到少部分回火马氏体已分解为颗粒状渗碳体[8]，其主要分布于铁素体基体和马氏体内部，少量分布于铁素体与马氏体相界面处，碳化物的析出提高了位错运动的阻力，导致这两种温度下屈服强度较高。随着快冷出口温度的升高，如图5(c，d)所示，组织中马氏体形态愈发清晰，当快冷出口温度为430 ℃时，如图5(d)所示，铁素体内部较为纯净，碳化物析出量较少，屈服强度降低。针对快冷出口温度设置为340～430 ℃，如果快冷出口温度降低，在相同的缓冷温度下，快冷段的冷却速率增加，将会使快冷段形成的马氏体含量增多，从而使强度升高；另一方面，快冷出口温度过低会造成快冷段形成的马氏体在入锌锅温度为460 ℃时发生回火分解的程度加剧，引起马氏体量减少并发生软化导致强度下降，因此在340～430 ℃温度范围内必然存在一个温度平衡点，使试验钢的抗拉强度达到最大。从本文的结果看，当快冷出口温度为400 ℃时，抗拉强度达到了峰值925 MPa，断后伸长率为15%，强塑积达到了最大值13.9 GPa·%。当快冷出口温度为460 ℃和480 ℃时，如图5(e，f)所示，组织中马氏体的形态从粗大不规则的块状变成岛状，且马氏体含量明显增多，导致屈服强度和抗拉强度提高，断后伸长率下降。

图5 不同快冷出口温度下热镀锌双相钢的SEM照片Fig.5 SEM images of the hot dip galvanized dual-phase steel at different rapid cooling outlet temperatures(a) 340 ℃; (b) 370 ℃; (c) 400 ℃; (d) 430 ℃; (e) 460 ℃; (f) 480 ℃

3 结论

1) 980 MPa级双相钢经热镀锌工艺处理后组织为铁素体+马氏体。随着均热温度的升高，双相钢中马氏体体积分数呈不断增大的趋势，屈服强度和屈强比不断提高。

2) 快冷出口温度从340 ℃升高到430 ℃，马氏体发生回火分解，降低了试验钢的屈服强度，同时改善了伸长率。当快冷出口温度为400 ℃时，强塑积达到最大值13.9 GPa·%。

3) 当均热温度为840 ℃，缓冷温度为750 ℃，快冷出口温度为460～480 ℃时，试验钢抗拉强度达到了980 MPa级以上。