420 MPa 级热镀锌低合金高强钢带的开发与应用

2023-06-05康华伟

材料保护 2023年5期

康华伟

(山东钢铁集团日照有限公司钢铁研究院，山东日照 276800)

0 前言

随着中国汽车工业的快速发展以及生态环保的加强，热镀锌低合金高强钢作为解决车身轻量化的有效手段，不仅减轻了车身重量、降低了油耗、减少了二氧化碳排放量，同时还可以有效提高耐腐蚀性以及安全性能。低合金高强钢成分设计时加入了微量的强碳化物形成元素，如铌、钒和钛，组织由铁素体和少量珠光体组成，第二相析出物弥散分布，主要依靠碳化物、氮化物在铁素体基体上的析出强化阻碍位错运动，提高屈服强度[1-3]。冷轧HC420LAD+Z 热镀锌汽车板作为冷轧低合金高强钢中最典型的牌号之一，凭借较高的屈服强度以及良好的成型、焊接和防腐性能，广泛应用于汽车、客车的座椅件、支架以及连接板等加强结构件，以达到汽车轻量化的目的。

目前，国内大部分钢厂都是采用了先进的冶炼与轧制设备及工艺技术，如LF+RH 双联、热连轧、连续酸洗-冷连轧、美钢联法热镀锌工艺等，其中美钢联法是采用脱脂清洗取代了森吉米尔法中的氧化炉，可获得高表面质量的镀锌带钢，是目前应用最广泛的镀锌工艺[4]。本工作对某钢厂美钢联法热镀锌工艺生产的热镀锌HC420LAD+Z 进行研究与开发，以加强冷轧HSLA 系列钢种的涂装性能，更好地满足汽车板的高品质要求并降低能耗、涂装成本以及VOCs(挥发性有机化合物)排放[5，6]。通过化学成分合理设计，以及关键轧制生产工艺的优化控制，实现了低成本高质量的汽车用热镀锌HC420LAD+Z 钢带的开发，并具备(0.5～2.5)mm×(1 000～1 850)mm 规格的批量稳定生产能力。

1 成分设计

热镀锌HC420LAD+Z 钢是在低碳钢中复合添加Nb/Ti 微合金元素，并配合热轧、冷轧及热镀锌退火处理的工艺路线控制，以获得良好组织、稳定力学性能以及较高表面质量的冷轧低合金高强度镀锌汽车板。钢板的成分直接影响其力学性能，因此，热镀锌钢板的成分需根据应用要求的组织性能、用途及成本进行设计[7]。尤其是C、Mn、P、Nb 等元素对固溶强化与析出强化影响较大，所以冶炼控制精度要有充分保障能力。某钢厂设计的HC420LAD+Z 钢主要化学成分如表1 所示。

表1 HC420LAD+Z 钢的化学成分(质量分数) %Table 1 Chemical composition of HC420LAD+Z steel (mass fraction) %

P 在钢中具有良好的固溶强化效果，研究发现，在低磷钢板中加入适当的磷，对成形性的影响不大，但可大大提高钢的强度[8]。钢中的磷是以置换原子的形式存在于晶内或偏聚在晶界上，阻碍位错运动或晶界迁移，由于其原子半径与基体元素铁相差较大，造成点阵畸变，其应力场与位错应力场发生交互作用并阻碍位错的运动，从而起到固溶强化的效果[9，10]。由于少量的P 对钢的冷脆性影响很小，且价格低廉，因此添加0.015%～0.025%的P 元素，可实现低成本高强度控制。

Nb 可以与钢中的C 和N 形成碳化物或氮化物，在热轧高温固溶时，可以抑制热轧变形晶粒的回复和再结晶，起到细晶强化作用，在热轧低温状态和相变过程中，析出的碳氮化物起到析出强化作用。Ti 在钢液凝固后期和固相冷却过程中会与N 形成TiN，高温稳定性强，在板坯再热过程中可以有效地钉扎在奥氏体晶界防止晶粒异常长大，同时Ti 可与C 形成TiC，起到析出强化作用。采用Nb、Ti 复合成分体系，用Ti 固定钢中N，S 与Mn 结合，C 单独由Nb 来固定，保证稳定地控制钢中的固溶C 含量，可以保证满足钢板对力学性能、成形性能以及涂镀性能的要求[11]。

2 工业试制

2.1 工艺路线

KR 脱硫→转炉冶炼→LF 精炼→RH 精炼→板坯连铸→热连轧→酸连轧→连续热镀锌→重卷/拉矫→检验判定→包装入库。

2.2 冶炼工艺

冷轧汽车钢对成分要求非常严格，不仅要求钢质纯净，而且要求成分精确控制。冶炼热镀锌HC420LAD+Z 钢带时，首先确保铁水、钢水条件满足产品控制计划要求，采用优质废钢、低碳钢保护渣与低碳钢碱性覆盖剂。LF 精炼出站温度控制为1 620～1 630℃，RH 精炼到站温度控制为1 590～1 630 ℃，出站温度控制为1 565～1 580 ℃，每炉LF 精炼/RH 精炼取渣样进行成分变化分析。为减少夹杂物，板坯连铸过程中间包的吨位应保持在65 t 以上，中间包的温度控制为1 540～1 555 ℃，采用全程吹氩保护浇注，吹氩流量3～10 L/min，确认板间、上水口吹氩量以结晶器液面微翻腾为准，出现涨行程严重时，换水口操作。通过合理配料，优化冶炼工艺，控制生产节奏，使冶炼化学成分达到设计要求。

2.3 热轧工艺

通过热轧温度控制与影响HC420LAD+Z 钢带的相变与析出行为，其决定了热轧态钢带的力学性能与微观组织，并一定程度遗传到冷轧钢带。通过工业试验，对不同厚度规格的HC420LAD+Z 热轧温度进行分区间控制，加热温度为1 200～1 260 ℃，终轧温度为875～910 ℃，此温度区间有利于精轧连续轧制且可避免产生混晶现象；精轧后的层流冷却采用前段集中冷却，卷取温度为545～595 ℃，较低的卷取温度有利于获得均匀和细小的铁素体晶粒，材料的晶粒越细，晶界面积就越大，提高了钢的强度。此外，适当降低卷取温度，可减少卷取过程中合金元素的扩散，降低中心偏析[12]，有利于降低钢带的冲压开裂率。HC420LAD+Z 钢的热轧关键工艺参数如表2 所示。

表2 HC420LAD+Z 钢的热轧工艺参数Table 2 Hot rolling process parameters of HC420LAD+Z steel

2.4 冷轧工艺

为控制冷连轧机组轧制生产节奏，通过综合考虑冷轧机组的设备能力和加大压下率以增加退火过程中再结晶的驱动力[13]，该钢厂采用西马克的五机架六辊冷连轧机组，具有较高的轧制能力，允许采用较大的压下量轧制，通常控制HC420LAD+Z 的冷轧总压下率为65%～80%。

一般来说，不同的均热温度影响两相区奥氏体化程度和随后的相变过程，因此，力学性能被最终的组织所影响[14]。常规的热镀锌产线均采用再结晶退火，即退火温度在720 ℃以上，以确保冷轧轧制后的钢带充分再结晶以在消除加工硬化的同时获得均匀组织和细小的等轴晶粒，满足冲压成型等要求。随着退火温度升高，碳氮化物溶解量增大，沉淀强化作用得到较大降低，虽然退火温度升高使得晶粒尺寸略有增大，但第二相粒子数量减少和尺寸变小，降低了对基体的割裂作用，最终使得试验钢板的断后伸长率增大[15]，通常控制HC420LAD+Z 的退火均热温度为780～810 ℃。同时，钢带入锌锅的温度虽然不影响钢带力学性能，但对钢带表面及锌层附着力起着关键作用，尤其是不同厚度的钢带在高速运行时，对锌锅的整体温度波动存在影响，通常控制HC420LAD+Z 的入锌锅温度为450～480℃，钢带越薄，生产运行越快，设定入锌锅的温度越高。

对于低合金高强钢而言，经过退火后的带钢具有明显的屈服平台[16]，所以HC420LAD+Z 在热镀锌后必须经过光整轧制，以消除屈服平台，同时也可改善带钢平直度与厚度精度，并实现对表面粗糙度的控制。通常控制HC420LAD+Z 的光整延伸率为0.8%～1.8%，由于设定的延伸率较大，钢带强度级别较高，一般采用光整小辊进行生产，以降低光整机的轧制负荷，确保稳定运行。

HC420LAD+Z 钢的冷轧关键工艺参数如表3 所示。

表3 HC420LAD+Z 钢的冷轧工艺参数Table 3 Cold rolling process parameters of HC420LAD+Z steel

3 试验钢的组织性能分析

3.1 力学性能

热镀锌HC420LAD+Z 钢带执行EN 10346 标准，为了更好在满足汽车主机厂的使用要求，该钢厂制定了内控要求，屈服强度偏下限控制，抗拉强度偏上限控制，断后伸长率尽量高，其波动范围均严于标准。采用Zwick Z100 全自动拉伸试验机对试样进行力学性能检测，用于测定室温拉伸性能的试样为垂直于轧制方向的横向拉伸试样:标距宽度为20 mm，标距长度为80 mm，测定的力学性能指标包括:屈服强度(Rp0.2)、抗拉强度(Rm)、延伸率(A80)。试验钢的力学性能测试结果如表4 所示。

表4 HC420LAD+Z 钢的力学性能Table 4 Mechanical properties of HC420LAD+Z steel

测试结果表明:HC420LAD+Z 钢的拉伸性能达到较好的控制水平，满足产品技术要求。同时，屈服强度偏标准下限且抗拉强度偏标准上限，延伸率A80富余量很大，说明HC420LAD+Z 钢带在深加工时冲压性能好，容易加工成型且成型后强度高，更好地适用汽车主机厂模具冲压成型，满足了用户技术要求。

3.2 金相组织及析出物

利用ZEISS Axio Vert A1 金相显微镜对热轧与冷轧态HC420LAD+Z 钢的金相组织分别观察分析，其典型金相组织形态如图1 所示。

图1 HC420LAD+Z 钢的典型金相组织形态Fig.1 Typical metallographic structure of HC420LAD+Z steel

金相观察结果显示:热轧对冷轧的组织具有一定遗传性，其金相组织均为铁素体+少量的珠光体，且在铁素体晶内和晶界有部分碳化物析出，晶粒呈等轴晶状且均匀分布，未发现混晶现象，未见明显夹杂物，其中热轧态的晶粒度为10～11 级，冷轧态的晶粒度为11～12级，细小的晶粒与钢种细晶强化机理相吻合，说明基体组织良好。

利用ZEISS Gemini SEM 300 扫描电镜对冷轧态HC420LAD+Z 钢的组织进行观察分析，冷轧态的SEM形貌和谱图32 析出相的EDS 谱如图2 所示。由图2a可以看出，铁素体晶界附近弥散分布着析出相，尺寸在100～300 μm 左右。由图2b 对谱图32 析出相的EDS分析可知，其包含Fe、C、Mn、Nb 等元素，推断其晶界间存在Nb(CN)析出物，析出相形态不规则，分布较均匀。对于低合金高强钢来说，采用低碳-Nb-Ti 复合微合金设计，Nb、Ti 微合金的加入、匹配合适的控轧控冷工艺，可以获得均匀的纳米级析出相，弥散强化作用对强度提升具有显著效果[17]，对HC420LAD+Z 钢起到了较好的析出强化作用。