熱處理工藝對冷軋熱鍍鋅雙相鋼組織與性能的影響

逯 龍

（河鋼唐鋼高強汽車板有限公司，河北 唐山 063000）

雙相鋼是汽車制造領域中應用較多的高強鋼，其屈強比較低，加工硬化率極高，塑性配合性能好、強度高，具有多重優勢。現針對冷軋熱鍍鋅的雙相鋼展開研究，分析熱處理工藝技術給其性能與組織形成的影響[1-3]。

1 冷軋雙相鋼概述

冷軋雙相鋼目前被廣泛應用于汽車制造領域，可降低汽車重量，使汽車構件具備更高的機械強度，以此滿足汽車車身設計的要求。雖然高強度低合金的鋼可滿足汽車用鋼方面的強度需求，但是這種鋼成型性能較差，雙相鋼彌補了應用缺陷，在保持極高強度的同時成型性也較好，同時抗碰撞吸收能較高。對冷軋雙相鋼的性能特點進行分析，其抗拉強度很高，強度相對偏低，初始階段應變硬化程度高，在低應變情況時顯現出的加工硬化指數很高，烘烤硬化值也不低。通常條件下，烘烤硬化值處于35到80Mpa之間，不會產生室溫時效現象。進行冷軋處理后，應在連續性的退火線上針對帶鋼展開熱處理，其組織并未實現完全奧式體化；當退火溫度高于Ac1溫度，僅有較少的貝氏體組織+鐵素體或者珠光體組織+鐵素體能向奧氏體轉變，范圍僅在10%到15%；開展淬火處理，在溫度達到室溫時，奧氏體可有效轉變成馬氏體，所以鐵素體的基體分布一定量的馬氏體島。

2 材料與方法

冷軋熱鍍鋅雙相鋼在接受熱處理時，處理效果與采用連續退火技術所形成的處理效果不同，需要完成兩相區的多次退火處理，后續環節進行冷卻，溫度大約為460℃，再完成熱鍍鋅處理，最后繼續冷卻使溫度降低到室溫。在處理期間，雙相鋼的組織性能會受到冷卻速度、緩冷段以及保溫溫度等因素的影響。利用真空型感應爐實現熔煉雙相鋼的目標，需要進行6道熱軋，終軋溫度是870℃，水冷溫度為650℃時進行模擬卷曲，冷軋壓下率在80%左右。完成冷軋處理后，進行切割，臨界區上的退火溫度是780℃、800℃與830℃，保溫時間控制在50s，以50℃/s左右的快冷速度降低到460℃后進行15s的保溫，對熱鍍鋅工藝進行模擬，最后溫度降到室溫。樣品在800℃的臨界區實現保溫，緩冷速度在10℃/s左右，溫度達到750℃時再保持50℃/s的快冷速度，降至460℃，保溫時間為15s。熱處理后，檢測材料的伸長率、抗拉強度與屈服強度等信息。最后對試樣實施拋光研磨侵蝕處理，通過掃描電鏡與光學顯微鏡對其微觀組織形貌進行觀察。

3 熱處理工藝給冷軋熱鍍鋅雙相鋼性能與組織形成的影響

3.1 力學性能受到的影響

工業生產中所使用的雙相鋼與試制材料具有的抗拉強度均高于600MPa，但是工業生產樣品的伸長率超過30%，而實驗室試樣的伸長率卻在20%以下。實驗室試樣在臨界退火溫度升高時，屈強比、屈強強度以及抗拉強度均呈現出增大的趨勢，但是生產率卻在持續下降。實驗室試樣在多種退火溫度下的強度比僅設置緩冷段的工業生產樣品強度高3MPa左右，雖然強度偏低，但是伸長率卻很高。拉伸期間，兩個試樣均產生了連續屈服現象，成形零件的表面就不會出現起皺的問題，可省略精整軋制與附加操作，簡化加工過程，其加工硬化速率較快，不會聚集過多微孔，實現對局部縮頸的有效延遲[4]。

當臨界區的實際退火溫度升高后，合金元素與碳更容易朝向奧氏體富集，進而導致奧氏體的淬透性增強；當奧氏體原本的體積分數提升后，新生成的奧氏體所具有的碳濃度有明顯降低，退火之后冷卻期間的貝氏體對應的相變區將逐步擴大，貝氏體相變效果得到促進，因相變形成的貝氏體量有所提升，形成均勻的冷卻效果后，冷卻效率可促使奧氏體向馬氏體轉變，當臨界區的實際退火溫度增加后，馬氏體在組織中的體積分數因此提升，否則馬氏體受退火溫度增加情況的影響，轉變活動也會發生變化。在實驗室設置的退火情況中，冷卻速率與均勻性都無法被保障，完成退火之后，組織包括貝氏體、鐵素體與馬氏體。如果退火溫度出現降低的情況，鐵素體晶粒的平均直徑值也隨之增大，第二相體積分數會隨之降低，具體體現在貝氏體與馬氏體上，雙相鋼的抗拉強度隨之形成縮減趨勢，伸長率不同，呈現增長趨勢，形成一定的抗拉強度后，雙相鋼處于相對較低的溫度臨界區進行退火，可使塑性與強度進行更好地配合。

3.2 組織受到的影響

低溫退火時，試樣組織出現了鐵素體、馬氏體組織與貝氏體組織，當臨界區溫度升高后，貝氏體組織的實際含量有明顯增加，相對地，鐵素體量逐步縮減，錳在鐵素體與馬氏體中有不同程度的擴散，對擴散過程進行控制時，錳元素會順延鐵素體的晶界進行偏聚，冷卻時，這一處區域顯現出極強的淬透性，催生了高錳馬氏體邊圈，不同的臨界區退火溫度條件下，組織均有高亮馬氏體邊圈，臨界區溫度提升后，馬氏體含量呈下降趨勢。工業生產樣處于800℃的臨界溫度后，退火并緩冷至750℃，而后繼續快冷鍍鋅，其具有明顯的雙相鋼組織，貝氏體與馬氏體交互附著于鐵素體晶界上，馬氏體存在明顯的島浮突，具有均勻分布的特點，鐵素體晶粒的分布也較為均勻，形成相對理想化的雙相鋼組織形貌。當臨界區的退火溫度提升后，鐵素體的晶粒平均尺寸會縮減，而第二相的實際體積分數在增加。

針對雙相鋼進行熱鍍鋅處理時，應區別于普通的連退熱處理工藝，將鋼帶從退火爐中取出時，必須保障溫度達到460℃。對其進行熱浸鍍處理，冷卻速度相對較低，所以最終產生的組織中大多不是設想的馬氏體與鐵素體雙相組織，無法達到組織要求，必須要處理組織與冷卻溫度之間存在的矛盾。可嘗試將合金元素加入其中，使貝氏體與珠光體的轉變情況發生改變，以此規避貝氏體或者珠光體出現轉變。如果需要使雙相鋼在實現合金化處理后仍舊保持雙相組織，必須要增加錳的質量分數，需要增加2.3%到2.5%，但是當錳的加入量超過限制時，鋼板表面區域的浸潤性會遭受不良影響，導致鍍鋅性逐步惡化，增加鉻與硅等元素后，也可促進馬氏體的有效生成，然而同樣會給鋅液原本的浸潤性構成影響，因此此種方法的可行性不強，需要額外解決浸潤性的問題。

除了使用合金元素外，可借助鋅液淬火技術將冷卻速率加快。帶鋼自退火段出來后，調整溫度至600℃，形成高溫條件，將其向鋅液中浸入，這種處理方法可實現快冷處理，通過這種處理技術能夠適當減少合金元素原本的加入量，使鍍層形成更高的質量水平，相對地，其給鍍鋅設備提出的要求也更為嚴苛。

兩種處理方法雖然都能滿足處理需求，形成合適的組織，但是均存在局限性，在實際選擇以及使用時，必須要對設備實際能力與經濟成本進行分析與考察，同時實際進行冷卻處理時可能會出現問題，如貝氏體組織與珠光體組織產生。在實驗室對退火試驗進行模擬時，問題較為突出，控制冷卻速率的難度加大，無法實現冷熱均勻，最終形成的雙相鋼組織為復相組織，包括貝氏體、馬氏體與鐵素體。無論是工業生產的試樣還是實驗室的試制品都產生貝氏體組織，其第二相分布形態、體積分數與鐵素體晶粒的平均尺寸并不相同，給性能帶去相應的影響。

3.3 熱處理工藝應用建議

工業生產的雙相鋼第二相體積分數低于30%。鐵素體的晶粒平均尺寸是14.19μm，雖然貝氏體組織在最終組織中也有所體現，然而其綜合性能良好，塑性與強度都可滿足要求，這一結果也證明了熱處理技術的重要性，控制熱處理工藝，重點控制冷卻均勻性、冷卻速率與保溫溫度等參數，通過上述控制措施可使組織滿足要求，不僅貝氏體和馬氏體體積分數符合標準，鐵素體的晶粒平均尺寸也能滿足要求，鐵素體的晶界上貝氏體和馬氏體也呈現出均勻分布的狀態。材料處于變形過程中，軟相與硬質相都可維持良好的協調變形狀態，以此產生符合預期的力學性能。所以在優化雙相鋼的力學性能時，要將控制重點轉移到第二相的分布形態以及體積分數上。

可將緩冷段增加到熱處理活動中，以此形成取向附生型鐵素體，這種鐵素體在產生錳、碳元素后會逐步轉移到奧氏體中，以此強化奧氏體所具有的淬透性，同時也能獲取純凈度金更高的鐵素體，實現改善雙相鋼塑性的目標。對比實驗室的制樣與工業生產的雙相鋼，發現工業生產的產品更具有優勢，除了能滿足均勻冷卻與冷卻速率方面的要求，緩冷段也發揮了作用。

雙相鋼的性能除受到熱處理工藝影響外，還會受到合金元素的影響，在進行熱處理時，鐵素體的性質及形態、馬氏體形態與淬透性均處于影響范圍中。普通的雙相鋼中的合金元素含量較低，種類相對單一，Si-Mn系的雙相鋼較多，除此之外還有Mn-Nb以及Mn-V系以及高Si系，基于工藝應用要求，可添加一定量的Mo與Cr。可通過P與Si實現對鐵素體的強化，使鐵素體保持更高強度，減弱鐵素體原本的延性。Si可加寬臨界區的實際處理范圍，調整雙相鋼的力學性能，使延性以及強度維持良好的重現性與穩定性；對加熱環節產生的奧氏體形態進行改變，使馬氏體均勻又細密，在改善強化效果的同時，使延性與強度更好地配合；Si屬于固溶強化類元素，其可使碳的偏聚速度加快，形成極高的鐵素體凈化程度，消除間隙固溶強化，也減少冷卻期間容易出現的粗大化碳化物；強化淬透性的效果極佳；Si在固溶至鐵素體內部后，可給位錯的交互作用產生影響，提升硬化速率，實現均勻延伸，如果Si的含量過高，板材表面質量將變差，導致高Si型雙相鋼受到限制。P具有與Si相反的作用，但是其對鐵素體產生的強化效果更強。錳是雙相鋼中極為常見的合金元素，其與冷卻速度有一定關系，對雙相鋼使用連續退火工藝后，由于錳的存在，雙相鋼自身的延性能夠得到改善，斷裂應變能力有所提升，斷口組織形貌也能被改善，如果同時有錳與硅兩種元素，應用效果更為突出。Mo屬于鉬系碳化物形成的元素，進入臨界區加熱環節后，鉬的碳化物基本已經溶解，所以會給奧氏體島所具有的淬透性產生正面影響。鉬在熱軋雙相鋼中相對多見，其可對珠光體的轉變產生影響。

碳與Nb能夠產生化合物，且性質較為穩定，處于臨界區進行加熱時，并不會輕易溶解，如果冷卻速度適中，雙相鋼在含有Nb的基礎上還可生產取向附生型鐵素體，實現對延性的改善；如果將適量Ti與Nb加入到雙相鋼中，鋼已經形成了低碳當量的條件，借助氮、碳化物質點的彌散析出活動，可對晶粒進行細化處理，強化鋼的韌性與強度，促使鋼形成良好的使用性與可焊性。另外冷軋雙相鋼本身具有比較低的合金含量，主要添加元素是Si與Mn，借助退火后快速快冷操作獲取雙相組織，熱鍍鋅雙相鋼需要在熱鍍鋅的生產線上完成退火處理，才能滿足組織與性能的要求[5]。

4 結論

當臨界區上的退火溫度升高后，熱鍍鋅型雙相鋼的貝氏體組織量大幅增多，強度也呈現出增強趨勢，塑性降低，在低溫臨界區進行退火可有效改善雙相鋼的性能。工業生產樣與實驗室試樣存在性能差異主要是因為生產環境與生產設備不同。此外，本文還應繼續研究與優化熱處理工藝，以此全面提升雙相鋼的性能。