热镀锌钢冷却力学影响

铁素体＋马氏体复合组织使得双相钢具有低屈强比、高初始加工硬化指数和高的均匀伸长率等特征，因而被广泛用于汽车结构件、防撞件和加强件。以冷轧无镀层供货的双相钢，其双相组织是在冷轧后的连续退火过程中形成。钢带首先被加热到铁素体＋奥氏体两相区，在后续的快速冷却中使奥氏体直接转变为马氏体。随着汽车防腐性能要求的提高，热浸镀锌双相钢得到大量应用。采用热镀锌工艺生产双相钢，两相区奥氏体化后的快速冷却是为避免奥氏体分解为珠光体，带钢以铁素体＋亚稳定奥氏体状态进入约460℃的锌锅完成镀锌，并在镀后终冷过程中完成马氏体相变，该过程中获得足够数量的淬硬马氏体是保证镀锌双相钢力学性能的关键。本研究基于首钢冷轧薄板公司1号CGL生产线配置，通过热模拟试验，探讨几个关键的退火工艺参数对热镀锌590MPa级双相钢力学性能的影响。

1试验材料及方法

热镀锌双相钢成分体系与连续退火双相钢不同，本研究试验材料的成分考虑了3个主要因素：1）为保证镀锌质量，钢中不添加硅元素。硅元素缺失必须调整其他合金成分以保证强度和奥氏体稳定性。2）考虑到热镀锌工艺后续快冷不是直接冷却到马氏体转变温度以下，而是在中温区进行了保温镀锌，因而需要在成分中添加稳定奥氏体的元素。3）镀锌后的冷却强度较弱，形成的马氏体容易发生自回火，因而淬硬性不足导致强度不足，因此必须调整合金元素及含量以弥补强度。本研究试验材料取自首钢工业生产的1．8mm厚HC590DPD＋Z冷轧硬板，其化学成分如表1所示（质量分数，下同），采用Mn、Mo稳定奥氏体并添加铬弥补强度。热模拟试验采用Multipas多功能连续退火模拟器。为了更好地模拟实际生产线退火周期，本试验针对带钢运行速度和各工作段长度进行退火曲线设计。热镀锌工艺冷却段构成比较复杂，并且冷却段直接影响奥氏体向马氏体的转变量和马氏体的淬硬性，因此本研究模拟了缓冷、快冷、均衡、炉鼻、锌锅、气刀、移动冷却、上行冷却、下行冷却及水淬等工艺环节（如图1所示），确保模拟退火与实际生产的高度仿真。本研究重点分析带速、加热温度、快冷终止温度对HC590DPD＋Z力学性能的影响。带速决定带钢在各工作段停留的时间，最终影响加热速度、保温时间及冷却速度；加热温度决定带钢的奥氏体化程度；快冷终止温度决定亚稳奥氏体在镀锌前的稳定性。工艺参数设定需要考虑生产实际执行难度。对于厚1．8mm的高强钢，1号CGL生产线容易实现的主要参数控制如表2中的基准参数所示。在此基础上，每个试验在其他基准参数不变的情况下，单独调整带速、加热温度、快冷终止温度，研究试验钢的性能变化规律。采用50mm标距的力学拉伸试样进行性能测定，研究考察的工艺参数对ReL、Rm、A50、n10－Ag及屈强比的影响。其中屈服强度ReL为未经平整获得的数据。

2试验结果及分析

2．1带速对试验钢性能的影响图2给出了带速对试验钢力学性能的影响曲线。在其他基准参数不变的情况下，带速提高，屈服强度和屈强比略有降低，抗拉强度与加工硬化指数增加。带速低于90m／min，抗拉强度达不到内控标准。带速为50m／min时，应力－应变曲线出现少量屈服平台且加工硬化指数低于内控标准。试验钢的伸长率因强度增加略有降低，但都远远高于内控标准。在对试验结果进行分析前，首先对双相钢组织结构与力学性能的基本关系做简要介绍。连续退火快速冷却前，带钢形成适当比例的铁素体＋奥氏体组织，镀锌后的冷却使得奥氏体转变为马氏体。因奥氏体向马氏体的转变存在体积膨胀，导致马氏体岛周边的铁素体发生塑性变形并形成大量未被钉扎的可动位错，这是双相钢具有低屈服强度和连续屈服的主要原因，这一结论已被多数研究一致确认［1－3］。双相钢发生屈服后的硬化过程是可动位错在铁素体－马氏体相界面塞积并向马氏体传递应变的结果。基于以上原理，足够数量的马氏体产生足够数量的可动位错是双相钢连续屈服和低屈服的必要条件，而淬硬马氏体是双相钢高硬化指数的必要条件。在以上原理的支持下，可知带速降低，试验钢的屈服强度增加、抗拉强度减小是马氏体数量不足的表现。带速降低，硬化指数下降是马氏体淬硬性不足的表现。考虑到镀锌工艺的特点，表3对带速引起的相关工艺参数展开分析。3种带速情况下，加热速度分别为1、2、3℃／s，虽然该数值有所增加，但是都停留在一个缓慢加热的水平。按照对双相钢加热初期的研究表明，加热速度低于5℃／s对带钢的再结晶与奥氏体化进程影响不大［4］。3种带速下，保温时间变化较大。按照双相钢两相区奥氏体化试验的研究，大于100s的保温，奥氏体的相界面迁移基本停止，因此奥氏体量接近两相区温度下的平衡状态［5］。可以认为带速对奥氏体化过程影响不大。按照连续冷却转变的原理，3种带速下的缓冷与快冷速度变化对带钢的相变有重要影响。带速降低导致缓冷速度减小，奥氏体因分解为铁素体使得快冷前的奥氏体量减少。快冷速度减小，使得奥氏体在中温区（500～650℃）发生珠光体转变或贝氏体转变，因此影响最终的组织构成和含量。快冷结束到锌锅之间有均衡段与炉鼻，是镀锌前温度稳定的主要措施。带速降低，带钢在该工作段的停留时间增加，亚稳定奥氏体分解为贝氏体的数量增加。镀锌后的移动塔冷却，发生奥氏体向马氏体转变。带速降低，移动塔冷却速度降低，马氏体转化后的淬硬性降低，并且在高温发生回火的几率增加。综上所述，镀锌带速降低，可能导致的马氏体的体积分数和淬火硬度降低是试制钢抗拉强度和硬化指数降低的原因。试验结果表明，在其他实际工艺条件可以保证的情况下，提高带速对双相钢的性能保证是有利的，但是因高强钢焊缝风险、加热效率等原因，带速一般小于130m／min。

2．2加热温度对试验钢性能的影响加热温度对试验钢性能的影响如图3所示。加热温度增加，试验钢的屈服、抗拉强度及屈强比都增加，特别是从800到830℃，强度增加更加明显。随之相关的伸长率和加工硬化指数降低。当加热温度达到830℃，试验钢的加工硬化指数低于内控标准。加热温度是双相钢热镀锌生产的关键而易于操控的参数。加热温度增加使得两相区奥氏体化程度增加，是导致双相钢性能明显变化的直接原因。马氏体量增加并逐渐成为主导相，双相钢的屈服强度也会随之增加。又因马氏体量增加导致马氏体合金含量的减小，使得马氏体软化是双相钢加工硬化降低的可能原因。按照试验结果，试验钢在800℃加热是相对合理的温度。

2．3快冷终止温度对试验钢性能的影响快冷出口温度在工业参数控制中的重要意义是确保带钢进锌锅前具有稳定的温度。镀锌线均衡段通过电辅加热将带钢出快冷后的温度稳定到入锌锅温度。电辅助加热能力比较弱，仅起到稳定作用，因此不能确保温度的及时回升，所以快冷出口温度一般不会低于450℃。实际操作过程中，快冷出口温度经常出现偏高的现象。图4给出快冷出口温度对试验钢性能的影响。可以看出，快冷终止温度增加，试验钢的抗拉强度、加工硬化指数减小，屈服强度、屈强比和伸长率增加。快冷出口温度达到490℃，试验钢的抗拉强度为标准下限并出现屈服平台，硬化指数低于内控标准。快冷出口温度增加，带钢在均衡段温度逐渐过渡到镀锌温度，带钢发生贝氏体转变的程度增加，所以导致抗拉强度降低，屈服强度增加，硬化指数降低的现象。试验结果表明，在均衡段电辅加热能力范围内，应该确保低的快冷终止温度。

3结论

1）带速增加提高了冷却段的冷却速度，减小了带钢在均衡段的停留时间，可以获得低屈强比、高硬化指数的双相钢。在工艺制度可以保证的情况下，尽可能提高带速有利于获得良好的双相钢力学性能。2）加热温度低至770℃会导致双相钢抗拉强度不足，而加热温度高至830℃会导致双相钢的伸长率恶化。800℃加热可以取得良好的性能平衡。3）快冷终止温度升高，双相钢的抗拉强度和加工硬化指数都显著降低，在均热段电辅加热有能力保证镀锌温度的情况下，降低快冷终止温度有利于双相钢获得良好的力学性能。