420 MPa 級熱鍍鋅低合金高強(qiáng)鋼帶的開發(fā)與應(yīng)用

康華偉

(山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司鋼鐵研究院，山東 日照 276800)

0 前 言

隨著中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及生態(tài)環(huán)保的加強(qiáng)，熱鍍鋅低合金高強(qiáng)鋼作為解決車身輕量化的有效手段，不僅減輕了車身重量、降低了油耗、減少了二氧化碳排放量，同時(shí)還可以有效提高耐腐蝕性以及安全性能。低合金高強(qiáng)鋼成分設(shè)計(jì)時(shí)加入了微量的強(qiáng)碳化物形成元素，如鈮、釩和鈦，組織由鐵素體和少量珠光體組成，第二相析出物彌散分布，主要依靠碳化物、氮化物在鐵素體基體上的析出強(qiáng)化阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高屈服強(qiáng)度[1-3]。冷軋HC420LAD+Z 熱鍍鋅汽車板作為冷軋低合金高強(qiáng)鋼中最典型的牌號之一，憑借較高的屈服強(qiáng)度以及良好的成型、焊接和防腐性能，廣泛應(yīng)用于汽車、客車的座椅件、支架以及連接板等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)件，以達(dá)到汽車輕量化的目的。

目前，國內(nèi)大部分鋼廠都是采用了先進(jìn)的冶煉與軋制設(shè)備及工藝技術(shù)，如LF+RH 雙聯(lián)、熱連軋、連續(xù)酸洗-冷連軋、美鋼聯(lián)法熱鍍鋅工藝等，其中美鋼聯(lián)法是采用脫脂清洗取代了森吉米爾法中的氧化爐，可獲得高表面質(zhì)量的鍍鋅帶鋼，是目前應(yīng)用最廣泛的鍍鋅工藝[4]。本工作對某鋼廠美鋼聯(lián)法熱鍍鋅工藝生產(chǎn)的熱鍍鋅HC420LAD+Z 進(jìn)行研究與開發(fā)，以加強(qiáng)冷軋HSLA 系列鋼種的涂裝性能，更好地滿足汽車板的高品質(zhì)要求并降低能耗、涂裝成本以及VOCs(揮發(fā)性有機(jī)化合物)排放[5，6]。通過化學(xué)成分合理設(shè)計(jì)，以及關(guān)鍵軋制生產(chǎn)工藝的優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)了低成本高質(zhì)量的汽車用熱鍍鋅HC420LAD+Z 鋼帶的開發(fā)，并具備(0.5～2.5)mm×(1 000～1 850)mm 規(guī)格的批量穩(wěn)定生產(chǎn)能力。

1 成分設(shè)計(jì)

熱鍍鋅HC420LAD+Z 鋼是在低碳鋼中復(fù)合添加Nb/Ti 微合金元素，并配合熱軋、冷軋及熱鍍鋅退火處理的工藝路線控制，以獲得良好組織、穩(wěn)定力學(xué)性能以及較高表面質(zhì)量的冷軋低合金高強(qiáng)度鍍鋅汽車板。鋼板的成分直接影響其力學(xué)性能，因此，熱鍍鋅鋼板的成分需根據(jù)應(yīng)用要求的組織性能、用途及成本進(jìn)行設(shè)計(jì)[7]。尤其是C、Mn、P、Nb 等元素對固溶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化影響較大，所以冶煉控制精度要有充分保障能力。某鋼廠設(shè)計(jì)的HC420LAD+Z 鋼主要化學(xué)成分如表1 所示。

表1 HC420LAD+Z 鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 1 Chemical composition of HC420LAD+Z steel (mass fraction) %

P 在鋼中具有良好的固溶強(qiáng)化效果，研究發(fā)現(xiàn)，在低磷鋼板中加入適當(dāng)?shù)牧祝瑢Τ尚涡缘挠绊懖淮?，但可大大提高鋼的?qiáng)度[8]。鋼中的磷是以置換原子的形式存在于晶內(nèi)或偏聚在晶界上，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)或晶界遷移，由于其原子半徑與基體元素鐵相差較大，造成點(diǎn)陣畸變，其應(yīng)力場與位錯(cuò)應(yīng)力場發(fā)生交互作用并阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而起到固溶強(qiáng)化的效果[9，10]。由于少量的P 對鋼的冷脆性影響很小，且價(jià)格低廉，因此添加0.015%～0.025%的P 元素，可實(shí)現(xiàn)低成本高強(qiáng)度控制。

Nb 可以與鋼中的C 和N 形成碳化物或氮化物，在熱軋高溫固溶時(shí)，可以抑制熱軋變形晶粒的回復(fù)和再結(jié)晶，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用，在熱軋低溫狀態(tài)和相變過程中，析出的碳氮化物起到析出強(qiáng)化作用。Ti 在鋼液凝固后期和固相冷卻過程中會與N 形成TiN，高溫穩(wěn)定性強(qiáng)，在板坯再熱過程中可以有效地釘扎在奧氏體晶界防止晶粒異常長大，同時(shí)Ti 可與C 形成TiC，起到析出強(qiáng)化作用。采用Nb、Ti 復(fù)合成分體系，用Ti 固定鋼中N，S 與Mn 結(jié)合，C 單獨(dú)由Nb 來固定，保證穩(wěn)定地控制鋼中的固溶C 含量，可以保證滿足鋼板對力學(xué)性能、成形性能以及涂鍍性能的要求[11]。

2 工業(yè)試制

2.1 工藝路線

KR 脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 精煉→RH 精煉→板坯連鑄→熱連軋→酸連軋→連續(xù)熱鍍鋅→重卷/拉矯→檢驗(yàn)判定→包裝入庫。

2.2 冶煉工藝

冷軋汽車鋼對成分要求非常嚴(yán)格，不僅要求鋼質(zhì)純凈，而且要求成分精確控制。冶煉熱鍍鋅HC420LAD+Z 鋼帶時(shí)，首先確保鐵水、鋼水條件滿足產(chǎn)品控制計(jì)劃要求，采用優(yōu)質(zhì)廢鋼、低碳鋼保護(hù)渣與低碳鋼堿性覆蓋劑。LF 精煉出站溫度控制為1 620～1 630℃，RH 精煉到站溫度控制為1 590～1 630 ℃，出站溫度控制為1 565～1 580 ℃，每爐LF 精煉/RH 精煉取渣樣進(jìn)行成分變化分析。為減少夾雜物，板坯連鑄過程中間包的噸位應(yīng)保持在65 t 以上，中間包的溫度控制為1 540～1 555 ℃，采用全程吹氬保護(hù)澆注，吹氬流量3～10 L/min，確認(rèn)板間、上水口吹氬量以結(jié)晶器液面微翻騰為準(zhǔn)，出現(xiàn)漲行程嚴(yán)重時(shí)，換水口操作。通過合理配料，優(yōu)化冶煉工藝，控制生產(chǎn)節(jié)奏，使冶煉化學(xué)成分達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.3 熱軋工藝

通過熱軋溫度控制與影響HC420LAD+Z 鋼帶的相變與析出行為，其決定了熱軋態(tài)鋼帶的力學(xué)性能與微觀組織，并一定程度遺傳到冷軋鋼帶。通過工業(yè)試驗(yàn)，對不同厚度規(guī)格的HC420LAD+Z 熱軋溫度進(jìn)行分區(qū)間控制，加熱溫度為1 200～1 260 ℃，終軋溫度為875～910 ℃，此溫度區(qū)間有利于精軋連續(xù)軋制且可避免產(chǎn)生混晶現(xiàn)象；精軋后的層流冷卻采用前段集中冷卻，卷取溫度為545～595 ℃，較低的卷取溫度有利于獲得均勻和細(xì)小的鐵素體晶粒，材料的晶粒越細(xì)，晶界面積就越大，提高了鋼的強(qiáng)度。此外，適當(dāng)降低卷取溫度，可減少卷取過程中合金元素的擴(kuò)散，降低中心偏析[12]，有利于降低鋼帶的沖壓開裂率。HC420LAD+Z 鋼的熱軋關(guān)鍵工藝參數(shù)如表2 所示。

表2 HC420LAD+Z 鋼的熱軋工藝參數(shù)Table 2 Hot rolling process parameters of HC420LAD+Z steel

2.4 冷軋工藝

為控制冷連軋機(jī)組軋制生產(chǎn)節(jié)奏，通過綜合考慮冷軋機(jī)組的設(shè)備能力和加大壓下率以增加退火過程中再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力[13]，該鋼廠采用西馬克的五機(jī)架六輥冷連軋機(jī)組，具有較高的軋制能力，允許采用較大的壓下量軋制，通?？刂艸C420LAD+Z 的冷軋總壓下率為65%～80%。

一般來說，不同的均熱溫度影響兩相區(qū)奧氏體化程度和隨后的相變過程，因此，力學(xué)性能被最終的組織所影響[14]。常規(guī)的熱鍍鋅產(chǎn)線均采用再結(jié)晶退火，即退火溫度在720 ℃以上，以確保冷軋軋制后的鋼帶充分再結(jié)晶以在消除加工硬化的同時(shí)獲得均勻組織和細(xì)小的等軸晶粒，滿足沖壓成型等要求。隨著退火溫度升高，碳氮化物溶解量增大，沉淀強(qiáng)化作用得到較大降低，雖然退火溫度升高使得晶粒尺寸略有增大，但第二相粒子數(shù)量減少和尺寸變小，降低了對基體的割裂作用，最終使得試驗(yàn)鋼板的斷后伸長率增大[15]，通常控制HC420LAD+Z 的退火均熱溫度為780～810 ℃。同時(shí)，鋼帶入鋅鍋的溫度雖然不影響鋼帶力學(xué)性能，但對鋼帶表面及鋅層附著力起著關(guān)鍵作用，尤其是不同厚度的鋼帶在高速運(yùn)行時(shí)，對鋅鍋的整體溫度波動(dòng)存在影響，通?？刂艸C420LAD+Z 的入鋅鍋溫度為450～480℃，鋼帶越薄，生產(chǎn)運(yùn)行越快，設(shè)定入鋅鍋的溫度越高。

對于低合金高強(qiáng)鋼而言，經(jīng)過退火后的帶鋼具有明顯的屈服平臺[16]，所以HC420LAD+Z 在熱鍍鋅后必須經(jīng)過光整軋制，以消除屈服平臺，同時(shí)也可改善帶鋼平直度與厚度精度，并實(shí)現(xiàn)對表面粗糙度的控制。通常控制HC420LAD+Z 的光整延伸率為0.8%～1.8%，由于設(shè)定的延伸率較大，鋼帶強(qiáng)度級別較高，一般采用光整小輥進(jìn)行生產(chǎn)，以降低光整機(jī)的軋制負(fù)荷，確保穩(wěn)定運(yùn)行。

HC420LAD+Z 鋼的冷軋關(guān)鍵工藝參數(shù)如表3 所示。

表3 HC420LAD+Z 鋼的冷軋工藝參數(shù)Table 3 Cold rolling process parameters of HC420LAD+Z steel

3 試驗(yàn)鋼的組織性能分析

3.1 力學(xué)性能

熱鍍鋅HC420LAD+Z 鋼帶執(zhí)行EN 10346 標(biāo)準(zhǔn)，為了更好在滿足汽車主機(jī)廠的使用要求，該鋼廠制定了內(nèi)控要求，屈服強(qiáng)度偏下限控制，抗拉強(qiáng)度偏上限控制，斷后伸長率盡量高，其波動(dòng)范圍均嚴(yán)于標(biāo)準(zhǔn)。采用Zwick Z100 全自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測，用于測定室溫拉伸性能的試樣為垂直于軋制方向的橫向拉伸試樣:標(biāo)距寬度為20 mm，標(biāo)距長度為80 mm，測定的力學(xué)性能指標(biāo)包括:屈服強(qiáng)度(Rp0.2)、抗拉強(qiáng)度(Rm)、延伸率(A80)。試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能測試結(jié)果如表4 所示。

表4 HC420LAD+Z 鋼的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of HC420LAD+Z steel

測試結(jié)果表明:HC420LAD+Z 鋼的拉伸性能達(dá)到較好的控制水平，滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。同時(shí)，屈服強(qiáng)度偏標(biāo)準(zhǔn)下限且抗拉強(qiáng)度偏標(biāo)準(zhǔn)上限，延伸率A80富余量很大，說明HC420LAD+Z 鋼帶在深加工時(shí)沖壓性能好，容易加工成型且成型后強(qiáng)度高，更好地適用汽車主機(jī)廠模具沖壓成型，滿足了用戶技術(shù)要求。

3.2 金相組織及析出物

利用ZEISS Axio Vert A1 金相顯微鏡對熱軋與冷軋態(tài)HC420LAD+Z 鋼的金相組織分別觀察分析，其典型金相組織形態(tài)如圖1 所示。

圖1 HC420LAD+Z 鋼的典型金相組織形態(tài)Fig.1 Typical metallographic structure of HC420LAD+Z steel

金相觀察結(jié)果顯示:熱軋對冷軋的組織具有一定遺傳性，其金相組織均為鐵素體+少量的珠光體，且在鐵素體晶內(nèi)和晶界有部分碳化物析出，晶粒呈等軸晶狀且均勻分布，未發(fā)現(xiàn)混晶現(xiàn)象，未見明顯夾雜物，其中熱軋態(tài)的晶粒度為10～11 級，冷軋態(tài)的晶粒度為11～12級，細(xì)小的晶粒與鋼種細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理相吻合，說明基體組織良好。

利用ZEISS Gemini SEM 300 掃描電鏡對冷軋態(tài)HC420LAD+Z 鋼的組織進(jìn)行觀察分析，冷軋態(tài)的SEM形貌和譜圖32 析出相的EDS 譜如圖2 所示。由圖2a可以看出，鐵素體晶界附近彌散分布著析出相，尺寸在100～300 μm 左右。由圖2b 對譜圖32 析出相的EDS分析可知，其包含F(xiàn)e、C、Mn、Nb 等元素，推斷其晶界間存在Nb(CN)析出物，析出相形態(tài)不規(guī)則，分布較均勻。對于低合金高強(qiáng)鋼來說，采用低碳-Nb-Ti 復(fù)合微合金設(shè)計(jì)，Nb、Ti 微合金的加入、匹配合適的控軋控冷工藝，可以獲得均勻的納米級析出相，彌散強(qiáng)化作用對強(qiáng)度提升具有顯著效果[17]，對HC420LAD+Z 鋼起到了較好的析出強(qiáng)化作用。

圖2 HC420LAD+Z 鋼的掃描電鏡形貌及析出相的EDS 譜Fig.2 SEM and EDS analysis of HC420LAD+Z steel

4 結(jié) 論

(1)開發(fā)了低C+Mn 并添加P 和Nb+Ti 的合金成分體系，通過冶煉、軋制及熱處理的工藝優(yōu)化控制，成功開發(fā)了低成本的熱鍍鋅HC420LAD+Z 鋼帶，并實(shí)現(xiàn)(0.5～2.5) mm×(1 000～1 850)mm 規(guī)格的批量穩(wěn)定工業(yè)化生產(chǎn)。

(2)工業(yè)試制的熱鍍鋅HC420LAD+Z 鋼帶為鐵素體+珠光體組織，晶粒度11～12 級，屈服強(qiáng)度為432～484 MPa，抗拉強(qiáng)度為541～588 MPa，延伸率A80為20.5%～26.0%，具有較好的加工成型性能，且鋼板鍍層均勻，可鍍性良好。

(3)HC420LAD+Z 鋼可用于制作汽車A 柱/B 柱內(nèi)側(cè)加強(qiáng)件、縱梁外板、門檻加長件、座椅部件等結(jié)構(gòu)件或加強(qiáng)件，該產(chǎn)品已成功應(yīng)用于國內(nèi)外汽車廠，得到了用戶的認(rèn)可。