摘  要：综述了国内外双相钢热镀锌工艺的现状，并在分析原板生产工艺和组织性能的基础上，重点阐述了添加合金元素法和锌淬法两种热镀锌工艺的原理、特点及装置构成等。

关键词：双相钢；热镀锌；添加元素法；锌淬法

l  前言

    双相钢是低碳钢或低碳合金钢经临界区热处理或经控制轧制而得到的高强度钢(简称DP钢)，其组织由铁素体和少量(<20％)马氏体组成，也称马氏体双相钢。双相钢是20世纪70年代中期发展起来的一种新材料，由于其具有一系列优异性能，因而大量应用于边梁、侧面构件、横梁、支柱、底盘加强件、油箱支架等汽车车体结构件和加强件。在PNGV计划(ThePartnership for a New Genernation 0f Velficles新一代汽车合作伙伴计划)超轻车体用钢中，双相钢用量最大，约占70％，因此其对于汽车轻量化具有重要意义，双相钢热镀锌也成为目前国外研究的热门课题。

2   原板生产工艺和组织性能

2．1原板生产工艺

    生产双相钢的关键技术是其双相处理，主要有2种生产工艺：

(1)热轧工艺，即将热轧钢材的终轧温度控制在两相区的某一范围，然后快速冷却，通过控制最终形变温度及冷却速度而获得F+M组织，其工艺过程为：热轧钢带→加热至800℃→保温→水淬(以2000℃／s速率冷至室温)。日本热轧双相带钢的生产工艺是：低合金Si—Mn钢在热轧或轧后冷却过程中使铁素体从奥氏体中析出，然后快冷到Ms以下进行卷取，最终获得双相组织，这种工艺主要依靠热轧、快速冷却及在低于Ms点温度卷取来控制。一般终轧温度为780～800℃，卷取温度低于375℃，与欧美开发的Mn-Si-Cr-Mo系双相钢相比，采用热轧工艺在材料上可节省较昂贵的Cr和Mo，但因卷取温度低，需采用大功率卷板机。

(2)轧后热处理工艺，即将热轧或冷轧后钢材重新加热到两相区并保温一定时间，然后以一定速度冷却，从而获得所需要的F+M组织。其工艺过程为：将板坯在1150～1350℃加热后，以大压下量，短时间进行轧制，终轧温度为870～920℃，热轧材在冷床上以28℃／s的冷却速度降温至双相区进行卷取。

2．2  组织性能

    大量研究结果表明，F+M双相钢的显微组织随其化学成分和获得双相组织的方式而变化，已获得的双相钢组织含有无序组织和定向排列纤维组织两大类，目前发展的双相钢基本为无序组织，其显微组织存在细晶强化、晶界强化、第二相弥散强化、亚晶结构及残留奥氏体强化等强韧化方式，并且在铁素体和马氏体相界面上存在可移动的位错，在相同的抗拉强度下，其屈服强度、屈强比均低。因此在冲压加工后弹性回复量小，形状的固定性好。另外，与析出强化型钢板相比，其伸长率大，外延加工性好。

    然而，双相钢的延伸凸缘性稍差，而该性能取决于局部变形能。因此在变形能差别很大的二相界面可能是其延伸破坏的起点。另外，双相冷轧钢板的r值低。这可能与马氏体的存在有关，即在硬质的马氏体周围，当塑性变形时会产生多重滑移，使变形无序化。

    含有0．8％～1．6％Mn的超低碳钢经热处理并快速冷却，可获得80％的马氏体组织，这种钢的抗拉强度可达690～1030MPa。

3  热镀锌工艺

    作为汽车车体用的双相钢面板和构件，大都需要热镀锌以提高其耐蚀性能，但是，不管是用热轧法还是热处理法，最后都要采取急速冷却以得到F+M双相组织。然而，热镀锌时，钢带出退火炉后马上进入460℃左右的锌锅镀锌，冷却速度相对较低，难以得到理想的双相钢组织。目前解决这一问题有2种方法：一是采用添加元素法，即在双相钢基板中添加适当的合金元素，使其CCT曲线右移，避过珠光体区；二是采用锌淬技术镀锌。

3．1 添加元素法

    低碳冷轧钢板为了得到双相组织，在退火工序中需采取急速冷却获得以铁素体为基体的马氏体双相钢Ⅲ]。然而，合金化热镀锌工序是在460℃下镀锌浸润后，继续在500℃左右进行合金化热镀锌，如果冷却速度过低，则得不到含有马氏体组织的双相钢。

    添加合金元素对马氏体转变温度Ms，及冷却速度的影响可表示为如下的公式：

    Ms=539—423[C]一17．7[Ni]一12．1 Cr]一7．5[Mo]       (1)

    log(CR)=4．93—1．7[Mn]一1．34[si]一5．86[C]           (2)

    从式(1)、式(2)可看出，C元素的影响作用最大，然而双相钢中的马氏体组织必须是强韧的低C多位错类型，而不是高C的孪晶马氏体。因此奥氏体在转变为马氏体前的c含量最高不得超过0．3％，这就要求基板的总含C量必须小于0．1％。Tobiyama等人推出了一个更全面的公式：

    Log(CR)==3．95—1．73[Mn_eq]                          (3)

    Mn_eq== [Mn]+0．26[Si]+3．5[P]+1．3 [Cr]+2．67 [Mo]      (4)

    由以上公式可知，Mn是继C以后最为有效的添加元素。如果要保证双相钢在合金化后仍具有相同的双相组织，那么锰当量必须增加到2．3～2．5。但是，Mn在退火过程中会在钢带表面被氧化和沉积，过量的Mn将会恶化镀锌浸润性，所以还必须添加其他元素。如果添加0．15％Mo并提高Mn含量，在热镀锌后合金化过程中以较慢的冷却速度(～1℃／s)冷却，则可得到更好的性能。成分为0．08％C、2％Mn和0．15％Mo的钢，可得到屈服强度、抗拉强度分别为330、590MPa，总伸长率达30％，n值达0．21的双相冷轧钢板。然而，这种钢因为Mn含量过高，热镀锌时镀锌层的质量较差。

    在双相钢中Si是一种特别有效的添加元素，它不仅可以提高铁素体基体的连续性，避免马氏体相互联接，防止马氏体区域出现裂纹，而且能提高铁素体中C的活性，使其具有更好的韧性，从而优化双相钢强度和韧性的平衡。但；是Si和Mn一样，如果添加过量，退火时容易在钢带表面氧化，降低镀锌浸润性，造成漏镀点等镀层缺陷，并且会恶化镀锌板的点焊性，所以其添加量也受到限制，但P、S、C等非金属元素的表面吸附可抑制Si在钢带表面的氧化。总之，低Si含量的双相钢的抗拉强度很容易达到590MPa，塑性不如相变诱导塑性(TRIP)钢好，但一般伸长率也能达到25％以上。这种钢通常有一些残余奥氏体存在，残余奥氏体能改善塑性，降低流变应力，并在变形初期提高加工硬化率。双相钢的低屈服应力特性并不是缺点，因为这种钢加工硬化快，如屈服应力为340MPa的钢在较小变形量下发生应变后，其强度可提高到400MPa。这种较低屈服强度的钢与抗拉强度相近似的TRIP钢相比，更容易冲压成型(因为屈服强度低，回弹现象不明显)。

    还有研究者试验用成分更简单的钢(0．16％C、1．5％Mn和0．4％Si)不添加昂贵的Mo和Cr，得到了含有铁素体／贝氏体／残余奥氏体和马氏体的双相钢，进入锌锅前以30～40℃／s的冷却速度冷却，并在锌锅中停留10s热镀锌，所得镀锌钢带的强度接近上述的数值，但其伸长率较低(总伸长率21．5％)。为适应一般冷却速率较低的热镀锌线，在降低冷却速率条件下进行了大量成分不同钢的热镀锌试验。最后得出，在冷却速率为10℃／s时，钢的最佳成分应为0．6％Si、0．1％P和0．002％B，其总伸长率可达26％。

    P倾向于在铁素体晶界偏析，抑制铁原子由晶界扩散到表面锌层，从而延迟了合金化反应，降低了合金化速率。这不仅影响了镀锌板产量，而且由于其要求较高的合金化温度，还会造成抗粉化性能的恶化，所以一般要保持较低的P含量。研究表明，合金中的Nb、B和C可以降低P的偏析，其中B的效果最为显著。

    国外主要采用添加．Mo元素的方式进行DP钢(590MPa等级)的合金化镀锌生产，因为Mo相对其他添加元素有很多优点：首先，由于Mo氧化物的标准生成吉布斯自由能比Mn、Si、P等氧化物的高，所以在热镀锌退火时不易发生表面氧化，也没有表面偏析现象，因此不会影响锌液的浸润性；其次，Mo不会延迟镀锌板的合金化反应，使其可以在较低温度下进行，因而可以减少合金化镀层中的r相及镀层的粉化量；最后，添加Mo会使CCT曲线明显右移，且扩大铁素体区域，从而避免了冷却时发生珠光体转变，有利于在连续热镀锌生产线中成功地获得马氏体双相钢组织。

3．2  锌淬法

    由于现有的连续热镀锌线退火后钢带的冷却速率较低，在镀锌后难以获得双相钢组织。因此不得不添加大量合金化元素(Si、Mn、Cr等)。然而，这些合金化元素在热镀锌线的退火过程中，倾向于在钢表面富积并发生选择性氧化，从而导致锌液浸润性变坏，使锌层质量变差。对此，美国Ispat Inland钢公司采用锌淬技术镀锌，不仅获得了双相钢组织而且大大降低了合金化元素的添加量，同时镀层的质量也明显提高。

    采用锌淬技术的热镀锌线与一般热镀锌线退火后的冷却过程示于图1。

利用锌淬技术可使钢带温度从炉鼻温度(600～480℃)到锌锅温度(450℃)的范围内获得很高的冷却速率(100℃／s)。

锌淬系统是由2个热交换器构成的一个密闭回路装置。其中第1热交换器设在锌锅内，第2热交换器设在锌锅外，见图2、图3。第1热交换器由00Cr17Nil4Mo2不锈钢管制成，由其输送氮气作为冷却介质吸取锌锅中过多的热量。在炉鼻的两侧安装叶轮，由其推动冷却管问的锌液进人流体室的冷却支管并喷向进入锌锅的热钢带两侧。此时，钢带将以很高的冷却速率淬火到锌液温度，而且在炉鼻处不会出现过热区。第2个热交换器从冷却介质中不断地移出过多的热量，从而可将锌锅温度控制在(450±1)℃。这种锌淬系统不仅能保持均匀的锌液温度和成分，而且在锌液中铝含量低于0．15％的条件下可保持锌锅无底渣形成。

采用锌淬技术的镀锌线对C—Mn双相钢的镀锌试验结果表明，在相同退火温度下，其抗拉强度提高约150MPa。对C—Mn双相钢显微结构观察表明，锌淬法热镀锌的C—Mn双相钢含有较多的马氏体组织，而一般热镀锌C—Mn双相钢的马氏体含量很少，但有大量贝氏体组织存在。

同样，采用锌淬法的热镀锌线在生产热镀锌双相钢(DP600HDG)时，双相钢基体结构由铁素体和马氏体构成。此外，锌淬技术的镀锌线由于钢带浸锌前温度较高，改善了锌液对钢表面的浸润性，从而消除了Si、Mn等元素对镀层质量的不良影响。

4  结语

    双相钢是由F+M组成的低碳低合金化的新型钢种，具有高强度、高强韧性、综合力学性能优、合金化程度低、生产工艺简单、成本低廉等一系列特点，广泛适用于冷加工成型，是一种很有发展前途的、有很大经济效益潜力的高效钢种。双相钢热镀锌的难点也已初步解决。2004年，宝钢60kg级强度的热镀锌双相钢(包括纯锌和合金化产品)在国内首先研发成功，目前已供菲亚特轿车使用，但其总体上与国外还有一定差距。因此我国应加快研制、开发和生产双相钢的步伐，力争使这种新型高强钢尽快在我国得到广泛应用。