隨著人民生活水平不斷提高，汽車產(chǎn)量不斷上升，隨之而來的還有環(huán)保、節(jié)能、輕量化的壓力。如何在保證汽車板強(qiáng)度的同時，減輕汽車重量，是目前汽車行業(yè)亟待解決的難題。汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼主要有[1]：雙相鋼（DP鋼），復(fù)相鋼（CP鋼），馬氏體鋼，相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP鋼）以及孿晶誘導(dǎo)塑性鋼（TWIP鋼）。雙相鋼（DP鋼）的顯微組織主要由軟質(zhì)鐵素體基體和硬質(zhì)島狀馬氏體組成，還可含少量貝氏體或殘余奧氏體[2]。這種鋼的強(qiáng)度、韌性和成形性能都較好。DP鋼主要應(yīng)用于車輪輪轂、保險杠、懸架系統(tǒng)及其加強(qiáng)件[3]。

根據(jù)目前的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，影響合金元素的選擇性氧化因素主要有[4]：擴(kuò)散系數(shù)、氧化反應(yīng)吉布斯自由能、退火爐露點等。馬峰[5]通過掃描電鏡分析合金元素在退火過程中的選擇性氧化造成的熱鍍鋅產(chǎn)品表面質(zhì)量缺陷，對退火爐內(nèi)露點、氧含量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使外氧化轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)氧化，達(dá)到了抑制合金元素的目的。孟曉萍[6]分析了退火爐露點溫度對鍍鋅帶鋼表面質(zhì)量的影響，通過對現(xiàn)有生產(chǎn)線加設(shè)增濕裝置，改善帶鋼表面漏鍍?nèi)毕菁盃t輥結(jié)瘤問題。蔣光銳等[7]在一種C?Mn?Si體系高強(qiáng)鋼表面預(yù)先電鍍100 nm厚度的鎳，然后在鍍鋅模擬器上進(jìn)行模擬退火處理。結(jié)果證明，預(yù)鍍鎳能夠有效降低Si和Mn向外的擴(kuò)散速率，抑制Si和Mn元素在表面的富集程度，改變表面選擇性氧化產(chǎn)物的種類，減少高強(qiáng)鋼表面氧化物的數(shù)量。

本文對DP980熱鍍鋅板卷脫鋅原因進(jìn)行了分析，并制定相應(yīng)改進(jìn)措施，有效的減少了高強(qiáng)鋼的漏鍍、脫鋅等缺陷，具有較大實際意義和研究價值。

1. 高強(qiáng)鋼可鍍性分析

高強(qiáng)鋼由于含有較多的合金元素（Al，Si，Mn，Cr，B等），如表1所示，在退火過程中，合金元素在鋼板表面發(fā)生選擇性氧化形成氧化物。這些氧化物會降低鋅液與鋼板之間的浸潤性，影響抑制層的形成，使得鋅層發(fā)生剝落或者出現(xiàn)漏鍍點[8]（圖1）。

元素的擴(kuò)散對合金元素的氧化有重要影響，主要包括：氧元素向內(nèi)擴(kuò)散、合金元素向外擴(kuò)散。根據(jù)表2常見合金元素在鐵素體和奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)[9]可以得出，合金元素的擴(kuò)散速率比O元素慢。元素在晶體缺陷處（例如晶界處）的擴(kuò)散要遠(yuǎn)快于晶體內(nèi)部。從動力學(xué)角度分析，合金元素的擴(kuò)散系數(shù)越大，越容易發(fā)生氧化。

金屬元素氧化過程的吉布斯自由能對合金元素的選擇性氧化也有重要影響：由圖2埃林漢姆圖（Ellingham）[10]得出，氧化過程中，自由能負(fù)值越大，生成的氧化物越穩(wěn)定。從熱力學(xué)角度分析，在同一溫度下，若幾種元素同時與氧相遇，則位置低的元素最先氧化。

高強(qiáng)鋼中存在的Mn、Si、Al等合金元素，與氧的親和力比Fe元素強(qiáng)，在退火過程中，優(yōu)先與退火爐保護(hù)氣中少量的氧氣或水反應(yīng)形成氧化物，這就是合金元素的選擇性氧化。高強(qiáng)鋼的選擇性氧化又分為內(nèi)氧化和外氧化[11]。如圖3，在退火過程中，鋼板會被加熱到較高的溫度，鋼板中的合金元素向表面擴(kuò)散并與氧氣反應(yīng)生成表面氧化物，這種現(xiàn)象稱為外氧化[12]。氧氣擴(kuò)散到鋼表面以下的亞表面層，并與鋼中合金元素反應(yīng)生成相應(yīng)的氧化物，產(chǎn)生的氧化物也位于鋼板的亞表面層，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)氧化[13]。合金元素在鋼板表面發(fā)生外氧化，使鋼板鍍鋅性能惡化的問題叫做鋼板的可鍍性問題。

2. 高強(qiáng)鋼DP980表面脫鋅缺陷成分分析

某鍍鋅線生產(chǎn)規(guī)格為1.5 mm×1154 mm的高強(qiáng)鋼DP980過程中，出現(xiàn)嚴(yán)重的帶鋼脫鋅問題，缺陷圖片見圖4。

2.1 基板表面成分分析

從基板表面成分分析（圖5）發(fā)現(xiàn)：（1）此鋼種的板坯B元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.002%（表1），而經(jīng)過退火工序后基板表面B元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.9%，說明B元素的表面富集非常嚴(yán)重；（2）撕掉鍍層后的基板表面沒有發(fā)現(xiàn)Zn元素，說明鍍層與基板脫離非常徹底，Zn液在出鋅鍋時只是涂到了帶鋼表面，與帶鋼沒有結(jié)合力。

為了驗證檢測出的B元素含量較高不是測量誤差，對基體內(nèi)部的元素含量進(jìn)行了分析。此鋼種的Mn、Si和B元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：2.4%、0.4%和0.002%（見表1），能譜分析值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為2.4%、0.4%和0，如圖6所示，Mn元素和Si元素的檢測值和實際值吻合，說明電鏡檢測基本準(zhǔn)確；B元素檢測值為0，符合電鏡的檢測精度，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.01%的元素檢測不出來。

綜上，說明電鏡對成分的分析基本準(zhǔn)確，基板表面的B元素含量高確實為表面富集導(dǎo)致的。

2.2 脫落的鍍層表面成分分析

對脫落鍍層（圖7）表面成分分析如圖8所示，鍍層內(nèi)表面有B元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0~1.2%，說明基板表面富集的B元素在鍍上鋅層后從基體表面擴(kuò)散到了鍍層表面，進(jìn)一步說明B元素非常容易擴(kuò)散。

2.3 鍍層和基體結(jié)合界面成分分析

對脫鋅樣的鍍層和基體結(jié)合界面做線掃描分析，主要分析Al元素的變化情況，并和正常樣的變化情況進(jìn)行對比，如圖9所示。通過線掃描可以發(fā)現(xiàn)，脫鋅樣在界面處的Al元素“尖峰”不明顯，而正常樣的Al元“尖峰”比較明顯，說明脫鋅樣界面處的Fe2Al5層形成不好或基本沒有形成Fe2Al5層，導(dǎo)致鋅層與基體的結(jié)合力較差，從而脫鋅。

通過輝光放電光譜檢測（GDS）分析鍍層−基體界面，結(jié)果如圖10所示，脫鋅試樣在鍍層與基體界面處，B元素尖峰明顯，富集嚴(yán)重，而Al元素基本沒有明顯的尖峰，說明Fe2Al5層基本沒有形成；而不脫鋅試樣B元素也富集，但含量沒有脫鋅試樣的高，Al元素尖峰明顯含量較高，說明Fe2Al5形成較好。

根據(jù)以上分析以及相關(guān)文獻(xiàn)中對B選擇性氧化的研究[14]，脫鋅的原因是沒有形成Fe2Al5抑制層。此外，B元素的表面富集比較嚴(yán)重，而B元素也是一種易選擇性氧化元素，并且很容易擴(kuò)散到帶鋼表面，在帶鋼表面與Mn元素和O元素形成MnB2O4氧化物膜覆蓋到帶鋼表面，阻止Fe2Al5抑制層的形成。

3. 高強(qiáng)鋼DP980表面脫鋅工藝參數(shù)分析

生產(chǎn)超高強(qiáng)鋼前對爐區(qū)氣氛進(jìn)行了確認(rèn)，沒有發(fā)現(xiàn)氣氛異常，各段氧體積分?jǐn)?shù)2.6×10−6~4×10−6，各段露點−38.6~58.3 °C。同鋼種同規(guī)格的前期生產(chǎn)工藝參數(shù)與此次脫鋅卷對比。2次生產(chǎn)工藝參數(shù)區(qū)別最大的地方在于爐鼻子露點，前期生產(chǎn)過程中爐鼻子露點在−25 °C，本次生產(chǎn)爐鼻子露點在−50 °C以下。

此條鍍鋅產(chǎn)線年修時對爐鼻子氣密性進(jìn)行優(yōu)化，為了控制山峰紋缺陷，關(guān)閉了爐鼻子加濕，爐鼻子內(nèi)露點降低到−50 °C以下。此鋼種的B元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.002%，極微量的B就可以使鋼的淬透性成倍增加，因此用微量B元素取代大量的合金元素，降低生產(chǎn)成本。但是B元素擴(kuò)散能力強(qiáng)并且易氧化，爐鼻子露點在−50 °C以下，不能抑制B元素的外氧化[15]，導(dǎo)致B元素在帶鋼表面富集，同時由于此鋼種的Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（2.4%），B元素與Mn元素形成了MnB2O4的氧化物膜，阻止了Fe2Al5抑制層的形成，導(dǎo)致鍍鋅粘附性下降，最終表現(xiàn)為嚴(yán)重脫鋅。

4. 改進(jìn)措施

為了能同時控制山峰紋和脫鋅缺陷，爐鼻子加濕依然關(guān)閉。在鍍鋅線退火爐增設(shè)加濕裝置。預(yù)氧化的原理如圖11所示，在退火爐加熱段通入水蒸氣，提供帶鋼表面較高的氧分壓，使Mn、B等易氧化的元素在帶鋼的次表層氧化，帶鋼表面是一層Fe的氧化物[16]。在隨后退火爐均熱段還原氣氛中，把帶鋼表面的氧化鐵還原成海綿鐵。帶鋼進(jìn)入鋅鍋后，表層的海綿鐵與鋅鍋中的鋁元素反應(yīng)，形成Fe2Al5抑制層，提高可鍍性。

退火爐增設(shè)加濕裝置后，高強(qiáng)鋼鍍鋅板表面質(zhì)量有了顯著提高。脫鋅、漏鍍?nèi)毕莸玫搅烁纳?，?/span>圖12~13所示。

5. 結(jié)束語

某鋼廠熱鍍鋅機(jī)組在投用退火爐加熱段加濕后，生產(chǎn)的高強(qiáng)鋼汽車板產(chǎn)品表面漏鍍、脫鋅缺陷得到了有效控制，產(chǎn)品質(zhì)量得到了極大提高。將高強(qiáng)鋼生產(chǎn)過程中的爐區(qū)氣氛的控制方法固化到技術(shù)規(guī)程和操作規(guī)程中，結(jié)合有效的設(shè)備管理，還可以減少鋅耗，節(jié)約成本。隨著市場對熱鍍鋅高強(qiáng)鋼表面質(zhì)量要求越來越高，對于退火爐內(nèi)的露點控制要求也越來越高，對于退火爐內(nèi)露點分區(qū)控制和露點的閉環(huán)控制還需要不斷實踐和完善。

參考文獻(xiàn)

[1]牛金瑜.退火工藝對汽車高強(qiáng)鋼板表面組織和可鍍性的影響[學(xué)位論文].上海:上海大學(xué),2020

[2]郝玉林,蔡寧,姚士聰,等.高強(qiáng)雙相鋼表面選擇性氧化行為對磷化性能的影響.表面技術(shù),2020,49(8):30

[3]周大元.高強(qiáng)Q&P鋼鍍鋅工藝及其對組織和性能影響研究[學(xué)位論文].北京:北京科技大學(xué),2021

[4]張偉龍,羅衍昭,黃財?shù)?等.高強(qiáng)汽車板窄成分控制工藝技術(shù)研究.煉鋼,2021,37(2):47

[5]馬峰.熱鍍鋅先進(jìn)高強(qiáng)鋼合金元素選擇性氧化控制.金屬世界,2021(4):57

[6]孟曉萍.增濕裝置在熱鍍鋅高強(qiáng)鋼生產(chǎn)線上的應(yīng)用.冶金管理,2021(11):17

[7]蔣光銳,王海全,劉廣會,等.預(yù)鍍鎳層對一種C–Mn–Si高強(qiáng)鋼選擇性氧化行為的影響.表面技術(shù),2021,50(2):304

[8]馬海龍,韓樂,巫雪松,等.冷軋DP780沖壓脫鋅原因分析.金屬世界,2020（3）:35

[9]趙剛,毛一標(biāo),曹壘.高強(qiáng)鋼汽車板冷軋點狀缺陷分析與改善//第十二屆中國鋼鐵年會論文集:5.金屬材料深加工.北京:冶金工業(yè)出版社,2019:39

[10]韓赟.首鋼汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼研發(fā)進(jìn)展及應(yīng)用實踐//第十二屆中國鋼鐵年會論文集:大會特邀報告&分會場特邀報告.北京:冶金工業(yè)出版社,2019:153

[11]鄭艷坤.冷軋帶鋼爐內(nèi)氧化機(jī)理研究及現(xiàn)場應(yīng)用[學(xué)位論文].沈陽:東北大學(xué),2017

[12]蔣光銳,王海全,劉李斌,等.加熱段露點對C-Mn-Si-Al高強(qiáng)鋼選擇性氧化的影響.金屬熱處理,2017,42(11):198

[13]李研,劉順明,張亮亮,等.冷軋雙相鋼表面氧化色形成機(jī)理與控制措施.鋼鐵研究學(xué)報,2017,29(5):425

[14]王王.先進(jìn)高強(qiáng)鋼退火過程選擇性氧化模型的研究[學(xué)位論文].沈陽:東北大學(xué),2016

[15]李遠(yuǎn)鵬.熱鍍鋅DP780雙相鋼的選擇性氧化行為研究[學(xué)位論文].北京:鋼鐵研究總院,2012

[16]李遠(yuǎn)鵬,江社明,張啟富.高強(qiáng)度熱鍍鋅雙相鋼的可鍍性問題研究.鋼鐵研究學(xué)報,2012,24(4):1

文章來源——金屬世界