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硕一1 ：论文热镀锌工艺对双相钢纽织性能影响 摘要 双相钢具有高初始加工硬化速率、低屈强比和良好的烘烤硬化特性等特点，这些特 殊的性能使其在汽车构件中应用广泛，对汽车轻量化具有重要的意义。 目前国内的双相钢含s i 量较高，较高s i 含量不利于热镀锌镀层性能及焊接加工。 本文在低碳低硅冷轧钢的基础上，研究了c r 、m o 对冷轧双相钢的影响，分析了在不同 的热镀锌温度下双相钢组织与性能的差异，以及c r 、m o 对模拟镀锌及模拟烘烤双相钢 的影响，最后研究了c r 、m o 、s i 、n b 对双相钢织构的影响。得出以下主要结论： 在7 4 0 。c 水淬条件下得到了综合性能较好的双相钢，c m n c r 、c m n m o 双相钢的 综合力学性能优于c - m n 双相钢；m o 细化了铁素体晶粒，c r 会使问隙元素偏聚。 双相钢模拟热镀锌后，其拉伸曲线明显屈服，且屈服强度高，屈强比高，屈服伸长 较大；含c r 、m o 的双相钢的屈服强度、抗拉强度及延伸率均高于c m n 双相钢，且屈 强比相对较低；三种双相钢的烘烤硬化性能良好，b h 值均在4 0 m p a 以上，含c r 、m o 的双相钢烘烤硬化值超过5 0 m p a 。 经不同热处理后发现，6 5 0 、7 4 0 和8 8 0 加热处理得到的织构逐渐由0 【取向线 向7 取向线转变；回火过程不改变织构的类型，但影响织构的锋锐程度，尤其是增强了 1 1 1 织构；合金元素也不改变织构的类型，但影响织构的锋锐程度；7 4 0 双相 处理后，发现s i 增加了 1 1 1 ) 面织构的体积占有率，c r 、m o 降低了 1 0 0 面织构的体积 占有率，n b 增加了g o s s 织构的体积占有率。 关键词：双相钢，热镀锌，烘烤，组织，性能 a b s t r a c t 硕一l 论文 a b s t r a c t d u a l - p h a s es t e e l ，w h i c hh a sm a n ys p e c i a lp r o p e r t i e ss u c ha sh i g hi n i t i a lw o r k h a r d e n i n g r a t e ，l o wy i e l dr a t i oa n dg o o db a k e - h a r d e n i n gp r o p e r t y , i sw i d e l yu s e da sa u t oc o m p o n e n t s a n di ti ss i g n i f i c a n tf o ra u t o - b o d yl i g h t e n i n g c u r r e n t l y ，d u a l - p h a s es t e e l ，i no u rc o u n t r y ，i sp r e j u d i c i o u sf o rh o tg a l v a n i z i n gc o a t i n g s a n dw e l d i n gp r o c e s sb e c a u s eo fi t sh i g hs ic o n t e n t i nt h i sp a p e r ，b a s e do nc o l dr o l l i n gs t e e l 、) l ，i t hl o wc a r b o na n dl o ws i ，t h ee f f e c t so fc r , m oo nc o l dr o l l i n gd u a l p h a s es t e e l sa r es t u d i e d t h ed i f f e r e n c e si nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fc o l dr o l l i n g d u a l - p h a s es t e e l u n d e r d i f f e r e n th o tg a l v a n i z i n gt e m p e r a t u r ea r ea n a l y z e d a n dt h ee f f e c t so fc r , m oo nd u a l p h a s e s t e e l st r e a t e db ys i m u l a t i n gh o tg a l v a n i z i n ga n ds i m u l a t i n gb a k ep r o c e s sa r ea n a l y z e d a tl a s t ， t h ee f f e c t so fc r , m o ，s i ，n bo nt h et e x t u r eo fd u a l - p h a s es t e e la r es t u d i e d t h ec o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w s d u a l p h a s es t e e lw i t hg o o dc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e si sg a i n e du n d e rt h ec o n d i t i o n t h a ti ti sh e a t e dt o7 4 0 c ，q u e n c h e d t h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e so fd u a l - p h a s es t e e lo f c m n c r , c - m n m oa r eb e t t e rt h a nt h a to fc m nd u a l - p h a s e s t e e l m oc a nr e f i n et h ef e r f i t e g r a i n ，a n dc rc a nc l u s t e rt h ei n t e r s t i t i a la t o m s t r e a t i n gb yh o tg a l v a n i z i n g ，t h et e n s i l ec u r v e ao fd u a l p h a s es t e e ls h o wo b v i o u sy i e l d p h e n o m e n o n , h i g hy i e l ds t r e n g t h ，h i g hy i e l dr a t i o ，h i g hy i e l de l o n g a t i o n d u a l - p h a s es t e e l ， a d d e dt h ee l e m e n t so fc r ，m o ，h a sh i g h e ry i e l ds t r e n g t h ，h i g h e rt e n s i l es t r e n g t h ，h i g h e r p e r c e n t a g eo fe l o n g a t i o na n dl o w e ry i e l dr a t i ot h a nt h a to fc - m nd u a l - p h a s es t e e l t h e s et h r e e k i n d so fd u a l p h a s es t e e lh a v eg o o db a k e - h a r d e n i n gp r o p e r t y ，w i t hb hv a l u eh i g h e rt h a n 4 0 m p a , a n dt h eb hv a l u eo fd u a l p h a s es t e e l ，w h i c hc o n t a i n sc r ，m o ，i sm o r et h a n5 0 m p a a f t e rd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n t s ，t h et e x t u r e s ，g a i n e db y6 5 0 c ，7 4 0 。ca n d8 8 0 h e a t t r e a t m e n t ，c h a n g ef r o m0 【o r i e n t a t i o nt o 丫o r i e n t a t i o n a n n e a l i n gt r e a t m e n t sd o n tc h a n g et h e t y p e o ft e x t u r e ，b u ta f f e c tt h e t e x t u r e s t r e n g t h , e s p e c i a l l ys t r e n g t h e n t h et e x t u r eo f 111 ) a l l o ye l e m e n t sd o n tc h a n g et h et y p eo ft e x t u r ee i t h e r , b u tt h ea f f e c tt h e t e x t u r e ss t r e n g t h a f t e rd u a l - p h a s et r e a t m e n ta t7 4 0 。c ，w ef i n dt h ev o l u m ef r a c t i o no f 111 t e x t u r ei si n c r e a s e db ys i ， 10 0 t e x t u r ei sd e c r e a s e db yc r , m o ，a n dt h et e x t u r eo fg o s si s i n c r e a s e db yn b k e yw o r d s ：d u a l p h a s es t e e l ，h o tg a l v a n i z i n g ，b a k e ，m i c r o s t r u c t u r e ，p r o p e r t y i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：镒睦，沙口年月右日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：圣趣沪p 年月咖 硕上论文 热镀锌t 艺对双相钢组织性能影响 1 绪论 1 1 双相钢的产生、发展和应用 双相钢( d u a l p h a s es t e e l ) 是由低碳钢或低合金钢经临界区热处理或控轧控冷而得 到的，其组织主要由铁素体基体和一定体积分数( 2 0 - - - 5 0 ) 的马氏体两相构成。马 氏体主要分布在铁素体晶界上的，呈岛状，也称为马氏体双相钢。双相钢具有较低的屈 服强度值、高初始加工硬化速率、良好的强度与延展性的匹配等特点，是一种具有高强 度、良好成形性的新型冲压用钢【l 吲。 1 1 1 双相钢产生的历史背景 自1 9 7 5 年以来，世界上的汽车尤其是轿车的生产迅速扩张。最新统计的2 0 0 8 和2 0 0 9 年年中国汽车年产量分别为9 3 4 万辆和1 3 7 9 万辆，而保有量分别达至u 6 4 6 7 万辆和7 9 1 9 万 辆。 汽车的发明加速了人类的进化脚步，然而随着汽车工业的发展，不断增加的汽车产 量也引发了三个尖锐的问题：1 资源和能源稀缺问题；2 环境污染治理问题；3 交通事故 频发问题。为了汽车行业的持续健康发展，世界各国都出台了相应的政策以应对以上三 个问题，其中的关键就是如何降低汽车油耗，以适应能源短缺的局面。2 0 世纪7 0 年代初 爆发的石油危机造成石油的极度短缺与价格飞涨，使得这一问题变得更加突出。 虽然通过提高发动机效率、增大传动效率、降低运行阻力等方法可以降低油耗，但 是汽车自重与油耗关系的试验结果表明1 4 l ：如果降低1 0 的汽车自身重量，则可降低8 的汽车油耗，4 的污染排放。显而易见，通过降低汽车自身重量，可以在一定程度上 解决汽车油耗问题以及汽车导致的环境污染问题。 从制造一辆小汽车到其使用过程中所耗费的资源能源的统计看，它的“一生 消耗 总的能量约为1 2 5 6 1 0 8 k j 的，其中各个部分消耗分配如表1 1 。 表1 1 小汽车耗能分配 由表1 1 可以看出，行驶消耗占了绝大部分，可见减少汽车自身重量对降低油耗的重 要意义。以工业化程度最高的美国为例，自2 0 世纪7 0 年代中期以来，美国汽车的自身重 量已经迅速下降( 特殊车辆除外) ，从1 9 7 7 年的平均重量1 9 0 0 k g ，下降至u 1 9 8 5 年的1 3 6 0 k g 。 显然，只有通过更换汽车的主体构件才可以实现自重降低。 l 绪论 硕一t - 论文 表1 22 0 0 1 年美国典型家庭轿车用材的构成 表1 2 的分析表明，2 0 0 1 年一部普通的美国家庭汽车中，金属材料所占比例7 2 3 。 由于传统的低碳钢板强度较低，需要加厚来提高其强度。因此，使用新型低合金高强度 钢板来替换传统的低碳钢板，能极大地减轻汽车自重，并且对降低油耗、提高环保性能、 增加汽车安全可靠性等都具有重要意义。 。 2 0 世纪7 0 年代初，美国等工业化国家率先用低合金高强度钢( h s l a ) 替代普通低 碳钢，来生产汽车上的保险杠等安全零件以减轻车身自重。然而普通的低合金高强度钢 板的成形性难以满足冲压工艺的要求，冲压件质量差、难成形，甚至在延展过程中出现 严重裂纹。尽管从成形工艺上不断优化屈服强度( os ) 大于4 5 0 m p a 的低合金高强度钢， 但其成形性能依然难以改进。而同一时期的复合材料有了很大的发展，人们对其强化机 制有了新的认识，继而应用于钢铁行业中，产生了新的具有良好成形性的复合相强化的 低合金高强度钢一双相钢( 铁素体+ 马氏体) 。 1 1 2 双相钢的发展 早在1 9 6 8 年美国就提出了第一个双相钢的专利1 5 j ，但是直至u 1 9 7 5 年，在h a y a m i 和 f u r u k a w a l 6 j 对其显微组织、化学成分、力学性能以及成形性能做出系统完整的表述之后， 双相钢的广阔的应用前景才受到人们的关注。最近二三十年来，双相钢一直处于材料科 学发展的前沿，它为减轻汽车自重、制造高强度冲压构件以及简化冲压工艺过程提供了 一种新的材料。 美国g m 公司( 通用汽车公司) 从1 9 7 5 年开始，用五年时间在一些钢厂和汽车厂研究和 试验双相钢，最终成功研制出用双相钢制造的保险杠、控制臂等汽车零件，并且制定了 相应的技术规范。美国生产的热处理双相钢含一定的合金元素( 如m n 、c r 、m o 、s i 、 v 等) ，多以周期退火炉生产，典型的牌号如蝌q n 5 0 、8 0 系列( 低c m n v 钢) 。 为了减轻汽车自身重量、提高燃油转换效率，日本的汽车生产商需求强度高、质量 轻的适用材料。由于日本工业高度发达，拥有先进的热处理技术和设备以及各类先进的 轧制设备，尤其是很多大型的连续退火生产线，使得日本在双相钢生产上一度处于先进 水平。日本在连续退火生产线上生产的钢种多是低碳钢或者低碳锰钢，属于热处理双相 钢，且所生产钢板较薄；为满足汽车生产对厚双相钢板的需求，日本随后开始研制热轧 双相钢。在2 0 世纪末，日本已经成立了一批生产双相钢的著名钢铁公司，如日本钢管、 新日铁、神户制铁和川崎制铁等。 欧洲在双相钢的研究及生产方面落后于美日。因为受钢厂机械设备的制约，他们主 2 硕十论文热镀锌1 = 艺对双相钢组织性能影响 要从事热轧双相钢的研究及生产。在双相钢的研发及生产方面，g k n ( 英国) 、霍斯奇 ( 德国) 、特柯赛德( 意大利) 和尤西诺( 法国) 等著名的公司都取得了很大的进步， 其研发的试验用钢板，综合性能不低于美同钢铁公司的产品，且性能还在不断改进过程 中。鉴于双相钢的良好适用性能，它在欧洲的生产和应用急速扩张，不少著名的品牌汽 车车身上已广泛应用双相钢。 有关于苏联的双相钢研发和生产消息很少，只在2 0 世纪8 0 年代后才出现了少量文 章。如1 9 8 0 年苏联生产的双相钢1 6r p ，由中央黑色冶金研究院连同伏尔加钢管厂研 究生产，其钢板厚度为1 4 m m ，其合金成分如表1 3 所示。热处理工艺为：加热钢板到 7 6 0 一8 0 0 温度段后，保温后以3 0 * c s - - - - 5 0 s 的冷速冷却。从热处理所得钢板上截 取试样并测其性能为：o0 2 = 4 3 0 m p a ，ob = 7 6 0 m p a ，e t = 2 4 5 。 表1 3 双相钢1 6 r p 成分 元素 c m n s ivb 含量0 16 1 3 5 0 3 0 0 6 5 o 0 0 2 0 0 0 5 2 0 世纪7 0 年代中后期，我国的部分高校和科研单位，开始从事对双相钢的研究， 包括组织、力学性能、变形特性1 7 、轧制变形模式【引、强化机理【9 1 0 1 和断裂特性【l l 】等。宝 钢、鞍钢、马钢等知名钢铁厂已经研发生产了一些热轧双相钢和热处理双相钢，并且提 供给汽车厂家进行板材成形性试验、冲压构件性能测试及使用测试。 1 1 3 双相钢的生产工艺 双相钢板按照生产方式不同可以分为：热处理双相钢和热轧双相钢【1 2 , 1 3 】。 ( 1 )热处理双相钢 。 它是指轧板( 冷轧或热轧) 加热到临界区温度( 一般控制在a c l - - - a c 3 之间) ，保温 一段时间( 时间随试样尺寸、形状变化) ，然后通过控制冷速，得到所需要的双相组织。 通过调节加热温度及冷却速率，生产马氏体体积分数( m v f ) 不同的双相钢，同时结合热 镀锌工艺，则可以制取不同的镀层双相钢板【i4 1 。热处理双相钢既可以使用批量退火生产 线( 批量退火炉，也称周期退火炉) 生产，也可以使用自动化连续退火生产线或改进的 热镀锌生产线( 连续退火炉) 生产。 自动化的连续退火生产线近年来发展得比较快，它与批量退火生产线相比的优点 是：总生产成本较低；产品质量好；加热温度易于控制，盘卷钢板内外性能差异 降低；钢板的表面平整度改善；生产工艺可调性强，型号多样，竞争性强；工艺 流程时间缩短，生产效率高。当然这种方式得到的双相钢也有缺点：生产过程中温度及 冷速变化较大，虽然适于生产双相钢，但是易于降低产品的抗时效稳定性，需要在快速 冷却后进行回火处理。 改进的镀锌生产线由于受到加热和冷却速度的限制，需要在双相钢中添加合金 1 绪论 硕。l ：论文 元素，提高淬透性并且细化晶粒，以得到性能良好的产品。 在周期退火生产线上，为得到所需的双相钢，同样需要加入提高淬透性的元素，如 m n 、c r 、m o 等。 ( 2 )热轧双相钢 它是将连铸板坯( 或钢锭) 进行高温粗轧及临界区温度精轧后，以较大的冷速降温 到钢的m s 点，或略高于m s 点进行盘卷，从而得到所要求的双相钢。热轧双相钢的工 艺流程可概括为“控轧控冷”，大体分为以下两种： 钢锭加热到1 1 5 0 - - 1 3 1 5 之间一短时间内进行较大压下量轧制( 注意控制终轧温 度在8 7 0 - - - 9 2 5 之间) _ 以2 8 s 的冷速冷却叶降温到卷取窗进行盘卷。在以2 8 s 冷速降温的冷床上将会析出部分铁素体，而通过盘卷冷却获得双相钢。 钢锭热轧( 或经过热轧) 一逐渐冷却至临界区温度一再以较大冷速降温到钢的m s 点 以下_ 盘卷。降温至临界区温度是使奥氏体析出部分铁素体，而急冷到马氏体相变点以 下，是为了使奥氏体转化成马氏体以获得双相组织。 两种不同的双相钢生产工艺及产品性能对比如表1 4 所示。 表1 4 两种不同工艺双相钢对比 1 1 4 双相钢与其他高强度钢的性能对比 汽车产业的高速发展，特别是轻量化汽车的快速发展，对性能良好的高强度钢提出 了更高的要求。以早期开发的h s l a 钢( 低合金高强度钢) 为基础，根据不同的需求， 通过工艺改进，后续研发了诱发塑性钢( t r i p 钢) 、复相钢( c p 钢) 、高锰诱发塑性钢 ( h m s t r i p 钢) 、高锰孪生诱发塑性钢( h m s t w i p ) 等性能优异的产品。以上这些 钢分别属于高锰钢( h m s ) 、高强度钢( h s s ) 和先进高强度钢( a h s s ) 。 以上各类高强度钢的主要性能对比如下： 力学性能i l5 j ：相比其他先进高强度钢，双相钢具有屈强比低、应变分布能力优良以 及初始应变硬化值较高等特点，并且具有高的碰撞吸收能和优异的疲劳寿命。 4 硕七论文 热镀锌工艺对双相钢组织性能影响 高应变速率下的响应特性【1 6 1 ：应变速率增加时，各类高强度钢的拉伸和压缩之间的 区别缩小，其屈服强度和抗拉强度均随应变速率增加；应变速率敏感性随钢的强度增加 而降低；钢的弹性模量e 基本不随应变速率改变；先进高强度钢比普通高强度钢有更高 的撞击吸能特性。 疲劳性剀1 7 】：先进高强度钢比普通高强度钢具有更加优良的抗疲劳性能，而t r i p 钢( 相变诱发塑性钢) 表现出比其他同强度级别的a s s 钢更高的抗疲劳性能。 与先进高强钢相比，双相钢的强度和延展匹配性较好，还有较低的屈强比值；而与 普通高强度钢相比，双相钢具有更加优异的成形性能、应变硬化特性，高的撞击吸收能 及良好的抗凹性。这些优异的性能在车体轻量化及车身安全构件上具有极大的应用前 景。 然而，双相钢的成形性低于t r i p 钢，其胀孔成形性及反边延性也需要改进。但通 过综合比对发现，在成本、重量减轻值、用户满意度、零件使用性能和产品合格率这五 个方面，双相钢具有巨大的优势。 1 1 5 影响双相钢性能的因素 影响双相钢性能的因素比较多，且这些因素往往是相互制约。如合金元素、临界区 加热温度及冷速、轧制工艺、回火工艺等，这些影响因素主要是通过影响两相区范围、 奥氏体的淬透性、两相中的析出物、铁素体基体、马氏体形貌及分布等，来改变双相钢 的性能。通过研究这些因素对双相钢的影响，不断优化工艺，获取高性能的双相钢产品。 以合金元素为例，双相钢中主要以c 、m n 、s i 为主，另外，根据生产工艺及使用 时对力学性能的要求，m o 、n b 、c r 和t i 等元素常被加入到双相钢中，以保证淬透性良 好，使冷速较低的条件下依然获得性能较好的双相钢。这其中的m n 、m o 、s i 、c r 主要 增加了临界区加热时奥氏体的淬透性，在保证获取足够马氏体的前提下，降低冷速以减 少铁素体中间隙原子固溶量。 1 1 6 双相钢的工业生产及发展趋势 世界上著名的钢铁公司，如德国蒂森、日本j f e 、韩国浦项、美国钢铁公司、上海 宝钢等，都建立了双相钢的生产线，并可以批量供应不同级别的双相钢，如d p 5 0 0 、d p 9 8 0 等。 除了投入大量的人力物力进行双相钢的研发和双相钢生产外，各国的钢铁公司也在 积极研发和推广先进的加工技术，如液压成形技术( h y d r o f o r m i n g ) 、热成形技术( h o t p r e s sf o r m i n g ) 和激光拼焊板技术( t a i l o r e dw e l d i n gb l a n k s ) 。具有优异性能的双相钢与 先进的加工技术的“强强结合”，极大的拓展了其发展空间。 在我国的汽车生产中，双相钢的使用还有待进一步拓展，汽车在减轻重量、节能及 5 l 绪论 硕上论文 增大安全碰撞系数等方面也需要不断努力。因此，国内生产的双相钢的质量及性能需要 进一步稳定，同时要求改进工艺以降低成本，为双相钢的大规模应用创造必要条件，进 而推动中国汽车产业的高速发展【1 8 】。 1 2 钢铁热镀锌 钢铁热镀锌，是钢铁材料在液态的锌( 温度一般控制在4 4 0 - - , 5 0 0 之间) 中浸泡 一定时间，于材料表面获得锌及铁锌合金防腐蚀镀层的工艺过程。随着热镀锌工艺的发 展，为了获得性能更好的镀锌层，开始向锌液中添加少量的合金元素( 如p b 、s b 、砧 等) ，形成了更广泛的热镀锌的定义1 1 9 1 。 1 2 1 钢铁热镀锌的发展历史 镀锌层所具有的良好耐腐蚀特性，从刚发现就引起了人们的广泛关注，并且从未间 断研究。对于钢类器件，一般均采用镀锌工艺来进行耐腐蚀防护。据统计，用于镀锌工 艺的锌消耗量占锌总产量的一半左右。而在所有的镀锌工艺中( 电镀锌、热喷镀锌等) ， 热镀锌耗锌量占9 0 以上。导致这种局面的主要是因为热镀锌工艺具有较高的性价比， 在低成本下得到更厚的镀层，镀层的耐蚀性能更好，且工艺流程简单，易于控制镀层表 面状态。 资料显示，到2 0 世纪末，全球五十六个国家有镀锌机组建成并投入运营，共计约 4 0 0 条生产线，这其中热镀锌机组所占比例接近8 0 。从产量方面看，由热镀锌工艺生 产的钢板约为五千万吨，占当年全球镀锌钢板产量的7 0 以上。这些镀锌钢板的生产大 多集中在工业产业发达的国家，如日本、美国及欧盟。这三个区域生产总量占世界总产 量的7 0 成以上。 国内对于热镀锌钢板的研究及生产进行得尽管比较迟，但通过引进国外先进生产 线，并大力研发技术装备，逐渐提高了国内的生产水平。同时，在产品型号种类上，逐 渐满足了不同的市场需求。表1 5 为最近几年国内热镀锌钢板的生产概况【2 0 1 。 表1 5 中国热镀锌板生产概况 单位： ( 万吨年) 1 2 2 钢板热镀锌工艺的现状 随着工业化生产水平的提升以及科学技术的不断创新，一些新的热镀锌分支产品逐 渐出现，相应的工艺水平进一步上升，生产设备也在不断优化。由于设备更新速度较快， 加上区域性经济发展的不平衡，使得目前新旧型号的工艺设备同时存在。如表1 6 所示， 6 硕士论文热镀锌工艺对双相钢组织性能影响 各种热镀锌生产工艺优缺点的对比。 表1 6 各种热镀锌生产工艺优缺点对比 以上工艺均有各自的优缺点，人们在随后的发展过程中不断更新、完善热镀锌工艺 及其设备。 1 2 3 钢铁热镀锌的应用及发展趋势 目前，钢铁热镀锌产品的应用极为广泛，而随着科技的进步，人们对材料的要求增 大，未来钢铁热镀锌工艺拥有广阔的发展空间，如表1 7 所示【2 1 ，2 2 】。 表1 7 热镀锌产品的应用及发展趋势 基材 热镀锌钢板钢色涂层钢板 热镀锌钢管热镀锌钢丝 应用方向主茎罂壹汽广嬲、广泛应用于黼水力工程等所有行业 特点 霁? 量嘉呈蓑翥裹基毳篓筹鍪霁磊蓑吾翥花鍪墨? 盖某震妻霪磊星雾 发展趋势 大型箬晶喜! 丁篓童基茎化； 可控镀层性能、降低热耗、电子自可控镀层质 动化生产、提高酸洗效率和质量量 7 1 绪论 硕l ：论文 1 2 4 镀锌层的防护机理 同样的大气条件下，锌的表面发生化学反应生成了z n o ( 致密) 、z n ( o h ) 2 和z n c 0 3 ( 粘附性好) 锈层，钢铁则主要生成f e o o h 和f e 3 0 4 。反应方程式分列如下： 2 z n + 0 2 = 2 z n o 2 z n + 0 2 + 2 h 2 0 = 2 z n ( o h ) 2 z n ( o h ) 2 + c 0 2 = z n c 0 3 + h 2 0 3 f e + 2 0 2 = f e 3 0 4 2 f e + 0 2 + 2 h 2 0 = 2 f e ( o h ) 2 f e ( o h ) 2 + 0 2 = 2 f e o o h 相比于粘附性良好、致密度高的锌锈层，铁锈层中二价铁离子不稳定，易被氧化， 而且f e o o h 组织疏松易溶解，因此锌具有更好的耐腐蚀性能。同时，由于锌的性能比 铁活泼，电位更负，在同等条件下，总是优先腐蚀锌。生活中的应用如海上航行的轮船， 在其船体总会附着一大块锌，其目的就是为了保护钢铁船体，延长使用寿命。 钢件经过热镀锌处理后，从表面到基体依次为锌、锌铁合金和铁。由于锌的耐蚀性 强，直接延长了钢件的使用寿命，节约了资源。一般镀锌层保护钢件基体有以下六种情 况：( 1 ) 镀锌层完全包裹钢件基体，基体与大气环境隔绝，仅仅锌层受到蚀，保护了内 部的钢件，延长其使用寿命；( 2 ) 部分表面区域出现铁锌合金层，由于锌电极电位 ( - 0 7 6 2 v ) 铁锌合金电极电位( - 0 5 9 v - - 0 6 6 v ) 铁电极电位( 0 4 3 9 v ) ，锌层将率 先被腐蚀，与( 1 ) 情况一样；( 3 ) 锌层耗尽，铁锌合金层依然完全包裹钢件，则合金 层先腐蚀，保护内部基体，与( 1 ) 、( 2 ) 类似；( 4 ) 镀层损伤，部分钢件基体露出，但 由于锌的电位最负，f e z n 次之，则受到腐蚀的顺序依次为z n 、f e z n 、f e ；( 5 ) 锌层 耗尽，部分钢件露出，此时与i v 情况相似，铁锌合金层先被腐蚀，然后才是钢件基体； ( 6 ) 当纯锌层和f e z n 合金层都已耗尽，钢件基体完全处在大气环境下，其腐蚀过程 与使用寿命由所处环境决定。 1 2 5 影响钢板热镀锌组织性能的因素 1 2 5 1 热镀锌温度及浸镀时间的影响 热镀锌工艺中，一般控制锌液温度小于5 0 0 。c ( 锌的熔点t m = 4 1 9 4 。c ) ，具体工艺 中锌液温度保持在4 2 0 ( 2 - - - , 5 0 0 。c 。由f e z n 二元相图可以知道，在热镀锌工艺温度范围 内，铁锌反应生成的合金层分别包括：q 相( z n 溶入f e 得到的固溶体) 、t 相( 金属间 化合物) 、6 相( 金属中间相) 、相( 金属中间相) 、1 1 相( 极少量的f e 溶入z n 中得到 的固溶体) 以及各相之间形成的共晶( a 竹相) 、包晶( 丫+ 6 相、6 + 相) 混合物。 助镀剂法热镀锌工艺过程中，锌液温度一般控制在4 3 0 c - - 4 6 0 。显而易见，温度 越低，锌液的流动性越差，加上实际工艺中镀锌时间很短，可能导致镀层不厚或者不均 硕七论文热镀锌工艺对双相钢组织性能影响 匀；而温度升高，不仅锌液流动性增大，而且铁、锌相互扩散速率增大，容易获得较厚 的合金镀层。但是，研究发现高温下得到的镀层性能不如温度略低，其原因是高温下生 成了塑性较差的相。从f e z n 相图可以看出，随着温度的上升，得到的中间产物越多， 使得镀层的性能变差。因此，应适当控制镀锌温度，以保证镀锌层性能良好1 2 3 】。 、重 捌 剃 出 剥 时间m i n 1 - 相；2 - 5 1 相；3 - ? 相 图1 1 在嘲定温度下时间与合金层生长速度的关系 众所周知，随着镀液中时间的增加，f e - z n 合金层的厚度会不断增大，但是不同的 相增加的幅度不一样，如图1 1 所示。对普通的低碳钢钢件，镀锌温度控制在4 5 0 左 右，随着时间的延长，其合金镀层中相及6 l 相生长速度不断增大，远远大于稳定的丫 相的生成速度。因为( 相是脆性相，其厚度的增大不利于镀层的性能，所以应当控制钢 件浸镀时间以降低( 相厚度，提高钢件镀层性能。 1 2 5 2 钢中碳及其他合金元素的影响 碳会加剧铁锌反应，因此铁损值随着碳含量的升高而增大，铁锌镀层增厚，钢件性 能变差；同时存在于不同组织中的碳也影响铁损值，例如碳存在于索氏体或屈氏体中， 则钢件基体铁损较低。碳含量较大时，高温热处理后得到的f e 3 c 增大了钢件表面张力， 锌液的润湿性能及流动性降低，导致锌瘤缺陷，影响了镀层整体性能。 m n 、s 、p 含量较少，对镀层基本无影响；高磷钢则会导致1 1 相减少而脆性的 相 及6 】相增多，镀层性能恶化；s i 加速了铁损，镀层厚度增加但性能恶化；c r 含量增大 会减缓铁锌反应，但含量为1 3 1 8 时，则会加速( 相的生成，降低了镀层性能：n i 可以控制( 相的生成反应1 2 4 。 1 2 5 3 锌液中不同元素的影响 为了获得更好的镀层性能，往往在锌液中加入其它元素，但是，不同元素对锌液的 影响不同，如表1 8 所示。可以看出，即使同一元素，添加量不同，影响也不同。 9 l 绪论硕一l ：论文 表1 8 锌液中不同元素的影响 元素种类 影响 稀士元素 c u s i n i v 、t i 、m n 、 c r 、b i 等 过量的铁会导致锌、铝渣的生成，并且恶化镀层性能 可形成保护性氧化膜，减少锌耗；短时间内可抑制y 相和6 l 相的形成，纯锌镀层性 能良好 减小了锌液的表面张力及黏度，可镀性增强；可降低锌熔点，利于镀层性能；但铅 有毒，而且大于1 的量就会降低镀层的耐腐蚀性能，并且得到的镀层能表面不光亮 可产生较大锌花而不降低镀层耐腐蚀性；含量为0 0 5 时，则会使锌层脆性增大，同 时加剧铁损值，镀层暗淡无光，耐腐蚀性降低 可获得大的锌花，并可使镀层表面光亮，但过量的锡会增大锌液黏度，恶化镀层粘 附性，同时降低了镀层的耐蚀性能 可获得较火锌花，但镉有毒，且镀层性能差，铁损值高 可优化镀层耐蚀性，并去除铅的不良影响；但过量的镁会粗化镀层结构，使镀层粘 附能力降低 增加锌液流动能力，减小其表面张力和润湿角，极大的改善了镀层质量，同时也提 高了其抗盐雾腐蚀的能力 可增加耐腐蚀性能，但导致铁损值升高，恶化镀层表面性能 可清除杂质铁，并且弱化合金层的生成，但含硅镀层较脆 可增大耐蚀性，弱化合金层的生成过程，进而优化镀层表面质量，同时n i 可以消除 过量硅的不良影响 v 、t i 、m n 可控制合金层的厚度；c r 无明显作用；b i 可增加锌的耐蚀性，同时改善 锌液流动性及润湿性，但过量的b i 贝l j 降低其耐蚀性，并导致镀层易脆 1 2 5 4 烘烤工艺对热镀锌钢板组织性能的影响 所谓烘烤硬化特性【2 5 l ，是指钢件经过一定的变形( 应变在2 5 左右) ，再经过 高温时效( 即烘烤工艺，温度一般控制在1 7 0 。c - 2 1 0 * c ) ，钢件屈服强度有所上升的现 象。在实际生产过程中，表现为薄板在冲压成型与喷漆烤漆后，屈服强度的增大。烘烤 处理前后钢件的屈服强度差值即为烘烤硬化值b h 的大小，如图1 2 。 b 磊 f 图1 2 烘烤硬化值测定方法 钢件在一定量的预变形后可以产生的大量位错，而尺寸较小的间隙原子如c 、n 等， 在2 0 0 * ( 2 左右的烘烤温度下，发生扩散，并偏聚到位错处，使得再次加工变形时，钢件 1 0 m 胁 站 硕：j ：论文热镀锌工艺对双相钢组织性能影响 的屈服强度升高【2 6 1 。以双相钢为例，其基体为铁素体+ 马氏体，马氏体体积含量为3 0 左右，且以浮凸的板条状分布在铁素体基体上，叉称为岛状马氏体；浮凸的马氏体与铁 素体交接处，由于两相的软硬不同，在预变形过程中，较软的铁素体变形较大，出现的 位错相对较多，在随后的烘烤加热时，小尺寸的间隙原子c 、n 等偏聚到位错处，表现 为位错钉扎，使得二次加工屈服强度变大。预变形量、合金元素、烘烤温度及保温时间 的不同，均影响烘烤硬化值。添加与间隙原子易形成化合物的合金元素，会弱化烘烤硬 化特性；在一定范围内预变形越大、烘烤温度越高、保温时间越长，则烘烤硬化值越大。 1 3 多晶体织构与冷轧双相钢板 1 3 1 织构的定义 单晶体是各向异性的，而多晶体中单个晶粒的取向是随机分布的，导致了多晶体总 体上表现为各向同性。但是当多晶体内的许多单个晶粒的取向汇聚到一起时，则多晶体 总体上表现为各向异性，即择优取向，该多晶体内产生织构。因此，织构是由多晶体内 众多单个晶粒的取向从随机分布到定向分布的过程造成洲2 7 j 。 织构的生成分为【2 8 】：热加工织构，包括铸造织构、热变形织构和粉末烧结织构等； 冷变形织构，主要指多晶体金属在冷变形加工过程中产生的织构；不均匀变形织构， 是指金属材料在不均匀的变形时生成的织构；再结晶织构，是冷变形织构经过再结晶 后变成的一种新织构；二次再结晶织构，是冷变形织构经热处理后少量晶粒异常长大， 导致织构有别于再结晶织构；相变织构，有单相合金相变织构、两相合金相变织构和 变形诱发相变织构等，是在相变前的织构取向影响下产生的。 1 3 2 织构的应用 工程材料以多晶体为主。在材料的固态相变、凝固、冷热变形、再结晶、烧结或加 工处理过程中，材料会受到外界因素的干扰，并产生各向异性( 即织构) 。在日常生活中， 织构是普遍存在的，约有2 0 5 0 的材料受到织构的影响，有织构的金属材料的性能 出现各向异性。 ( 1 ) 传统金属材料对织构的应用 深冲压铝合金薄板制耳效应的消除；不可热处理强化铝合金的研制及性能改 进；超深冲无间隙原子钢及其高强钢的研发；高压电子铝箔性能的改进；高性能 冷轧电工硅钢板的研制。 ( 2 ) 新型金属材料对织构的应用 抗应力腐蚀钛合金钢板的研制、利用织构控制锌合金板的热膨胀性及可弯性、利 用钽板制作高性能的化工容器等；改进薄膜金属的性能，如集成线路铝膜导线、c v d 1 绪论硕上论文 法金刚石薄膜等的研发；金属间化合物的突出性能与其织构的相互补充，产生了具有 优异性能的t i a i 基合金、t i 3 a i 基合金、n i 3 a 1 基合金、f e 3 a i 基合金等；金属间化合物 功能材料，也是利用了织构的特殊性能，如c u z n 合金的逆向孪生织构产生的形状记忆效 应、n d f e b 合金的永磁性能、i n s b 合金的磁阻效应【2 9 j 等。 1 4 本研究的目的、意义及主要研究内容 1 4 1 本研究的目的、意义 双相钢具有高的初始加工硬化指数、低屈强比和良好的烘烤硬化特性等特点，主要 应用在汽车的边梁、侧面构件、横梁、支柱、底盘加强件、油箱支架及车体的结构件、 加强件和防撞件。在p n g v 计划( 新一代汽车合作伙伴计划) 中，超轻车体的双相钢用量 最大，约占7 0 ，因此双相钢的生产对汽车轻量化具有重要的意义。 目前国内研究的双相钢一般s i 含量比较高，但较高的s i 含量会导致热镀锌过程中 出现镀层性能变差，而且影响后续热处理及焊接过程中组织性能，研究添加不同合金元 素的低硅双相钢，寻求替代元素，以获得性能优异的双相钢。 本研究的目的，在于分析合金元素c r 、m o 对低硅冷轧双相钢的影响；同时，分析 在不同的热镀锌温度下双相钢组织与性能上存在的差异以及合金元素c r 和m o 对模拟 镀锌及模拟烘烤双相钢的组织与性能的影响；最后分析合金元素c r 、m o 、s i 、n b 对双 相钢织构的影响。 1 4 2 主要研究内容 1 研究合金元素c r 和m o 对热处理低硅冷轧双相钢的影响 采用金相显微镜、力学性能试验机、扫描电镜及能谱仪等检测手段，研究双相钢在 组织性能上的差异。 2 研究不同模拟热镀锌温度及模拟烘烤对双相钢的影响 采用金相显微镜、力学性能试验机、扫描电镜及能谱仪等检测仪器，分析c r 、m o 对模拟热镀锌及烘烤双相钢组织性能的影响。 3 研究合金元素c r 、m o 、s i 、n b 对双相钢织构的影响 通过金相显微镜、x 射线织构分析仪等，分析双相钢的金相组织与织构。 硕上论文热镀锌t 艺对双相钢组织性能影响 2 实验材料及方法 2 1 实验材料 实验用低碳钢中添加的合金元素有m n 、c r 、m o 、s i 、n b ，具体成分经南钢技术检 测中心检测，如表2 1 。 表2 1 实验材料各元素成分( w t ，) c m no 1 11 8 5 0 0 20 0 0 60 0 0 2 o 0 0 5 0 0 1 5 0 o l 0 0 0 5 c m n m o 0 1 11 8 0 0 0 20 0 0 90 2 6 0 0 0 5 o 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 c m n c r0 0 91 7 0 0 0 20 50 0 0 5 o 0 0 5 0 0 1 5 0 0 1 o 0 0 5 c m n s i0 1 01 9 2 0 5 1 0 0 0 60 0 0 5 o 0 0 5 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 c c r - n b0 0 91 5 3 0 0 20 4 7 0 0 10 0 1 4 0 0 1 5 o 0 1 5 0 0 个) ，用o r i g i n 软件绘制出晶粒分 布图并求出平均晶粒尺寸。 2 2 4 扫描电子显微镜( s e m ) 微区分析 为进一步分析双相组织，使用扫描电子显微镜进行高倍显微双相组织观察，同时， 利用s e m 附件装置能谱仪( e d s ) 对双相组织进行微区成分分析。 拉伸试样的断口亦通过s e m 进行断口形貌及夹杂物的观察分析。 本试验在中国航天晨光集团质检所进行，使用仪器为q u a n t a2 0 0 型扫描电子显 微镜。 2 2 5 力学性能检测 根据国家标准g b t 2 2 8 2 0 0 2 金属材料室温拉伸试验方法，在s a n s 电液伺服