模拟实验热镀锌TRIP690工艺温度及其对组织性能的影响

供稿|李大光，陈宇 / LI Da-guang, CHEN Yu

内容导读

随着人们对环境、能源、安全等要求的不断提高，汽车轻量化也逐渐成为了各大汽车厂商研究的主要方向。使用高强度钢板作为汽车的结构件，在降低车身自重的同时也提高了强度和安全性。汽车用热镀锌先进高强钢TRIP690钢优异的力学性能不仅能满足越来越高的汽车原材料板材的需求，而且热镀锌TRIP钢还能同时满足一定的防腐能力，是名副其实的先进高强度钢材。通过合理的成分设计，以及合理的热轧、冷轧工艺，使材料不仅满足高强度和防腐能力，热镀锌合金化产品还可以很好地解决焊接问题。文章通过热模拟实验，利用金相显微技术和透射电镜检测方法研究了两相区加热温度、贝氏体等温处理工艺对热镀锌TRIP690组织组成、室温时残余奥氏体含量及力学性能的影响规律。结果表明，基于镀锌产线的特殊性，合理选择两相区加热温度、贝氏体等温处理等重要工艺参数，可以获得良好的TRIP效应。

热镀锌TRIP钢是一种能同时满足高强度塑性和耐蚀性能的先进高强汽车板[1]。热镀锌TRIP钢设计思路与目前开发成熟的冷轧连续退火TRIP钢相比存在一定差异，主要体现在以下两个方面：一是成分体系不同。热镀锌TRIP钢中的Si含量往往需要在0.2%以下，传统的连续退火TRIP钢的成分设计思路无法满足热镀锌TRIP钢的生产需求，采用传统高Si的镀锌TRIP钢成分体系将得不到理想的表面，导致涂镀性变差，因此镀锌TRIP钢中的Si含量要大幅度减少[2]。二是基于特殊的热镀锌产线，无法越过锌锅温度460℃，导致热镀锌退火热处理工艺与连续退火热处理工艺不同，使相变时间和温度限制在了很窄的范围内，需要考虑更多的影响因素来确保性能稳定。由于热镀锌TRIP钢贝氏体相变被限制在460℃甚至更低，必须依靠较强的设备能力，同时确定合理的贝氏体转变温度窗口，利用远远低于连续退火TRIP钢的贝氏体相变时间来完成贝氏体的转变和残余奥氏体的增碳。

众多研究表明，对TRIP钢进行合理的成分设计，利用较高的设备能力就可以生产出优质TRIP钢，达到汽车轻量化中高强度、高塑性的要求。考虑到热镀锌产线的特殊性，在设计TRIP钢时要统筹考虑性能和表面可镀性，TRIP钢中的各元素含量直接影响TRIP效应和涂装性，因此合理的成分设计至关重要。目前CMnAl-TRIP钢是研发热点，有逐渐取代传统CMnSi-TRIP钢的趋势。

根据热镀锌工艺的特殊性，结合本钢冷轧厂镀锌机组特有的设备能力情况，基于固定产线设计了一种低Si的TRIP钢，利用热模拟机进行模拟实验，重点研究了该成分下TRIP钢在不同热镀锌工艺下的力学性能和微观组织。

实验材料及方法

实验 材料

实验用钢的化学成分设计采用CMnAl-低Si-TRIP钢设计思路，化学成分见表1，经过1250℃奥氏体化处理2 h后，热轧至3.2 mm厚，终轧温度为880℃，热轧后经酸洗，最终冷轧至1.2 mm厚的薄板。

表1 镀锌TRIP690化学成分(质量分数) %

实验 方法

由于此钢种是根据本钢冷轧镀锌机组设备能力情况所设计，故产线设备固定，利用热模拟机模拟镀锌连续退火炉能力进行实验，选定机组速度为常规100 m/min。由于各工艺段长度确定，因此合理控制加热温度、缓冷温度、贝氏体转变温度等重要工艺参数是确保性能达标的关键。根据设备能力情况制定热模拟方案，实验设备采用奥钢联vatron电阻式连续加热退火热模拟实验机进行模拟镀锌工艺，工艺路径见图1。

热模拟后的试样经打磨和抛光后，用3%(体积分数)的硝酸—乙醇溶液侵蚀，进行组织观察；利用双喷液为5%(体积分数)高氯酸+95%(体积分数)无水乙醇的混合溶液，液氮冷却，电压50 V，利用透射电镜(TEM)进行分析；实验用钢经过热处理模拟后制成L0=50 mm的拉伸试样，在室温下进行力学性能测试，测得不同热处理工艺下的屈服强度、抗拉强度、延伸率和n值。

图1 热镀锌TRIP690工艺

实验结果与分析

加热 温度的确定

加热温度是影响两相区奥氏体化的重要参数，加热温度对奥氏体含量、奥氏体中的碳含量及贝氏体转变都将产生重要影响，进而影响材料的最终性能。图2是经过三组不同双相区加热温度处理和贝氏体转变温度于460℃等温后的显微组织。加热温度的提高促使晶粒变得细小，奥氏体化程度也更充分，奥氏体在基体中的分布也更加均匀。其中加热温度820℃比加热温度860℃组织中贝氏体含量略高。加热温度为860℃时，两相区奥氏体化比加热温度780℃时充分。较高的奥氏体含量使奥氏体中碳含量相对较低，经过缓慢冷却后易发生先共析铁素体相变，使最终组织中的铁素体不仅包含双相区退火时未发生奥氏体相变的铁素体，还包括缓慢冷却过程中形成的取向附生铁素体。最终导致组织中铁素体总量的变化，也同时影响奥氏体含量及奥氏体中的碳含量，进而影响进入贝氏体区转变的奥氏体的碳含量，以及奥氏体发生贝氏体相变的差异程度，影响了最终性能。决定TRIP钢最终力学性能的因素是多方面的，因此不同工艺参数影响的叠加将对性能产生一系列不同的变化，经过不同双相区加热温度的实验，最终确定加热温度为820℃时可以获得更多的贝氏体，并且可以得到合理的奥氏体及奥氏体中碳含量的比例。

缓冷 温度的确定

图2 经过不同双相区退火温度热模拟后的组织：(a) 780℃退火；(b) 820℃退火；(c) 860℃退火

TRIP钢在缓慢冷却过程使得部分奥氏体重新转变为铁素体，该新生铁素体依附于原铁素体，并沿着一定的取向，称为取向附生铁素体。缓冷具有三个作用：一是调节快冷前奥氏体的量，使得高温部分奥氏体化后的多余奥氏体转变为铁素体。二是对剩余奥氏体进行增碳，由于取向附生铁素体的析出，大量C、Mn元素进一步向剩余奥氏体中转移，从而提高未转变奥氏体的淬透性。三是净化铁素体基体，取向附生铁素体较原铁素体具有更低得固溶合金量。

实际生产过程中，缓冷温度的制定需要考虑到众多因素，比如：奥氏体和铁素体比例的分配、奥氏体增碳、快速冷却速度、最终力学性能以及现场实际设备能力等情况，而设备能力情况将对实际生产过程起到决定性作用。由于产线固定，设备能力限制在了一定的范围内，加热温度为820℃的话，缓慢冷却可以实现冷却到690℃～730℃，故结合实际设备能力情况，将缓冷温度确定为710℃。

贝氏 体转变温度的确定及力学性能

为研究不同贝氏体等温温度对贝氏体含量、对奥氏体相变以及对残奥比例的影响，利用热模拟机模拟镀锌工艺进行4组模拟实验。由于机组产线固定，故热模拟工艺被限制在了较小的范围内。根据机组实际情况，制定合理的热模拟工艺方案。4组热模拟方案的区别为贝氏体转变温度不同，由于产线固定，经计算后在机组速度100 m/min时贝氏体区转变时间为38 s，由于镀锌TRIP钢无法避开锌锅温度460℃，快冷低于460℃的实验方案需要利用感应加热升温至锌锅温度，具体工艺参数见表2。热模拟镀锌工艺后，对以上4组实验试样进行力学性能分析，性能情况见表3。

观察贝氏体转变温度对力学性能的影响可以看出，贝氏体转变温度为400℃和420℃时的试样抗拉强度高于440℃和460℃等温时的试样，而屈服强度则相反。究其原因为低温贝氏体转变的动力学低，导致在相同时间内奥氏体相变的贝氏体数量相对较少，较低含量贝氏体使屈服强度较低。经过镀后的残余奥氏体量相对较多，且残余奥氏体中的碳含量相对较低，亚稳态的残余奥氏体经过镀后冷却时发生了马氏体相变，导致组织中马氏体含量升高，进而抗拉强度偏高。由于残余奥氏体中碳含量相对较低，导致最终组织中的残余奥氏体稳定性相对较低，经过拉伸变形后，残余奥氏体不足以提供持久的相变，致使延伸率相对偏低。经过金相检验后，各组分情况见表4、金相组织见图3。

表2 热模拟工艺方案

表3 热模拟镀锌工艺后TRIP钢力学性能

试样于460℃时贝氏体转变温度相对较高，在模拟速度100 m/min时导致冷速不足，在最终组织中出现了微量珠光体。由金相试样检验结果可以看出，奥氏体和马氏体以马奥岛态共存，随后对其进行透射电镜分析(TEM)，见图4。通过透射电镜可以看出，马氏体和残余奥氏体确实以岛状形式存在。以固定机组为基础进行的热模拟实验，工艺条件被限制在一定的范围内，贝氏体转变时间有限。由于贝氏体相变时间短导致奥氏体富碳不充分而且分布不均匀，部分富碳不足的亚稳态奥氏体于出锌锅后的镀后冷却过程中发生马氏体相变，使组织中出现马氏体，富碳充足的奥氏体则被保留到了室温，使热镀锌TRIP钢的最终组织由铁素体、贝氏体、残余奥氏体和马氏体组成，且奥氏体和马氏体以岛状形式存在。

表4 各组分含量情况

图3 不同贝氏体转变温度下金相组织：(a) 400℃；(b) 420℃；(c) 440℃；(d) 460℃

图4 TRIP690透射电镜照片

以其他不同的速度生产时也有类似的规律，降低速度生产时贝氏体保温时间相对延长，贝氏体转变较高速生产时充分。组织中贝氏体含量将升高，奥氏体将增碳，奥氏体稳定性得以提高，亚稳态奥氏体将减少。在随后的镀后冷却过程中，达到马氏体转变点时亚稳态奥氏体相变成马氏体的量相对减少，故最终组织中马氏体含量相对降低，残余奥氏体中的碳含量升高，使残余奥氏体稳定性得以提高。残余奥氏体中有足够的碳含量使其可以保留到室温，在随后的拉伸变形阶段可以持续的发生马氏体相变，对延伸率的贡献增加，所以呈现相对较低的抗拉强度，高延伸率和高屈服强度的特点。

结束语

1) 热镀锌TRIP690在生产过程中奥氏体的增碳分为两个阶段：一是经过加热进入到缓冷过程中，取向附生铁素体的形成将排碳，使奥氏体第一次增碳。二是贝氏体等温过程中，在贝氏体区停留一定的时间，发生奥氏体第二次增碳。经过以上两次奥氏体增碳，使奥氏体中碳含量提高到足以使奥氏体保留到室温，使马氏体转变温度降到室温以下，进而使残奥稳定的存在于基体中。

2) 实验设计的CMnAl-低Si-TRIP钢以本钢冷轧厂镀锌机组为基础所设计，低Si的TRIP钢可以克服高Si-TRIP钢涂镀表面质量差的问题。利用热模拟机进行模拟镀锌工艺，可以得到令人满意的690 MPa级TRIP钢，热模拟抗拉强度可达760 MPa，延伸率可达28%。实际工业生产阶段温度控制将更准确和稳定，性能也会更理想。

3) 由于模拟产线固定，工艺参数被限制在较窄的范围内，经过4组不同贝氏体转变温度实验，模拟机组速度为100 m/min、加热温度820℃、缓冷温度710℃、贝氏体转变温度为440℃时可以获得理想的性能。且随着机组速度的不断变化，力学性能随贝氏体转变温度的变化所体现的特征，和贝氏体相变时的组织转变过程是一致的。

4) 工业化生产与实验室研究的不同在于工艺制定被限制在了较窄的范围内，需要考虑更多的影响因素来满足性能需求。由于工业化生产时贝氏体转变时间较短，富碳不足的亚稳态奥氏体在出锌锅后的镀后冷却过程中发生马氏体相变，使最终组织为铁素体、贝氏体、残余奥氏体以及马氏体，并且奥氏体和马氏体以马奥岛形式存在。

[1] Jacques P J，Girault E，Harlet P，et al. The developments of coldrolled TRIP-assisted multiphase steels：Al-alloyed TRIP-assisted multiphase steels. ISIJ International，2001，41(9)：1068

[2] Bellhouse E M，Mcdermid J R. Effect of continuous galvanizing heat treaments on the microstructure and mechanical properties of high Al-low Si transformation induced plasticity steels. Metallurgical and Materials Transactions A，2010，41：1460