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蒂森克虜伯高錳Mn合金化TWIP鋼熱鍍鋅的工藝
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司bt990.com.cn
更新時(shí)間：2014-08-04
蒂森克虜伯歐洲鋼鐵公司把研究工作重點(diǎn)放在掌握高M(jìn)n合金化TWIP鋼的選擇性氧化和反應(yīng)潤(rùn)濕機(jī)理，并在連續(xù)熱鍍鋅線上開(kāi)發(fā)出甚至實(shí)現(xiàn)>20wt%Mn鋼工業(yè)化熱鍍鋅的技術(shù)。
??? 鑒于最高大約2.0wt%Mn合金化的熱鍍鋅先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）遇到的挑戰(zhàn)，采用大約15—30wt%Mn合金化TWIP鋼工業(yè)化熱鍍鋅看來(lái)幾乎不可能。
????因此，蒂森克虜伯歐洲鋼鐵公司把研究工作重點(diǎn)放在掌握高M(jìn)n合金化TWIP鋼的選擇性氧化和反應(yīng)潤(rùn)濕機(jī)理，并在連續(xù)熱鍍鋅線上開(kāi)發(fā)出甚至實(shí)現(xiàn)>20wt%Mn鋼工業(yè)化熱鍍鋅的技術(shù)。本文主要介紹如何將實(shí)驗(yàn)室研究獲得的結(jié)果和認(rèn)知成功用于開(kāi)發(fā)適合連續(xù)熱鍍鋅TWIP鋼的工藝技術(shù)，此外，也將討論利用預(yù)氧化技術(shù)進(jìn)行首輪TWIP鋼工業(yè)化生產(chǎn)的結(jié)果。
????實(shí)驗(yàn)室研究
????用于實(shí)驗(yàn)室研究選擇性氧化和反應(yīng)潤(rùn)濕的材料是商業(yè)化生產(chǎn)的TWIP鋼X-IP1000，合金設(shè)計(jì)為Fe-Mn-C，含23wt%Mn、0.3wt%Si和少量其他元素。使用IWATANISURTECH熱鍍鋅工藝模擬設(shè)備進(jìn)行退火和熱鍍鋅試驗(yàn)。
????選擇性氧化和反應(yīng)潤(rùn)濕基本結(jié)果。進(jìn)行5%?H2-N2退火氣氛的退火溫度和露點(diǎn)（DP）各種設(shè)置，目的是掌握退火條件、選擇性氧化和液態(tài)Zn的反應(yīng)潤(rùn)濕之間的基本關(guān)系。退火均熱時(shí)間設(shè)為60S。鋅槽為Fe飽和的Zn-0.22%Al液，溫度460℃。
????當(dāng)在700—900℃、DP小于等于-30℃退火后Mn-Si混合氧化物覆蓋在鋼板表面時(shí)，Zn的潤(rùn)濕反應(yīng)不充分。由于外氧化，當(dāng)在1000—1100℃、DP-15℃條件下退火時(shí)，甚至不能發(fā)生Zn液潤(rùn)濕。不過(guò)，當(dāng)在700—900℃、DP-15℃退火時(shí)，非常意外地發(fā)現(xiàn)Zn液潤(rùn)濕差，出現(xiàn)裸點(diǎn)。在這些情況下，Si發(fā)生內(nèi)氧化，并在鋼板外表面形成粗糙的球狀MnO層。此外，當(dāng)僅出現(xiàn)很少的Mn-Si外氧化物時(shí)，獲得帶裸點(diǎn)的Zn液潤(rùn)濕。例如，在1000℃、DP-50℃下退火，出現(xiàn)上述情形。僅在1100℃、DP-50℃下退火后，當(dāng)退火條件中還原性氣氛足以有效地避免Mn和Si的選擇性氧化，就可以重復(fù)地獲得良好的Zn液潤(rùn)濕。
????當(dāng)熱鍍鋅無(wú)氧化物的鋼樣（退火條件：1100℃/DP-50℃），發(fā)生反應(yīng)潤(rùn)濕，包括Fe2Al5和FeZn13（ξ相）的形成。在這種情況下，鋼的表面沒(méi)有MnO，因此，一般認(rèn)為ξ相的形成不是源于鋁熱還原，而是由于在熱浸鍍鋅過(guò)程中金屬M(fèi)n從鋼中脫溶而消耗Al。有意思的是，在800℃、DP-15℃退火后在MnO層上面觀察到通過(guò)Fe2Al5晶體形成發(fā)生一些反應(yīng)潤(rùn)濕。在這種情況下，F(xiàn)e2Al5的出現(xiàn)可以通過(guò)在MnO層中分布少量的金屬結(jié)合物Fe的存在來(lái)解釋。
????光亮退火理念。從對(duì)TWIP鋼選擇性氧化和反應(yīng)潤(rùn)濕的基礎(chǔ)研究得出的第一個(gè)工藝路徑是光亮退火理念。光亮退火是一種高度還原性的熱處理，目的是避免出現(xiàn)任何形式的次貴金屬合金元素的選擇性氧化。如前所示，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)在1100℃高溫、-50℃低DP下退火就可以容易地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。通過(guò)光亮退火，已經(jīng)重復(fù)獲得好的鍍層質(zhì)量。如果鍍鋅槽內(nèi)的Al含量設(shè)置合適，則鍍層附著性也會(huì)較好。不過(guò)，在鍍層中可能總是檢測(cè)到有害的脆性ξ相，表明在發(fā)生所需的反應(yīng)潤(rùn)濕生成Fe2Al5的同時(shí)發(fā)生了消耗Al的副反應(yīng)。近年來(lái)已經(jīng)研究了光亮退火TWIP鋼在熱鍍鋅過(guò)程中反應(yīng)潤(rùn)濕和ξ相形成。
????除了常用Zn-Al槽的熱鍍鋅外，光亮退火理念也適用于Zn-Al-Mg熱鍍TWIP鋼，其中Zn槽成分為1.5wt%Al-5.0wt%Mg。在這種情況下，在Zn層中僅存在Fe2Al5和MgZn2的金屬間化合物，不存在ξ相，這一般可認(rèn)為是由于Zn-Al-Mg液中Al含量高，Zn-Al-Mg鍍層的附著性也較好。
????另外，利用光亮退火理念完成了TWIP鋼的首輪熱鍍鋅退火試驗(yàn)。與IF鋼相比，合金化動(dòng)力學(xué)降低：在TWIP鋼的合金化鍍層中除了FeZn10（δ相）外，還存在殘余ξ相和Zn混合晶體（η相），但沒(méi)有所需的Γ相（Fe3Zn10）。
????合金化退火動(dòng)力學(xué)受阻被認(rèn)為是高M(jìn)nTWIP鋼中Fe含量低的結(jié)果。光亮退火理念對(duì)掌握并理解高M(jìn)nTWIP鋼的反應(yīng)潤(rùn)濕和合金化退火機(jī)理非常有用。不過(guò)，由于受到所需的退火條件限制，目前光亮退火理念還僅限于實(shí)驗(yàn)室研究。此外，必須考慮高溫光亮退火對(duì)基板力學(xué)性能的影響。
????預(yù)氧化理念。建立起的預(yù)氧化模型描述了連續(xù)退火過(guò)程中兩步法氧化/還原處理。如實(shí)驗(yàn)室研究所示，從原理上講，與MnO層上的Fe2Al5反應(yīng)潤(rùn)濕是可能的。在這種情況下，F(xiàn)e2Al5形式是通過(guò)在MnO層中分布的金屬結(jié)合物Fe實(shí)現(xiàn)的。眾所周知，預(yù)氧化提高了合金鋼外表面上金屬Fe含量，這一工藝技術(shù)已經(jīng)成為研究的焦點(diǎn)。
????在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將TWIP鋼經(jīng)預(yù)氧化處理后（氧化工序：1.8%O2-N2600℃/10S；還原工序：5%H2-N2800℃/60S），一層含大量金屬粘合物Fe的粗糙球形MnO層連續(xù)地覆蓋在鋼表面。當(dāng)將經(jīng)過(guò)這樣預(yù)氧化處理的TWIP鋼熱浸在鍍鋅槽內(nèi)，鍍層質(zhì)量和反應(yīng)潤(rùn)濕與常用鋼相比得到明顯改善。當(dāng)出現(xiàn)在MnO·Fe金屬層上的Fe2Al5量明顯增多時(shí)，鍍層附著性也得到改善。
????預(yù)氧化處理的TWIP也在Zn-1.5%Al-5.0%Mg液中進(jìn)行熱浸試驗(yàn)，獲得的鍍層質(zhì)量與熱浸在Zn-0.22%Al槽中一樣。無(wú)論是使用Zn-Al或Zn-Al-Mg液，在所有預(yù)氧化試驗(yàn)后的鍍層中均沒(méi)有ξ相。
????預(yù)氧化理念的退火參數(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際參數(shù)相似程度高于光亮退火理念。根據(jù)這一現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)行了一次工業(yè)預(yù)氧化試驗(yàn)。在蒂森克虜伯歐洲鋼鐵公司不同連續(xù)鍍鋅線上完成的預(yù)氧化試驗(yàn)中獲取的經(jīng)驗(yàn)，顯然有助于本研究中的工藝開(kāi)發(fā)。
????工業(yè)應(yīng)用
????根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果，決定將開(kāi)發(fā)出的預(yù)氧化理念放大到工業(yè)生產(chǎn)中。
????將未經(jīng)預(yù)處理（未經(jīng)酸洗、未噴鍍金屬薄層）的冷軋X-IP1000鋼作原料，在蒂森克虜伯德國(guó)工廠3號(hào)CGL上進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。調(diào)節(jié)退火爐各段氣氛，盡可能滿足實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中的預(yù)氧化還原條件。其他工藝參數(shù)設(shè)定在標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)范圍內(nèi)。結(jié)果，在TWIP鋼上成功地進(jìn)行了良好附著的商業(yè)化GI涂鍍。除了個(gè)別孤立的裸點(diǎn)外，未發(fā)現(xiàn)未鍍層區(qū)。
????為表征工業(yè)化熱鍍鋅TWIP鋼的鍍層，在鋼/?Zn鍍層界面發(fā)現(xiàn)一層Mn基氧化層和Fe2Al5晶體。在界面層或鍍層中均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)ξ相。因此，認(rèn)為反應(yīng)潤(rùn)濕機(jī)理與實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果一樣（在MnO·Fe金屬層上形成Fe2Al5）。
????這些結(jié)果清晰地顯示開(kāi)發(fā)出的預(yù)氧化是一種有前景的、適合于次貴金屬M(fèi)n含量高的TWIP鋼的工業(yè)化熱鍍鋅技術(shù)。
????綜上所述得出以下結(jié)論：
????1）一種熱鍍TWIP鋼的技術(shù)是在高還原退火氣氛下進(jìn)行光亮退火。盡管光亮退火目前僅限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，但這種理念非常有助于了解高M(jìn)n合金鋼的反應(yīng)潤(rùn)濕和合金化退火動(dòng)力學(xué)。
????2）預(yù)氧化既是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究、也是工業(yè)化生產(chǎn)中熱鍍TWIP鋼的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。利用預(yù)氧化技術(shù)，根本不需要對(duì)TWIP鋼帶進(jìn)行預(yù)處理。
????3）當(dāng)熱鍍預(yù)氧化的TWIP鋼時(shí)，可以觀察到反應(yīng)潤(rùn)濕的特征機(jī)理。在這種情況下，在覆蓋鋼表面的MnO·Fe金屬層上發(fā)生了對(duì)Fe2Al5的反應(yīng)潤(rùn)濕。
因此，提出的模型顯然有效，并適于工業(yè)生產(chǎn)。對(duì)高M(jìn)n合金化TWIP鋼成功的熱鍍鋅是滿足用戶對(duì)汽車安全件上高合金化先進(jìn)高強(qiáng)鋼防腐蝕性能要求的一個(gè)重要里程碑。鑒于當(dāng)前及未來(lái)先進(jìn)高強(qiáng)鋼中不斷提高的Mn含量，本研究獲得的重大發(fā)現(xiàn)對(duì)未來(lái)開(kāi)發(fā)也具有指導(dǎo)意義。??
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