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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www.bt990.com.cn
更新時間：2014-08-04
蒂森克虜伯歐洲鋼鐵公司把研究工作重點放在掌握高Mn合金化TWIP鋼的選擇性氧化和反應(yīng)潤濕機理，并在連續(xù)熱鍍鋅線上開發(fā)出甚至實現(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高強度鋼（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放在掌握高Mn合金化TWIP鋼的選擇性氧化和反應(yīng)潤濕機理，并在連續(xù)熱鍍鋅線上開發(fā)出甚至實現(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驗室研究獲得的結(jié)果和認知成功用于開發(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)進行首輪TWIP鋼工業(yè)化生產(chǎn)的結(jié)果。
????實驗室研究
????用于實驗室研究選擇性氧化和反應(yīng)潤濕的材料是商業(yè)化生產(chǎn)的TWIP鋼X-IP1000，合金設(shè)計為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)備進行退火和熱鍍鋅試驗。
????選擇性氧化和反應(yīng)潤濕基本結(jié)果。進行5%?H2-N2退火氣氛的退火溫度和露點（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)潤濕之間的基本關(guān)系。退火均熱時間設(shè)為60S。鋅槽為Fe飽和的Zn-0.22%Al液，溫度460℃。
????當在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，Zn的潤濕反應(yīng)不充分。由于外氧化，當在1000—1100℃、DP-15℃條件下退火時，甚至不能發(fā)生Zn液潤濕。不過，當在700—900℃、DP-15℃退火時，非常意外地發(fā)現(xiàn)Zn液潤濕差，出現(xiàn)裸點。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，當僅出現(xiàn)很少的Mn-Si外氧化物時，獲得帶裸點的Zn液潤濕。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液潤濕。
????當熱鍍鋅無氧化物的鋼樣（退火條件：1100℃/DP-50℃），發(fā)生反應(yīng)潤濕，包括Fe2Al5和FeZn13（ξ相）的形成。在這種情況下，鋼的表面沒有MnO，因此，一般認為ξ相的形成不是源于鋁熱還原，而是由于在熱浸鍍鋅過程中金屬Mn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Fe2Al5晶體形成發(fā)生一些反應(yīng)潤濕。在這種情況下，F(xiàn)e2Al5的出現(xiàn)可以通過在MnO層中分布少量的金屬結(jié)合物Fe的存在來解釋。
????光亮退火理念。從對TWIP鋼選擇性氧化和反應(yīng)潤濕的基礎(chǔ)研究得出的第一個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，在實驗室內(nèi)通過在1100℃高溫、-50℃低DP下退火就可以容易地實現(xiàn)這一點。通過光亮退火，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，則鍍層附著性也會較好。不過，在鍍層中可能總是檢測到有害的脆性ξ相，表明在發(fā)生所需的反應(yīng)潤濕生成Fe2Al5的同時發(fā)生了消耗Al的副反應(yīng)。近年來已經(jīng)研究了光亮退火TWIP鋼在熱鍍鋅過程中反應(yīng)潤濕和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。與IF鋼相比，合金化動力學降低：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），但沒有所需的Γ相（Fe3Zn10）。
????合金化退火動力學受阻被認為是高MnTWIP鋼中Fe含量低的結(jié)果。光亮退火理念對掌握并理解高MnTWIP鋼的反應(yīng)潤濕和合金化退火機理非常有用。不過，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驗室研究。此外，必須考慮高溫光亮退火對基板力學性能的影響。
????預(yù)氧化理念。建立起的預(yù)氧化模型描述了連續(xù)退火過程中兩步法氧化/還原處理。如實驗室研究所示，從原理上講，與MnO層上的Fe2Al5反應(yīng)潤濕是可能的。在這種情況下，F(xiàn)e2Al5形式是通過在MnO層中分布的金屬結(jié)合物Fe實現(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。
????在實驗室內(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。當將經(jīng)過這樣預(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)潤濕與常用鋼相比得到明顯改善。當出現(xiàn)在MnO·Fe金屬層上的Fe2Al5量明顯增多時，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液中進行熱浸試驗，獲得的鍍層質(zhì)量與熱浸在Zn-0.22%Al槽中一樣。無論是使用Zn-Al或Zn-Al-Mg液，在所有預(yù)氧化試驗后的鍍層中均沒有ξ相。
????預(yù)氧化理念的退火參數(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的實際參數(shù)相似程度高于光亮退火理念。根據(jù)這一現(xiàn)象以及實驗室研究進行了一次工業(yè)預(yù)氧化試驗。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)氧化試驗中獲取的經(jīng)驗，顯然有助于本研究中的工藝開發(fā)。
????工業(yè)應(yīng)用
????根據(jù)實驗室研究結(jié)果，決定將開發(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，在蒂森克虜伯德國工廠3號CGL上進行工業(yè)試驗。調(diào)節(jié)退火爐各段氣氛，盡可能滿足實驗室試驗中的預(yù)氧化還原條件。其他工藝參數(shù)設(shè)定在標準作業(yè)范圍內(nèi)。結(jié)果，在TWIP鋼上成功地進行了良好附著的商業(yè)化GI涂鍍。除了個別孤立的裸點外，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有發(fā)現(xiàn)ξ相。因此，認為反應(yīng)潤濕機理與實驗室研究結(jié)果一樣（在MnO·Fe金屬層上形成Fe2Al5）。
????這些結(jié)果清晰地顯示開發(fā)出的預(yù)氧化是一種有前景的、適合于次貴金屬Mn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行光亮退火。盡管光亮退火目前僅限于實驗室規(guī)模，但這種理念非常有助于了解高Mn合金鋼的反應(yīng)潤濕和合金化退火動力學。
????2）預(yù)氧化既是實驗室規(guī)模研究、也是工業(yè)化生產(chǎn)中熱鍍TWIP鋼的一項關(guān)鍵技術(shù)。利用預(yù)氧化技術(shù)，根本不需要對TWIP鋼帶進行預(yù)處理。
????3）當熱鍍預(yù)氧化的TWIP鋼時，可以觀察到反應(yīng)潤濕的特征機理。在這種情況下，在覆蓋鋼表面的MnO·Fe金屬層上發(fā)生了對Fe2Al5的反應(yīng)潤濕。
因此，提出的模型顯然有效，并適于工業(yè)生產(chǎn)。對高Mn合金化TWIP鋼成功的熱鍍鋅是滿足用戶對汽車安全件上高合金化先進高強鋼防腐蝕性能要求的一個重要里程碑。鑒于當前及未來先進高強鋼中不斷提高的Mn含量，本研究獲得的重大發(fā)現(xiàn)對未來開發(fā)也具有指導意義。??
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