一、研究的背景與問題

能源消耗與碳排放，成為影響人類生存與發(fā)展的焦點問題。汽車輕量化技術(shù)也面臨前所未有的挑戰(zhàn)，采用高強(qiáng)鋼通過零件減薄實現(xiàn)車身減重，從而實現(xiàn)使用過程的節(jié)能減排，是目前汽車工業(yè)最有效的手段之一。因此，先進(jìn)高強(qiáng)鋼以及熱沖壓鋼的使用越來越廣泛。然而，隨著我國“雙碳”目標(biāo)的明確，全生命周期概念的提出，汽車選材也發(fā)生了顯著的變化。中汽中心研究表明，汽車零件制造占其“車輛周期”碳排放68%。而熱沖壓鋼因需要二次加熱，能耗增加，因此，冷成型先進(jìn)高強(qiáng)鋼市場需求持續(xù)快速增加，伴隨著后續(xù)“碳匯”的實施，采用耐蝕性優(yōu)異，成型良好的鍍鋅雙相鋼及衍生產(chǎn)品成為更優(yōu)選擇，并將持續(xù)成為行業(yè)發(fā)展趨勢。國際鋼協(xié)研究結(jié)果表明，雙相鋼在白車身應(yīng)用占比可達(dá)70%以上。目前，冷沖壓以450MPa-980MPa級為主，應(yīng)用技術(shù)較成熟，但隨著應(yīng)用范圍的拓展，在實際生產(chǎn)和使用過程中，也面臨新問題。

1輕量化效果與成本控制問題。因熱鍍鋅產(chǎn)品需在460℃入鋅鍋進(jìn)行鍍鋅生產(chǎn)，為抑制鐵素體和貝氏體相變，需添加更多合金元素。然而，退火爐對Fe是還原氣氛，但對Mn、Si、Cr等元素均為氧化氣氛，氧化析出將造成表面問題難以控制。因此，通常需添加Mo合金，成本較高。

2成型性與擴(kuò)孔性之間匹配問題。典型鍍鋅雙相鋼組織為鐵素體+馬氏體+少量貝氏體，具有較低的屈強(qiáng)比和適宜的成型性，可滿足大部分沖壓需求。然而，雙相組織擴(kuò)孔性能相對較低，對有擴(kuò)孔翻邊需求的零件，失效問題較為突出，限制雙相鋼應(yīng)用范圍問題日益突出。

3厚規(guī)格產(chǎn)品表面質(zhì)量問題。熱鍍鋅雙相鋼表面質(zhì)量控制是其核心技術(shù)。國內(nèi)外僅少數(shù)企業(yè)具備高級別鍍鋅雙相鋼2.5mm以上規(guī)格供貨能力，厚規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)速度降低，在爐時間延長，難以實現(xiàn)穩(wěn)定控制。

本項目成果在本鋼集團(tuán)完成開發(fā)工作，并實現(xiàn)多產(chǎn)線成果轉(zhuǎn)化，該項目開發(fā)的熱鍍鋅雙相鋼系列化產(chǎn)品累計供貨量達(dá)33.57萬噸，創(chuàng)造產(chǎn)值達(dá)20.62億元，為推動我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步做出一定貢獻(xiàn)。也為我國汽車工業(yè)節(jié)能減排提供了輕量化材料的多樣性選擇。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

本項目依托“先進(jìn)汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室”平臺，聯(lián)合鋼鐵研究總院與中信金屬，開展基礎(chǔ)研究，依據(jù)研究成果，將預(yù)氧化腔等系列新技術(shù)設(shè)計到本鋼全新鍍鋅產(chǎn)線。

本技術(shù)對鍍鋅雙相鋼進(jìn)行重新開發(fā)設(shè)計，取消鍍鋅雙相鋼中昂貴的Mo合金。通過全流程的工藝技術(shù)配合，擴(kuò)大生產(chǎn)工藝窗口，保障產(chǎn)品性能穩(wěn)定性控制。組織設(shè)計引入馬氏體（回火），抑制貝氏體組織，獲得良好成型性與擴(kuò)孔性能。此外，開發(fā)預(yù)氧化工藝技術(shù)，實現(xiàn)厚規(guī)格產(chǎn)品表面質(zhì)量穩(wěn)定控制?；谏鲜龉ぷ?，成功開發(fā)出450-1200MPa低成本高性能鍍鋅雙相鋼系列產(chǎn)品，技術(shù)路線如圖1所示。

 圖1 技術(shù)路線圖

成本控制方面：采用無Mo的成分設(shè)計，充分運用Nb溶解析出行為，利用淬火+回火工藝促進(jìn)Nb彌散析出，實現(xiàn)450MPa-1000MPa不同強(qiáng)度級別低成本控制技術(shù)。

表1 本課題鍍鋅雙相鋼合金設(shè)計，質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wt%）

 圖2 不同Nb和C情況下Nb的溶解析出溫度

性能調(diào)控方面：創(chuàng)新開發(fā)工藝實現(xiàn)鐵素體+馬氏體/馬氏體（回火）的新型雙相鋼組織調(diào)控技術(shù)，全面提升材料擴(kuò)孔及翻邊性能。并通過一系列控制手段和專有技術(shù)保障了全系列產(chǎn)品性能穩(wěn)定控制。

(a)傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝 (b) 本技術(shù)工藝

圖3 不同工藝下DP980+Z顯微組織

表面控制方面：首次開發(fā)運用“預(yù)氧化腔”技術(shù)裝備，結(jié)合退火爐內(nèi)露點匹配，實現(xiàn)Mn、Si元素內(nèi)氧化控制，設(shè)計規(guī)格、預(yù)氧化露點配比矩陣，解決了合金元素氧化物在表面富集而形成的黑點、麻面等表面缺陷，開發(fā)厚規(guī)格產(chǎn)品高表面質(zhì)量控制技術(shù)訣竅。

圖4 熱鍍鋅預(yù)氧化工藝中腔體設(shè)置

項目成果經(jīng)中國金屬學(xué)會鑒定，組織調(diào)控技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，并獲得本鋼集團(tuán)科技進(jìn)步一等獎、鞍鋼集團(tuán)科技進(jìn)步一等獎、遼寧省科技進(jìn)步一等獎以及中國汽車輕量化設(shè)計大賽一等獎；該項目開發(fā)的熱鍍鋅雙相鋼系列化產(chǎn)品累計供貨量達(dá)33.57萬噸，創(chuàng)造產(chǎn)值達(dá)20.62億元，已廣泛應(yīng)用于通用、標(biāo)志雪鐵龍、一汽、比亞迪、吉利、長城等主流車廠，市場反饋良好。項目共申請專利27項，其中授權(quán)發(fā)明專利9項、授權(quán)實用新型專利10項，制定標(biāo)準(zhǔn)5項，發(fā)表論文21篇，獲得遼寧省企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新重點計劃以及中信 CBMM 鈮技術(shù)項目支持。

三、主要創(chuàng)新性成果

1.原創(chuàng)無Mo成分設(shè)計及工藝控制技術(shù)。運用Nb時效析出強(qiáng)化作用，配合合理的工藝制度，設(shè)計無Mo添加的成分體系，實現(xiàn)熱鍍鋅600-1000MPa級系列雙相鋼產(chǎn)品的低成本制造。

Nb的溶解析出行為是合理使用Nb微合金的核心技術(shù)之一。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，Nb在各工藝環(huán)節(jié)的溶解/析出規(guī)律如圖5所示。

(a)連鑄坯 (b) 熱軋態(tài) (c) 冷硬態(tài) (d) 成品態(tài)

圖5 Nb在各工藝環(huán)節(jié)的溶解/析出示意圖

①連鑄坯顯微組織由鐵素體和珠光體（占47.5%）組成，鐵素體平均尺寸~80μm；析出相平均尺寸54nm，主要是小尺寸富Nb和大尺寸富Ti粒子；

②加熱過程中保障Nb充分溶解，Nb的加入有效抑制再結(jié)晶過程，為在未再結(jié)晶區(qū)軋制提供了便利。熱軋控制冷卻和卷取工藝，控制Nb的析出，析出粒子平均尺寸~36nm。

③酸洗軋制后析出相的形貌、尺寸和數(shù)量與熱軋態(tài)無明顯變化，析出粒子平均尺寸~36nm。

④鍍鋅加熱到兩相區(qū)保溫時，大部分Nb以固溶形式存在，未溶解的含Nb析出相可以抑制鐵素體再結(jié)晶；隨后快冷過程中來不及析出或以細(xì)小的顆粒重新析出（Nb,Ti）C粒子。Nb屬于強(qiáng)碳化物形成元素使馬氏體分解減慢，可協(xié)同調(diào)控馬氏體回火穩(wěn)定性，保障了鋼的強(qiáng)度，而極小的析出相有利于提升強(qiáng)塑性，因此熱鍍鋅雙相鋼綜合力學(xué)性能優(yōu)異。最終產(chǎn)品測試析出粒子平均尺寸~9nm。

Nb屬于強(qiáng)碳化物形成元素使馬氏體分解減慢。熱鍍鋅溫度正是低碳馬氏體高密度位錯回復(fù)再結(jié)晶的溫度區(qū)間，而固溶Nb具有強(qiáng)烈阻礙再結(jié)晶作用，有利于提高馬氏體回火穩(wěn)定性，保障了鋼的強(qiáng)度，而極小的析出相有利于提升塑性，因此熱鍍鋅雙相鋼綜合力學(xué)性能優(yōu)異。

2.鐵素體+馬氏體/馬氏體（回火）的新型雙相鋼組織調(diào)控技術(shù)。采用優(yōu)化鍍前冷卻+感應(yīng)加熱技術(shù)，獲得鐵素體+馬氏體/馬氏體（回火）組織，實現(xiàn)熱鍍鋅600-1200MPa系列雙相鋼產(chǎn)品的高性能化和穩(wěn)定制造，大幅度提高產(chǎn)品穩(wěn)定性、成型性和擴(kuò)孔性等綜合性能。

該項目采用的鍍鋅前快冷至馬氏體溫度工藝，通過高氫冷卻系統(tǒng)，獲得更大的冷速，并冷卻至Ms溫度以下，在鍍前形成部分馬氏體，通過電磁感應(yīng)加熱器對材料進(jìn)行反向加熱，實現(xiàn)材料鍍鋅處理。冷卻到快冷溫度時，發(fā)生部分馬氏體轉(zhuǎn)變，而剩余殘余奧氏體穩(wěn)定性足夠高，即使升溫至460℃，也不會發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。因此，通過快冷段高氫比例投放實現(xiàn)鍍前冷卻控制技術(shù)，去除或減少傳統(tǒng)工藝設(shè)計中提高奧氏體穩(wěn)定性的Mo等合金。淬火后再次升溫到460℃，部分馬氏體發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，部分馬氏體分解，碳化物析出。

該工藝技術(shù)有利于提高材料穩(wěn)定性。采用該技術(shù)生產(chǎn)工藝窗口更寬，有利于組織和性能穩(wěn)定控制。與傳統(tǒng)工藝相比，該設(shè)計需要適當(dāng)增加碳含量，平衡條件所需加熱溫度更低，加熱工藝窗口增加3℃（現(xiàn)場工藝控制目標(biāo)為±5℃），獲得馬氏體臨界冷速由添加Mo合金的30℃/s，降低至本技術(shù)10℃/s，工藝窗口增加20℃/s。實際生產(chǎn)工藝窗口顯著擴(kuò)大。

(a) 傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)工藝曲線 (b) 工藝過程膨脹曲線

圖6 傳統(tǒng)工藝460℃鍍鋅時發(fā)生相變

傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)在460℃鍍鋅時，膨脹曲線顯示已經(jīng)發(fā)生明顯相變，如圖6所示。對比兩種工藝組織，如前文圖3所示，也可以看出明顯差異。傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)組織為鐵素體+馬氏體+貝氏體，而本技術(shù)為鐵素體+馬氏體+馬氏體（回火）組織。

該技術(shù)顯著提高材料沖壓過程的穩(wěn)定性。鍍前馬氏體工藝制度下組織中回火馬氏體與引入殘余奧氏體的DH材料不同，殘余奧氏體的引入可以高效提升材料延伸率，但本技術(shù)引入馬氏體（回火）組織，起到強(qiáng)度差過渡作用，對提高材料擴(kuò)孔率有利。

與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)雙相鋼相比，本項目組織有所差異。增加了回火馬氏體組織，而這種組織強(qiáng)度介于鐵素體和馬氏體之間，因此，協(xié)調(diào)性更好，有利于獲得更好的延伸率和成型性能，尤其在解決目前傳統(tǒng)雙相鋼邊緣翻邊開裂問題上，回火馬氏體過渡相滿足了材料在擴(kuò)孔、翻邊方面的需求。

3.高表面控制技術(shù)。采用獨特預(yù)氧化技術(shù)，通過預(yù)氧化腔、退火爐內(nèi)露點匹配，實現(xiàn)Mn、Si元素內(nèi)氧化控制，開發(fā)預(yù)氧化腔露點、規(guī)格矩陣技術(shù)實現(xiàn)厚規(guī)格鍍鋅雙相鋼穩(wěn)定生產(chǎn)工藝技術(shù)集成。

預(yù)氧化工藝技術(shù)主要在加熱區(qū)增設(shè)密閉的腔體，與其他增設(shè)水霧管設(shè)備工藝比，密閉腔體氣氛控制更加均勻，保證了材料合金元素在預(yù)氧化腔內(nèi)實現(xiàn)內(nèi)氧化，并通過退火爐內(nèi)露點對表層Fe基還原，提高材料在鍍鋅處理前的表面清潔性，通過預(yù)氧化腔露點、退火爐內(nèi)露點切換實現(xiàn)合金元素的內(nèi)氧化，解決項目中無Mo添加采用Mn元素強(qiáng)化而引起的表面質(zhì)量問題。

圖7 改善前后抑制層形貌（SEM）分析對比 (a)改善前；(b)改善后

根據(jù)不同規(guī)格帶速計算其在預(yù)氧化腔停留時間，通過熱鍍鋅模擬機(jī)對材料的選擇性氧化行為進(jìn)行探究，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗及總結(jié)，制定了該鋼種的預(yù)氧化工藝露點、氧含量以及產(chǎn)品規(guī)格配比矩陣參數(shù)，通過該技術(shù)的實施保證了材料表面質(zhì)量，尤其解決了厚規(guī)格產(chǎn)品表面缺陷問題。 

預(yù)氧化矩陣技術(shù)實施前、后產(chǎn)品表面對比，如圖7和圖8所示。采用該技術(shù)鋅層抑制層均勻性良好，并提高抑制層的致密程度，從而獲得更為良好的產(chǎn)品表面質(zhì)量，根據(jù)不同規(guī)格配比矩陣，解決了由于厚規(guī)格產(chǎn)品在爐時間長而出現(xiàn)的表面質(zhì)量問題，解決了熱鍍鋅超高強(qiáng)度雙相鋼鍍鋅表面缺陷。

圖8 不同缺陷樣品抑制層形貌（SEM）對比

四、應(yīng)用情況與效果

該項目研究開發(fā)高品質(zhì)熱鍍鋅雙相鋼系列化產(chǎn)品強(qiáng)度級別覆蓋450~1200MPa，使用客戶包括美國通用、上汽、吉利汽車、標(biāo)志雪鐵龍汽車、一汽汽車、比亞迪等主流車廠等，得到用戶一致認(rèn)可。項目開發(fā)DP590+Z目前年產(chǎn)達(dá)9.4萬噸，DP780+Z年產(chǎn)達(dá)2.7萬噸，通過該項目開發(fā)的熱鍍鋅雙相鋼系列化產(chǎn)品具有高品質(zhì)、低成本的特性，打破了汽車用熱鍍鋅雙相鋼的價格壁壘，使得客戶在各車型的使用量得以增加，材料已累計供貨多年，材料成型性能得到了客戶的一致好評。本鋼研發(fā)生產(chǎn)熱鍍鋅雙相鋼CR590T/340Y-DP、CR780T/420Y-DP經(jīng)北美實驗室檢測合格，成功通過美國通用汽車認(rèn)證。主要用于左/右B柱內(nèi)加強(qiáng)板、左/右側(cè)頂梁前內(nèi)板、頂蓋加強(qiáng)梁等零部件，客戶使用良好。

圖9 典型應(yīng)用情況

本鋼研發(fā)的熱鍍鋅雙相鋼系列化產(chǎn)品在新勢力汽車企業(yè)中也得到廣泛使用，對DP580+Z、DP780+Z進(jìn)行材料性能驗證，進(jìn)行沖壓試驗時，零件無開裂及褶皺等缺陷，電泳板表面良好。本鋼含Nb鍍鋅雙相鋼性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，客戶使用狀況良好。

圖10 該技術(shù)產(chǎn)品獲得汽車輕量化設(shè)計大賽一等獎

基于各大主機(jī)廠的廣泛應(yīng)用和認(rèn)可，該技術(shù)開發(fā)的鍍鋅雙相鋼系列化產(chǎn)品也獲得汽車工程學(xué)會主辦的“2023年（第六屆）汽車輕量化設(shè)計大賽一等獎”，如圖10所示。