金属材料与冶金工程
METAL MATERIALS AND M ETALLURGY ENGINEERING
张鹏，刘学良，周屿，贾冬梅，谢军
(华菱安赛乐米塔尔汽车板有限公司，湖南娄底417000)
摘要：在生产现场对DP600双相钢的合金化加热工艺进行了优化，利用扫描电镜分析G A双相钢在不同
合金化温度条件下的镀层相结构，并结合镀层铁含量和粉化性能差异提出了可行的合金化生产工艺路线。 结果表明：合金化炉在加热功率不变的条件下，慢冷段负压风机功率设定比例为32%时，带钢在炉内加热 段与慢冷段的温差最小，镀层与基体之间的Zn-F e扩散反应充分；合金化加热温度480~5001、慢冷温度
460~480丈及合金化时间27 s时，镀层获得晶粒均匀、轮廓清晰的短棒状S相的最佳相结构；合金化温度
升高，5相的长大形态由短棒状向颗粒状发展，镀层抗粉化能力减弱；DP600双相钢镀层铁含量（质量分 数）的最佳控制范围是9%~11%。
关键词：双相钢；相结构；抗粉化性能；合金化；扩散反应
中图分类号：TG174.445 文献标识码：A文章编号：2095-5014 (2021)01-0003-05 Research on Galvannealing Process for GA Dual Phase Steel
ZHANG Peng,LIU Xueliang,ZHOU Y u,JIA Dongmei,XIE Jun
{Valin ArcelorMittal Automotive Steel Co.,Ltd.,Loudi417000, China)
ABSTRACT：The galvannealing heating process of DP600 dual-phase steel was optimized in
the production site.The phase structure of GA dual phase steel coating at different alloying temperatures was analyzed by scanning electron microscope.And feasible alloying process was put forward based on the difference of iron content and anti powdering property of coating.The results show that under the condition of constant heating power,when the power ratio of negative pressure fan in slow cooling section is 32%, the temperature gap between GA heating section and slow cooling section is the smallest,and the Zn-Fe diffusion reaction between coating and substrate is suff
icient;when the heating temperature is480〜500 ，the slow cooling temperature
is460〜480 Ti and the alloying time is 27 s，the coating obtains the best phase structure of short
rod-shaped Sphase layer with uniform grains and clear profiles;when galvannealing temperature rises,the8 phase layer changes its shape from short rod to granular,and the powdering resistance of coating becomes weak；the optimal control range of iron content in the coating of
DP600 dual-phase steel is9%〜11%.
K E Y W O R D S：dual-phase steel；phase structure；resistance to powdering；galvannealing；diffusion reaction
收稿时间：2020-12-18
第一作者简介•.张鹏（1974—)，男，工学硕士，产品工程师，主要从事冷、热成型高强钢的热镀锌及合金化生产工艺研究。
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张鹏，等：GA双相钢镀层合金化工艺研究
发电机冷却器
热锻锌合金化过程（Galvannealing，简称 GA)，是指带钢经过热镀锌后对镀层进行扩散退火的连续表面处理过程。经过镀层合金化后的热镀锌带钢具有良好的焊接性能、涂覆性能、耐热性能和耐蚀性能，被广泛地应用于中高档汽车上。目前，日系车基本上全部采用合金化带 钢作车身面板和结构件，欧美国家的汽车主机厂也在不断地提高合金化带钢的车身使用量[|]。
双相钢（Dual Phase stee丨，简称D P钢）作为 一种先进高强钢，正广泛应用于车身支撑梁、保险杠等受力构件。根据连续热镀锌(CGL)生产 要求，冷轧双相钢需要经过连续退火才能进行热镀锌和合金化处理。但是，双相钢基体富含Mn、Si、C r等合金元素，在连续退火时，这些 合金元素与氧的亲和力比铁要强，会优先发生选择性氧化反应，在带钢表面形成一层氧化膜，降低带钢的可镀性[2]。所以，G A双相钢的镀层 质量问题已经成为影响汽车用钢合格率的敏感问题，是工艺技术人员研究的主要目标之一。杜小峰等m开发出了具有优良抗粉化性能和点焊性能的C-M n钢系列合金化热镀锌高强钢；邸 洪双[4]等研究了合金化化工艺及锌液成分对先进高强钢的合金化镀层相结构及抗粉化性能的影响，指出带钢的表面选择性氧化问题是影响其镀锌性能的最大因素。但是，关于合金化双相钢规模化生产实践方面的研究，目前很少看到 文献报道。某公司1#连续热镀锌机组采用的是美钢联法生产工艺：带钢经过热镀锌后，在合 金化炉感应加热段和电辐射管慢冷段进行锌层合金化，然后经过强力风冷冷却至室温以下。在双相钢生产控制方面，该机组的连续退火炉采用预氧化-还原法，充分减轻了双相钢表面氧化物的富集程度。本文在此基础上，现场优化DP600双相钢的合金化生产加热工艺，并结合 镀层的相结构、铁含量及粉化性能差异提出了最优化的合金化生产工艺路线。
1生产与试验
1.1生产过程控制
某公司1#连续热镀锌机组配置了在线监测设备，实时监测锌液成分、镀层厚度和铁含量等数据。在生产过程中，机组首先根据订单系
统提供的信息调整生产速度、退火温度及热镀锌工艺参数，然后依据在线数据优化气刀压力和合金化温度，保证镀层厚度和铁含量等指标满足技术规程要求。
机读答题卡
生产流程如下：（1)经过冷轧后的双相钢冷硬卷在热镀锌机组开卷和激光焊接，然后进入 清洗段进行碱刷洗、电解清洗、三级漂洗和烘干处理，减少带钢表面的残留轧制油和铁粉颗粒；（2)清洗完毕后的带钢马上进入立式退火炉，进行带钢晶粒的回复和再结晶退火处理；（3)退 火状态的带钢穿过炉鼻子浸人锌锅进行表面镀锌，带钢的镀液在气刀吹扫作用下减薄到规定的厚度，然后进入合金化炉进行镀层的合金化处理；（4)合金化完毕的带钢经过光整轧制和后处理工序，最后进人出口卷取和包装环节。
1.2加热工艺优化
在热镀锌生产过程中，影响合金化镀层抗粉化性能和附着力的主要因素是其合金化工艺。
也就是说，合金化工艺决定着镀锌过程中锌、铁、铝的扩散反应，合金化镀层中的铁含量及合金相结构[5]。
合金化温度包括加热、慢冷和快冷三个阶段的温度，但镀层相变主要发生在前两个阶段。
合金化炉感应加热功率越大，炉内带钢的温度会越高，基体铁与镀层锌之间的扩散进程就会越快。但是，过高的加热功率，扩散反应会过于激烈，导致镀层粉化性能的恶化；反之，则 会造成镀层合金化不良，影响产品的焊接性能[6]。所以，在感应加热功率稳定的前提下，缩 小带钢的炉内加热与慢冷温差、促进Zn-F e之 间的充分扩散、提高镀层合金化程度是本文探讨的问题之一。
合金化炉主要由感应加热段（GA)、慢冷段 (SCS)和快冷段（FCS)三部分组成。通过反复的 工艺试验，发现慢冷段的炉膛空气压力能改变炉内带钢的加热段与慢冷段的温差，从而影响 带钢的镀层合金化效果。慢冷段的炉膛空气压力主要通过正压风机（FAN1、FAN2)和负压风机 (FAN3)来调节。在生产过程中，为了减少带钢 镀层在炉内加热段与慢冷段的温差，通常把正 压风机FAN1和FAN2的吹扫功率设定为较小值 (额定功率的15%以内），通过调节负压风机
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金属材料与冶金工程
(FAN3)的功率来保证炉膛内热空气的充分对流，同时也避免了因正压风机的吹扫功率过大而局部降低带钢表面温度。
本文以DP600双相钢的合金化生产为例，现场试验负压风机(FAN3)功率对带钢合金化温度的影响。在保持带钢速度、感应加热和电辐射管功率等工艺参数稳定的条件下，从小到大缓慢地调节风机FAN3的吹扫功率，分别记录稳 定状态下的G A温度、SC S温度及炉膛压力P%，见表1。
表1合金化炉FAN3功率试验结果
Table1The result of FAN3 power test for GA furnace
FAN3功率/%G A温度/€S C S温度/*€(GA-SCS)温度/•€Pscs^Pa 7489.6457.032.630.14 15491.0451.040.017.67 18492.0452.040.017.99 20492.0453.039.011.94 25491.0456.035.0 5.73 28487.5453.034.5 2.05 30494.0453.640.40.35 32494.4462.032.40.45 36495.0455.939.10.03 40491.5460.930.6-7.47 43492.0455.037.0-8.00 45493.9458.035.9-9.03 50491.0456.035.0-11.35
如表1所示，随着风机FAN3功率的加大，向外排放的热风量增加，炉膛压力逐渐减少。负压风机功率的增加具有两面性：在排出热风的同时，会把感应加热段的热量带到慢冷段。所以，风机FAN3功率在升高过程中，带钢的 G A温度和S C S温度有明显波动，见图1。当FAN3功率设定比例在32%左右时，SC S温度达
图1FAN3功率对合金化温度的的影响
Fig.l Effect of different FAN3 power
on galvannealing temperature 到了较高值，且与G A温度的差值最小，此时的 炉膛压力为微正压(0.45 Pa)。
根据以上试验分析，1#热镀锌机组调整了DP600-G A双相钢的合金化生产控制方法。在加 热功率等工艺参数不变的条件下，设定合金化炉FAN3的风机功率比例为32%左右，炉膛保持微正压，缩小了炉内加热段与慢冷段的带钢温差。
1.3镀层工艺试验
试验材料来自于生产现场的DP600-G A钢 卷，样卷编号、规格及镀层合金化工艺参数如表2所示。样卷材料主要成分为：0.05%~ 0.20% C,0.10%-0.50% S i,0.80%-2.80%Mn, 0.01%~0.10% A l,0.10%~0.45% Cr,M〇«0.25, 余量为Fe。为了研究不同温度条件下的镀层相结构差异，从DP600-G A钢卷长度方向的带钢中间取样，在带能谱仪（EDS)的EV018型扫描 电镜(SEM)下观察镀层微观形貌，并用BUP200 型杯突试验机检测其粉化值。镀层合金化率即
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张鹏，等：GA双相钢镀层合金化工艺研究
表2 样卷规格及合金化工艺参数
轴承装配机
Table 2 Sample coil specifications and galvannealing parameters
样卷号样卷规格/mm FAN3功率/%加热温度慢冷温度/丈快冷温度合金化时间/S
(a) 1.0*11163248145127027
(b) 1.0*11163249146227027
(c) 1.0*12403249447827027
(d) 1.4*12613253547527027
铁含量，采用化学方法（ICP)进行测量。
2结果与讨论
2.1合金化温度对镀层微观形貌的影响
虹吸式咖啡壶
由表2可以看出，样卷的规格接近，合金 化时间和快冷温度相同，只是加热和慢冷温度不同，镀层却表现出明显的差异。比较四个卷子的镀层形貌（见图2)发现：卷(a)疏松的长短不一的棒状5相中间夹杂少许粒状f相；而卷(b)表面几乎看不到^相，且S相都以短棒状为主，晶粒较均匀；卷(c)的镀层表面呈现更多的颗粒状S相，且有部分区域的5相轮廓较模糊、锌层 表面有少许微裂纹；卷（d)的镀层表面S相向多 边形的细颗粒状方向发展，出现较大范围的模糊S相轮廓，且镀层表面存在明显的微裂纹、S 相局部呈现小孔隙，这种表面形貌的出现，证 明炉内温度过高，导致镀层过合金化。
图2 不同合金化温度下的镀层表面SEM形貌
钓鱼支架Fig.2 SEM micrographs of coating surface in different galvannealing temperature
根据合金镀层的生长机理得知，退火态的样卷浸泡在锌液中快速形成Fe2Al5抑制层，并 在铁基体与抑制层界面上富集形成5相。当析 出的5相达到临界体积时，积蓄的能量足以冲破Fe2Al5抑制层，发生爆炸反应，即5相在高温环境下继续与液态Z n反应，生成带^•相的爆发 组织，并且随着F e-Z n之间的相互扩散，S相会 进一步生长，但是（相会转化为5相而消失[6]。所以，从卷U)到卷(b)，合金化温度升高，有助 于5相消耗（相而长大，且5相比例进一步增
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金属材料与冶金工程
9.5 9.08.5
(a )
(b )
(c )
样卷号
(d)
图3合金化温度对镀层铁含量粉化值的影响 Fig .3 Effect of different galvannealing
temperature on iron content and powdering value of coating
分析四个样卷的合金化工艺，不难发现合 金化温度低，镀层的粉化值越小。但是，在其 它条件相同时，合金化温度较低，镀层铁含量 也较低，镀层表面会出现较多的软相（< 相）。 带钢发生塑性变形时，软相会优先释放应力， 从而增加镀层的抗粉化能力。但是，镀层软组
织越多，在后续的压力加工过程中，会增加带
钢与模具之间的摩擦力而发生剥离，既降低了 带钢的成型性能，又降低了模具的使用寿命[7]。 相比下，卷（b )的镀层主要以短棒状S 相为主， 晶粒较均匀、轮廓较清晰，且镀层粉化值较低， 有利于冲压成型。
3结论
(1)
合金化温度对DP 600双相钢镀层相结
构的影响显著。优化合金化炉慢冷段的负压风 机功率，缩小了带钢的合金化加热段与慢冷段 的温度差，从而促进Zn -F e 之间充分扩散、提 高了镀层的合金化效果。
(2) DP 600双相钢镀层的最佳相结构是晶 粒均匀、轮廓清晰的短棒状S 相。合金化温度 升高，S 相的长大形态会发生变化，即由短棒状 向颗粒状发展，镀层抗粉化能力减弱。
(下转第29页）
多；从卷(b )到卷(c )，合金化温度进一步升髙， S 相的长大形态发生变化，即由短棒状向颗粒状 发展；从卷（c )到卷（d )，受带钢增厚的影响， 合金化程度进一步增强。这是因为越厚的带钢， 从锌锅带过来的热量越多，在合金化炉内会加 大基体铁在镀层中的扩散能力。
2.2合金化温度对镀层铁含量和粉化性能的影响
在不同的合金化温度环境下，四个样卷的 表面镀层差异也体现在铁含量和粉化性能上， 见表3。从卷(a )、卷(b )、卷(c )到卷(d )，合金 化温度依次增加，镀层铁含量和粉化值也有相 应地提高。当铁含量在8.9%~10.5%范围内，镀 层粉化值在1.5~2.9g /m 2之间，表现出良好的抗
粉化性能。但是，当镀层铁含量达11.95%以上 时，镀层粉化值快速上升到8.2 g /m 2以上。这 种现象充分说明了合金化温度对镀层铁含量和 粉化值的敏感性。
比较卷（b )和卷（c )合金化工艺，二者加热 温度基本接近，加热时间相同，只是卷(c )的慢 冷温度比卷(b )高16T ；但是，从卷(b )到卷(c ) 的镀层铁含量和粉化值都有显著的增加（见 图3)。这说明在镀层合金化后期，慢冷温度能 够延长Fe -Z n 之间的相互扩散进程，慢冷温度 越高，提供给Fe -Z n 扩散反应的能量越多，越 能促进S 相的进一步生长，这表现在形态上由 短棒状5相逐渐演变成颗粒状5相。
表3样卷镀层铁含量及粉化值
Table 3 Coating iron content and powdering values for sample coils
样卷号镀层重量/(g /m 2)
合金化速度/(m /min )
镀层铁含量/%
粉化值/(g /m 2)
(a )401008.96 1.56(b )
4010010.56 2.92(c )
4010011.958.24(d )
虹吸式屋面雨水排放系统40
100
12.37
11.53
2
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1
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雲麻
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