隨著人民生活水平不斷提高，汽車產量不斷上升，隨之而來的還有環保、節能、輕量化的壓力。如何在保證汽車板強度的同時，減輕汽車重量，是目前汽車行業亟待解決的難題。汽車用先進高強鋼主要有[1]：雙相鋼（DP鋼），復相鋼（CP鋼），馬氏體鋼，相變誘導塑性鋼（TRIP鋼）以及孿晶誘導塑性鋼（TWIP鋼）。雙相鋼（DP鋼）的顯微組織主要由軟質鐵素體基體和硬質島狀馬氏體組成，還可含少量貝氏體或殘余奧氏體[2]。這種鋼的強度、韌性和成形性能都較好。DP鋼主要應用于車輪輪轂、保險杠、懸架系統及其加強件[3]。

根據目前的國內外研究現狀可知，影響合金元素的選擇性氧化因素主要有[4]：擴散系數、氧化反應吉布斯自由能、退火爐露點等。馬峰[5]通過掃描電鏡分析合金元素在退火過程中的選擇性氧化造成的熱鍍鋅產品表面質量缺陷，對退火爐內露點、氧含量等關鍵參數進行調整，使外氧化轉變為內氧化，達到了抑制合金元素的目的。孟曉萍[6]分析了退火爐露點溫度對鍍鋅帶鋼表面質量的影響，通過對現有生產線加設增濕裝置，改善帶鋼表面漏鍍缺陷及爐輥結瘤問題。蔣光銳等[7]在一種C?Mn?Si體系高強鋼表面預先電鍍100 nm厚度的鎳，然后在鍍鋅模擬器上進行模擬退火處理。結果證明，預鍍鎳能夠有效降低Si和Mn向外的擴散速率，抑制Si和Mn元素在表面的富集程度，改變表面選擇性氧化產物的種類，減少高強鋼表面氧化物的數量。

本文對DP980熱鍍鋅板卷脫鋅原因進行了分析，并制定相應改進措施，有效的減少了高強鋼的漏鍍、脫鋅等缺陷，具有較大實際意義和研究價值。

1.   高強鋼可鍍性分析

高強鋼由于含有較多的合金元素（Al，Si，Mn，Cr，B等），如表1所示，在退火過程中，合金元素在鋼板表面發生選擇性氧化形成氧化物。這些氧化物會降低鋅液與鋼板之間的浸潤性，影響抑制層的形成，使得鋅層發生剝落或者出現漏鍍點[8]（圖1）。

元素的擴散對合金元素的氧化有重要影響，主要包括：氧元素向內擴散、合金元素向外擴散。根據表2常見合金元素在鐵素體和奧氏體中的擴散系數[9]可以得出，合金元素的擴散速率比O元素慢。元素在晶體缺陷處（例如晶界處）的擴散要遠快于晶體內部。從動力學角度分析，合金元素的擴散系數越大，越容易發生氧化。

金屬元素氧化過程的吉布斯自由能對合金元素的選擇性氧化也有重要影響：由圖2埃林漢姆圖（Ellingham）[10]得出，氧化過程中，自由能負值越大，生成的氧化物越穩定。從熱力學角度分析，在同一溫度下，若幾種元素同時與氧相遇，則位置低的元素最先氧化。

高強鋼中存在的Mn、Si、Al等合金元素，與氧的親和力比Fe元素強，在退火過程中，優先與退火爐保護氣中少量的氧氣或水反應形成氧化物，這就是合金元素的選擇性氧化。高強鋼的選擇性氧化又分為內氧化和外氧化[11]。如圖3，在退火過程中，鋼板會被加熱到較高的溫度，鋼板中的合金元素向表面擴散并與氧氣反應生成表面氧化物，這種現象稱為外氧化[12]。氧氣擴散到鋼表面以下的亞表面層，并與鋼中合金元素反應生成相應的氧化物，產生的氧化物也位于鋼板的亞表面層，這種現象稱為內氧化[13]。合金元素在鋼板表面發生外氧化，使鋼板鍍鋅性能惡化的問題叫做鋼板的可鍍性問題。

2.   高強鋼DP980表面脫鋅缺陷成分分析

某鍍鋅線生產規格為1.5 mm×1154 mm的高強鋼DP980過程中，出現嚴重的帶鋼脫鋅問題，缺陷圖片見圖4。

2.1   基板表面成分分析

從基板表面成分分析（圖5）發現：（1）此鋼種的板坯B元素質量分數為0.002%（表1），而經過退火工序后基板表面B元素的質量分數為1.9%，說明B元素的表面富集非常嚴重；（2）撕掉鍍層后的基板表面沒有發現Zn元素，說明鍍層與基板脫離非常徹底，Zn液在出鋅鍋時只是涂到了帶鋼表面，與帶鋼沒有結合力。

為了驗證檢測出的B元素含量較高不是測量誤差，對基體內部的元素含量進行了分析。此鋼種的Mn、Si和B元素的質量分數分別為：2.4%、0.4%和0.002%（見表1），能譜分析值（質量分數）分別為2.4%、0.4%和0，如圖6所示，Mn元素和Si元素的檢測值和實際值吻合，說明電鏡檢測基本準確；B元素檢測值為0，符合電鏡的檢測精度，即質量分數≤0.01%的元素檢測不出來。

綜上，說明電鏡對成分的分析基本準確，基板表面的B元素含量高確實為表面富集導致的。

2.2   脫落的鍍層表面成分分析

對脫落鍍層（圖7）表面成分分析如圖8所示，鍍層內表面有B元素，質量分數為0~1.2%，說明基板表面富集的B元素在鍍上鋅層后從基體表面擴散到了鍍層表面，進一步說明B元素非常容易擴散。

2.3   鍍層和基體結合界面成分分析

對脫鋅樣的鍍層和基體結合界面做線掃描分析，主要分析Al元素的變化情況，并和正常樣的變化情況進行對比，如圖9所示。通過線掃描可以發現，脫鋅樣在界面處的Al元素“尖峰”不明顯，而正常樣的Al元“尖峰”比較明顯，說明脫鋅樣界面處的Fe2Al5層形成不好或基本沒有形成Fe2Al5層，導致鋅層與基體的結合力較差，從而脫鋅。

通過輝光放電光譜檢測（GDS）分析鍍層−基體界面，結果如圖10所示，脫鋅試樣在鍍層與基體界面處，B元素尖峰明顯，富集嚴重，而Al元素基本沒有明顯的尖峰，說明Fe2Al5層基本沒有形成；而不脫鋅試樣B元素也富集，但含量沒有脫鋅試樣的高，Al元素尖峰明顯含量較高，說明Fe2Al5形成較好。

根據以上分析以及相關文獻中對B選擇性氧化的研究[14]，脫鋅的原因是沒有形成Fe2Al5抑制層。此外，B元素的表面富集比較嚴重，而B元素也是一種易選擇性氧化元素，并且很容易擴散到帶鋼表面，在帶鋼表面與Mn元素和O元素形成MnB2O4氧化物膜覆蓋到帶鋼表面，阻止Fe2Al5抑制層的形成。

3.   高強鋼DP980表面脫鋅工藝參數分析

生產超高強鋼前對爐區氣氛進行了確認，沒有發現氣氛異常，各段氧體積分數2.6×10−6~4×10−6，各段露點−38.6~58.3 °C。同鋼種同規格的前期生產工藝參數與此次脫鋅卷對比。2次生產工藝參數區別最大的地方在于爐鼻子露點，前期生產過程中爐鼻子露點在−25 °C，本次生產爐鼻子露點在−50 °C以下。

此條鍍鋅產線年修時對爐鼻子氣密性進行優化，為了控制山峰紋缺陷，關閉了爐鼻子加濕，爐鼻子內露點降低到−50 °C以下。此鋼種的B元素質量分數為0.002%，極微量的B就可以使鋼的淬透性成倍增加，因此用微量B元素取代大量的合金元素，降低生產成本。但是B元素擴散能力強并且易氧化，爐鼻子露點在−50 °C以下，不能抑制B元素的外氧化[15]，導致B元素在帶鋼表面富集，同時由于此鋼種的Mn元素質量分數較高（2.4%），B元素與Mn元素形成了MnB2O4的氧化物膜，阻止了Fe2Al5抑制層的形成，導致鍍鋅粘附性下降，最終表現為嚴重脫鋅。

4.   改進措施

為了能同時控制山峰紋和脫鋅缺陷，爐鼻子加濕依然關閉。在鍍鋅線退火爐增設加濕裝置。預氧化的原理如圖11所示，在退火爐加熱段通入水蒸氣，提供帶鋼表面較高的氧分壓，使Mn、B等易氧化的元素在帶鋼的次表層氧化，帶鋼表面是一層Fe的氧化物[16]。在隨后退火爐均熱段還原氣氛中，把帶鋼表面的氧化鐵還原成海綿鐵。帶鋼進入鋅鍋后，表層的海綿鐵與鋅鍋中的鋁元素反應，形成Fe2Al5抑制層，提高可鍍性。

退火爐增設加濕裝置后，高強鋼鍍鋅板表面質量有了顯著提高。脫鋅、漏鍍缺陷得到了改善，如圖12~13所示。

5.   結束語

某鋼廠熱鍍鋅機組在投用退火爐加熱段加濕后，生產的高強鋼汽車板產品表面漏鍍、脫鋅缺陷得到了有效控制，產品質量得到了極大提高。將高強鋼生產過程中的爐區氣氛的控制方法固化到技術規程和操作規程中，結合有效的設備管理，還可以減少鋅耗，節約成本。隨著市場對熱鍍鋅高強鋼表面質量要求越來越高，對于退火爐內的露點控制要求也越來越高，對于退火爐內露點分區控制和露點的閉環控制還需要不斷實踐和完善。

參考文獻

[1]牛金瑜. 退火工藝對汽車高強鋼板表面組織和可鍍性的影響[學位論文]. 上海: 上海大學, 2020

[2]郝玉林,蔡寧,姚士聰,等. 高強雙相鋼表面選擇性氧化行為對磷化性能的影響. 表面技術,2020,49(8):30

[3]周大元. 高強Q&P鋼鍍鋅工藝及其對組織和性能影響研究[學位論文]. 北京: 北京科技大學, 2021

[4]張偉龍,羅衍昭,黃財德,等. 高強汽車板窄成分控制工藝技術研究. 煉鋼,2021,37(2):47

[5]馬峰. 熱鍍鋅先進高強鋼合金元素選擇性氧化控制. 金屬世界,2021(4):57

[6]孟曉萍. 增濕裝置在熱鍍鋅高強鋼生產線上的應用. 冶金管理,2021(11):17

[7]蔣光銳,王海全,劉廣會,等. 預鍍鎳層對一種C–Mn–Si高強鋼選擇性氧化行為的影響. 表面技術,2021,50(2):304

[8]馬海龍, 韓樂, 巫雪松, 等. 冷軋DP780沖壓脫鋅原因分析. 金屬世界, 2020（3）: 35

[9]趙剛, 毛一標, 曹壘. 高強鋼汽車板冷軋點狀缺陷分析與改善//第十二屆中國鋼鐵年會論文集: 5. 金屬材料深加工. 北京: 冶金工業出版社, 2019: 39

[10]韓赟. 首鋼汽車用先進高強鋼研發進展及應用實踐//第十二屆中國鋼鐵年會論文集: 大會特邀報告&分會場特邀報告. 北京: 冶金工業出版社, 2019: 153

[11]鄭艷坤. 冷軋帶鋼爐內氧化機理研究及現場應用[學位論文]. 沈陽: 東北大學, 2017

[12]蔣光銳,王海全,劉李斌,等. 加熱段露點對C-Mn-Si-Al高強鋼選擇性氧化的影響. 金屬熱處理,2017,42(11):198

[13]李研,劉順明,張亮亮,等. 冷軋雙相鋼表面氧化色形成機理與控制措施. 鋼鐵研究學報,2017,29(5):425

[14]王王. 先進高強鋼退火過程選擇性氧化模型的研究[學位論文]. 沈陽: 東北大學, 2016

[15]李遠鵬. 熱鍍鋅DP780雙相鋼的選擇性氧化行為研究[學位論文]. 北京: 鋼鐵研究總院, 2012

[16]李遠鵬,江社明,張啟富. 高強度熱鍍鋅雙相鋼的可鍍性問題研究. 鋼鐵研究學報,2012,24(4):1

文章來源——金屬世界