高強度汽車用鋼發展與第3 代汽車高強度鋼的探究論文
高強度汽車用鋼發展與第3 代汽車高強度鋼的探究論文
1 引言
近年來世界汽車保有量與日俱增，以越來越大的影響力改變著人們的工作與生活，但同時隨之而來的能源短缺、環境汙染等一系列問題也日益突出。輕型、節能、環保、安全舒適、低成本等成為各汽車製造廠商追求的目標，而節能減排已成為世界汽車工業界亟待解決的問題。國內外汽車廠家採取一系列措施，其中最有效的措施之一是減輕汽車自身質量，即汽車輕量化。
有資料表明，厚度為1.0～1.2 mm 車身用高強度鋼板減薄至0.7～0.8 mm，車身質量可減輕15%～20%，可節油8%～15%。因此，提高鋼材的強度，減薄鋼板的厚度成為汽車輕量化的合理途徑和不可阻擋的應用趨勢。普通大眾消費的乘用車高強度鋼的應用呈現出飛躍發展態勢，即從30% 增至60% ，先進高強鋼和超高強鋼每5 年約提高5%，相比之下鋁合金在車身中應用比例遠小於高強度鋼板。相關專業人士對2015 年車身用鋼情況進行了預測，各種鋼的用鋼比例如圖1所示。
2 高強度汽車用鋼的發展
汽車用高強度鋼板的開發由於車身輕量化要求而得到快速推進。20 世紀70 年代相繼開發出固溶強化鋼、析出強化鋼、複合組織強化鋼(DP鋼、CP 鋼)等鋼種。這些鋼種的開發多以提高強度為主，對材料的成形性及相關衝壓技術的研究較少，所以其用途受到限制。從80 年代後期開始，美國率先推出CAEE 規定，對汽車的輕量化要求進一步提高，為此開發出以組織調控為特點的高強度鋼板，並使之實用化，主要產品有：固溶強化型極低碳IF 深衝用鋼板(拉伸強度TS=340～440 MPa)、烘烤硬化型(BH)深衝用鋼板、殘餘奧氏體組織TRIP 型高延展性鋼板(拉伸強度TS =590～980 MPa)等[2]。這些鋼板不僅強度高，而且大幅改善了加工效能。與此同時，對於高強度鋼板在車身方面的研究也越來越廣泛。1994年，由美國鋼鐵協會呼籲，國際鋼鐵協會成立了由18 個國家35 家鋼鐵公司組成的ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body)專案組，目的是採用當時最先進的技術，在不增加成本並維持車身功能與抗衝擊安全性的同時減輕車身質量。該專案中汽車車身所用高強度鋼與超高強度鋼的比列超過90%。在此基礎上，1998年3月鋼鐵企業又開始在全球實施ULSAB-AVC 計劃，即先進的汽車概念專案，從整體上研究開發新一代鋼鐵材料汽車結構(車身、覆蓋件和懸架件等)，為之後新一代高強度鋼板的研究推進做出很大貢獻。
2007 年，美國科學家首先提出開發第3 代高強度汽車鋼。這類鋼材效能和成本介於第1代和第2代高強鋼之間，其強度高、可塑性強。無論在工業製造還是試驗研究方向都有所進展。目前，國內外對於第3 代高強度鋼的研究不斷深入，在不同方面有所創新或發現，其中整合計算材料工程(ICME)取得了最新進展，具備加速最佳先進材料開發的可能。這些材料包括含有大量殘餘奧氏體的TRIP-TWIP 鋼，它們可能作為第3 代鋼而被應用。這種利用整合計算材料工程的方法已經應用到多尺度模型計算，但到目前為止還沒有應用到鋼鐵領域。美國能源部新批准600 萬美元用於資助創新聯盟，該聯盟由美國汽車材料合作伙伴(USAMP)、汽車/鋼鐵合作伙伴(A/SP)、鋼材市場發展研究所(SMDI)、5 所美國大學以及包括鋼材和汽車生產企業的行業夥伴組成。該專案將包括開發計算模型工具，輕量化、安全和燃油經濟性更好的汽車用鋼的最佳化。總之，新一代高強度鋼板的深入研發和應用前景甚是廣闊。
3 第3 代高強度汽車用鋼簡介及國內外研究狀況
雙相鋼(DP)、復相鋼(CP)、相變誘發塑性鋼(TRIP)和馬氏體鋼(MART)等的強度範圍為500～1 600 MPa，均具有較高的輕量化潛力、碰撞吸收能、成形性以及較低的平面各向異性等優點，在汽車上得到廣泛應用，被稱為第1代高強度汽車用鋼。
第1代高強度汽車用鋼的低強塑積(Rm×A)達5～15 GPa%，奧氏體含量較低(不足15%)。DP 鋼微觀組織為鐵素體+馬氏體，TRIP 鋼成分為鐵素體+貝氏體+殘餘奧氏體。馬氏體是透過高溫奧氏體組織快速淬火轉變為馬氏體組織的。2007 年，阿賽洛等鋼鐵廠家進行孿晶誘導塑性鋼(TWIP)、具有誘導塑性的輕量化鋼(L-IP)的研究。室溫下，這些鋼種的組織為穩定的殘餘奧氏體，當施加一定的外部載荷後，由於應變誘匯出現了機械孿晶，會產生較大的無頸縮延伸，因而顯示出優異的.力學效能、高應變硬化率並具有極高塑性(60%～90%)和較高強度(600～1 000 MPa)，被稱為第2代高強度汽車用鋼，該鋼高強塑積介於50～60 GPa%範圍。第2 代高強度汽車用鋼TWIP鋼組織為奧氏體，在變形過程中發生機械孿晶並誘導塑性，從而保證了優良的塑性。
第3代先進高強度汽車用鋼兼有第1代和第2代高強度汽車用鋼微觀組織的特點，首先應該是具有高強特點的BCC相和較高組分的具有高強化特性的FCC 相的複合組織，即具備BCC+FCC 的複合組織，並充分利用晶粒細化、固溶強化、析出強化及位錯強化等手段來提高其強度，透過應變誘導塑性、剪下帶誘導塑性和孿晶誘導塑性等機制來提高塑性及成形效能。
我國國內對於第3 代高強度汽車用鋼的研究處於國際前列。北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室對第3代高強度汽車用鋼的研究較早。2012 年，在國家“973”計劃專案子課題“第3 代高強高韌低合金鋼精細組織的研究”的支援下，開展了第3代先進汽車用鋼的研究工作：基於動態相變的熱軋低合金TRIP鋼技術進行合金成分設計和工藝最佳化，透過新增微合金化元素或調整Mn、Si 含量，獲得了力學效能指標在第3代先進汽車用鋼範圍內的細晶TRIP鋼。
寶鋼於2002年開始涉足超高強鋼的研製開發，歷經10年探索，成功具備了第3代高成形性超高強鋼——淬火延性鋼的工業化生產能力。2010年，寶鋼全球首發第3代Q&P980鋼(淬火配分鋼);2013年，全球首發第3 代熱鍍鋅Q&P980 鋼。截至目前，寶鋼是全球唯一一家實現第3代超高強鋼批次穩定供貨的企業，也是目前世界上唯一一家同時可以工業化生產第1代、第2代和第3代全系列超高強鋼的鋼鐵企業。
鞍鋼作為國內主要的汽車鋼板供應商，在成功實現傳統高強鋼(含磷高強鋼、低合金高強鋼)穩定、批次供貨後，又相繼開發了以DP 鋼(雙相鋼)、TRIP 鋼(相變誘導塑性鋼)、TEIP 鋼(孿晶誘導塑性鋼)、QP鋼(淬火-配分鋼)為代表的先進高強鋼，為汽車工業實現節能、輕量化和提高安全性的目標提供技術支援。目前，鞍鋼先進高強汽車用鋼的研製開發進展順利，已形成熱軋、冷軋和熱鍍鋅汽車用鋼的產品系列，不僅在DP 鋼、TRIP 鋼等第1代高強度鋼和第2代TWIP鋼上有所發展和突破，而且針對第3代先進高強鋼QP鋼種，透過自主研發實現了QP鋼的工業化生產。2013年，國內第3代汽車用鋼AQP980在鞍鋼天鐵冷軋薄板公司面世。鞍鋼已走在汽車用鋼研發的前沿，成為世界鋼鐵業和汽車製造業矚目的焦點。現階段所有高強鋼研發工作思路都趨於一個方向，即生成高強的基體組織和足夠多的奧氏體，同時奧氏體的穩定性是可控的，而在第3代汽車鋼的熱處理選擇上，通常運用逆相變和正相變兩種獲得奧氏體相的技術。在合金元素設計時，常採用更多的奧氏體穩定元素，而工藝設計則採用特殊工藝細化基體組織，如透過貝氏體等溫淬火工藝得到奈米貝氏體(Nanobainite)，透過淬火-配分(Q&P)工藝得到碳配分的馬氏體，透過兩相區退火工藝得到中錳鋼(Medium-manganeseSteels)的超細晶鐵素體(Ultra-fine Ferrite)。以中錳鋼、淬火延性鋼、奈米鋼、熱衝壓鋼等為代表的第3代高強度汽車用鋼目前都在研發之中。
3.1 中錳鋼
中錳鋼的顯微組織為超細晶鐵素體和亞穩態奧氏體，其抗拉強度高但伸長率較差，這主要是由於大部分粗大奧氏體中的錳富集不充分，在隨後冷卻到室溫的過程中轉變成了馬氏體。退火溫度過低時，抗拉強度和加工硬化速率均下降，同時有試驗觀察到極長的屈服延伸階段，這主要是由於生成了大量的超細晶鐵素體。而採用中間溫度退火時，退火組織中出現大量的亞穩態奧氏體，從而使得中錳鋼具有高強度和良好的塑性及加工硬化性，在背散射電子成像技術下觀察經逆相變處理的中錳鋼微觀組織結構，隨著退火時間(1ms～12h)的延長，奧氏體量逐步增多，可達到33.7%。
3.2 淬火延性鋼
淬火-配分工藝是在帶鋼發生部分馬氏體相變後將其進行等溫配分處理，使得碳元素從馬氏體中擴散到未轉變的奧氏體中，從而提高奧氏體的穩定性。Q&P鋼的顯微組織為馬氏體和殘餘奧氏體，較低強度級別的Q&P 鋼也含有一定量的鐵素體，其為傳統加Si的TRIP鋼成分。而在同一強度級別，Q&P 鋼與透過貝氏體等溫淬火處理得到的無碳貝氏體TRIP鋼各有優勢。早期Clarke等的研究表明，Q&P 工藝和貝氏體等溫淬火工藝能得到近似的強塑性結合，其效能也在一定範圍內相近。同樣，TRIP鋼可擴充套件到低強度級別，而透過調整馬氏體基體含量的比率，Q&P 鋼也可以擴充套件到高強度級別。
4 奈米鋼
奈米鋼公司(NanoSteel)對其開發的奈米結構鐵基材料進行了大力宣傳。前期的報道曾探討過採用非晶態(金屬玻璃)合金(包括一些超高合金材料)的低溫結晶工藝得到奈米晶材料，但其研究近況的技術細節尚未向冶金界披露，因此，評估該思路在汽車用鋼大規模生產上的應用仍為時過早。
5 熱衝壓鋼
熱衝壓鋼多采用C-Mn-B的成分體系，主要用於生產一些不易成形的傳統高強鋼零件，其室溫組織為高強度的馬氏體。相關的熱衝壓工藝已確定，但鍍層熱衝壓鋼等的研發仍很熱門。當採用新一代AHSS方法使得帶鋼強度達到相近級別(如1 500 MPa以上)時，冷成形鋼將極具競爭力，因此，很難預測熱衝壓鋼的最終發展。值得關注的是，在第3代AHSS研發的推動下，一旦合適的過程控制能力得到實現，同時結合各種熱處理新思路，新一代熱衝壓鋼也將得到發展。目前，Q&P 工藝已經被運用到熱衝壓工藝的研究中。結果顯示，相比傳統馬氏體組織的熱衝壓零件，經Q&P處理後，其伸長率(斷裂前的能量吸收)得到明顯改善。此外，有較高Mn含量的合金也能應用於熱衝壓的研究中。
6 結束語
本文對高強度汽車用鋼的發展與現狀進行了綜述。從傳統的第1代高強度汽車用鋼CP、DP鋼等，為汽車的輕量化做出巨大貢獻，並以極快的速度廣泛應用於汽車之後，各國對未來更高強度鋼板的潛力翹首企盼著，併為開發第2代及第3代高強度汽車用鋼做出不懈努力。目前研究較為深入的馬氏體鋼與Q&P鋼等成為新一代汽車鋼材。雖然對於新一代高強度汽車用鋼的研究還未徹底結束，甚至關於該鋼種的熱物性(熱物理性質)引數等方面的基礎研究尚屬空白而導致連鑄關鍵工藝引數無法確定，但由於未來汽車的需求及環境形勢所迫等因素，相信第3代高強度汽車用鋼更為深入的研究以及廣泛應用將成為必然趨勢。