高強度汽車用鋼發(fā)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(huán)境污染等一系列問題也日益突出。輕型、節(jié)能、環(huán)保、安全舒適、低成本等成為各汽車制造廠商追求的目標(biāo)，而節(jié)能減排已成為世界汽車工業(yè)界亟待解決的問題。國內(nèi)外汽車廠家采取一系列措施，其中最有效的措施之一是減輕汽車自身質(zhì)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(zhì)量可減輕15%～20%，可節(jié)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(yīng)用趨勢。普通大眾消費的乘用車高強度鋼的應(yīng)用呈現(xiàn)出飛躍發(fā)展態(tài)勢，即從30% 增至60% ，先進(jìn)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(yīng)用比例遠(yuǎn)小于高強度鋼板。相關(guān)專業(yè)人士對2015 年車身用鋼情況進(jìn)行了預(yù)測，各種鋼的用鋼比例如圖1所示。
2 高強度汽車用鋼的發(fā)展
汽車用高強度鋼板的開發(fā)由于車身輕量化要求而得到快速推進(jìn)。20 世紀(jì)70 年代相繼開發(fā)出固溶強化鋼、析出強化鋼、復(fù)合組織強化鋼(DP鋼、CP 鋼)等鋼種。這些鋼種的開發(fā)多以提高強度為主，對材料的成形性及相關(guān)沖壓技術(shù)的研究較少，所以其用途受到限制。從80 年代后期開始，美國率先推出CAEE 規(guī)定，對汽車的輕量化要求進(jìn)一步提高，為此開發(fā)出以組織調(diào)控為特點的高強度鋼板，并使之實用化，主要產(chǎn)品有：固溶強化型極低碳IF 深沖用鋼板(拉伸強度TS=340～440 MPa)、烘烤硬化型(BH)深沖用鋼板、殘余奧氏體組織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性能。與此同時，對于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(xié)會呼吁，國際鋼鐵協(xié)會成立了由18 個國家35 家鋼鐵公司組成的ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body)項目組，目的是采用當(dāng)時最先進(jìn)的技術(shù)，在不增加成本并維持車身功能與抗沖擊安全性的同時減輕車身質(zhì)量。該項目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(chǔ)上，1998年3月鋼鐵企業(yè)又開始在全球?qū)嵤︰LSAB-AVC 計劃，即先進(jìn)的汽車概念項目，從整體上研究開發(fā)新一代鋼鐵材料汽車結(jié)構(gòu)(車身、覆蓋件和懸架件等)，為之后新一代高強度鋼板的研究推進(jìn)做出很大貢獻(xiàn)。
2007 年，美國科學(xué)家首先提出開發(fā)第3 代高強度汽車鋼。這類鋼材性能和成本介于第1代和第2代高強鋼之間，其強度高、可塑性強。無論在工業(yè)制造還是試驗研究方向都有所進(jìn)展。目前，國內(nèi)外對于第3 代高強度鋼的研究不斷深入，在不同方面有所創(chuàng)新或發(fā)現(xiàn)，其中集成計算材料工程(ICME)取得了最新進(jìn)展，具備加速最佳先進(jìn)材料開發(fā)的可能。這些材料包括含有大量殘余奧氏體的TRIP-TWIP 鋼，它們可能作為第3 代鋼而被應(yīng)用。這種利用集成計算材料工程的方法已經(jīng)應(yīng)用到多尺度模型計算，但到目前為止還沒有應(yīng)用到鋼鐵領(lǐng)域。美國能源部新批準(zhǔn)600 萬美元用于資助創(chuàng)新聯(lián)盟，該聯(lián)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(fā)展研究所(SMDI)、5 所美國大學(xué)以及包括鋼材和汽車生產(chǎn)企業(yè)的行業(yè)伙伴組成。該項目將包括開發(fā)計算模型工具，輕量化、安全和燃油經(jīng)濟(jì)性更好的汽車用鋼的優(yōu)化�？傊乱淮邚姸蠕摪宓纳钊胙邪l(fā)和應(yīng)用前景甚是廣闊。
3 第3 代高強度汽車用鋼簡介及國內(nèi)外研究狀況
雙相鋼(DP)、復(fù)相鋼(CP)、相變誘發(fā)塑性鋼(TRIP)和馬氏體鋼(MART)等的強度范圍為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(yōu)點，在汽車上得到廣泛應(yīng)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(dá)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+殘余奧氏體。馬氏體是通過高溫奧氏體組織快速淬火轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織的。2007 年，阿賽洛等鋼鐵廠家進(jìn)行孿晶誘導(dǎo)塑性鋼(TWIP)、具有誘導(dǎo)塑性的輕量化鋼(L-IP)的研究。室溫下，這些鋼種的組織為穩(wěn)定的殘余奧氏體，當(dāng)施加一定的外部載荷后，由于應(yīng)變誘導(dǎo)出現(xiàn)了機械孿晶，會產(chǎn)生較大的無頸縮延伸，因而顯示出優(yōu)異的.力學(xué)性能、高應(yīng)變硬化率并具有極高塑性(60%～90%)和較高強度(600～1 000 MPa)，被稱為第2代高強度汽車用鋼，該鋼高強塑積介于50～60 GPa%范圍。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(fā)生機械孿晶并誘導(dǎo)塑性，從而保證了優(yōu)良的塑性。
第3代先進(jìn)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(yīng)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 相的復(fù)合組織，即具備BCC+FCC 的復(fù)合組織，并充分利用晶粒細(xì)化、固溶強化、析出強化及位錯強化等手段來提高其強度，通過應(yīng)變誘導(dǎo)塑性、剪切帶誘導(dǎo)塑性和孿晶誘導(dǎo)塑性等機制來提高塑性及成形性能。
我國國內(nèi)對于第3 代高強度汽車用鋼的研究處于國際前列。北京科技大學(xué)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”計劃項目子課題“第3 代高強高韌低合金鋼精細(xì)組織的研究”的支持下，開展了第3代先進(jìn)汽車用鋼的研究工作：基于動態(tài)相變的熱軋低合金TRIP鋼技術(shù)進(jìn)行合金成分設(shè)計和工藝優(yōu)化，通過添加微合金化元素或調(diào)整Mn、Si 含量，獲得了力學(xué)性能指標(biāo)在第3代先進(jìn)汽車用鋼范圍內(nèi)的細(xì)晶TRIP鋼。
寶鋼于2002年開始涉足超高強鋼的研制開發(fā)，歷經(jīng)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(yè)化生產(chǎn)能力。2010年，寶鋼全球首發(fā)第3代Q&P980鋼(淬火配分鋼);2013年，全球首發(fā)第3 代熱鍍鋅Q&P980 鋼。截至目前，寶鋼是全球唯一一家實現(xiàn)第3代超高強鋼批量穩(wěn)定供貨的企業(yè)，也是目前世界上唯一一家同時可以工業(yè)化生產(chǎn)第1代、第2代和第3代全系列超高強鋼的鋼鐵企業(yè)。
鞍鋼作為國內(nèi)主要的汽車鋼板供應(yīng)商，在成功實現(xiàn)傳統(tǒng)高強鋼(含磷高強鋼、低合金高強鋼)穩(wěn)定、批量供貨后，又相繼開發(fā)了以DP 鋼(雙相鋼)、TRIP 鋼(相變誘導(dǎo)塑性鋼)、TEIP 鋼(孿晶誘導(dǎo)塑性鋼)、QP鋼(淬火-配分鋼)為代表的先進(jìn)高強鋼，為汽車工業(yè)實現(xiàn)節(jié)能、輕量化和提高安全性的目標(biāo)提供技術(shù)支持。目前，鞍鋼先進(jìn)高強汽車用鋼的研制開發(fā)進(jìn)展順利，已形成熱軋、冷軋和熱鍍鋅汽車用鋼的產(chǎn)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(fā)展和突破，而且針對第3代先進(jìn)高強鋼QP鋼種，通過自主研發(fā)實現(xiàn)了QP鋼的工業(yè)化生產(chǎn)。2013年，國內(nèi)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(fā)的前沿，成為世界鋼鐵業(yè)和汽車制造業(yè)矚目的焦點�，F(xiàn)階段所有高強鋼研發(fā)工作思路都趨于一個方向，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(wěn)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(shù)。在合金元素設(shè)計時，常采用更多的奧氏體穩(wěn)定元素，而工藝設(shè)計則采用特殊工藝細(xì)化基體組織，如通過貝氏體等溫淬火工藝得到納米貝氏體(Nanobainite)，通過淬火-配分(Q&P)工藝得到碳配分的馬氏體，通過兩相區(qū)退火工藝得到中錳鋼(Medium-manganeseSteels)的超細(xì)晶鐵素體(Ultra-fine Ferrite)。以中錳鋼、淬火延性鋼、納米鋼、熱沖壓鋼等為代表的第3代高強度汽車用鋼目前都在研發(fā)之中。
3.1 中錳鋼
中錳鋼的顯微組織為超細(xì)晶鐵素體和亞穩(wěn)態(tài)奧氏體，其抗拉強度高但伸長率較差，這主要是由于大部分粗大奧氏體中的錳富集不充分，在隨后冷卻到室溫的過程中轉(zhuǎn)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，這主要是由于生成了大量的超細(xì)晶鐵素體。而采用中間溫度退火時，退火組織中出現(xiàn)大量的亞穩(wěn)態(tài)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(shù)下觀察經(jīng)逆相變處理的中錳鋼微觀組織結(jié)構(gòu)，隨著退火時間(1ms～12h)的延長，奧氏體量逐步增多，可達(dá)到33.7%。
3.2 淬火延性鋼
淬火-配分工藝是在帶鋼發(fā)生部分馬氏體相變后將其進(jìn)行等溫配分處理，使得碳元素從馬氏體中擴散到未轉(zhuǎn)變的奧氏體中，從而提高奧氏體的穩(wěn)定性。Q&P鋼的顯微組織為馬氏體和殘余奧氏體，較低強度級別的Q&P 鋼也含有一定量的鐵素體，其為傳統(tǒng)加Si的TRIP鋼成分。而在同一強度級別，Q&P 鋼與通過貝氏體等溫淬火處理得到的無碳貝氏體TRIP鋼各有優(yōu)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(jié)合，其性能也在一定范圍內(nèi)相近。同樣，TRIP鋼可擴展到低強度級別，而通過調(diào)整馬氏體基體含量的比率，Q&P 鋼也可以擴展到高強度級別。
4 納米鋼
納米鋼公司(NanoSteel)對其開發(fā)的納米結(jié)構(gòu)鐵基材料進(jìn)行了大力宣傳。前期的報道曾探討過采用非晶態(tài)(金屬玻璃)合金(包括一些超高合金材料)的低溫結(jié)晶工藝得到納米晶材料，但其研究近況的技術(shù)細(xì)節(jié)尚未向冶金界披露，因此，評估該思路在汽車用鋼大規(guī)模生產(chǎn)上的應(yīng)用仍為時過早。
5 熱沖壓鋼
熱沖壓鋼多采用C-Mn-B的成分體系，主要用于生產(chǎn)一些不易成形的傳統(tǒng)高強鋼零件，其室溫組織為高強度的馬氏體。相關(guān)的熱沖壓工藝已確定，但鍍層熱沖壓鋼等的研發(fā)仍很熱門。當(dāng)采用新一代AHSS方法使得帶鋼強度達(dá)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(yù)測熱沖壓鋼的最終發(fā)展。值得關(guān)注的是，在第3代AHSS研發(fā)的推動下，一旦合適的過程控制能力得到實現(xiàn)，同時結(jié)合各種熱處理新思路，新一代熱沖壓鋼也將得到發(fā)展。目前，Q&P 工藝已經(jīng)被運用到熱沖壓工藝的研究中。結(jié)果顯示，相比傳統(tǒng)馬氏體組織的熱沖壓零件，經(jīng)Q&P處理后，其伸長率(斷裂前的能量吸收)得到明顯改善。此外，有較高M(jìn)n含量的合金也能應(yīng)用于熱沖壓的研究中。
6 結(jié)束語
本文對高強度汽車用鋼的發(fā)展與現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。從傳統(tǒng)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(xiàn)，并以極快的速度廣泛應(yīng)用于汽車之后，各國對未來更高強度鋼板的潛力翹首企盼著，并為開發(fā)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。雖然對于新一代高強度汽車用鋼的研究還未徹底結(jié)束，甚至關(guān)于該鋼種的熱物性(熱物理性質(zhì))參數(shù)等方面的基礎(chǔ)研究尚屬空白而導(dǎo)致連鑄關(guān)鍵工藝參數(shù)無法確定，但由于未來汽車的需求及環(huán)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(yīng)用將成為必然趨勢。
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