汽車鋼近年來(lái)的發(fā)展、問(wèn)題、處理和展望

姜 滬 李 麟 何燕霖 史 文 張 梅

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

汽車鋼近年來(lái)的發(fā)展、問(wèn)題、處理和展望

姜 滬 李 麟 何燕霖 史 文 張 梅

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

依時(shí)間進(jìn)程回顧了汽車用高強(qiáng)鋼由低端向高端的發(fā)展過(guò)程。對(duì)一些常用高強(qiáng)鋼如雙相鋼、相變塑性鋼等，在生產(chǎn)或應(yīng)用中的問(wèn)題作了敘述并介紹了處理措施；對(duì)孿晶塑性鋼，中錳鋼的優(yōu)缺點(diǎn)作了分析?？偨Y(jié)了熱成形鋼和淬火-配分的思路，并提出了汽車鋼的研發(fā)的可能方向。

汽車用高強(qiáng)鋼 發(fā)展 問(wèn)題 處理措施 研發(fā)方向

由于汽車用鋼板近年來(lái)的爆發(fā)性的高速發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的鋼種，力學(xué)性能不斷提升，加工工藝也日益精準(zhǔn)和復(fù)雜，下一步面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇在何處呢？

1 第一代汽車鋼和第二代汽車鋼

由于20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的石油危機(jī)，油價(jià)高漲。為減少油耗，降低車重是不錯(cuò)的選擇，于是開(kāi)始了以高強(qiáng)度鋼替代軟鋼的輕量化工作。但對(duì)高強(qiáng)鋼并無(wú)確定定義，一般認(rèn)為屈服強(qiáng)度在210 MPa以上即為高強(qiáng)鋼。早期的工作在于研發(fā)HSLA(高強(qiáng)度低合金)鋼，在此階段國(guó)內(nèi)生產(chǎn)了不少這類高強(qiáng)鋼，如Mn鋼、Si-V鋼、Mn-RE鋼、Ti鋼、Nb鋼和Mn-V鋼，見(jiàn)于表1[1]。除此外，也還有含磷鋼、烘烤硬化鋼、硼鋼等，這些鋼種構(gòu)成了高強(qiáng)度低合金鋼序列[1]。HSLA鋼比軟鋼有高得多的強(qiáng)度，在汽車輕量化前期階段起到了很大作用。在2001年，由32個(gè)大鋼鐵集團(tuán)組成了汽車鋼合作伙伴，出資設(shè)立ULSAB 和 ULSAB-AVC項(xiàng)目[2]，由保時(shí)捷公司組織進(jìn)行了輕量化鋼車身的設(shè)計(jì)。根據(jù)該設(shè)計(jì)汽車可減重20%，制造成本降10%。ULSAB 和 ULSAB-AVC項(xiàng)目所選鋼材如圖1所示[2]。在此工作中，為達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)確定的減重目標(biāo)，僅應(yīng)用HSLA鋼已不敷所求，于是大量引入了不同強(qiáng)度級(jí)別的DP(雙相)鋼(見(jiàn)圖1)。該鋼種具有很高的強(qiáng)度與好的成形性，在汽車行業(yè)，尤其是歐洲一些車企，受到很大關(guān)注。其典型成分見(jiàn)于表2[3]。1987年Matsumumura等[4]指出，在低合金鋼中存在著相變誘發(fā)塑性(TRIP)。如將相變誘發(fā)塑性引入到汽車鋼，可使該鋼同時(shí)具有高強(qiáng)度高塑性，并稱此鋼為TRIP(相變塑性)鋼。在同等強(qiáng)度時(shí)，相變塑性鋼的斷后伸長(zhǎng)率可比雙相鋼高5%～10%[5]，因此具有高強(qiáng)度高塑性的TRIP鋼也開(kāi)始應(yīng)用作車身結(jié)構(gòu)件(見(jiàn)圖1)。

Matsumumura等[4]提出的TRIP鋼成分為：C～0.4%，Mn～1.5%，Si～1.5%。為保持較低碳當(dāng)量以便于焊接和加工，一般將碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.2%～0.3%。含較高的錳量有利于保持奧氏體的穩(wěn)定性。很高的硅量可抑制滲碳體的析出、奧氏體中碳含量的降低和隨之而引起的相變塑性降低。但該鋼中大量存在的硅易與氧反應(yīng)生成二氧化硅附著于鋼板表面形成所謂的“紅銹”而使熱鍍鋅難以進(jìn)行。為解決可鍍性問(wèn)題，Meyer等[5]首先研究了以鋁代硅制作相變塑性鋼并成功在阿賽羅集團(tuán)、蒂森集團(tuán)生產(chǎn)。當(dāng)時(shí)較為通用的相變塑性鋼的成分見(jiàn)表3[6]。但該鋼中[5]高達(dá)1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)以上的鋁，在板坯連鑄時(shí)需高度注意，操作不當(dāng)時(shí)過(guò)高的鋁含量會(huì)生成大量氧化鋁夾雜于鋼中并造成水口堵塞。僅由于這一原因，含鋁相變塑性鋼的推廣應(yīng)用在瑞典等一些國(guó)家時(shí)遭遇困難。為改進(jìn)這方面不足，之后有以磷代硅和低硅的相變塑性鋼進(jìn)行了生產(chǎn)[7]。但當(dāng)TRIP鋼的強(qiáng)度達(dá)980 MPa時(shí)，各廠生產(chǎn)的TRIP鋼斷后伸長(zhǎng)率均差強(qiáng)人意，在浦項(xiàng)集團(tuán)的產(chǎn)品目錄上，該級(jí)別鋼的斷后伸長(zhǎng)率為14%，這也是TRIP鋼的欠缺之處。

表1國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度低合金汽車鋼板種類[1]
Table 1 Types of HSLA steels produced in domestic plants[1]

圖1 ULSAB 和 ULSAB-AVC項(xiàng)目 選用材料圖[2]Fig.1 Materials used in ULSAB and ULSAB-AVC projects [2]

表2 DP鋼典型化學(xué)成分[3](質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Standard composition of DP steel [3](mass fraction) %

表3 數(shù)種相變塑性鋼成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[6]Table 3 Compositions of several TRIP steels (mass fraction)[6] %

相比較HSLA鋼，DP和TRIP鋼的力學(xué)性能更好些(見(jiàn)圖1和表1)，減重的效果更好一些。所以有時(shí)將HSLA鋼等稱為第一代汽車鋼(或conventional steel)，而DP鋼和TRIP鋼等稱為第二代汽車鋼。汽車鋼的性能與分類見(jiàn)圖2[8]。

圖2 汽車鋼的性能及分類[8]Fig.2 Grade and performance of automotive steel [8]

2 對(duì)第二代汽車鋼的改進(jìn)

DP鋼有高的抗拉強(qiáng)度和好的斷后伸長(zhǎng)率(見(jiàn)圖2)，但此鋼的延伸凸緣性能欠佳，即擴(kuò)孔率不高。在制造需有高擴(kuò)孔率的工件時(shí)，采用CP(復(fù)相)鋼較為有利。 該鋼的F+B+M和F+B組織比DP鋼的F+M組織有更好的延伸凸緣性能。特別是F+B+M復(fù)相組織，其相對(duì)于F+M組織來(lái)說(shuō)抗拉強(qiáng)度下降, 但具有與F+M鋼相近的TS×EL綜合性能。由于其保留了一定數(shù)量的馬氏體, 所以具有F+M雙相鋼的一些優(yōu)良特征，同時(shí)貝氏體的加入大大提高了總斷后伸長(zhǎng)率，降低了二相硬度比，使其具有更好的延伸凸緣性能。典型的CP鋼成分示于表4[9]，熱處理工藝如圖3所示[9]。高的二相區(qū)等溫溫度使奧氏體具有低的含碳量，后期所得貝氏體和馬氏體硬度也低，有利于擴(kuò)孔。

表4 典型CP鋼成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[9]Table 4 Composition of the CP steel (mass fraction)[9] %

圖3 CP鋼熱處理工藝圖[9]Fig.3 Schematic of heat treatment process for CP steel [9]

目前DP、CP、TRIP已構(gòu)成了汽車用高強(qiáng)鋼的主要范疇。但隨著對(duì)環(huán)保越來(lái)越嚴(yán)格的要求，車企對(duì)汽車鋼的要求不斷提升。Grassel 和 Frommeyer等[10-11]提出高錳的孿晶誘發(fā)塑性(TWIP)鋼，鋼中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)15%～33%，在承載時(shí)由其形變孿晶誘發(fā)塑性，當(dāng)抗拉強(qiáng)度為600 MPa時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率可達(dá)60%以上。至此，用于汽車重要結(jié)構(gòu)件的材料進(jìn)入高合金鋼范疇。熊榮剛等研究的不同成分的TWIP鋼見(jiàn)表5[12]，其力學(xué)性能見(jiàn)表6[12]。可見(jiàn)調(diào)整成分可獲得不同性能。

表5 TWIP用鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[12]Table 5 Composition of test TWIP (mass fraction)[12] %

表6 5組試樣的最大真應(yīng)力和最大真應(yīng)變[12]Table 6 Max true stress and true strain of five steels [12]

黎倩等[13]探討了不同成分TWIP鋼的強(qiáng)化機(jī)制，認(rèn)為Fe-15Mn-3Si-3Al鋼的塑性增長(zhǎng)機(jī)制主要是相變誘發(fā)的TRIP效應(yīng)；Fe-25Mn-3Si-3Al鋼主要的塑性增長(zhǎng)機(jī)制是孿晶誘發(fā)的TWIP效應(yīng)[13]。資料[14]在層錯(cuò)熱力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型TRIP+TWIP鋼，使其同時(shí)具有超高強(qiáng)度和超高塑性，與鞍鋼集團(tuán)合作生產(chǎn)了此鋼并應(yīng)用于高檔汽車上。該鋼當(dāng)強(qiáng)度為1 080 MPa時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率為80%。

由于TWIP鋼合金含量高，用作汽車鋼后成本亦高。這成為阻礙TWIP鋼發(fā)展的重要原因。于是有作者提出中錳鋼(錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～12%)作高強(qiáng)度高塑性汽車鋼[15-17]。試驗(yàn)的中錳鋼雖可達(dá)到高的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率，但這些中錳鋼的奧氏體穩(wěn)定性差，熱軋后冷卻時(shí)會(huì)形成馬氏體，使鋼板硬度增大，冷軋前必須進(jìn)行中間退火。這附加的工序既增大成本，而且在罩式爐中的退火因溫度場(chǎng)不均勻，后續(xù)處理時(shí)汽車鋼板的性能必然難以控制而影響整體質(zhì)量。這也是中錳鋼產(chǎn)業(yè)化的困難所在。

3 問(wèn)題及處理方法

前曾述及，為防止鋼板表面出現(xiàn)紅銹，Meyer等[5]曾以Al替代TRIP鋼中Si，但由于生成氧化鋁夾雜堵水口，某些鋼廠因而中止了含鋁TRIP鋼的進(jìn)一步試驗(yàn)。但在2008年Lyu等[18]和Connetable等[19]在計(jì)算含鋁鋼的相圖時(shí)同時(shí)首先發(fā)現(xiàn)，含鋁鋼的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)誤差太大，已不能用于預(yù)測(cè)和計(jì)算鋼中實(shí)際狀況，必須重新修正。Li等[20]優(yōu)化了含鋁鋼的熱力學(xué)數(shù)據(jù)并以此計(jì)算了含鋁TRIP鋼相圖，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際吻合很好。更重要的是這些作者由計(jì)算發(fā)現(xiàn)[14]，鋁可大大擴(kuò)大γ+α二相區(qū)相界，也即大大提高奧氏體含碳量和奧氏體穩(wěn)定性，從而大大提高相變塑性。

如圖4所示，當(dāng)Fe-1.5Mn-C(相圖為實(shí)線)和Fe-1.5Mn-1.2Al-C(相圖為虛線)兩鋼均含0.2%的C并在780 ℃等溫時(shí)，計(jì)算顯示：前者奧氏體含碳量?jī)H為0.29%，而后者卻達(dá)0.76%，為前者的2.6倍，說(shuō)明加入鋁后可大大提高了奧氏體穩(wěn)定性。

圖4 Fe-1.5Mn-C和Fe-1.5Mn-1.2Al-C系相圖[14]Fig.4 Phase diagrams of Fe-1.5Mn-C and Fe-1.5Mn-1.2Al-C systems [14]

由上述計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，在中錳鋼和相變塑性鋼中加入適量的鋁以提高這兩種鋼的加工性能和強(qiáng)塑性。如De Cooman等[21]提出的Fe- 0.3C-10Mn-3Al-2Si的中錳鋼，可以去掉中間退火工序。又如在相變塑性鋼中加入適量的鋁，可使鞍鋼生產(chǎn)的相變塑性鋼當(dāng)強(qiáng)度為980 MPa時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)23%，比浦項(xiàng)的14%高出9%，效果顯著[14]。胡建明等[22]考慮在加鋁基礎(chǔ)上再加入少量微合金元素Ti和V，經(jīng)連退時(shí)溶解釩碳化合物進(jìn)一步增加奧氏體穩(wěn)定性，以析出的納米級(jí)鈦碳氮化合物增加強(qiáng)度，可使低合金含鋁含鈦釩TRIP鋼強(qiáng)度達(dá)1 000 MPa時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率為30%，達(dá)到第三代汽車鋼要求。

關(guān)于TWIP鋼，人們?nèi)菀滓蛟撲撝懈咤i含量導(dǎo)致價(jià)格高而停滯于開(kāi)發(fā)。實(shí)際上TWIP鋼有極高強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率，如表6[12]所示，強(qiáng)度達(dá)1 308 MPa時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率仍達(dá)53%。若對(duì)該鋼仔細(xì)研究后其強(qiáng)度完全可達(dá)1 500 MPa或以上。這樣等級(jí)的強(qiáng)度完全可替代熱成形鋼。而熱成形鋼因其模具價(jià)格極昂貴而價(jià)高。再者，熱成形鋼的斷后伸長(zhǎng)率極低，僅為5%左右，即在沖撞時(shí)基本無(wú)法變形。而據(jù)筆者的研究結(jié)果，TWIP鋼在高應(yīng)力下尚有一定塑性。這將有利于沖撞下的安全性。所以用冷成形的TWIP鋼替代熱成形鋼應(yīng)是不錯(cuò)的選擇。

4 總結(jié)和展望

為適應(yīng)工業(yè)和科技發(fā)展的需求，汽車鋼工作者們歷經(jīng)數(shù)十年努力，將汽車用鋼從軟鋼發(fā)展到低碳低合金鋼乃至目前的高合金鋼如TWIP鋼等。生產(chǎn)和應(yīng)用中問(wèn)題曾不斷出現(xiàn)，但也不斷被解決。新的鋼種不斷產(chǎn)生，技術(shù)不斷更新?？偟内厔?shì)是：材料由低端向高端發(fā)展，生產(chǎn)控制也愈加嚴(yán)格。但也有不同于此者：

(1)瑞典Saab汽車公司在1984年首先采用硼鋼板制作了Saab9000汽車的防沖撞件。目前最為常用的熱成形鋼種是Mn-B系的22MnB5。其成分極簡(jiǎn)單且冶煉易于控制，其中(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：C 0.250～ 0.320，Mn 1.000～ 1.500，P 0.035，S 0.035 0，Si 0.150～ 0.400，Cr 0.300，Ti 0.060，B 0.001～ 0.005，Al 0.020 0。此鋼原為鐮刀用材，經(jīng)淬火后為全馬氏體組織，所以強(qiáng)度很高，可達(dá)1 450 MPa以上。目前作為熱沖壓成形件被大量應(yīng)用在汽車的A柱，B柱，保險(xiǎn)杠，車頂縱梁和管道等重要防撞結(jié)構(gòu)件或總成上。這是簡(jiǎn)單成分的低合金鋼變更用途后在汽車結(jié)構(gòu)件中起重要作用之例。

(2)2003年Speer等[23]提出淬火-碳分配(Q-P)工藝, 將低碳低合金鋼淬火至Ms～Mf間某一溫度后，再在高于Ms的一定溫度下停留一段時(shí)間，使碳由馬氏體分配到殘留奧氏體中使其穩(wěn)定，為獲得高強(qiáng)度高韌性鋼件的生產(chǎn)起了很大的推動(dòng)作用。在Q-P基礎(chǔ)上，Wang等[24]和徐祖耀[25]提出改進(jìn)方法，即有效析出合金碳化物的淬火-碳分配-回火(Q-P-T)工藝，使鋼在淬火后、緊接著在 400 ℃恒溫的鹽浴爐中擴(kuò)散分配及回火，最后水淬至室溫。碳分配以后或同時(shí)析出復(fù)雜碳化物沉淀以增加強(qiáng)度。研制的Q-P-T鋼(成分為：0. 485C-1.195Mn-1.185Si-0.98Ni-0.21Nb)的抗拉強(qiáng)度達(dá)2 160 MPa，總斷后伸長(zhǎng)率保持10%的高水平[25]。

上述二例均為采用價(jià)廉的低碳低合金鋼，經(jīng)巧妙設(shè)計(jì)工藝后，制成的高強(qiáng)度鋼可成功應(yīng)用于汽車的重要部件上。可以預(yù)測(cè)的是，這種工作并不會(huì)罕見(jiàn)，世上無(wú)難事，只要肯登攀。

致謝：

本文得到973項(xiàng)目(2010CB630802)、自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金(50934011)、鞍鋼集團(tuán)和寶鋼集團(tuán)資助，謹(jǐn)此致謝。

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收修改稿日期：2017-04-25

OntheDevelopment,Problem,CountermeasureandProspectofAutomotiveSteelinRecentYears

Jiang Hu Li Lin He Yanlin Shi Wen Zhang Mei

(School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

The development of automotive high strength steel from low end product to high end was reviewed in sequence of timetable. Problems encounted in familiar steels such as DP steel and TRIP steel in production line as well as in the application were described and the corresponding countermeasures adopted in plant were introduced. Advantages together with shortcomings in TWIP steel and medium manganese steel were analyzed while in production and usage. Special development train of thought in HPF steel, Q-P steel and Q-P-T steel was summrized, and the probable direction of R & D of automotive steels was put forwarded.

automotive steel，development，problem，countermeasure，R & D direction

973項(xiàng)目(2010CB630802)、自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金(50934011)

姜滬，女，助理研究員，主要從事汽車鋼研究工作,Email:jianghu@shu.edu.cn