汽車用先進高強度鋼板的現(xiàn)狀和未來

隨著能源的緊張和燃油價格的攀升，油耗已經(jīng)成為現(xiàn)在衡量汽車品質(zhì)的最重要因素。通過使用較薄的鋼板來減輕車重可以有效降低油耗，但在汽車安全性方面不容得半點妥協(xié)，這促進了先進高強鋼的制造和應用的較快發(fā)展。本文介紹了汽車用先進高強鋼的品種和特點，并結(jié)合汽車制造業(yè)的需求特別是未來新能源汽車的發(fā)展，探討了未來汽車用先進高強鋼的發(fā)展趨勢和研發(fā)重點。

高強鋼分為傳統(tǒng)高強鋼（Conventional high strength steel）和先進高強鋼（Advance high strength steel，縮寫為AHSS）。傳統(tǒng)高強鋼多是通過固溶強化、析出強化和細晶強化做為主要強化手段，常見的微合金高強度鋼板即屬于傳統(tǒng)高強鋼。先進高強鋼（AHSS）則是指相變強化的鋼種，組織中含有馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體等，通常包括雙相鋼（DP）、TRIP鋼、復相鋼（CP）和馬氏體鋼（Mart）等。先進高強鋼的強度和塑性配合優(yōu)于普通高強鋼，兼具高強度和較好的成形性，因此在汽車制造業(yè)應用迅速擴大。事實上，利用相變強化，可以更容易地制造出強度更高的鋼板，這是傳統(tǒng)高強鋼不具備的優(yōu)點。在超過780MPa的超高強度區(qū)間，先進高強鋼占據(jù)統(tǒng)治地位。

汽車用先進高強鋼（AHSS）主要包括熱軋（包括熱軋酸洗）、冷軋和冷軋鍍鋅（還有熱軋熱鍍鋅）產(chǎn)品。當然隨著技術(shù)的進步、應用的拓展，也派生出許多其他品種，比如熱軋熱鍍鋅產(chǎn)品和涂覆Al-Si鍍層的熱成形用鋼等。品種多、同級別鋼種的牌號多，細節(jié)要求差異多是先進高強鋼的需求特點。

本文將介紹先進高強鋼的種類、特點、技術(shù)現(xiàn)狀以及探討先進高強鋼的發(fā)展趨勢和應用前景。

汽車用先進高強鋼類別及其特點

汽車用先進高強鋼根據(jù)冶金原理和組織類型分為雙相鋼（DP鋼）、相變誘導塑性鋼（TRIP鋼）、馬氏體鋼和復相鋼（CP鋼）。按照表面狀態(tài)則分為無鍍層板和鍍鋅板兩種，鍍鋅板又分為熱鍍純鋅鋼板和合金化鋼板。先進高強鋼之所以能成為汽車制造的重要用材，不僅因為其具有良好的強塑性配合，還有一個重要的原因是先進高強鋼的強度提高相對。下面就先進高強鋼的類別和特點進行逐一說明。

雙相（DP）鋼

雙相鋼是汽車制造中使用最多的鋼種，其主要組織是鐵素體和馬氏體，教科書上規(guī)定雙相鋼的馬氏體的含量在5％～20％，但屬于多年前的概念。目前，隨著雙相鋼隨著強度級別的拓展，性能的不同側(cè)重，馬氏體含量可以較低也可以較高。如圖1所示，是一種抗拉強度為980MPa級的冷軋雙相鋼的顯微組織，其中馬氏體的含量約30％。雙相鋼的強度級別跨越400～1180MPa，目前780MPa、980MPa和1180MPa是雙相鋼的高端產(chǎn)品，市場需求處于不斷增長階段，預計未來成為輕量化汽車的主流用鋼。

圖1 抗拉強度為980MPa級的冷軋雙相鋼組織

從性能而言，雙相鋼具有較低的屈強比、較高的加工硬化指數(shù)、較高延伸率和烘烤硬化性等特點。但隨著雙相鋼在汽車領域應用的拓展，僅具備上述的特點還不夠，較高的擴孔率和較低的碳當量，都成為優(yōu)質(zhì)的雙相鋼必備的性能。此外，雙相鋼也不僅僅局限于低屈服，高屈服的雙相鋼也有一定的市場需求。表1列出了幾種980MPa雙相鋼的典型性能水平，基本可以滿足目前的汽車制造的要求。

從工藝條件和表面特點看，冷軋雙相鋼和熱鍍鋅雙相鋼的區(qū)別：在于前者有過時效工藝而沒有鍍層，后者有鍍層沒有過時效工序。由于連續(xù)退火工序中的過時效段相當于回火，理論上可以降低馬氏體和鐵素體的硬度差，因此一般冷軋雙相鋼的擴孔率要高于熱鍍鋅雙相鋼。但在實際應用中，由于熱鍍鋅雙相鋼有鍍層，在成形過程中較軟的鍍層充當了高強鋼成形的潤滑劑，那么盡管熱鍍鋅雙相鋼擴孔性能略低，但成形表現(xiàn)并不差，還可以有效避免堅硬的鋼板和模具直接摩擦產(chǎn)生的拉毛現(xiàn)象。

相變誘導塑性（TRIP）鋼

TRIP鋼特點非常突出，主要優(yōu)點是延伸率較高。TRIP鋼的主要組織是鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體，如圖2所示，組織中的殘余奧氏體有利于均勻延伸率的提高。根據(jù)冶金原理，殘余奧氏體的形成有賴于奧氏體的室溫穩(wěn)定性。因此，TRIP鋼一般含碳量較高，并且需要添加Si、Al等抑制碳化物析出的元素。此外，適當?shù)募庸すに囈蔡貏e重要，在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的保溫至關重要，在此溫度區(qū)間保溫，奧氏體中的碳進一步富集，提高了奧氏體的穩(wěn)定性。

圖2 抗拉強度為690MPa級的TRIP鋼組織

■表1 幾種980MPa級雙相鋼的典型性能

■表2 800MPa級TRIP鋼的典型性能

TRIP鋼的常用級別是600MPa和800MPa級，也許未來980MPa、1180MPa的TRIP鋼也會逐步使用。TRIP的較高延伸率是在均勻拉伸條件下測得的，在實際沖壓情況下的表現(xiàn)值得關注。在一些應用條件下，性能指標良好的TRIP鋼在擴孔、翻邊成形時會意外地發(fā)生邊部開裂的情況，極有可能是邊部殘余奧氏體發(fā)生變形轉(zhuǎn)變成高硬度馬氏體產(chǎn)生了脆性引起開裂。表2為800MPa級TRIP鋼的典型性能。

復相（CP）鋼

CP鋼的組織由鐵素體、貝氏體和馬氏體組成。CP鋼的性能特點是屈強比高，擴孔率好。從市場需求上看，CP鋼的需求主要來自于歐洲引進車型，目前在國內(nèi)的用量很小。如圖3所示，為某鋼廠生產(chǎn)的CP鋼組織，可以看到鐵素體的體積分數(shù)較大。從性能上來講，CP鋼具有較高的屈服強度比，見表3。

圖3 抗拉強度為800MPa級的復相鋼組織

■表3 800MPa級復相鋼的典型性能

馬氏體鋼

馬氏體鋼是目前汽車用鋼中強度級別最高的一類，強度級別從900～1500MPa。馬氏體鋼是通過高溫奧氏體化后快速淬火得到的，快速淬火（一般是水淬）過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l馬氏體。馬氏體鋼并不一定是100％的馬氏體組織，可能會含有一定量的鐵素體。同樣強度級別的馬氏體鋼由于成分設計的不同，鐵素體的含量也可能不同。當強度級別達到一定高度時，組織幾乎全部由馬氏體組成，如圖4所示。

馬氏體鋼的特點是強度高、屈強比高，但延伸率較低。馬氏體鋼的延伸率較低，而冷彎性能較好，可用于冷彎成形件或輥壓成形的零部件。馬氏體鋼中由于含有大量高硬度的馬氏體組織，對酸性介質(zhì)比較敏感，因此成形、加工甚至使用過程中必須考慮酸性介質(zhì)帶來的影響。

熱成形鋼本質(zhì)上也是一種馬氏體鋼，產(chǎn)出時僅是一種半成品，強度較低，經(jīng)熱沖壓工序成形并淬火成馬氏體組織，最終零件強度很高。熱成形鋼通常含B，具有非常好的淬透性。熱成形過程包括將毛坯件加熱到奧氏體化，在熱狀態(tài)下將鋼板沖壓成形，然后利用模具的冷卻能力將零件淬硬成馬氏體。整個成形過程約需要15～25s。熱成形鋼的使用可以有效回避超高強度鋼成形性差的短處，但缺陷是耗能以及加工效率低。同樣，熱成形鋼也需要考慮酸性介質(zhì)對零部件侵蝕的影響。

圖4 兩種不同抗拉強度級別的馬氏體鋼的組織

表面狀態(tài)

如果按照表面狀態(tài)分類，上述超高強鋼均包括冷軋態(tài)、冷軋熱鍍鋅、熱軋態(tài)、熱軋酸洗態(tài)和熱軋熱鍍鋅。熱軋態(tài)在乘用車上使用較少，較多使用熱軋酸洗態(tài)，如熱軋酸洗的雙相鋼常用于制造鋼制車輪，熱軋酸洗的鐵素體＋貝氏體鋼則用于制造汽車底盤零件。從用量和零件比例上來看，冷軋和冷軋熱鍍鋅高強鋼在乘用車的應用最多。具體到冷軋和熱鍍鋅的選擇，主要根據(jù)防腐的要求和成本兩個方面來考慮。熱軋酸洗尤其是熱軋熱鍍鋅，還是有可能取代冷軋和冷軋熱鍍鋅的先進高強鋼，因為先進高強鋼通常用于內(nèi)板，對表面的要求相對并不苛刻。制約熱軋酸洗和熱軋熱鍍鋅先進高強鋼使用的，主要會考慮厚度規(guī)格和性能的穩(wěn)定性，薄規(guī)格先進高強鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)難度很大，強度越高、越薄就越難以生產(chǎn)。

圖5 改進型先進高強鋼（IAHSS）的性能位置（粗虛線）

汽車用先進高強鋼的未來發(fā)展

盡管先進高強鋼和傳統(tǒng)高強鋼相比，在強度級別相同的情況下具有更好的成形性。但畢竟強度高，延伸率也是相對有限。為獲得高延伸率和成形性，人們進行了進一步的探索。近年來，TWIP（twinning induced plasticity）鋼和QP（quench and partition）鋼成為研究焦點。TWIP鋼可以輕易獲得1000MPa的強度和50％以上的延伸率，其塑性甚至超過了沖壓用的IF鋼。TWIP鋼的基礎成分為Fe，ωMn-（15～30）％，ωSi-（2～4）％，ωAl-（2～4）％，這種高合金含量必定給使用帶來困難，能否廣泛用于汽車制造目前還無法判斷。盡管如此，一些新興的亞洲鋼廠仍將TWIP鋼的產(chǎn)業(yè)化列為企業(yè)目標，也有不少汽車廠非常樂意嘗試這種延伸率優(yōu)良的鋼種，也有人把這類性能顯著優(yōu)于一般先進高強鋼的鋼板定義為第二代或第三代先進高強鋼。

眾所周知，汽車制造一直追求低成本。這些性能過剩的第二代或第三代先進高強鋼，無論從合金使用量還是生產(chǎn)難度來講，均處于明顯劣勢，顯然不符合低成本的原則?？胺Q是汽車用鋼中的豪華品種，塑性指標非常優(yōu)良，與之相伴的是高合金成本和制造難度。從汽車制造業(yè)的角度看，性能獨特的材料也不受歡迎，因為這不利于貨源的穩(wěn)定性和價格的充分競爭。因此，這類汽車板中的豪華品種能否成為未來汽車制造的主流材料具有不確定性。

進入二十一世紀，社會的發(fā)展和環(huán)境的變化超出人類的預期。能源和環(huán)境是擺在人類發(fā)展前面無法回避的問題。為了保證汽車制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，多種新能源汽車研發(fā)出來。但由于技術(shù)的瓶頸，新能源所能提供的動力不能支持汽車獲得滿意的續(xù)航里程。這種情況下，汽車的輕量化在一定時期內(nèi)，不僅對傳統(tǒng)動力的汽車顯得非常重要，而且對新能源汽車也顯得非常重要?？梢灶A見，未來強度級別為780MPa、980MPa和1180MPa級的先進高強鋼必然會逐步成為汽車輕量化的首選材料，這些級別高強鋼所占的市場份額也會越來越高。

在汽車制造業(yè)的發(fā)展進程中，主流是成本高、性能過剩的新一代先進高強鋼，還是兼顧成本和性能的改進型先進高強鋼，需要市場做出選擇。汽車制造的選材未來將更加多樣化，除了鋼鐵材料，也不可忽視輕質(zhì)材料（鋁、鎂、塑料）等的應用與發(fā)展。

結(jié)束語

綜上，針對汽車用高強度鋼的應用與發(fā)展得出以下結(jié)論：

⑴汽車輕量化的需求成就了先進高強鋼的迅速發(fā)展，雙相鋼的應用最為廣泛。TRIP鋼具有明顯的塑性優(yōu)勢，但目前的應用并不及雙相鋼普遍。CP鋼作為區(qū)域性特點顯著的鋼種，應用主要集中于歐洲車型。馬氏體鋼優(yōu)點明顯，缺點也同樣明顯，在汽車制造中的地位需要時間和市場的考驗。

⑵先進高強鋼盡管性能優(yōu)良，但隨著強度級別的提高，塑性越來越難以滿足成形的要求。近年來新一代先進高強鋼發(fā)展迅速。這類鋼性能不僅優(yōu)良，而且略顯過剩。鋼廠能否提供價格合理的新一代鋼材，汽車制造廠能否接受成本的提高，將是決定這類鋼材市場命運的主要因素。

⑶從汽車制造業(yè)選材的原則分析，未來先進高強鋼的改進不應該背離低成本，需要在成本可控的前提下適當提高鋼材的成形性。因此，改進型先進高強鋼可能在未來更具技術(shù)價值和市場價值。

汽車用先進高強度鋼板的現(xiàn)狀和未來

文/朱曉東·上海寶鋼股份有限公司研究院汽車用鋼研究所

朱曉東，博士、教授級高工，首席研究員，主要從事汽車用鋼的研發(fā)。