汽車用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，家庭汽車的不斷普及促進(jìn)了汽車工業(yè)的快速發(fā)展。為滿足汽車輕量化發(fā)展的需求以及前述汽車板的各種性能要求，高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼近年來(lái)發(fā)展很快。因此先進(jìn)高強(qiáng)度鋼是目前汽車用鋼研發(fā)的熱點(diǎn)。但開發(fā)新鋼種周期長(zhǎng)，難度大，可合理借鑒專利進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)。

【關(guān)鍵詞】先進(jìn)高強(qiáng)度鋼 汽車用鋼 發(fā)明 熱軋 冷軋

汽車輕量化和安全性對(duì)汽車用鋼的性能提出了新的、較高的要求，具體有以下6個(gè)方面：優(yōu)良的成形性能；在保證塑性、延性指標(biāo)的同時(shí)，提高強(qiáng)度降低沖壓件重量；良好的表面狀態(tài)和形貌、嚴(yán)格的尺寸精度；良好的連接性能和保型性能；抗時(shí)效性穩(wěn)定性和油漆烘烤硬化性；耐蝕性能[1]。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，其英文縮寫為AHSS（Advanced High Strength Steel），主要包括雙相（DP）鋼、相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）鋼、復(fù)相（CP）鋼、馬氏體（M）鋼、熱成形（HF）鋼和孿晶誘導(dǎo)塑性（TWIP）鋼。

1 各種先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝

1.1 雙相鋼（DP）

雙相鋼組織是在純凈的鐵素體晶界或晶內(nèi)彌散分布著較硬的馬氏體或貝氏體（一般在15%），強(qiáng)度與韌性協(xié)調(diào)很好，兼有高強(qiáng)度和良好的成形性。雙相鋼生產(chǎn)方法有熱軋法和熱處理法兩種。熱軋法是將熱軋鋼材的終軋溫度控制在兩相區(qū)的某一范圍，然后快速冷卻，即通過(guò)控制最終形變溫度及冷卻速度的方法獲得鐵素體+馬氏體雙相組織。該方法又分為兩種：一是常規(guī)熱軋法，即在通常的終軋及卷取溫度下獲得雙相組織；二為極低溫度卷取熱軋法，即在Ms點(diǎn)以下進(jìn)行卷取，以獲得雙相組織。熱處理法是將熱軋或冷軋后的鋼材重新加熱到兩相區(qū)并保溫一定時(shí)間，然后以一定速度冷卻，從而獲得所需要的鐵素體+馬氏體雙相組織。

寶鋼發(fā)明提供的一種熱軋高強(qiáng)度雙相鋼板，其化學(xué)成分設(shè)計(jì)（按重量百分含量計(jì)）為：C：0.10一0.13%，Si：0.85一1.15%，Mn：1.40一1.70%，P：≤0.015%，S：≤0.005%，Al：0.015一0.035%，N：≤0. 006%，余量為鐵和不可避免雜質(zhì)。

生產(chǎn)過(guò)程：轉(zhuǎn)爐吹煉和真空處理→連鑄→加熱和軋制→軋后進(jìn)行分段冷卻→卷取→空冷。

第一段水冷速度70一100℃/s，快速水冷目的是使材料迅速進(jìn)入鐵素體相區(qū)，中間空冷溫度控制在620一660℃，空冷時(shí)間4一6s，空冷溫度和時(shí)間的配合是為了獲得適量的鐵素體組織（體積分?jǐn)?shù)80%左右）和較低的屈服強(qiáng)度，第二段水冷速度要求大于100℃/s，終冷溫度≤200℃，第二段水冷的終冷溫度優(yōu)選150一200℃，其目的在于使未相變的奧氏體組織淬火成馬氏體組織，提高鋼材的抗拉強(qiáng)度。由于生產(chǎn)熱軋雙相鋼的關(guān)鍵是控制熱軋后的冷卻方式，因此本方法可以通過(guò)控制相變組織類型和比例來(lái)得到雙相鋼板所需的性能。

通過(guò)該方法制造的鋼板：屈服強(qiáng)度≥450MPa，抗拉強(qiáng)度≥800MPa，延伸率A50≥15%，具有較高的強(qiáng)度、塑型性和成形性，較好的延伸性、焊接性、冷彎性等使用性能 [2]。

1.2 相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP）

相變誘發(fā)塑性鋼是指鋼中存在多相組織的鋼。這些相通常為鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體和馬氏體。在形變過(guò)程中，穩(wěn)定存在的殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)引起了相變強(qiáng)化和塑性增長(zhǎng)。為此殘余奧氏體必須有足夠的穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式轉(zhuǎn)變，一方面強(qiáng)化基體，另一方面提高均勻的伸長(zhǎng)率，達(dá)到強(qiáng)度和塑性同步增加的目標(biāo)[3]。

鞍鋼發(fā)明提供的一種高強(qiáng)塑積TRIP鋼板，其化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)為：C：0.08%一0.5%，Si：0.4%一2.0%，Mn：3%一8%，P：≤0.10%，S：≤0.02%，Al：0.02%一4%，N：≤0.01%，Nb：0—0.5%，V：0—0.5%，Ti：0—0.5%，Cr：0—2%，Mo：0—1%。

生產(chǎn)過(guò)程，冶煉→連鑄→熱軋→酸洗→冷軋→罩式爐退火。熱軋加熱溫度：1100一1250℃，保溫時(shí)間為≥2h，開軋溫度為≥1100℃，終軋溫度850一950℃，卷取溫度<720℃，熱軋板厚度為2—4mm；如果客戶要求鋼板厚度在2—4mm之間，也可以不進(jìn)行冷軋；冷軋累積壓下量40%一80%。罩式爐退火：隨爐加熱，保溫溫度為：550一750℃，保溫時(shí)間：1—20h，隨爐冷卻。得到的冷軋TRIP鋼板強(qiáng)塑積大于30GPa%，顯微組織中馬氏體以面積率計(jì)為30—90%，奧氏體以體積率計(jì)為5一30%，其余為少量鐵素體和滲碳體[4]。

1.3 復(fù)相鋼（CP）

復(fù)相鋼的組織與TRIP鋼類似，其主要組織是細(xì)小的鐵素體和高比例的硬相（馬氏體、貝氏體），含有鈮、鈦等元素。通過(guò)馬氏體和貝氏體以及析出強(qiáng)化的復(fù)合作用。依靠合金成分設(shè)計(jì)、微合金化、控軋控冷技術(shù)和連續(xù)退火技術(shù)，熱軋和冷軋高強(qiáng)度帶鋼可以得到不同的組織，如鐵素體+貝氏體雙相組織、鐵素體+馬氏體雙相組織、鐵素體+貝氏體+殘余奧氏體復(fù)相組織和馬氏體組織[3]。

1.4 馬氏體鋼（MART）

馬氏體鋼的生產(chǎn)是通過(guò)高溫奧氏體組織快速淬火轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l馬氏體組織，可通過(guò)熱軋、冷軋、連續(xù)退火或成形后退火來(lái)實(shí)現(xiàn)，是目前商業(yè)化高強(qiáng)度鋼板中強(qiáng)度級(jí)別最高的鋼種。

首鋼發(fā)明提供的一種熱軋馬氏體鋼，其化學(xué)成分按重量百分比為：C：0.10一0.18%，Si：0. 0l一0. 4，Mn：l.0一2.0，P：≤0.012%，S：≤0.006%，Nb：0.02一0.06%，Ti：0.0l一0.05%，Cr：0.1一0.5%，余量為Fe及其它雜質(zhì)元素。生產(chǎn)過(guò)程：冶煉、鑄造，形成鋼坯；將所述鋼坯加熱至1200一1250℃，保溫1一2小時(shí)；將保溫后的鋼坯進(jìn)行熱軋；對(duì)熱軋后的鋼坯采用直接冷卻工藝，以30一70℃/s的冷卻速率冷卻到馬氏體相變點(diǎn)以下后進(jìn)行卷取。獲得的熱軋馬氏體鋼屈服強(qiáng)度大于1000MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1200一1320MPa，延伸率8一11%，d=8a冷彎性能良好[5]。

1.5 孿晶誘導(dǎo)塑性鋼（TWIP）

孿晶誘導(dǎo)塑性鋼在室溫下其組織為奧氏體，在變形過(guò)程中將發(fā)生機(jī)械孿晶并誘導(dǎo)塑性（即TWIP效應(yīng)），從而保證了其優(yōu)良的塑性。鞍鋼發(fā)明提供的一種孿晶誘導(dǎo)塑性鋼，其化學(xué)組成以重量百分比計(jì)為：C0.30%一0.80%，Si≤0.4%，Mn15%一25%，Al≤0.05%，P0.04%一0.16%，Re0.10%一0.30%，N 0.01%一0.02%。制備方法包括以下工藝步驟：（1）采用真空冶煉、出鋼溫度控制在1450—1550℃，澆注成錠料，以獲得具有大量等軸晶結(jié)構(gòu)的鑄態(tài)組織；（2）將具有上述成分的鑄錠熱軋，開軋溫度控制在1150—700℃，終軋溫度為≥550℃，軋后鋼板空冷或水淬；再經(jīng)40%一80%的壓下量，冷軋成厚度為0.5mm—3.0mm的鋼板；（3）在600—1000℃的靜態(tài)爐中對(duì)冷軋帶材進(jìn)行退火處理，等溫保持0.5—20分鐘，然后以5—20℃/s冷卻/或水淬冷至室溫。

孿晶誘導(dǎo)塑性鋼的顯微組織以?shī)W氏體為主，其體積分?jǐn)?shù)≥80%，其余為馬氏體及鐵素體。抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到700—1200MPa或以上，斷裂延伸率達(dá)到30—60%或以上，加工硬化指數(shù)n達(dá)到0.3—0.49。

1.6 淬火配分鋼（Q&P）

淬火配分鋼的顯微組織主要是由馬氏體基體和殘余奧氏體雙相復(fù)合而成。對(duì)于含碳量較低的鋼，經(jīng)Q&P處理后其顯微組織為典型的板條馬氏體和馬氏體條間的薄膜狀殘余奧氏體組成。當(dāng)碳含量較高的時(shí)候，基體為由板條馬氏體和孿晶馬氏體混合而成的組織，殘余奧氏體則呈不規(guī)則分布。Q&P鋼是一種具有高強(qiáng)度和較高延伸率結(jié)合的新鋼種，其優(yōu)越的性能主要來(lái)自于鋼中馬氏體和奧氏體雙相組織的合理配比。高強(qiáng)度來(lái)自于馬氏體和合金元素固溶強(qiáng)化的貢獻(xiàn)，而高塑性則取決于馬氏體中的碳含量和殘余奧氏體的含量及其分布[7]。

2003年，Speer等基于對(duì)碳配分過(guò)程的理解提出了淬火配分（Q&P）熱處理工藝，該熱處理過(guò)程包括：首先將試樣加熱到奧氏體區(qū)使其奧氏體化后淬火到馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度和轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度之間某一設(shè)定溫度，得到馬氏體和殘余奧氏體的混合組織；并在此溫度（一步法）或高于此溫度（兩步法）保溫一定時(shí)間使碳元素從過(guò)飽和的馬氏體向奧氏體中配分，提高奧氏體穩(wěn)定性，從而在最后淬火至室溫的過(guò)程中保留下來(lái)。Q&P鋼因優(yōu)異的強(qiáng)韌性的結(jié)合，成分中主要有C、Mn、Si（A1）元素，有著廣闊的應(yīng)用前景[8]。

2 結(jié)語(yǔ)

汽車更高的輕量化、安全性要求，促進(jìn)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的研發(fā)熱潮。文中對(duì)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的介紹和專利工藝參數(shù)為研發(fā)提供思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李光瀛，馬鳴圖.我國(guó)汽車板生產(chǎn)現(xiàn)狀及展望[J].軋鋼，2014（4）：24-25.

[2] 寶山鋼鐵股份有限公司.熱軋高強(qiáng)度雙相鋼板及其制造方法[P].中國(guó)：102719732A，2012-10-10.

[3] 江海濤，唐獲，米振莉.汽車用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的開發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2007（8）：1-5.

[4] 鞍鋼股份有限公司，一種高強(qiáng)塑積TRIP鋼板及其制備方法[P].中國(guó)：102912219A，2013-02-06.

[5] 首鋼總公司，一種熱軋馬氏體鋼及其生產(chǎn)方法[P].中國(guó)：103334057A，2013-10-02.

[6] 鞍鋼股份有限公司，一種輕質(zhì)、高性能孿晶誘導(dǎo)塑性鋼及其制備方法[P].中國(guó)：101660086A，2010-03-03.

[7] 鐘寧.高強(qiáng)度Q&P鋼和Q-P-T鋼的研究[D].上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2009.

[8] 朱帥，康永林，李聲慈 等.配分溫度對(duì)Q&P鋼組織性能的影響[J].材料熱處理技術(shù)，2001（24）：176.

參考文章：李登超（1967—），男，四川鹽亭人，本科，畢業(yè)于武漢科技大學(xué)，副教授，研究方向：材料成型自動(dòng)化。