適用于冷沖壓成形的超高強(qiáng)鋼性能分析

文/陳新平，蔣浩民·寶山鋼鐵股份有限公司

適用于冷沖壓成形的超高強(qiáng)鋼性能分析

文/陳新平，蔣浩民·寶山鋼鐵股份有限公司

陳新平，寶鋼集團(tuán)中央研究院首席研究員，高級(jí)工程師。從事超高強(qiáng)鋼沖壓成形技術(shù)研究、新車型EVI核心技術(shù)研究、管件液壓成形技術(shù)研究等，曾獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)，已授權(quán)/受理專利41項(xiàng)，制/修訂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)8項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，發(fā)表科技論文65篇。

車身用鋼的發(fā)展趨勢(shì)

隨著汽車市場(chǎng)對(duì)節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適等要求的提高，汽車車身輕量化成為當(dāng)今汽車技術(shù)發(fā)展的重要發(fā)展方向。由于高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼在減輕車身重量的同時(shí)，還能提高汽車車身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及能量吸收能力，因此高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼在汽車上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。截至目前，高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼仍然是最經(jīng)濟(jì)、最有效的輕量化途徑之一。典型的超高強(qiáng)鋼應(yīng)用零件有前、后門左/右防撞桿（梁），前、后保險(xiǎn)杠，A柱加強(qiáng)板，B柱加強(qiáng)板，C柱加強(qiáng)板，下邊板，地板中通道及車頂加強(qiáng)梁等各種結(jié)構(gòu)件。

圖1 高強(qiáng)鋼的發(fā)展和定義劃分

高強(qiáng)鋼有不同的定義分類方法。⑴按屈服強(qiáng)度分類：將屈服強(qiáng)度在210～550MPa范圍內(nèi)的鋼定義為高強(qiáng)鋼（HSS，High Strength Steel），屈服強(qiáng)度在550MPa以上的鋼定義為超高強(qiáng)鋼（UHSS，Ultra High Strength Steel）；⑵按抗拉強(qiáng)度分類：抗拉強(qiáng)度在340～780MPa范圍內(nèi)的鋼定義為高強(qiáng)鋼（HSS），抗拉強(qiáng)度在780MPa以上的鋼定義為超高強(qiáng)鋼（UHSS）；⑶按照強(qiáng)化機(jī)理分類：分為傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼，先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS，Advanced High Strength Steel）是指通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳刂其摰娘@微組織以得到高強(qiáng)度、高塑性；⑷按其發(fā)展歷程分類：第一代、第二代和第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼，如圖1所示。

除了鋼鐵材料之外，鋁合金、鎂合金、工程塑料、碳纖維及其他輕質(zhì)材料也加大了在汽車車身上應(yīng)用研究的力度。曾有人對(duì)2030年時(shí)車身的輕量化方案做了預(yù)測(cè)，不同的輕量化方案下對(duì)應(yīng)著不同的車身用材結(jié)構(gòu)，如圖2所示。不管是哪一種方案，現(xiàn)行車身上用量較大的軟鋼（抗拉強(qiáng)度340MPa以下）和高強(qiáng)鋼（抗拉強(qiáng)度780MPa以下），都將大幅度減少，而超高強(qiáng)鋼（抗拉強(qiáng)度在780MPa及以上）的用量將大幅度增加。

圖2 2030年時(shí)不同輕量化目標(biāo)下的車身用材結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

超高強(qiáng)鋼冷沖壓成形面臨的挑戰(zhàn)

在超高強(qiáng)鋼產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上，國(guó)內(nèi)外鋼廠都進(jìn)行了大量的工作，日本新日鐵、JFE、神戶制鋼、韓國(guó)浦項(xiàng)和瑞典SSAB等鋼鐵公司已開(kāi)發(fā)出各自的超高強(qiáng)鋼產(chǎn)品并在汽車行業(yè)得到應(yīng)用。近年來(lái)，第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼不斷刷新“強(qiáng)度”記錄，如1200MPa級(jí)別的雙相鋼（DP鋼：Dual-Phase Steel）、1500MPa級(jí)別的馬氏體鋼等相繼實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)和供應(yīng)。

鋼板的可成形性能（延伸率）一般隨著強(qiáng)度的提高而降低。以第一代高強(qiáng)鋼為例，強(qiáng)塑積（強(qiáng)度×延伸率）一般在15GPa%以下，例如：980MPa級(jí)的雙相鋼延伸率為7%～15%，1200MPa以上馬氏體鋼的延伸率只有3%～8%。這么低的延伸率，給冷沖壓成形帶來(lái)了極高的難度和挑戰(zhàn)。

高強(qiáng)鋼在國(guó)外剛剛開(kāi)始大批量應(yīng)用的時(shí)候，曾遇到過(guò)很多問(wèn)題。其中，有一個(gè)普遍的問(wèn)題是零件可成形范圍較窄和性能不穩(wěn)定。這是因?yàn)楦邚?qiáng)鋼，尤其是先進(jìn)高強(qiáng)鋼通過(guò)控制相組織得到高強(qiáng)度的這種強(qiáng)化機(jī)理，導(dǎo)致了高強(qiáng)鋼的性能波動(dòng)范圍在先天上就比傳統(tǒng)的軟鋼要大。還有一個(gè)問(wèn)題，就是高強(qiáng)鋼板表面易拉毛和模具易磨損，這也會(huì)帶來(lái)模具維修費(fèi)用及零件返修工作量的增加，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。

隨著國(guó)內(nèi)汽車車身輕量化的持續(xù)進(jìn)行，超高強(qiáng)鋼在國(guó)產(chǎn)汽車上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。寶鋼近年來(lái)的超高強(qiáng)鋼銷售量也說(shuō)明了這一點(diǎn)。特別是寶鋼超高強(qiáng)鋼專用生產(chǎn)線于2009年4月投產(chǎn)以后，冷軋超高強(qiáng)鋼的銷量迅速攀升，從2008年的不到3000t到2013年的86000t，短短的5年時(shí)間，增長(zhǎng)了幾十倍。近兩年來(lái)，我們對(duì)冷軋超高強(qiáng)鋼在冷沖壓成形過(guò)程中發(fā)生的主要問(wèn)題也進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)主要集中在以下幾個(gè)方面：開(kāi)裂、回彈及尺寸超差、邊部開(kāi)裂、起皺、表面拉毛、毛刺等。然而，由于冷沖壓成形所特有的高效率、低能耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，且有著近百年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，生產(chǎn)組織等相對(duì)較易進(jìn)行，因此人們對(duì)于冷沖壓成形仍然情有獨(dú)鐘，也因此，對(duì)于可適用于冷沖壓方式進(jìn)行加工的超高強(qiáng)度鋼板的開(kāi)發(fā)一直有著較高的期待。

第二代高強(qiáng)鋼，典型代表為孿生誘發(fā)塑性鋼（TWIP鋼：Twinning Induced Plasticity Steel），是以添加Mn等合金元素來(lái)提升強(qiáng)度，形成大量的鐵素體相來(lái)提升延伸率的。然而，大量合金元素的添加，導(dǎo)致了較高的生產(chǎn)成本，且因極高的碳當(dāng)量而導(dǎo)致焊接困難，因此，第二代高強(qiáng)鋼雖然在較早的時(shí)期就開(kāi)發(fā)成功，但卻尚未得到廣泛的應(yīng)用。

近年來(lái)，世界各國(guó)研究機(jī)構(gòu)、鋼鐵企業(yè)對(duì)第三代超高強(qiáng)鋼的研發(fā)熱情空前高漲，尤其是寶鋼率先實(shí)現(xiàn)了第三代超高強(qiáng)鋼品種中的淬火延性鋼（QP鋼：Quenching and Partition Steel）的工業(yè)化生產(chǎn)，并在汽車零件上實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用，對(duì)鋼鐵業(yè)界和汽車業(yè)界的影響都極大，也為采用冷沖壓方式進(jìn)行超高強(qiáng)鋼的成形加工注入了活力。

超高強(qiáng)鋼冷沖壓成形面臨的機(jī)遇

材料開(kāi)發(fā)

寶鋼對(duì)超高強(qiáng)鋼的研究始于2005年，從工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品研制到汽車用戶使用技術(shù)研究完全依靠自身力量，并研究出超高強(qiáng)鋼核心生產(chǎn)裝備技術(shù)，成為我國(guó)首家擁有冷軋超高強(qiáng)鋼生產(chǎn)技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的企業(yè)，為自主集成建設(shè)高強(qiáng)鋼專用生產(chǎn)線奠定了基礎(chǔ)。年產(chǎn)量20萬(wàn)噸的高強(qiáng)鋼專用生產(chǎn)線于2009年4月建成投產(chǎn)，主要生產(chǎn)冷軋及熱鍍純鋅的高強(qiáng)鋼及超高強(qiáng)鋼，并生產(chǎn)出最高抗拉強(qiáng)度為1500MPa級(jí)別的冷軋馬氏體鋼。2010年全球率先實(shí)現(xiàn)了首個(gè)第三代高強(qiáng)鋼—980MPa級(jí)QP鋼的工業(yè)化試制，并于2012年通過(guò)汽車廠材料認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)了在汽車上的批量化應(yīng)用。2013年全球首發(fā)第三代熱鍍鋅QP980，2014年全球首發(fā)1180MPa級(jí)的冷軋QP鋼。目前，寶鋼已成為世界上唯一能夠同時(shí)批量生產(chǎn)第一代、第二代及第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的鋼鐵企業(yè)，實(shí)現(xiàn)了超高強(qiáng)鋼產(chǎn)品在世界范圍內(nèi)的領(lǐng)先地位。

2009年在科技部973項(xiàng)目的大力支持下，太鋼集團(tuán)與中國(guó)鋼研科技集團(tuán)公司合作，成功開(kāi)發(fā)出第三代汽車鋼熱軋板卷和冷軋板，該產(chǎn)品強(qiáng)塑積超過(guò)了30GPa%。目前尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

國(guó)際鋼鐵巨頭ArcelorMittal（安賽樂(lè)米塔爾）早在2012年6月開(kāi)始分階段減持在華菱鋼鐵的股份，并將所獲資金用于增持其與華菱鋼鐵合資的汽車板項(xiàng)目的股份。該項(xiàng)目于2014年6月全面建成投產(chǎn)，2015年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。該項(xiàng)目初期年產(chǎn)能150萬(wàn)噸，主要生產(chǎn)特殊高強(qiáng)鋼。

2011年9月鞍鋼與日本株式會(huì)社神戶制鋼所簽署了合作意向書(shū)，成立合資公司，建設(shè)一條年產(chǎn)60萬(wàn)噸新型水冷式冷軋連續(xù)退火生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)590MPa以上級(jí)別的雙相冷軋高強(qiáng)汽車用鋼，計(jì)劃于2016年初投產(chǎn)。

材料性能

冷軋超高強(qiáng)鋼的品種極為豐富，寶鋼已實(shí)現(xiàn)大批量穩(wěn)定生產(chǎn)供應(yīng)的主要有：雙相鋼（DP鋼），DP780、DP980（有冷軋表面CR，有熱鍍純鋅表面GI，也有熱鍍鋅鐵表面GA），DP1180（CR）；相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP鋼），TR780（CR）；淬火延性鋼（QP鋼），QP980（CR，GI），QP1180（CR）；馬氏體鋼（MS鋼）：MS980（CR），MS1180（CR），MS1300（CR），MS1400（CR），MS1500（CR）。其中，適用于采用冷沖壓成形方式進(jìn)行加工的鋼種主要是DP鋼、TRIP鋼和QP鋼。

⑴DP鋼。

冷軋雙相鋼微觀組織主要由馬氏體和鐵素體組成，馬氏體組織以島狀彌散分布在鐵素體基體上，馬氏體是硬質(zhì)強(qiáng)化相，鐵素體是軟相，雙相鋼的強(qiáng)度隨著馬氏體含量的提高而增加，典型微觀金相組織，如圖3所示。

馬氏體和鐵素體復(fù)合的雙相組織使其具有一定的強(qiáng)度和良好的成形性。DP鋼的主要力學(xué)性能特點(diǎn)為：連續(xù)屈服，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈光滑的拱形，無(wú)屈服點(diǎn)延伸。這就避免成形零件表面起皺，從而不需要附加的精整工序；高的加工硬化速率，尤其是初始的加工硬化速率，只需5%以下的應(yīng)變，就可使雙相鋼的流變應(yīng)力達(dá)到500～550MPa；無(wú)屈服延伸，無(wú)室溫時(shí)效；烘烤硬化值35～80MPa；低屈強(qiáng)比0.5～0.65。由于DP鋼具有良好的強(qiáng)度和成形性能，可以廣泛應(yīng)用于如A柱、B柱、門檻加強(qiáng)板、車門防撞桿等各種車身安全件、結(jié)構(gòu)件，也可推廣應(yīng)用到外板件零件。

圖3 不同強(qiáng)度級(jí)別DP鋼典型微觀組織

不同強(qiáng)度級(jí)別DP鋼典型準(zhǔn)靜態(tài)拉伸曲線，如圖4所示?？梢钥闯龈骷?jí)別雙相鋼均表現(xiàn)出連續(xù)屈服，較高的初始加工硬化，較長(zhǎng)的均勻延伸區(qū)間。高的初始加工硬化使雙相鋼發(fā)生塑性變形后，變形抗力迅速上升至較高水平，并維持在較寬的均勻應(yīng)變區(qū)間，延遲了塑性頸縮的發(fā)生。

圖4 不同強(qiáng)度級(jí)別DP鋼典型準(zhǔn)靜態(tài)拉伸曲線

⑵TRIP鋼。

圖5 TRIP鋼典型金相組織

圖6 TRIP鋼典型準(zhǔn)靜態(tài)拉伸曲線

相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP鋼）的組織為鐵素體＋貝氏體＋殘余奧氏體。典型微觀金相組織，如圖5所示。殘余奧氏體的含量在7%～15%之間。在沖壓成形時(shí)，TRIP鋼中的殘余奧氏體會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛驳鸟R氏體，有利于均勻變形，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性較好的統(tǒng)一，較好地解決了強(qiáng)度和塑性矛盾。TRIP鋼典型準(zhǔn)靜態(tài)拉伸曲線，如圖6所示。

加工硬化指數(shù)n值是決定板料成形時(shí)最大允許延伸的重要參數(shù)。在相同板厚的情況下，最終n值決定了板料成形極限的高度。n值的大小實(shí)際上反映了板材均勻地分配應(yīng)變的能力。變形過(guò)程中n值越高，應(yīng)變梯度越小，材料抵抗局部變薄的能力越強(qiáng)。

與DP鋼相比，TRIP鋼在成形發(fā)生大的應(yīng)變時(shí)，能產(chǎn)生新的馬氏體島，這些新的馬氏體島能維持較高的瞬時(shí)n值，如圖7所示。由于TRIP鋼的加工硬化指數(shù)在很長(zhǎng)的應(yīng)變范圍內(nèi)仍保持較高，特別適合要求具有高脹形的成形方式。

圖7 TRIP和DP鋼瞬時(shí)n值曲線對(duì)比

然而，TRIP鋼中殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變，與應(yīng)變路徑、應(yīng)變量大小有關(guān)。即：不同形狀的零件，不同的成形特征，或者是不同的成形工序設(shè)計(jì)，都會(huì)誘發(fā)出完全不同的TRIP塑性。這就要求車身設(shè)計(jì)工程師、模具設(shè)計(jì)工程師十分了解TRIP鋼的變形特性，從而能夠充分利用這一特性。

此外，TRIP鋼中的貝氏體相是鋼過(guò)冷奧氏體的中溫(350～550℃）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，轉(zhuǎn)變溫度介于珠光體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變之間，實(shí)際生產(chǎn)中較為難以控制。正是由于TRIP鋼的這種貝氏體相控制困難及對(duì)零件和模具設(shè)計(jì)的較高要求，使其雖然具有高碰撞吸收性能、高強(qiáng)塑積、高n值、成形性好等特點(diǎn)，也仍然難以獲得像DP鋼這樣的廣泛應(yīng)用。

⑶QP鋼。

圖8 QP鋼的碳的配分原理示意圖

圖9 QP鋼典型金相組織

淬火延性鋼（QP鋼）的組織是鋼在奧氏體化后快速淬火獲得馬氏體＋奧氏體的混合組織，隨后加熱至配分溫度進(jìn)行碳的配分。配分處理后，碳由馬氏體擴(kuò)散至未轉(zhuǎn)變奧氏體，使奧氏體富碳并穩(wěn)定化，如圖8所示。穩(wěn)定化的奧氏體在隨后的冷卻過(guò)程中可保留下來(lái)，最終形成鐵素體+馬氏體+少量殘余奧氏體組織，如圖9所示。

QP鋼典型準(zhǔn)靜態(tài)拉伸曲線，如圖10所示。QP鋼具有超高強(qiáng)度、較高的延伸率和良好的強(qiáng)塑積，特別適合外形相對(duì)復(fù)雜、強(qiáng)度要求相對(duì)高的沖壓件。

圖10 QP鋼典型應(yīng)力應(yīng)變曲線

與DP鋼相比，除了具備DP鋼的優(yōu)點(diǎn)之外，由于QP鋼穩(wěn)定化殘余奧氏體的存在，使得QP鋼具有比DP鋼更好的成形性能，如圖10所示，同樣是980MPa級(jí)別，QP鋼的延伸率遠(yuǎn)大于DP鋼，其均勻延伸率甚至優(yōu)于強(qiáng)度較低的DP780。與TRIP鋼相比，QP鋼的馬氏體相較之TRIP鋼的貝氏體相更容易控制并且具有更高的強(qiáng)度。

典型應(yīng)用案例

某車型前圍橫梁，批量生產(chǎn)中一直采用DP590GI沖壓。在同一套模具上，在相同的工藝條件下，采用QP980進(jìn)行試沖，可完成拉延成形，如圖11所示。圖11中下方零件為采用DP590GI進(jìn)行批量生產(chǎn)的拉延件，上方零件為采用QP980試沖的拉延件。

圖11 QP980與DP590的實(shí)沖對(duì)比

某車型B柱加強(qiáng)板，采用寶鋼QP980進(jìn)行了試沖。采用網(wǎng)格應(yīng)變分析（CGA）技術(shù)對(duì)零件上各區(qū)域的應(yīng)變進(jìn)行了分析，試驗(yàn)結(jié)果表明各區(qū)域的安全裕度及減薄率均滿足要求。通過(guò)各種材料和零件認(rèn)證試驗(yàn)后，該B柱加強(qiáng)板已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化批量生產(chǎn)。

結(jié)束語(yǔ)

隨著汽車輕量化的深入進(jìn)行，高強(qiáng)鋼尤其是超高強(qiáng)鋼將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。作為在高強(qiáng)度下仍然具有高塑性的第三代高強(qiáng)鋼，正逐漸獲得各鋼鐵公司、汽車廠的青睞。足夠的塑性，使得超高強(qiáng)鋼的冷沖壓成形成為可能。因此，隨著新一代高強(qiáng)鋼的不斷開(kāi)發(fā)，冷沖壓成形將有可能成為超高強(qiáng)鋼的主要加工方式。