汽車用高強(qiáng)鋼的發(fā)展與展望

李 麟

（上海大學(xué)材料與科學(xué)工程學(xué)院，上海 200444）

由于20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)，汽車工業(yè)開始了輕量化進(jìn)程，實(shí)施了以高強(qiáng)鋼（high strength steel，HSS）替代軟鋼的研發(fā)。為加速這一進(jìn)程，國(guó)際上30余個(gè)大型鋼鐵集團(tuán)出資聯(lián)合成立了ULSAB （ultra light steel auto body）［1］項(xiàng)目，并委托保時(shí)捷公司設(shè)計(jì)新型乘用車，其宗旨是盡可能多地采用HSS。而在其后續(xù)項(xiàng)目ULSABAVC（advanced vehicle concept）中，僅HSS 被應(yīng)用于車身，如圖1 所示［2］。

圖1 ULSAB-AVC項(xiàng)目材料選擇［2］Fig.1 Material applications for ULSAB-AVC［2］

ULSAB-AVC項(xiàng)目應(yīng)用了高強(qiáng)度低合金鋼、烘烤硬化鋼、雙相鋼、相變誘發(fā)塑性鋼、馬氏體鋼、復(fù)相鋼、無間隙原子鋼等，這些鋼的微觀組織和力學(xué)性能差異甚大，且應(yīng)用于汽車的部位亦不相同。下面介紹其中一些代表性鋼種及新研發(fā)的鋼種。

1 高強(qiáng)鋼發(fā)展的歷史回顧

眾所周知，一般將屈服強(qiáng)度在210 MPa以上的汽車鋼稱為HSS。傳統(tǒng)的HSS是鐵素體和珠光體的混合組織，通過添加Nb、V和Ti微合金元素及在控軋控冷工藝過程中的溶解和微合金化合物的析出，改善其組織和力學(xué)性能［3］。又由于該鋼種碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，所以有好的焊接性能和韌性。HSLA鋼可分為Mn鋼、Si-V鋼、Mn-RE鋼、Ti鋼、Nb鋼和Mn-V鋼等，見表1［4］。國(guó)外也根據(jù)需求研發(fā)了相應(yīng)的鋼種。

表1 國(guó)內(nèi)HSLA鋼類別［4］Table 1 Class of HSLA steels in China［4］

在乘用車輕量化進(jìn)程的早期，HSLA鋼曾被大量采用。但由于這些鋼的抗拉強(qiáng)度尚不能滿足現(xiàn)代汽車的需求，于是由馬氏體和鐵素體構(gòu)成的DP鋼，因其既具有高的抗拉強(qiáng)度又展現(xiàn)了較好的成形性，受到汽車制造商的青睞，如圖1［2］所示。事實(shí)上，不僅在ULSUB-AVC的設(shè)計(jì)中［2］，目前各汽車廠廣泛使用的鋼材仍是DP鋼。

需要指出的是，在DP鋼的應(yīng)用過程中，對(duì)進(jìn)一步提升其強(qiáng)度的研發(fā)工作從未停止過［5-7］。Yukihiro等［5］通過添加合金元素和調(diào)整工藝，開發(fā)了一種抗拉強(qiáng)度達(dá)1 180 MPa的超高強(qiáng)DP鋼，且其疲勞壽命也較長(zhǎng)。牛楓等［6］和鄺霜等［7］通過對(duì)含鈮DP鋼熱處理工藝的設(shè)計(jì)，獲得的產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度大于1 000 MPa，斷后伸長(zhǎng)率大于10%。牛楓等［6］采用的工藝參數(shù)為：終軋溫度880℃，卷取溫度620℃，冷軋壓下率70%，兩相區(qū)830℃保溫60 s淬火，過時(shí)效溫度240～300℃，過時(shí)效時(shí)間240 s。瑞典鋼鐵公司采用的DP鋼的化學(xué)成分和標(biāo)準(zhǔn)如表2所示［8］。

表2 DP鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和標(biāo)準(zhǔn)［8］Table 2 Chemical compositions （mass fraction）and standards of DP steel［8］ %

1987 年，Matsumumura等［9］指出低合金鋼中也存在相變塑性。該作者設(shè)計(jì)的TRIP鋼成分為C～0.4%，Mn～1.5%，Si～1.5%。高的C和Mn含量是為了使奧氏體穩(wěn)定化，而高Si是為了阻止C以滲碳體形式析出而降低奧氏體穩(wěn)定性。由于相變誘發(fā)塑性，TRIP鋼除了具有與DP鋼相同的強(qiáng)度外，還展現(xiàn)了高得多的斷后伸長(zhǎng)率，也即同時(shí)具有高強(qiáng)度和高塑性。因此也曾被認(rèn)為是新一代最有應(yīng)用前景的汽車用高強(qiáng)鋼。

但在TRIP鋼的生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)該鋼Si含量高，在連續(xù)退火工序表面易生成SiO2，這些氧化物浸潤(rùn)性差，使后續(xù)熱鍍鋅時(shí)常出現(xiàn)漏鍍現(xiàn)象，影響鋼板表面質(zhì)量。Meyer等［10］始創(chuàng)了在TRIP鋼中以Al代Si的工作，所研發(fā)的TRIP鋼在Arcelor Auto和ThyssenKrupp Stahl公司的產(chǎn)品情況并列于表3［11］。

表3 Arcelor Auto和ThyssenKrupp Stahl公司產(chǎn)品［11］Table 3 Products in Arcelor Auto and ThyssenKrupp Stahl companies［11］

雖然以Al代Si的TRIP鋼既具有好的表面質(zhì)量又有強(qiáng)塑性的良好配合，但當(dāng)Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%以上時(shí)，生成的氧化鋁夾雜物懸浮在鋼液中易造成水口堵塞。另一些鋼廠如浦項(xiàng)鋼鐵、寶鋼和鞍鋼，為避免水口堵塞，降低了Al含量。當(dāng)該TRIP鋼的強(qiáng)度達(dá)780 MPa時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率可達(dá)22%以上，比同強(qiáng)度級(jí)別DP鋼的10% ～14%高得多［12］；而當(dāng)強(qiáng)度達(dá)980 MPa時(shí)，一些供貨廠產(chǎn)品的斷后伸長(zhǎng)率只有14%左右，雖比同強(qiáng)度級(jí)別DP鋼的7%［12］高，但優(yōu)越性低得多。

近年來汽車用鋼依其性能和產(chǎn)出年代被劃分出了幾代汽車鋼，如HSLA鋼、CMn鋼等被命名為第一代汽車鋼；DP鋼、TRIP鋼和Q&P鋼等被命名為第二代汽車鋼，具體如圖2所示［13］。

圖2 汽車鋼的級(jí)別與性能［13］Fig.2 Grades and properties of automobile steels［13］

2 第一代和第二代汽車鋼性能的改進(jìn)或應(yīng)用對(duì)策

DP鋼具有高強(qiáng)度和較好的斷后伸長(zhǎng)率，但由干其擴(kuò)孔率低，不宜應(yīng)用在對(duì)翻邊成形要求高的零部件上。在此工況下，CP鋼是一較好的替代品。該鋼由鐵素體、貝氏體和馬氏體組成，或由鐵素體＋貝氏體組成。這種混合組織比DP鋼的馬氏體＋鐵素體組織具有小的相間硬度差，所以擴(kuò)孔率高于DP鋼。典型CP鋼的化學(xué)成分如表4所示［14］，其熱處理工藝如圖3 所示［14］。該鋼低的C含量和高的固溶溫度導(dǎo)致奧氏體的含C量低，轉(zhuǎn)變成的馬氏體硬度也低，鋼材擴(kuò)孔率高。

表4 CP鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）［14］Table 4 Chemical compositions of CP steel（mass fraction）［14］ %

圖3 CP鋼的熱處理工藝［14］Fig.3 Heat treatment process of CP steel［14］

雖然CP鋼的擴(kuò)孔率比DP鋼高，但在相同強(qiáng)度時(shí)DP鋼的斷后伸長(zhǎng)率要比前者高一些。所以可根據(jù)實(shí)際工況選擇用材。

DP、CP和TRIP鋼為汽車企業(yè)常用鋼種。但隨著環(huán)保的要求越來越嚴(yán)格，汽車減重的步伐也加快。Grassel等［15］和Frommeyer［16］研發(fā)的TWIP鋼Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)15% ～33%，通過在承載時(shí)孿晶變形而誘發(fā)高塑性。Sutou等［17］在研發(fā)TWIP鋼時(shí)特別注重降低其密度，設(shè)計(jì)了Fe-20Mn-（10 ～14）Al-（0 ～1.8）C （質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同）和Fe-20Mn-（10 ～14）Al-（0.75～1.8）C-5Cr兩種成分鋼，經(jīng)熔煉和熱軋后，在900～1 100℃等溫15 min，再以不同方式冷卻。在1 100℃退火并水淬和空冷的鋼的力學(xué)性能及計(jì)算得到的比強(qiáng)度分別如表5和表6所示。

表5 于1 100°C退火15 min后水淬至室溫的Fe-Mn-Al-C和Fe-Mn-Al-C-Cr鋼的硬度、密度、強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率及比強(qiáng)度［17］Table 5 Hardness，specific gravity，strength，elongation and specific strength of Fe-Mn-Al-C and Fe-Mn-Al-C-Cr steels annealed at 1 100 ℃ for 15 min and water-quenched to room temperature［17］

表6 于1 100°C退火15 min后空冷至室溫的Fe-Mn-Al-C和Fe-Mn-Al-C-Cr鋼的硬度、密度、強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率及比強(qiáng)度［17］Table 6 Hardness，specific gravity，strength，elongation and specific strength of Fe-Mn-Al-C and Fe-Mn-Al-C-Cr steels annealed at 1 100 ℃ for 15 min and air-cooled to room temperature［17］

研究者［17］指出，在生產(chǎn)過程中α 相、κ-碳化物和Cr碳化物的形成是影響該鋼性能的主要因素。Fe-20Mn-11Al-1.8C-5Cr鋼的顯著優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)簡(jiǎn)單熱處理即可獲得良好的性能：低的密度6.51 g/cm3，超越除TRIP鋼以外所有汽車用鋼的高比強(qiáng)度180 MPa·cm3/g，當(dāng)抗拉強(qiáng)度為1 200 MPa時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率仍在30%左右。如能解決高鋁鋼的冶煉問題，為求高比強(qiáng)度該鋼應(yīng)是不錯(cuò)的選擇。

在熱力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)上，李麟等［18］設(shè)計(jì)了一種兼具TWIP和TRIP效應(yīng)的新型TWIP鋼。在兩種增塑效應(yīng)作用下，他們與鞍鋼合作生產(chǎn)的這種鋼具有極高塑性，當(dāng)抗拉強(qiáng)度為1 080 MPa時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)80%。

雖然TWIP鋼有極優(yōu)越性能，但因其Mn含量高而價(jià)格昂貴。因此，Merwin［19］建議采用成分為0.1～0.2C、4～8Mn、0.15～1.5Si的中錳鋼取代之，如處理適當(dāng)，該鋼亦具有很好的力學(xué)性能。但錳量低會(huì)導(dǎo)致奧氏體穩(wěn)定性下降，在熱軋后的冷卻過程中易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體使鋼板硬度升高而使后續(xù)的冷軋難以進(jìn)行，為此需增加一道中間退火。附加退火不但增加了成本，且在罩式爐中的退火，各區(qū)域溫度并不嚴(yán)格相等，而中錳鋼的性能對(duì)處理溫度極敏感，這給生產(chǎn)上述中錳鋼帶來困難。

3 問題和處理方法

如前所述，Meyer等［10］早在1999 年就提出了在TRIP鋼中以Al代Si以改善鋼的表面質(zhì)量，但由于連鑄水口堵塞現(xiàn)象而未能推廣。2008年，Lyu 等［20］、Damien 等［21］分別經(jīng)熱力學(xué)計(jì)算首先發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有含鋁鋼的熱力學(xué)參數(shù)存在很大誤差，不能用于計(jì)算含一定量鋁（如wAl＝2%）鋼的相圖。Li等［22］優(yōu)化計(jì)算了這類鋼的相圖，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好；并指出［18，22］鋁可顯著擴(kuò)大γ＋α（奧氏體＋鐵素體）兩相區(qū)，提高奧氏體含碳量和穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)鋼的TRIP效應(yīng)。

李麟等［18］用新研發(fā)的數(shù)據(jù)庫計(jì)算了Fe-1.5Mn-C和Fe-1.5Mn-1.2Al-C鋼的相圖，如圖4所示。由圖4可見，當(dāng)兩種鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.2%時(shí)，780℃時(shí)Fe-1.5Mn-C鋼中奧氏體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.29%，而Fe-1.5Mn-1.2Al-C鋼中奧氏體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.76%，說明后者由于添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%的鋁，奧氏體穩(wěn)定性大大提高。如水口堵塞問題得到解決，這種合金化概念可廣泛應(yīng)用于鋼中。在其后，近年來在鋼中添加Al以提高性能的研究日益增多。

圖4 Fe-1.5Mn-C和Fe-1.5Mn-1.2Al-C鋼的相圖［18］Fig.4 Phase diagrams of Fe-1.5Mn-C and Fe-1.5Mn-1.2Al-C steels［18］

De Cooman等［23］設(shè)計(jì)了數(shù)種含鋁與不含鋁的中錳鋼，相圖如圖5所示。由于鋁的加入，類2鋼的顯微組織包含粗晶δ-鐵素體、超細(xì)晶鐵素體和奧氏體，因而鋼的硬度不是很高，不必經(jīng)罩式爐退火，熱軋后可直接冷軋繼而至連退線出產(chǎn)品，從而保證了中錳鋼性能不受影響。并認(rèn)為在產(chǎn)線上生產(chǎn)類2鋼的難度不大，只需注意以下幾點(diǎn)：（1）為形成δ-鐵素體而加入的鋁量不宜太高，否則會(huì)在鑄造時(shí)出現(xiàn)問題并造成熱軋開裂；（2）碳含量應(yīng)降低，否則會(huì)生成很硬的馬氏體導(dǎo)致冷軋開裂；（3）硅雖可防止?jié)B碳體析出，但硅含量高也會(huì)使熱鍍鋅質(zhì)量下降。除了De Cooman等［23］所指出的混合組織原因外，從圖5也可看出，含鋁鋼中奧氏體含碳量大大增加，其穩(wěn)定性也會(huì)顯著提高，不會(huì)在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這也可能是文獻(xiàn)［23］中的中錳鋼（類2）熱軋后可直接冷軋的原因之一。

圖5 類1、類2和類3中錳鋼相圖［24］Fig.5 Phase diagrams of medium manganese steels in classes 1，2 and 3［24］

另一將合金化Al添加于汽車鋼的實(shí)例是鞍鋼生產(chǎn)的TRIP鋼，該鋼的抗拉強(qiáng)度為980 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為23%［18］，遠(yuǎn)超一些廠家產(chǎn)品目錄中TRIP鋼在該強(qiáng)度下的斷后伸長(zhǎng)率指標(biāo)14%。

胡建明等［24］在鞍鋼生產(chǎn)的TRIP 鋼［18］成分基礎(chǔ)上，又添加了微合金元素Ti與V，以彌散分布的納米級(jí)尺寸的Ti（C，N）來提升鋼的強(qiáng)度，通過連退時(shí)V（C，N）的重溶以增加奧氏體的穩(wěn)定性和鋼的相變塑性，獲得的TRIP鋼抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 000 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為30%。該結(jié)果證實(shí)了De Cooman［13］的預(yù)測(cè)：微合金化的TRIP 鋼是第三代汽車鋼（NewAHSSSteelsResearchand Development Focus）的有力候選者，如圖3［13］所示。但遺憾的是，胡建明等［24］的試驗(yàn)結(jié)果和De Cooman［13］的預(yù)測(cè)在普通連退線上均可實(shí)現(xiàn)，但在國(guó)內(nèi)外均未引起重視。

眾所周知，TWIP鋼具有較高的強(qiáng)度和極高的斷后伸長(zhǎng)率。但由于其價(jià)格高昂，這些優(yōu)點(diǎn)并未得到汽車制造廠的重視。如Sutou等［17］的研究得出，F(xiàn)e-20Mn-11Al-1.8C-5Cr鋼經(jīng)30%冷軋，比強(qiáng)度超過230 MPa·cm3/g，抗拉強(qiáng)度為1 500 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為10%。強(qiáng)度達(dá)1 500 MPa的TWIP鋼還可從文獻(xiàn)［25-26］等中查得。因此如以冷軋TWIP鋼替代熱沖壓鋼制作零部件，可以節(jié)省昂貴的熱成型模具費(fèi)用。綜合考慮，應(yīng)用TWIP鋼的成本不會(huì)比熱沖壓鋼高。

2003 年，Speer等［27］研發(fā)了低碳的淬火-配分鋼。將該鋼淬火至Ms～Mf溫度后再升溫至Ms以上保溫一段時(shí)間，C會(huì)從馬氏體擴(kuò)散至奧氏體并增強(qiáng)鋼的TRIP效應(yīng)，由此獲得高強(qiáng)度和高塑性。寶鋼生產(chǎn)的Q&P鋼的力學(xué)性能如下［12］：屈服強(qiáng)度550～800 MPa，抗拉強(qiáng)度980 MPa，斷后伸長(zhǎng)率20%；屈服強(qiáng)度820～1 100 MPa，抗拉強(qiáng)度1 180 MPa，斷后伸長(zhǎng)率14%。

因此Q&P鋼被認(rèn)為是第三代鋼的候選者。Wang 等［28］和徐祖耀［29］修改了原Q&P 鋼的成分，在鋼中添加了強(qiáng)碳化物形成元素Mo，并提出用quenching-partitioning-tempering（淬火-配分-回火）的方法處理該鋼，即在淬火后將該鋼置于一較高溫度400℃回火，碳擴(kuò)散配分后析出納米級(jí)復(fù)雜碳化物以提高強(qiáng)度，隨后淬火至室溫。該QP-T鋼的抗拉強(qiáng)度為2 160 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為10%［28-29］。

4 總結(jié)及建議

數(shù)十年來，工業(yè)界和科研院所對(duì)汽車高強(qiáng)鋼的研發(fā)從未停止過，從軟鋼到超高強(qiáng)的熱沖壓鋼，從低碳低合金鋼到高合金的孿晶誘發(fā)塑性鋼，為適應(yīng)消費(fèi)者及環(huán)境需求付出了大量的人力物力。另一方面，因汽車用鋼量大面廣，其價(jià)格一直是不能忽視的問題。所以除瞄準(zhǔn)高合金含量的新材料外，研究開發(fā)各種合金含量低、工藝處理簡(jiǎn)單、力學(xué)性能和工藝性能都較好的鋼材不應(yīng)被忽視。例如自回火鋼即具上述優(yōu)點(diǎn)。齊靖遠(yuǎn)［30］指出，15MnB鋼（0.15%C，1.26%Mn，0.000 7%B）在淬火過程中細(xì)小彌散分布的碳化物會(huì)從低碳馬氏體中析出，奧氏體以薄膜狀存在于馬氏體條間，使得該鋼具有很高的斷裂韌性：KIC值為280 kg/mm2，即2 800 MPa，該性能足可擔(dān)當(dāng)汽車的防沖撞零部件。Mastuda等［31］認(rèn)為，Q&P鋼雖具有好的性能，但需更改現(xiàn)有連退設(shè)備而增加成本，故提出了添加Cr和B的Fe-0.21C-1.5Si-2.3Mn鋼，由于自回火后的馬氏體在應(yīng)變時(shí)的不均勻變形，改善了加工硬化，這使得僅經(jīng)簡(jiǎn)單熱處理的該鋼的強(qiáng)度便高達(dá)1 600 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為10%。對(duì)這類材料的工藝性能的進(jìn)一步研究將具有重要應(yīng)用前景。

致謝：對(duì)劉仁東首席、何燕霖教授、張梅副教授、史文教授和符仁鈺副教授給予的支持和幫助致以熱忱謝意。