汽车用高强钢有新进展

?

?

分类：国际新闻

创建于2013年7月11日星期四10:14

最后更新于2013年7月11日星期四10:14

作者：Super User

点击数：9

浦项制铁技术研究实验室 Young Sool Jin 郭金宇译

在现在和未来的汽车上，汽车的减重成为减少CO2排放和降低燃油消耗的关键手段。同时，复合动力车和电动车更加要求车身减重。包括有色金属在内的轻量化材料中，从技术和经济性的观点来看，先进高强钢是最有应用前景的汽车用材料。根据调查，先进高强钢在汽车用钢的比例将从2009年的7%增加到2020年的28%~36%，特别是在亚洲国家，比例将更高。此外，在未来的白车身和覆盖件上，铝合金的用量也将大幅度增加。考虑到未来的应用前景，钢铁行业应加快先进高强钢和相关应用技术的研究与发展。

多种高强钢物尽其用

为了满足汽车工业在提高安全性、燃油经济性、耐用性和舒适性等方面的要求，钢铁企业开发了多种钢材并应用在车身结构上，更加先进的新型汽车用钢也正在加紧研发中。强塑积小于25000MPa%的汽车用钢已经广泛应用在汽车行业，如IF钢、HSLA（高强低合金）钢、传统的先进高强钢（AHSS）如DP（双相）钢、TRIP（相变诱导塑性）

钢、CP（复相）钢、马氏体钢和HF（热冲压成形）钢。另外两组钢，分别称为超高强度先进高强钢（X-AHSS）和超高强度先进高强钢

（U–AHSS），具有优越的强度和塑性平衡，强塑积大于25000MPa%，被称为下一代汽车用钢。而这些先进高强钢的微观组织包括铁素体、贝氏体、马氏体和残余奥氏体等组织。那么，传统先进高强钢有何最新发展，下一代先进高强钢的研发进展如何？附表总结了浦项制铁先进高强钢的研发情况。

热轧先进高强钢。为了得到性能优异的热轧双相钢、铁素体-贝氏体钢和TRIP钢，在工艺过程中需要优化钢种的成分、轧制工艺和冷却速率。总的说来，热轧终轧温度大于Ar3点，冷却过程采用2步法进行控制。中间的冷却温度和空冷时间会对铁素体转变行为产生影响，如铁素体的体积、形态，以及未转变奥氏体的富碳情况。热轧卷最终的卷曲温度会对产品的微观组织产生影响。

采用低C-Mn-Si的成分体系，590MPa级和780MPa级DP钢的卷曲温度设定在马氏体转变温度以下，冷却后直接得到铁素体和马氏体组织。980MPa级DP钢采用低C-Mn-Si-Cr的成分体系，卷曲温度在马氏体转变温度以上。通过添加Cr提高钢卷的淬透性，残余奥氏体在卷曲后转变为马氏体。双相钢主要用在要求良好强度和塑性平衡以及低屈服强度的车轮和汽车悬挂件等零部件上。

为了得到扩孔性能优良的FB钢（铁素体-贝氏体双相钢），减小基体和第二相之间的碳含量和硬度的差别是至关重要的。低C-Mn系590MPa级、低C-Mn-Si系的780MPa级和980MPa级FB钢的卷曲

温度在贝氏体转变温度以下，用来抑制出现马氏体和粗大的渗碳体。FB 钢具有优异的扩孔性能、高屈强比和在焊接区域硬度变化小的特点。TRIP钢采用C-Mn-Si-Nb的成分体系，热轧后的780MPa级TRIP钢卷曲温度在贝氏体转变温度以下。在终轧后和水冷前，钢卷会在铁素体区停留几秒钟，这时碳会从铁素体中扩散出来进入到未转变的奥氏体区。如果富碳不足，在TRIP钢冷却过程中会出现马氏体。由于TRIP 效应，TRIP钢具有良好的成形性能，但由于焊接性能不如DP钢，TRIP 钢并没有广泛应用。

冷轧和退火的先进高强钢。DP钢具有良好的强度和塑性平衡和低屈强比的特点，广泛应用于汽车车身。相比于TRIP钢，DP钢由于碳含量低，因此具有良好的焊接性能。在热镀锌过程中，相比于TRIP 钢，DP钢具有更好的表面质量。DP钢应用在汽车外板正成为一种趋势。然而，低r值和表面质量因素却限制了DP钢在汽车外板和内部深冲件的应用。由于DP590具有高抗凹性，近期浦项进行了DP590用于汽车外板的试验，将汽车板厚度由0.7mm减小到0.55mm。

TRIP钢具有良好的成形性能，其延伸率要明显大于相同强度级别的DP钢。然而，硅元素的添加会降低钢板的表面质量和焊接性。研究人员采用了很多方法去解决上述问题，如：采用铝代硅的合金成分体系、退火过程中采用预氧化、添加推迟氧化的元素和降低碳含量等。抗拉强度为1180MPa的CP钢具有高屈复强度和高冷弯性能，主要应用在汽车车身的加强件上。由于在退火过程中抑制了铁素体转变，CP钢主要含有贝氏体、少量的铁素体和马氏体。由于钢中碳和硅含量低，CP

钢具有良好的点焊性能和镀锌性能。冷轧和热镀锌马氏体钢也已经研发出来并主要应用在汽车前端的安全件和防撞件上。

热冲压成形钢。浦项开发了新的具有高锰氮成分体系的热冲压成形钢。这种钢的优点是可以在较低的加热温度（850℃）下完全奥氏体化，并且在冷却过程中能够完全转变为马氏体，相比于传统的22MnB5钢，其完全奥氏体化温度为880℃。该钢种的冲压温度要大于850℃，如果加热温度低于850℃或者说加热温度低于完全奥氏体化温度，三点弯曲的断裂角度就会明显下降，这是因为应力会在残余铁素体中集中。

热冲压成形钢的应用范围很广，并且需要表面镀锌。然而，锌基涂层在热冲压过程中容易氧化和蒸发，并且容易发生断裂。浦项开发了一种新的含Zn涂层来解决上述问题。新涂层的特征是在加热过程中能够形成稳定的Fe-Zn，合金层中富Zn的区域很小。形成的涂层在热冲压过程中也不会出现液态金属脆性敏感的问题。新研发的合金涂层在热冲压过程中在基板上不会出现裂纹。

表1 浦项先进高强钢的研发状态○实验室开发, ●商业供货

超高强度钢更追求轻量化

超高强度钢（X–AHSS）和轻量化钢。被称为超高强度钢的第二代汽车用钢，其强塑积大于25000MPa%，近年来吸引了广泛的关注。所有的研究都是利用残余奥氏体向马氏体相变的方法来得到高的延伸率。人们通过添加锰和碳元素来得到足够的奥氏体，在连退过程中的部分逆转变也被采用。在逆转变过程中，锰和碳在奥氏体中的偏聚增加了奥氏体的稳定性。通过将退火温度精确控制在Ac1和Ac3之间，我们可以得到晶粒尺寸在200nm~500nm的铁素体和奥氏体。残余奥氏体的数量约为20%~30%，抗拉强度在1033MPa~1389MPa，延伸率在27.5%~28.8%，强塑积在28408MPa%~40003MPa%之间。

轻重量钢主要是指含有Mn和Al的成分体系为

Fe-18~28Mn-9~12Al-0.7~1.2C的合金系。Fe-26Mn-11Al-1.15C钢的微观结构为“三相复合结构”，即在奥氏体基体中含有6%~8%的铁素体和纳米尺寸的碳化物。然而，浦项正在研制新型的复相钢，其特征为：

钢中含有较低含量的Mn元素和Al元素，微观组织为具有30%~40%奥氏体的复相钢。由于残余奥氏体的TRIP效应，这种钢的抗拉强度约为780MPa~830MPa，延伸率约为40%，强塑积约为

30000MPa%~35000MPa%，属于超高强度钢。相比于传统钢铁材料，钢板密度减小约10%。由于在600℃~1200℃钢板的热塑性只有67%，通过连铸可以得到表面质量良好的铸坯。

TWIP钢。TWIP钢由于具有不同的加工硬化行为而具有优异的力学性能。最近浦项开发了抗拉强度在980MPa、延伸率在60%以上的冷轧TWIP钢。并且抗拉强度为900MPa、1000MPa和1200MPa级TWIP钢也已经开发成功并用来满足汽车工业的要求。通过优化合金成分，具有相同性能的热镀锌TWIP钢已经开发成功，不久后将实现商业供货。

通过将锰含量控制在13%~18%、碳含量控制在0.4%~0.7%，我们可以得到稳定的奥氏体。通过添加1.5%~2.0% 的Al元素来调整钢的层错能。Al元素对防止碳化物析出和降低氢致裂纹有益。TWIP钢不仅具有良好的强塑性，并且在钢卷的横向和纵向上强度和延伸率的变化很小，这是由于在连退过程中没有发生相变。TWIP980钢板首先应用在防撞梁上。通过使用TWIP钢来替换原来的DP600，汽车厂家在提高碰撞性能的前提下，减重28%，降低成本22%。未来将会有更多的TWIP钢应用在车身零件上。

热镀锌技术改善钢材性能

为了得到优异的性能，先进高强钢大多含有较多的Si、Mn、B 元素，这些元素会在镀锌过程中降低钢板的润湿性。为了解决上述问题，人们开发了使用预氧化、预镀和露点控制等方法来改善润湿性。在露点为-40℃的退火条件下，在气氛为N2+10%H2时可以观察到非晶的

Si-Mn氧化物，在气氛为100%N2条件下，观察到Mn的氧化物。100%N2气氛退火条件下可以得到良好的润湿性，这是由于镀锌过程中氧化锰比Si-Mn氧化物更容易被还原。在退火条件下我们可以得到不同的氧化物，如Mn2SiO4、SiO2 和MnO，在N2或空气条件下我们可以得到厚的Mn2SiO4和内氧化物，这些会表现出更好的润湿性。

预氧化控制。成分为0.08C-1.6Mn-1.5Si的590MPa级TRIP钢在连退线上实现热镀锌，其中加热段是在具有氧化气氛的直接火焰加热炉进行，还原段是在辐射管加热炉进行。可以在还原的铁层和Si-Mn氧化物层之间发现一层均匀的Al分隔层，尽管热镀锌TRIP590具有良好的表面质量，在表面没有发现漏镀点，但是在t=0的弯曲和胶带试验时，镀层有脱落的现象。切面的XPS试验结果表明，脱落发生在Si-Mn氧化物和还原Fe之间。预氧化并不能完全保证含Si热镀锌TRIP钢的镀层质量，这意味着我们需要精确的测量和控制氧化物的厚度。根据反射光谱分析技术，浦项开发了在线测量系统。这个系统安装在DFF段和RTF段出口位置，测量的精度通过在DFF段出口处取样和实验室制备的样品进行测量比较。在线测量的精度与通过GDS测量的对比结果表明，在线测量系统具有很高的精度。

合金元素的作用。最近，一些学者研究了P、B、Sn、Sb等微量元素对氧化物结构的影响。这些元素通过析出在晶界和金属表面，限制了短程扩散，这样可以有效地控制表面的氧化物。P在晶界上的偏聚可以限制Si在晶界上的扩散，P元素有利于形成Mn-P复合氧化物并且限制SiO2在表面的形成。相比于钢中的其他元素，B氧化物非常容易形成。因此在退火过程中，在距离表面50um~100um处B元素是贫化的，大多数处于钢板表面的B元素会形成氧化物消耗掉。B2O3的熔点很低，大约在450℃左右，随着含量的增加，Mn-Si-B复合氧化物的熔点下降。添加小于10ppm的B对AHSS钢的性能是有利的，但是当B 含量超过10ppm时，会降低镀锌板表面质量和产生漏镀。在生产热镀锌DP590钢板时，含有7ppm的B含量的钢板具有良好的表面质量。Sb元素容易在钢板的晶界和表面处析出，这一点对AHSS钢板的氧化控制是有利的。添加Sb元素有利于使钢板表面的氧化物减少、细小和均匀。

TRIP钢在退火过程中表面形成的SiO2和Mn2SiO4会在镀锌过程中产生很差的润湿性。我们观察了具有不同Al含量TRIP钢

(0.08C-1.6Mn-1.5Si)的表面，在表面的SiO2 和Mn2SiO4复合氧化物中能够发现微量的Al元素，在Al的含量为中等水平时，在钢板表面会出现薄的Mn-Si氧化物，表层下方会出现内氧化物。在高Al含量的TRIP 钢中，在钢板表面会形成厚的复合氧化物，同时可以观察到Mn-Al的内氧化物。中Al含量的内氧化物具有很好的润湿性。对于热镀锌TRIP钢来说，可以确定由于Fe-Al金属间化合物的作用，传统TRIP钢表面会

发生漏镀和低的附着力，对于含Al的TRIP钢尽管可以观察到Fe-Al

金属间化合物，但是在表面没有发生漏镀并具有高的附着力。

AHSS钢的成形和应用技术

AHSS钢的成形问题。尽管具有良好的强度和塑性，但是AHSS 钢在加工过程中存在2个问题，一是冲压过程中的回弹问题，二是剪切断裂问题。为了减轻AHSS钢的回弹问题，在数值模拟时首先要解决回弹的预测问题。然而，使用传统的材料模型和材料性能来预测回弹量，预测精度有限，这是由于每个AHSS钢具有不同的塑性变形行为。最近解决回弹问题的方法是建立基于连续拉伸/压缩试验的精确的屈服和硬化模型。浦项开发了“双面塑性模型”来考虑应变速率对回弹的作用。

此外，剪切断裂是AHSS钢成形的另一个问题，这种现象经常发生在冲压过程中小的圆弧半径。在传统的FLD图上难以准确预测出剪切断裂，于是人们研究了不同的方法来预测剪切断裂发生的位置。最近浦项开发了基于商用有限元模型软件的剪切断裂预测方法和变形方式。浦项还在OEM生产和零件制造商的车身设计阶段提供AHSS钢的应用技术。这项活动被称为供应商前期介入。通过这样的合作，OEM 厂商可以得到优化的材料信息来实现车身减重、成本降低和性能提高。

AHSS钢在电动汽车上的应用。AHSS钢的优点在汽车工程师那里是众所周知的，AHSS钢可以使汽车厂家利用原有的设备和投资。因此AHSS钢大量应用在量产的新型电动汽车中，例如，通用公司在

Chevy Volt车型的下部结构上使用了27%的AHSS钢，尼桑在LEAF 车身上使用了31%的AHSS钢。

为了提供低成本的钢铁解决方案，浦项开发了名为PBC-EV的轻量化钢制车身。在PBC-EV上，先进高强钢是主要的轻量化材料，具有高延伸率的先进高强钢，如DP780、TRIP980、TWIP980等，主要用在吸收碰撞能量的部件。另一方面，超高强度钢，如DP980、HPF2000、Duplex980等，主要用在减少对乘客和电池区域的撞击。因此，通过使用先进高强钢，车身重量减轻了26.4%。

先进高强钢是一种发展迅速的非常有前景的材料，技术进步和研发工作对于钢铁企业显得更加重要。大多数强塑积低于25000MPa%的传统先进高强钢已经实现商业供货。具有镀锌类型的热冲压成形钢、超高强度钢和具有良好塑性的轻质钢正在研发中。浦项成为世界上首家实现TWIP钢商业供货的钢铁企业，主要应用在防撞梁上。仅有预氧化是不能够保证高Si的先进高强钢具有良好的镀锌质量，精确的控制氧化层厚度是保证锌层质量的必要条件。浦项在热镀锌生产线上开发了在线的氧化层厚度测量系统。使用合金元素是提高镀层质量的有效方法之一，这种方法在生产热镀锌TRIP钢和TWIP钢上取得明显进展。在现今高强钢应用过程中，回弹和剪切断裂是两个必须解决的问题。在混合动力汽车和电动汽车上使用先进高强钢来实现减重是非常重要的，在浦项开发的PBC-EV电动汽车上，通过大量使用轻质化钢材实现了车身重量减轻26.4%的目标。

信息来源：《中国冶金报》