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寶鋼先進(jìn)高強(qiáng)鋼近期開(kāi)發(fā)和應(yīng)用進(jìn)展

2017-04-24 11:02:28 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：知網(wǎng) 分享至：

近年來(lái)全球經(jīng)濟(jì)低迷，鋼鐵產(chǎn)能持續(xù)過(guò)量，但市場(chǎng)對(duì)高強(qiáng)鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼板的需求卻增長(zhǎng)迅速。為提供先進(jìn)材料，支持汽車制造業(yè)的發(fā)展，寶鋼不斷努力，持續(xù)開(kāi)發(fā)了多種先進(jìn)高強(qiáng)鋼產(chǎn)品及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)，包括第一代、第二代和第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼。本文主要介紹了寶鋼先進(jìn)高強(qiáng)鋼產(chǎn)品的設(shè)計(jì)概念、性能和相關(guān)應(yīng)用，并進(jìn)一步介紹了集成了寶鋼先進(jìn)高強(qiáng)鋼和先進(jìn)成形技術(shù)的輕量化概念白車身（BCB）。

1 前言

由于全球經(jīng)濟(jì)衰退和鋼鐵產(chǎn)品的過(guò)量供給，中國(guó)鋼鐵市場(chǎng)正在加緊落實(shí)去產(chǎn)能政策。但不同于過(guò)量供給的鋼鐵產(chǎn)業(yè)，在過(guò)去數(shù)十年，中國(guó)汽車產(chǎn)量每年都大幅增長(zhǎng)，并仍未達(dá)到發(fā)展的頂峰。

2015 年中國(guó)汽車產(chǎn)量超過(guò)2450 萬(wàn)輛，連續(xù)七年位居世界第一。與此同時(shí)，汽車行業(yè)的燃油法規(guī)也愈加嚴(yán)格，到2020 年，中國(guó)乘用車燃料消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)將是百公里5 升，2025 年百公里油耗進(jìn)一步降至4 升。汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展導(dǎo)致汽車用鋼需求量增長(zhǎng)迅速，“節(jié)能減排、耐腐蝕和被動(dòng)安全”性能要求的提高也使汽車鋼板的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。鍍鋅汽車板、高強(qiáng)汽車板、先進(jìn)高強(qiáng)汽車板和熱沖壓汽車板近年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。

傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼通過(guò)固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化或晶粒細(xì)化來(lái)提高強(qiáng)度，而先進(jìn)高強(qiáng)鋼則通過(guò)相變強(qiáng)化，其組織包括馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體。先進(jìn)高強(qiáng)鋼包括雙相鋼（DP 鋼）、相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP鋼）、復(fù)相鋼（CP 鋼）、馬氏體鋼（MS 鋼）和孿晶誘導(dǎo)塑性鋼（TWIP 鋼），這些鋼種與傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼相比，兼具強(qiáng)度和韌性，因此具有更高的碰撞能量吸收能力，在保證汽車減重的同時(shí)仍可以滿足安全性要求。

根據(jù)國(guó)際鋼協(xié)在過(guò)去20 年間所倡導(dǎo)的汽車輕量化項(xiàng)目，如超輕車身（ULSAB）、超輕覆蓋件（ULSAC）、超輕懸掛件（ULSAS）、超輕概念車項(xiàng)目（ULSAB-AVC）和未來(lái)鋼制汽車項(xiàng)目（FSV）的研究結(jié)果表明，先進(jìn)高強(qiáng)鋼是汽車輕量化的主要材料。上述汽車輕量化的成果顯示出先進(jìn)高強(qiáng)鋼作為較好的汽車減重材料，可以在保證成本和供貨的同時(shí)提升安全性能。

2 寶鋼先進(jìn)高強(qiáng)鋼的研發(fā)歷程

寶鋼從1999 年開(kāi)始研發(fā)雙相鋼，抗拉強(qiáng)度級(jí)別為590MPa 和780MPa，于2003 年實(shí)現(xiàn)了DP590的商業(yè)供貨，并于2006 年開(kāi)發(fā)出DP 和TRIP 鋼的鍍鋅板。為了生產(chǎn)超高強(qiáng)鋼（UHSS，抗拉強(qiáng)度≥780MPa），寶鋼于2007 年組建了專門生產(chǎn)先進(jìn)高強(qiáng)鋼的產(chǎn)線，并于2009 年投產(chǎn)，顯著地促進(jìn)了先進(jìn)高強(qiáng)鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。迄今為止，寶鋼已開(kāi)發(fā)出多種鍍層和普冷的先進(jìn)高強(qiáng)鋼，包括2012年全球首發(fā)的淬火-配分鋼（QP 鋼）、1180MPa 級(jí)別的DP 鋼、1700MPa 級(jí)別的MS 鋼、780MPa 級(jí)別的TRIP 鋼、980MPa 級(jí)別的CP 鋼、1800MPa 級(jí)別的熱沖壓鋼，以及新一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼，如中錳鋼（Mn-TRIP 鋼）和低密度鋼（δ-TRIP 鋼）。目前，寶鋼是全球少數(shù)能生產(chǎn)和商業(yè)供貨全部三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的鋼企之一。

3 先進(jìn)高強(qiáng)鋼產(chǎn)品和技術(shù)

3.1 先進(jìn)高強(qiáng)鋼組織性能

圖1 描述了寶鋼生產(chǎn)的先進(jìn)高強(qiáng)鋼（抗拉強(qiáng)度≥780MPa）的典型力學(xué)性能。與第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼相比，在相同抗拉強(qiáng)度下，第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼（TWIP 鋼）具有更加優(yōu)異的延伸率，而第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的延伸率處于二者之間。先進(jìn)高強(qiáng)鋼的擴(kuò)孔率也彼此不同，在所有1GPa 的先進(jìn)高強(qiáng)鋼中，CP 鋼具有最高的擴(kuò)孔率，但延伸率最低。

先進(jìn)高強(qiáng)鋼不同的微觀組織決定了其不同的力學(xué)性能。圖2 所示是先進(jìn)高強(qiáng)鋼典型的組織形貌。其基本的相組成包括鐵素體、馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體。根據(jù)不同的性能要求，需要調(diào)控先進(jìn)高強(qiáng)鋼的各相比例，例如TWIP 鋼為奧氏體單向組織，DP 鋼為鐵素體+馬氏體的雙相組織，TRIP 鋼則擁有鐵素體、貝氏體與馬氏體三相組織。

3.2 DP 鋼的產(chǎn)品性能穩(wěn)定性

DP 鋼擁有低屈強(qiáng)比，高加工硬化率，高烘烤硬化值，無(wú)屈服平臺(tái)和無(wú)室溫時(shí)效等性能特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制造需要高強(qiáng)、高沖擊吸收性和高成形性的汽車零部件，例如車輪、保險(xiǎn)杠和其他加強(qiáng)件。DP 鋼的基本成分是c 和Mn，有時(shí)也加入Cr 和Mo 來(lái)提高強(qiáng)度。現(xiàn)階段市場(chǎng)中，DP 鋼是主要的先進(jìn)高強(qiáng)鋼品種，寶鋼DP 鋼的制造已進(jìn)入成熟期。產(chǎn)品穩(wěn)定性是制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，高強(qiáng)度鋼在成形時(shí)回彈比軟鋼難控制，這主要是由于高強(qiáng)度鋼屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍較大造成的，隨著鋼板強(qiáng)度級(jí)別的提高，屈服強(qiáng)度的波動(dòng)范圍也隨之提高，對(duì)高強(qiáng)鋼產(chǎn)品的控制帶來(lái)了更高的要求。

在當(dāng)前的控制水平下，冶煉控制尚不能滿足在相同退火工藝下獲得穩(wěn)定的力學(xué)性能，因此有必要根據(jù)主要合金元素的含量（C/Mn 等），設(shè)計(jì)并采用更加精細(xì)的退火工藝。

圖3 以冷軋DP980 為例，描述了根據(jù)主要合金元素含量（C/Mn 等）設(shè)計(jì)精細(xì)的退火工藝的方法。在通常狀態(tài)下，合金元素含量的增加會(huì)提高屈服強(qiáng)度。如果采用中值控制冶煉將會(huì)得到中等的力學(xué)性能，而成分位于上限或下限的將會(huì)得到較高或較低的力學(xué)性能。

但是如果根據(jù)主要合金元素的含量（C/Mn 等），采用精細(xì)退火工藝控制，那些成分高于上限或低于下限的帶鋼同樣可以將性能控制在中值附近。在這種工藝調(diào)控下，退火溫度將根據(jù)成分的變化量進(jìn)行調(diào)整、控制，以獲得符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能，如圖3 所示。寶鋼開(kāi)發(fā)的這一技術(shù)使DP980 的波動(dòng)范圍提高了30%。

3.3 高si 鋼的選擇性氧化

QP 鋼的概念首先由JohnSpeer 等人于2003 年首先提出，繼而由寶鋼在2012 年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全球首發(fā)。截至目前，寶鋼已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種強(qiáng)度級(jí)別和不同表面鍍層的QP 鋼，包括抗拉強(qiáng)度在1000MPa 以上、延伸率超過(guò)21%的QP980 和抗拉強(qiáng)度在1200MPa 以上、延伸率超過(guò)15%的QPll80，如表1 所示。QP 鋼由于具有高強(qiáng)度和高成形性，已成為對(duì)結(jié)構(gòu)要求復(fù)雜、強(qiáng)度要求很高的結(jié)構(gòu)和安全件的優(yōu)選方案。

通常認(rèn)為，Mn 和Si 是鋼中有效的強(qiáng)化元素，因而在QP 鋼中大量使用，其中Mn 含量超過(guò)2.0%而Si 含量超過(guò)1.0%。但是，經(jīng)由退火工藝處理，Si 和Mn 都會(huì)向帶鋼表面擴(kuò)散，因而會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)選擇氧化而形成氧化層。這種表面氧化層會(huì)導(dǎo)致較差的磷化效果或帶鋼表面由于與熔融鋅的潤(rùn)濕性較差而脫鋅。因此，在早期研發(fā)階段，QP 鋼表面常見(jiàn)有各種表面缺陷，極大地限制了QP 鋼在汽車行業(yè)的商業(yè)化應(yīng)用。

為了解決這些問(wèn)題，需要避免帶鋼表面的選擇氧化。目前，寶鋼已經(jīng)開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的有效技術(shù)來(lái)控制退火爐中的氧含量，以抑制表面氧化。通過(guò)調(diào)節(jié)退火爐中氣氛的露點(diǎn)溫度，帶鋼表面的氧化程度得到控制，并從外氧化轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)氧化，且內(nèi)氧化層的厚度也可以被優(yōu)化調(diào)控至合適水平，如圖4 所不。

3.4 Mn-TRIP 鋼

Mn-TRIP 鋼是第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼中非常有前景的產(chǎn)品之一。先進(jìn)高強(qiáng)鋼由于TRIP 效應(yīng)而獲得的優(yōu)秀力學(xué)性能引發(fā)了鋼鐵研究機(jī)構(gòu)濃厚的興趣。理解相變誘發(fā)塑性及相應(yīng)的最優(yōu)力學(xué)性能的關(guān)鍵是殘余奧氏體的穩(wěn)定性。

Mn-TRIP 鋼通常含有約4%-10%的Mn 和較低含量的c，強(qiáng)塑積超過(guò)30GPa%。這種優(yōu)異的力學(xué)性能取決于其成分和退火工藝，以控制殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)和穩(wěn)定性。由于均勻分布的c 和Mn 不足以保證奧氏體在室溫狀態(tài)下穩(wěn)定存在，Mn-TRIP 鋼的熱軋組織通常全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。但通過(guò)退火調(diào)控，c 和Mn 從鐵素體中配分到奧氏體，提高了奧氏體穩(wěn)定性，從而使奧氏體在室溫下穩(wěn)定存在并具備TRIP 效應(yīng)，因而為Mn-TRIP 鋼提供了優(yōu)異的力學(xué)性能。

寶鋼在2014 年成功實(shí)現(xiàn)了1000MPa 和1200MPa 級(jí)別的冷軋/熱鍍鋅Mn-TRIP 鋼的工業(yè)試制，并進(jìn)行了多項(xiàng)性能評(píng)估，包括彎曲性、擴(kuò)孔性、延遲開(kāi)裂性，成形極限（FLD）、動(dòng)態(tài)拉伸性能、不同溫度下的拉伸性能、可焊性等。

許多研究都報(bào)道了Mn-TRIP 鋼強(qiáng)塑積超過(guò)30GPa%的優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性匹配。但是，由于傳統(tǒng)Mn-TRIP 鋼的組織均是由鐵素體和奧氏體組成，因此這些研究中Mn-TRIP 鋼的抗拉強(qiáng)度均未達(dá)到1500MPa。在退火過(guò)程中，在兩相區(qū)進(jìn)行的奧氏體穩(wěn)定元素的配分，如c 和Mn，決定了奧氏體晶粒的穩(wěn)定程度。通常在室溫下出現(xiàn)的馬氏體表明奧氏體的穩(wěn)定性較差，由于沒(méi)有TRIP 效應(yīng)，相應(yīng)的韌性就會(huì)變差。如何獲得由馬氏體和穩(wěn)定性良好的奧氏體組織將成為獲得1500MPa級(jí)Mn-TRIP 鋼的關(guān)鍵問(wèn)題。

Mn-TRIP 鋼還可以被用于低溫?zé)釠_壓成形工藝，因?yàn)槠渚哂休^低的Ac3 溫度。相關(guān)報(bào)道指出，與傳統(tǒng)的22MnB5 鋼相比，Mn-TRIP 鋼擁有更好的性能和一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如節(jié)能、低成本等。

3.5 低密度鋼

鐵素體低密度鋼通常包含3%-6%的Al，由于其密度較低，兼具極好的強(qiáng)度、韌性和可加工性，因此被視為汽車輕量化的潛力材料之一。Al 的加入會(huì)導(dǎo)致鐵素體低密度鋼晶格點(diǎn)陣擴(kuò)大，并降低鋼的摩爾質(zhì)量，從而降低其密度。鐵素體低密度鋼的鐵素體-貝氏體-殘余奧氏體組織結(jié)構(gòu)也通過(guò)TRIP 效應(yīng)保證了優(yōu)異的力學(xué)性能。在鐵素體低密度鋼中，一個(gè)特征組成相便是凝固過(guò)程中形成、并在后續(xù)熱處理和加工過(guò)程中殘余的δ-鐵素體，由于過(guò)量Al 的存在，δ-鐵素體不發(fā)生相轉(zhuǎn)變。

寶鋼從2009 年開(kāi)始開(kāi)發(fā)鐵素體低密度鋼，并在最近率先生產(chǎn)出800MPa 級(jí)別的鐵素體低密度鋼。通過(guò)鑄造、熱軋、冷軋和連續(xù)退火生產(chǎn)，這種鋼的密度能夠降低約6%。圖5 所示為鐵素體低密度鋼典型組織的EBSD 照片，其中δ-鐵素體晶粒和殘余奧氏體島呈帶狀分布，并未見(jiàn)到有板條狀的殘余奧氏體，這可能是由于貝氏體相變被明顯推遲。殘余奧氏體的平均晶粒尺寸為0.8μm。

由于殘余奧氏體的晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)決定了低密度鋼的力學(xué)性能，0.8μm 的殘余奧氏體晶粒尺寸和20%的殘余奧氏體含量可以使低密度鋼的強(qiáng)塑積達(dá)到30GPa%。為滿足該鋼種的下游使用，尚需進(jìn)行多種性能評(píng)估。

4 先進(jìn)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用

4.1 寶鋼白車身項(xiàng)目

為了提升和展示先進(jìn)高強(qiáng)鋼和先進(jìn)成形技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用，寶鋼于2011 年開(kāi)展了研發(fā)鋼基白車身項(xiàng)目——寶鋼白車身（BCB）。作為B 級(jí)車白車身，BCB 自重僅284k，比市場(chǎng)平均水平低10%-20%。測(cè)試表明：其扭轉(zhuǎn)模量為23628N/mm，彎曲模量為18868N/mm。BCB 的輕量化系數(shù)為2.7，優(yōu)于市場(chǎng)平均水平20%。C-NCAP 和E-NCAP 分析表明，BCB 的正碰、側(cè)碰都達(dá)到了五星標(biāo)準(zhǔn)。

為了滿足減重和高性能要求，寶鋼白車身77%的部件使用了高強(qiáng)鋼，包括幾乎全部新研發(fā)的先進(jìn)高強(qiáng)鋼產(chǎn)品，如QP1180、MSl500 和TWIP950，以及新研發(fā)的先進(jìn)成形技術(shù)，如熱沖壓成形、液壓成形、輥壓成形、變厚板和TWB 技術(shù)等。圖6 標(biāo)示出這些先進(jìn)高強(qiáng)鋼和成形技術(shù)的應(yīng)用區(qū)域，共包括309 個(gè)零部件，并不包括車門，車頂和行李箱蓋板。這一概念白車身的研究表明，鋼鐵通過(guò)創(chuàng)新，仍有很大的輕量化減重空間。鋼鐵仍是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)汽車的主導(dǎo)材料。

4.2 冷成形和熱成形BCB 對(duì)汽車零部件中強(qiáng)度和安全性能要求最高的零部件之一B 柱進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)估和方案比較。其中材料方案、側(cè)碰性能和零部件總成本是關(guān)鍵點(diǎn)。BCB 的側(cè)碰評(píng)估見(jiàn)圖7，在總共11個(gè)分析部位中，6 個(gè)位于B 柱，5 個(gè)位于車門。測(cè)試車的限重為1507kg，變形門檻質(zhì)量是950kg，其中碰撞速度根據(jù)E-NCAP 標(biāo)準(zhǔn)控制為（50±1）km/h。

B 柱冷成形和熱成形的材料方案如表2 所示，冷成形采用超高強(qiáng)鋼QP1180，熱成形采用超高強(qiáng)鋼P(yáng)H1500。兩種材料的厚度規(guī)格都是1.4mm，因此兩個(gè)零部件的重量相同。

圖8 描述了QP1180 和PH1500 兩種材料方案的碰撞性能對(duì)比，結(jié)果表明，二者的性能相差不大，部份測(cè)試點(diǎn)QP1180 的性能優(yōu)于PH1500。

5 結(jié)論

1）寶鋼開(kāi)發(fā)出多種先進(jìn)高強(qiáng)鋼產(chǎn)品，包括第一代、第二代、第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼和相應(yīng)的先進(jìn)制造工藝；2）“節(jié)能減排”要求的提高促進(jìn)了高強(qiáng)度鋼的快速發(fā)展，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼將成為今后汽車輕量化的主導(dǎo)材料；3）寶鋼輕量化白車身（BCB）項(xiàng)目研究表明，目前的汽車白車身通過(guò)新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，仍有10%-20%的減重空間；4）關(guān)鍵零部件及其總成有多種技術(shù)解決方案，第三代鋼如QP 鋼等的出現(xiàn)，為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件（如A 柱、B 柱和保險(xiǎn)杠）等提供了除熱沖壓外的另外一種新選擇；5）鋼鐵企業(yè)需要來(lái)自用戶和社會(huì)的支持，以促進(jìn)上述新研發(fā)的先進(jìn)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用。