基于納米技術的高強度鋼研發和應用

基于納米技術的高強度鋼研發和應用

刊名：Materials Science and Technology（英）

刊期：2013年第10期

作者：K.Seto,H.Matsuda

編譯：張英才

具有最佳沉淀析出相分布的細晶粒無間隙原子先進高強度鋼無間隙原子（IF）鋼已廣泛應用于汽車外覆蓋件，但當IF鋼被固溶強化時常伴隨屈服強度（Ys）的提高，從而降低表面精度。為此開發了一種新型細晶粒IF先進高強度鋼（AHSS）,與傳統超低碳IF HSSs相比，有低的Ys和高的r值。

在新型細晶粒IF HSS中，碳含量為傳統IF HSSs的3倍，同時添加超過C原子當量的Nb，不僅保證了鋼中的IF化學成分，而且獲得較多的納米尺度Nb（C，N）沉淀相。通過晶粒細化和沉淀強化使鋼的拉伸強度（Ts）提高，鋼中總的固溶元素得以降低。對傳統IF鋼來說，較為粗大的晶粒對獲得較高平均r值有利，但粗晶粒在沖壓成形之后表面出現“橘皮”狀。新開發的細晶粒IF HSS顯示，平均r值與晶粒大小有更為良好的關系，這點與傳統IF鋼不同。已經熟知，晶粒細化與沉淀硬化會提高屈強比，但新型細晶粒IF HSS具有比傳統固溶強化IF HSSs更低的屈強比，這可通過控制納米沉淀相分布的最優化獲得。

上述IF HSSs已經商業化生產，其拉伸強度級別分別為340、390、440MPa，與傳統鋼板相比，具有較低的屈服強度和較高的n值，r值為1.7。用440MPa級鋼板試沖壓了某車型的前翼子板，在較低的壓邊力下就可以防止起皺，在高的壓邊力下也沒有發生開裂。

利用納米沉淀硬化的單相鐵素體AHSS為滿足汽車懸架和底盤零件可靠性要求，所用熱軋鋼板的抗拉強度Ts須達到780MPa。已經開發出一種新型沉淀強化熱軋HSS，其沉淀相被細化到數納米，具有高Ys、高擴孔性能、高伸長率。諸如雙相鋼等多相組織鋼可以得到較高的伸長率，但擴孔率低；貝氏體鋼之類的單相鋼的擴孔率高，但通常伸長率低。因此，在新鋼種開發中，注意到鐵素體的高伸長率和單相組織的高擴孔率，但采用傳統技術很難得到780MPa的強度。因此，采用沉淀強化技術對于780MPa級鋼來說，沉淀相要細化到3nm，同時還要求沉淀相的熱穩定性。利用三元碳化物系統，適量的Ti與Mo共同添加到基礎鋼中，產生的約3nm的沉淀相顯示了超高的熱穩定性。開發鋼的熱軋工藝與原有鋼沒有差異，在傳統的卷取溫度下能夠容易獲得沉淀強化鐵素體單相組織，這是因為開發鋼中的固溶碳極低且Mo阻止珠光體轉變。此外，開發鋼種的強度分散性很小，使沖壓成形時的回彈分散性小。

780MPa級新開發鋼的應用正在逐步擴大，特別是在汽車底盤和臂類零件應用，目前達到1000t/月的水平。雖然現在應用的鋼材是以780MPa級為主，但此鋼種的強度可以提高到980MPa，還可以擴大到鍍層鋼板。

通過硬化相的分布優化提高超高強度鋼的成形性已經開發出抗拉強度為980～1470MPa的超高強度鋼（UHSSs），但仍然存在開發先進鋼板的需求，特別是Ts超過1180MPa，可以應用于中立柱、橫梁等零件的鋼材。如此高強度的鋼板必須保留大量如貝氏體或馬氏體樣的硬質相，其性能在很大程度上依賴于硬質相的納米尺度結構，包括碳和位錯的狀態。已經通過幾種新途徑開發新的UHSSs，譬如納米晶貝氏體鋼、淬火配分鋼以及馬氏體時效轉變誘發塑性鋼。其基本目標就是用納米技術控制組織，即回火馬氏體與帶殘余奧氏體的貝氏體相結合改善成形性。試驗結果表明，Ts達到1470MPa的新開發鋼種的伸長率比TS590MPa級雙相鋼更高。當然，仍然存在許多與高含碳量有關的問題和對熱處理精準控制的要求。雖然這些途徑具有改善成形性的潛力，但材料成分和生產工藝還有待進一步優化。