汽車用先進高強度鋼的特點和生產工藝

李登超

(四川機電職業技術學院,四川攀枝花 617000)

汽車用先進高強度鋼的特點和生產工藝

李登超

(四川機電職業技術學院,四川攀枝花 617000)

隨著經濟的快速發展,家庭汽車的不斷普及促進了汽車工業的快速發展。為滿足汽車輕量化發展的需求以及前述汽車板的各種性能要求,高強度鋼和先進高強度鋼近年來發展很快。因此先進高強度鋼是目前汽車用鋼研發的熱點。但開發新鋼種周期長,難度大,可合理借鑒專利進行創新開發。

先進高強度鋼 汽車用鋼 發明 熱軋 冷軋

汽車輕量化和安全性對汽車用鋼的性能提出了新的、較高的要求，具體有以下6個方面:優良的成形性能;在保證塑性、延性指標的同時，提高強度降低沖壓件重量;良好的表面狀態和形貌、嚴格的尺寸精度;良好的連接性能和保型性能;抗時效性穩定性和油漆烘烤硬化性;耐蝕性能[1]。先進高強度鋼，其英文縮寫為AHSS(Advanced High Strength Steel)，主要包括雙相(DP)鋼、相變誘導塑性(TRIP)鋼、復相(CP)鋼、馬氏體(M)鋼、熱成形(HF)鋼和孿晶誘導塑性(TWIP)鋼。

1　各種先進高強度鋼的特點和生產工藝

1.1雙相鋼(DP)

雙相鋼組織是在純凈的鐵素體晶界或晶內彌散分布著較硬的馬氏體或貝氏體(一般在15%)，強度與韌性協調很好，兼有高強度和良好的成形性。雙相鋼生產方法有熱軋法和熱處理法兩種。熱軋法是將熱軋鋼材的終軋溫度控制在兩相區的某一范圍，然后快速冷卻，即通過控制最終形變溫度及冷卻速度的方法獲得鐵素體+馬氏體雙相組織。該方法又分為兩種:一是常規熱軋法，即在通常的終軋及卷取溫度下獲得雙相組織;二為極低溫度卷取熱軋法，即在Ms點以下進行卷取，以獲得雙相組織。熱處理法是將熱軋或冷軋后的鋼材重新加熱到兩相區并保溫一定時間，然后以一定速度冷卻，從而獲得所需要的鐵素體+馬氏體雙相組織。

寶鋼發明提供的一種熱軋高強度雙相鋼板，其化學成分設計(按重量百分含量計)為:C:0.10一0.13%，Si:0.85一1.15%，Mn:1. 40一1.70%，P:≤0.015%，S:≤0.005%，Al:0.015一0.035%，N:≤0. 006%，余量為鐵和不可避免雜質。

生產過程:轉爐吹煉和真空處理→連鑄→加熱和軋制→軋后進行分段冷卻→卷取→空冷。

第一段水冷速度70一100℃/s，快速水冷目的是使材料迅速進入鐵素體相區，中間空冷溫度控制在620一660℃，空冷時間4一6s，空冷溫度和時間的配合是為了獲得適量的鐵素體組織(體積分數80%左右)和較低的屈服強度，第二段水冷速度要求大于100℃/s，終冷溫度≤200℃，第二段水冷的終冷溫度優選150一200℃，其目的在于使未相變的奧氏體組織淬火成馬氏體組織，提高鋼材的抗拉強度。由于生產熱軋雙相鋼的關鍵是控制熱軋后的冷卻方式，因此本方法可以通過控制相變組織類型和比例來得到雙相鋼板所需的性能。

通過該方法制造的鋼板:屈服強度≥450MPa，抗拉強度≥800MPa，延伸率A50≥15%，具有較高的強度、塑型性和成形性，較好的延伸性、焊接性、冷彎性等使用性能[2]。

1.2相變誘發塑性鋼(TRIP)

相變誘發塑性鋼是指鋼中存在多相組織的鋼。這些相通常為鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體和馬氏體。在形變過程中，穩定存在的殘余奧氏體向馬氏體轉變時引起了相變強化和塑性增長。為此殘余奧氏體必須有足夠的穩定性，以實現漸進式轉變，一方面強化基體，另一方面提高均勻的伸長率，達到強度和塑性同步增加的目標[3]。

鞍鋼發明提供的一種高強塑積TRIP鋼板，其化學成分以質量百分比計為:C:0.08%一0.5%，Si:0.4%一2.0%，Mn:3%一8%，P:≤0.10%，S:≤0.02%，Al:0.02%一4%，N:≤0.01%，Nb:0—0.5%，V:0—0.5%，Ti:0—0.5%，Cr:0—2%，Mo:0—1%。

生產過程，冶煉→連鑄→熱軋→酸洗→冷軋→罩式爐退火。熱軋加熱溫度:1100一1250℃，保溫時間為≥2h，開軋溫度為≥1100℃，終軋溫度850一950℃，卷取溫度＜720℃，熱軋板厚度為2—4mm;如果客戶要求鋼板厚度在2—4mm之間，也可以不進行冷軋;冷軋累積壓下量40%一80%。罩式爐退火:隨爐加熱，保溫溫度為:550一750℃，保溫時間:1—20h，隨爐冷卻。得到的冷軋TRIP鋼板強塑積大于30GPa%，顯微組織中馬氏體以面積率計為30—90%，奧氏體以體積率計為5一30%，其余為少量鐵素體和滲碳體[4]。

1.3復相鋼(CP)

復相鋼的組織與TRIP鋼類似，其主要組織是細小的鐵素體和高比例的硬相(馬氏體、貝氏體)，含有鈮、鈦等元素。通過馬氏體和貝氏體以及析出強化的復合作用。依靠合金成分設計、微合金化、控軋控冷技術和連續退火技術，熱軋和冷軋高強度帶鋼可以得到不同的組織，如鐵素體+貝氏體雙相組織、鐵素體+馬氏體雙相組織、鐵素體+貝氏體+殘余奧氏體復相組織和馬氏體組織[3]。

1.4馬氏體鋼(MART)

馬氏體鋼的生產是通過高溫奧氏體組織快速淬火轉變為板條馬氏體組織，可通過熱軋、冷軋、連續退火或成形后退火來實現，是目前商業化高強度鋼板中強度級別最高的鋼種。

首鋼發明提供的一種熱軋馬氏體鋼，其化學成分按重量百分比為:C:0.10一0.18%，Si:0. 0l一0. 4，Mn:l.0一2.0，P:≤0.012%，S:≤0.006%，Nb:0.02一0.06%，Ti:0.0l一0.05%，Cr:0.1一0.5%，余量為Fe及其它雜質元素。生產過程:冶煉、鑄造，形成鋼坯;將所述鋼坯加熱至1200一1250℃，保溫1一2小時;將保溫后的鋼坯進行熱軋;對熱軋后的鋼坯采用直接冷卻工藝，以30一70℃/s的冷卻速率冷卻到馬氏體相變點以下后進行卷取。獲得的熱軋馬氏體鋼屈服強度大于1000MPa，抗拉強度達到1200一1320MPa，延伸率8一11%，d=8a冷彎性能良好[5]。

1.5孿晶誘導塑性鋼(TWIP)

孿晶誘導塑性鋼在室溫下其組織為奧氏體，在變形過程中將發生機械孿晶并誘導塑性(即TWIP效應)，從而保證了其優良的塑性。鞍鋼發明提供的一種孿晶誘導塑性鋼，其化學組成以重量百分比計為:C0.30%一0.80%，Si≤0.4%，Mn15%一25%，Al≤0.05%，P0.04%一0.16%，Re0.10%一0.30%，N 0.01%一0.02%。制備方法包括以下工藝步驟:(1)采用真空冶煉、出鋼溫度控制在1450—1550℃，澆注成錠料，以獲得具有大量等軸晶結構的鑄態組織;(2)將具有上述成分的鑄錠熱軋，開軋溫度控制在1150—700℃，終軋溫度為≥550℃，軋后鋼板空冷或水淬;再經40%一80%的壓下量，冷軋成厚度為0.5mm—3.0mm的鋼板;(3)在600—1000℃的靜態爐中對冷軋帶材進行退火處理，等溫保持0.5—20分鐘，然后以5—20℃/s冷卻/或水淬冷至室溫。

孿晶誘導塑性鋼的顯微組織以奧氏體為主，其體積分數≥80%，其余為馬氏體及鐵素體?？估瓘姸瓤梢赃_到700—1200MPa或以上，斷裂延伸率達到30—60%或以上，加工硬化指數n達到0.3—0.49。

1.6淬火配分鋼(Q&P)

淬火配分鋼的顯微組織主要是由馬氏體基體和殘余奧氏體雙相復合而成。對于含碳量較低的鋼，經Q&P處理后其顯微組織為典型的板條馬氏體和馬氏體條間的薄膜狀殘余奧氏體組成。當碳含量較高的時候，基體為由板條馬氏體和孿晶馬氏體混合而成的組織，殘余奧氏體則呈不規則分布。Q&P鋼是一種具有高強度和較高延伸率結合的新鋼種，其優越的性能主要來自于鋼中馬氏體和奧氏體雙相組織的合理配比。高強度來自于馬氏體和合金元素固溶強化的貢獻，而高塑性則取決于馬氏體中的碳含量和殘余奧氏體的含量及其分布[7]。

2003年，Speer等基于對碳配分過程的理解提出了淬火配分(Q&P)熱處理工藝，該熱處理過程包括:首先將試樣加熱到奧氏體區使其奧氏體化后淬火到馬氏體開始轉變溫度和轉變結束溫度之間某一設定溫度，得到馬氏體和殘余奧氏體的混合組織;并在此溫度(一步法)或高于此溫度(兩步法)保溫一定時間使碳元素從過飽和的馬氏體向奧氏體中配分，提高奧氏體穩定性，從而在最后淬火至室溫的過程中保留下來。Q&P鋼因優異的強韌性的結合，成分中主要有C、Mn、Si(A1)元素，有著廣闊的應用前景[8]。

2　結語

汽車更高的輕量化、安全性要求，促進先進高強度鋼的研發熱潮。文中對先進高強度鋼的介紹和專利工藝參數為研發提供思路。

[1]李光瀛,馬鳴圖.我國汽車板生產現狀及展望[J].軋鋼,2014(4): 24-25.

[2]寶山鋼鐵股份有限公司.熱軋高強度雙相鋼板及其制造方法[P].中國:102719732A,2012-10-10.

[3]江海濤,唐獲,米振莉.汽車用先進高強度鋼的開發及應用進展[J].鋼鐵研究學報,2007(8):1-5.

[4]鞍鋼股份有限公司.一種高強塑積TRIP鋼板及其制備方法[P].中國:102912219A,2013-02-06.

[5]首鋼總公司.一種熱軋馬氏體鋼及其生產方法[P].中國: 103334057A,2013-10-02.

[6]鞍鋼股份有限公司.一種輕質、高性能孿晶誘導塑性鋼及其制備方法[P].中國:101660086A,2010-03-03.

[7]鐘寧.高強度Q&P鋼和Q-P-T鋼的研究[D].上海交通大學材料科學與工程學院,2009.

[8]朱帥,康永林,李聲慈,等.配分溫度對Q&P鋼組織性能的影響[J].材料熱處理技術,2001(24):176.

李登超(1967—),男,四川鹽亭人,本科,畢業于武漢科技大學,副教授,研究方向:材料成型自動化。