適用于冷沖壓成形的超高強鋼性能分析

文/陳新平，蔣浩民·寶山鋼鐵股份有限公司

適用于冷沖壓成形的超高強鋼性能分析

文/陳新平，蔣浩民·寶山鋼鐵股份有限公司

陳新平，寶鋼集團中央研究院首席研究員，高級工程師。從事超高強鋼沖壓成形技術研究、新車型EVI核心技術研究、管件液壓成形技術研究等，曾獲國家科技進步二等獎、中國專利優秀獎等獎項，已授權/受理專利41項，制/修訂國家標準8項、行業標準1項，發表科技論文65篇。

車身用鋼的發展趨勢

隨著汽車市場對節能、環保、安全、舒適等要求的提高，汽車車身輕量化成為當今汽車技術發展的重要發展方向。由于高強鋼和超高強鋼在減輕車身重量的同時，還能提高汽車車身的結構強度及能量吸收能力，因此高強鋼和超高強鋼在汽車上的應用越來越廣泛。截至目前，高強鋼和超高強鋼仍然是最經濟、最有效的輕量化途徑之一。典型的超高強鋼應用零件有前、后門左/右防撞桿（梁），前、后保險杠，A柱加強板，B柱加強板，C柱加強板，下邊板，地板中通道及車頂加強梁等各種結構件。

圖1 高強鋼的發展和定義劃分

高強鋼有不同的定義分類方法。⑴按屈服強度分類：將屈服強度在210～550MPa范圍內的鋼定義為高強鋼（HSS，High Strength Steel），屈服強度在550MPa以上的鋼定義為超高強鋼（UHSS，Ultra High Strength Steel）；⑵按抗拉強度分類：抗拉強度在340～780MPa范圍內的鋼定義為高強鋼（HSS），抗拉強度在780MPa以上的鋼定義為超高強鋼（UHSS）；⑶按照強化機理分類：分為傳統高強鋼和先進高強鋼，先進高強鋼（AHSS，Advanced High Strength Steel）是指通過適當的熱處理工藝控制鋼的顯微組織以得到高強度、高塑性；⑷按其發展歷程分類：第一代、第二代和第三代先進高強鋼，如圖1所示。

除了鋼鐵材料之外，鋁合金、鎂合金、工程塑料、碳纖維及其他輕質材料也加大了在汽車車身上應用研究的力度。曾有人對2030年時車身的輕量化方案做了預測，不同的輕量化方案下對應著不同的車身用材結構，如圖2所示。不管是哪一種方案，現行車身上用量較大的軟鋼（抗拉強度340MPa以下）和高強鋼（抗拉強度780MPa以下），都將大幅度減少，而超高強鋼（抗拉強度在780MPa及以上）的用量將大幅度增加。

圖2 2030年時不同輕量化目標下的車身用材結構預測

超高強鋼冷沖壓成形面臨的挑戰

在超高強鋼產品開發上，國內外鋼廠都進行了大量的工作，日本新日鐵、JFE、神戶制鋼、韓國浦項和瑞典SSAB等鋼鐵公司已開發出各自的超高強鋼產品并在汽車行業得到應用。近年來，第一代先進高強鋼不斷刷新“強度”記錄，如1200MPa級別的雙相鋼（DP鋼：Dual-Phase Steel）、1500MPa級別的馬氏體鋼等相繼實現了批量化生產和供應。

鋼板的可成形性能（延伸率）一般隨著強度的提高而降低。以第一代高強鋼為例，強塑積（強度×延伸率）一般在15GPa%以下，例如：980MPa級的雙相鋼延伸率為7%～15%，1200MPa以上馬氏體鋼的延伸率只有3%～8%。這么低的延伸率，給冷沖壓成形帶來了極高的難度和挑戰。

高強鋼在國外剛剛開始大批量應用的時候，曾遇到過很多問題。其中，有一個普遍的問題是零件可成形范圍較窄和性能不穩定。這是因為高強鋼，尤其是先進高強鋼通過控制相組織得到高強度的這種強化機理，導致了高強鋼的性能波動范圍在先天上就比傳統的軟鋼要大。還有一個問題，就是高強鋼板表面易拉毛和模具易磨損，這也會帶來模具維修費用及零件返修工作量的增加，進而導致生產成本增加。

隨著國內汽車車身輕量化的持續進行，超高強鋼在國產汽車上的應用越來越廣泛。寶鋼近年來的超高強鋼銷售量也說明了這一點。特別是寶鋼超高強鋼專用生產線于2009年4月投產以后，冷軋超高強鋼的銷量迅速攀升，從2008年的不到3000t到2013年的86000t，短短的5年時間，增長了幾十倍。近兩年來，我們對冷軋超高強鋼在冷沖壓成形過程中發生的主要問題也進行了市場調研，發現主要集中在以下幾個方面：開裂、回彈及尺寸超差、邊部開裂、起皺、表面拉毛、毛刺等。然而，由于冷沖壓成形所特有的高效率、低能耗、低成本等優點，且有著近百年的生產經驗和技術積累，生產組織等相對較易進行，因此人們對于冷沖壓成形仍然情有獨鐘，也因此，對于可適用于冷沖壓方式進行加工的超高強度鋼板的開發一直有著較高的期待。

第二代高強鋼，典型代表為孿生誘發塑性鋼（TWIP鋼：Twinning Induced Plasticity Steel），是以添加Mn等合金元素來提升強度，形成大量的鐵素體相來提升延伸率的。然而，大量合金元素的添加，導致了較高的生產成本，且因極高的碳當量而導致焊接困難，因此，第二代高強鋼雖然在較早的時期就開發成功，但卻尚未得到廣泛的應用。

近年來，世界各國研究機構、鋼鐵企業對第三代超高強鋼的研發熱情空前高漲，尤其是寶鋼率先實現了第三代超高強鋼品種中的淬火延性鋼（QP鋼：Quenching and Partition Steel）的工業化生產，并在汽車零件上實現了成功應用，對鋼鐵業界和汽車業界的影響都極大，也為采用冷沖壓方式進行超高強鋼的成形加工注入了活力。

超高強鋼冷沖壓成形面臨的機遇

材料開發

寶鋼對超高強鋼的研究始于2005年，從工藝技術開發、產品研制到汽車用戶使用技術研究完全依靠自身力量，并研究出超高強鋼核心生產裝備技術，成為我國首家擁有冷軋超高強鋼生產技術自主知識產權的企業，為自主集成建設高強鋼專用生產線奠定了基礎。年產量20萬噸的高強鋼專用生產線于2009年4月建成投產，主要生產冷軋及熱鍍純鋅的高強鋼及超高強鋼，并生產出最高抗拉強度為1500MPa級別的冷軋馬氏體鋼。2010年全球率先實現了首個第三代高強鋼—980MPa級QP鋼的工業化試制，并于2012年通過汽車廠材料認證，實現了在汽車上的批量化應用。2013年全球首發第三代熱鍍鋅QP980，2014年全球首發1180MPa級的冷軋QP鋼。目前，寶鋼已成為世界上唯一能夠同時批量生產第一代、第二代及第三代先進高強鋼的鋼鐵企業，實現了超高強鋼產品在世界范圍內的領先地位。

2009年在科技部973項目的大力支持下，太鋼集團與中國鋼研科技集團公司合作，成功開發出第三代汽車鋼熱軋板卷和冷軋板，該產品強塑積超過了30GPa%。目前尚未實現商業化生產。

國際鋼鐵巨頭ArcelorMittal（安賽樂米塔爾）早在2012年6月開始分階段減持在華菱鋼鐵的股份，并將所獲資金用于增持其與華菱鋼鐵合資的汽車板項目的股份。該項目于2014年6月全面建成投產，2015年實現商業化生產。該項目初期年產能150萬噸，主要生產特殊高強鋼。

2011年9月鞍鋼與日本株式會社神戶制鋼所簽署了合作意向書，成立合資公司，建設一條年產60萬噸新型水冷式冷軋連續退火生產線，主要生產590MPa以上級別的雙相冷軋高強汽車用鋼，計劃于2016年初投產。

材料性能

冷軋超高強鋼的品種極為豐富，寶鋼已實現大批量穩定生產供應的主要有：雙相鋼（DP鋼），DP780、DP980（有冷軋表面CR，有熱鍍純鋅表面GI，也有熱鍍鋅鐵表面GA），DP1180（CR）；相變誘導塑性鋼（TRIP鋼），TR780（CR）；淬火延性鋼（QP鋼），QP980（CR，GI），QP1180（CR）；馬氏體鋼（MS鋼）：MS980（CR），MS1180（CR），MS1300（CR），MS1400（CR），MS1500（CR）。其中，適用于采用冷沖壓成形方式進行加工的鋼種主要是DP鋼、TRIP鋼和QP鋼。

⑴DP鋼。

冷軋雙相鋼微觀組織主要由馬氏體和鐵素體組成，馬氏體組織以島狀彌散分布在鐵素體基體上，馬氏體是硬質強化相，鐵素體是軟相，雙相鋼的強度隨著馬氏體含量的提高而增加，典型微觀金相組織，如圖3所示。

馬氏體和鐵素體復合的雙相組織使其具有一定的強度和良好的成形性。DP鋼的主要力學性能特點為：連續屈服，應力-應變曲線呈光滑的拱形，無屈服點延伸。這就避免成形零件表面起皺，從而不需要附加的精整工序；高的加工硬化速率，尤其是初始的加工硬化速率，只需5%以下的應變，就可使雙相鋼的流變應力達到500～550MPa；無屈服延伸，無室溫時效；烘烤硬化值35～80MPa；低屈強比0.5～0.65。由于DP鋼具有良好的強度和成形性能，可以廣泛應用于如A柱、B柱、門檻加強板、車門防撞桿等各種車身安全件、結構件，也可推廣應用到外板件零件。

圖3 不同強度級別DP鋼典型微觀組織

不同強度級別DP鋼典型準靜態拉伸曲線，如圖4所示。可以看出各級別雙相鋼均表現出連續屈服，較高的初始加工硬化，較長的均勻延伸區間。高的初始加工硬化使雙相鋼發生塑性變形后，變形抗力迅速上升至較高水平，并維持在較寬的均勻應變區間，延遲了塑性頸縮的發生。

圖4 不同強度級別DP鋼典型準靜態拉伸曲線

⑵TRIP鋼。

圖5 TRIP鋼典型金相組織

圖6 TRIP鋼典型準靜態拉伸曲線

相變誘導塑性鋼（TRIP鋼）的組織為鐵素體＋貝氏體＋殘余奧氏體。典型微觀金相組織，如圖5所示。殘余奧氏體的含量在7%～15%之間。在沖壓成形時，TRIP鋼中的殘余奧氏體會逐漸轉變為硬的馬氏體，有利于均勻變形，實現了強度和塑性較好的統一，較好地解決了強度和塑性矛盾。TRIP鋼典型準靜態拉伸曲線，如圖6所示。

加工硬化指數n值是決定板料成形時最大允許延伸的重要參數。在相同板厚的情況下，最終n值決定了板料成形極限的高度。n值的大小實際上反映了板材均勻地分配應變的能力。變形過程中n值越高，應變梯度越小，材料抵抗局部變薄的能力越強。

與DP鋼相比，TRIP鋼在成形發生大的應變時，能產生新的馬氏體島，這些新的馬氏體島能維持較高的瞬時n值，如圖7所示。由于TRIP鋼的加工硬化指數在很長的應變范圍內仍保持較高，特別適合要求具有高脹形的成形方式。

圖7 TRIP和DP鋼瞬時n值曲線對比

然而，TRIP鋼中殘余奧氏體的轉變，與應變路徑、應變量大小有關。即：不同形狀的零件，不同的成形特征，或者是不同的成形工序設計，都會誘發出完全不同的TRIP塑性。這就要求車身設計工程師、模具設計工程師十分了解TRIP鋼的變形特性，從而能夠充分利用這一特性。

此外，TRIP鋼中的貝氏體相是鋼過冷奧氏體的中溫(350～550℃）轉變產物，轉變溫度介于珠光體轉變與馬氏體轉變之間，實際生產中較為難以控制。正是由于TRIP鋼的這種貝氏體相控制困難及對零件和模具設計的較高要求，使其雖然具有高碰撞吸收性能、高強塑積、高n值、成形性好等特點，也仍然難以獲得像DP鋼這樣的廣泛應用。

⑶QP鋼。

圖8 QP鋼的碳的配分原理示意圖

圖9 QP鋼典型金相組織

淬火延性鋼（QP鋼）的組織是鋼在奧氏體化后快速淬火獲得馬氏體＋奧氏體的混合組織，隨后加熱至配分溫度進行碳的配分。配分處理后，碳由馬氏體擴散至未轉變奧氏體，使奧氏體富碳并穩定化，如圖8所示。穩定化的奧氏體在隨后的冷卻過程中可保留下來，最終形成鐵素體+馬氏體+少量殘余奧氏體組織，如圖9所示。

QP鋼典型準靜態拉伸曲線，如圖10所示。QP鋼具有超高強度、較高的延伸率和良好的強塑積，特別適合外形相對復雜、強度要求相對高的沖壓件。

圖10 QP鋼典型應力應變曲線

與DP鋼相比，除了具備DP鋼的優點之外，由于QP鋼穩定化殘余奧氏體的存在，使得QP鋼具有比DP鋼更好的成形性能，如圖10所示，同樣是980MPa級別，QP鋼的延伸率遠大于DP鋼，其均勻延伸率甚至優于強度較低的DP780。與TRIP鋼相比，QP鋼的馬氏體相較之TRIP鋼的貝氏體相更容易控制并且具有更高的強度。

典型應用案例

某車型前圍橫梁，批量生產中一直采用DP590GI沖壓。在同一套模具上，在相同的工藝條件下，采用QP980進行試沖，可完成拉延成形，如圖11所示。圖11中下方零件為采用DP590GI進行批量生產的拉延件，上方零件為采用QP980試沖的拉延件。

圖11 QP980與DP590的實沖對比

某車型B柱加強板，采用寶鋼QP980進行了試沖。采用網格應變分析（CGA）技術對零件上各區域的應變進行了分析，試驗結果表明各區域的安全裕度及減薄率均滿足要求。通過各種材料和零件認證試驗后，該B柱加強板已實現穩定化批量生產。

結束語

隨著汽車輕量化的深入進行，高強鋼尤其是超高強鋼將會得到越來越廣泛的應用。作為在高強度下仍然具有高塑性的第三代高強鋼，正逐漸獲得各鋼鐵公司、汽車廠的青睞。足夠的塑性，使得超高強鋼的冷沖壓成形成為可能。因此，隨著新一代高強鋼的不斷開發，冷沖壓成形將有可能成為超高強鋼的主要加工方式。