汽车用先进高强钢的现状及其在宝钢的发展

Page1汽车用先进高强钢的现状及其在宝钢的发展朱晓东，马朝晖，王利（宝钢股份公司研究院，上海，201900）摘要：随着能源危机和环境问题的加剧，节能和安全已经成为汽车制造业昀重要的出发点。为了达到上述目的，减轻车重是非常有效的方法，这导致了先进高强钢的开发和应用发展较快。通过引用国际汽车轻量化项目的主要研究结果，介绍了先进高强度汽车用钢的技术和设备现状及其未来在汽车行业的应用前景。此外，结合宝钢先进高强钢的研发情况，探讨了宝钢先进高强度汽车用钢的研发目标和前景。关键词：汽车；轻量化；先进高强钢1引言随着能源危机和环境问题的日益加剧，节能和安全的考虑成为汽车制造业的主要发展方向。在降低油耗、减少排放的诸多措施中，降低车重效果昀为明显。车重减轻10％可节省燃油3%～7%[1～3]。为了降低汽车的重量，近年来，世界各大车厂的汽车逐步增加了高强钢的使用量。与此发展趋势相适应，钢铁业在高强钢方面的研发投资也有了较大增长。传统的高强钢多是通过固溶、析出和细化晶粒做为主要强化手段，而先进高强钢（AHSS）是指通过相变进行强化的钢种，组织中含有马氏体、贝氏体和/或残余奥氏体，包括双相钢（DP）、TRIP钢、复相钢（CP）和马氏体钢（Mart）等。先进高强钢的强度和塑性配合优于普通高强钢,兼具高强度和较好的成形性，特别是加工硬化指数高，有利于提高冲撞过程中的能量吸收，这对减重的同时保证安全性十分有利[4,5]。汽车用先进高强钢（AHSS）分为热轧、冷轧和热镀锌产品，其工艺特点都是通过相变实现强化，如图1所示。此外，还有一种热冲压成型模具淬火硬化的超高强钢在欧洲的汽车制造业获得了广泛应用。该类钢种在Arcelor的商标为USIBOR1500。本文将结合汽车轻量化项目及其研究成果介绍先进高强钢的技术现状、先进高强钢的应用前景和宝钢在发展先进高强钢方面所做的努力和目标。Page2图1先进高强钢生产的冷却模式和组织演变示意图2先进高强钢及其市场现状由于先进高强钢更好地适应了汽车业减重节能的发展趋势，尽管目前的使用有限，但前景被普遍看好。这类钢是通过相变组织强化来达到高强度，包括如下种类：(1)双相（DP）钢DP钢板的主要组织是铁素体和马氏体，其中马氏体的含量在5％～20％，强度为500～1200MPa。双相钢具有低屈强比、高的加工硬化指数、高烘烤硬化性能、没有屈服延伸和室温时效等特点。DP钢一般用于需高强度、高的抗碰撞吸收能且也有一定成形要求的汽车零件，如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等。双相钢的基本成分为C和Mn，有时为了提高淬透性还添加一定量的Cr和Mo。(2)TRIP钢TRIP钢包括热轧、冷轧、电镀和热镀锌产品，主要组织是铁素体、贝氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体的含量在5％～15％，强度为600～800MPa。TRIP钢具有高延伸率，同DP钢相比，TRIP钢的起始加工硬化指数小于DP钢，但是TRIP钢的加工硬化指数在很长的应变范围内仍保持较高，特别适合胀形成形。TRIP钢的主要成分是C、Si和Mn，其中Si的主要作用是抑制贝氏体转变时渗碳体的析出，但对于钢板表面质量不利。(3)复相（CP）钢CP钢同TRIP钢的组织类似，只是CP钢中含有马氏体而非残余奥氏体。通过马氏体和贝氏体以及析出强化的复合作用，CP钢的强度可达800～1000MPa，特别适合于车门防撞杆、保险杠和B立柱等安全零件。(4)马氏体（M）钢M钢的生产是通过高温的奥氏体组织快速淬火转变为板条马氏体组织，可通过热轧、冷轧连续退火或成型后热处理实现，是目前商业化高强度钢板中强度级Page3别昀高的钢种。主要用于成型要求不高的车门防撞杆等零件代替管状零件，减少制造成本。（5）MnB钢MnB钢或热成形钢主要含有Mn和B等元素，具有非常好的淬透性。热成形过程包括将毛坯件加热奥氏体化，然后在红热状态将钢板冲压成形，然后利用模具的冷却能力将零件淬硬成马氏体。整个成形过程约需要15～25s。由于先进高强钢（AHSS）对冷却有较高的要求，机组冷却能力不足，就必须添加更多的贵重合金元素。这样既增加了成本和各工序的负荷又影响了产品昀终的质量。表1所示为两种不同快冷方式的连续退火机组生产的先进高强钢（AHSS）的成分和工艺的对比，可见，由于冷却能力的不同，成分设计有很大差别。从成分看，快速淬火可以节约合金，对焊接的好处是显而易见的。表1不同连续退火冷却能力对双相钢成分的影响级别水雾冷却的典型成分（ACC）常规快速冷却的典型成分60kgDP0.07C,0.451Si,1.85Mn0.10C,0.4Si,1.7Mn,0.2Cr80kgDP0.078C,0.353Si,1.74Mn,0.019Nb0.16C,0.4Si,2.0Mn,0.3Cr,0.015Nb表2为生产先进高强钢的工艺参数和产品特点。由于生产线的差异较大，成分设计的差别是非常大的。表2先进高强钢的生产工艺及产品特点产品类型工艺参数产品特点常规冷却和卷取(500℃以上)高合金含量、低焊接性热轧双相钢低温卷取(低于300℃)低合金含量、高焊接性HGJC:昀大冷却速度50℃/s高合金含量、低焊接性H2－HGJC：昀大冷却速度100℃/s较低合金含量、高焊接性RQ:昀大冷却速度60℃/s高合金含量、低焊接性ACC:昀大冷却速度200℃/s低合金含量、高焊接性连续退火冷轧双相钢WQ:昀大冷却速度2000℃/s昀低的合金含量、高焊接性热镀锌双相钢HGJC：昀大冷却速度50℃/s高合金含量、低焊接性，好的耐蚀性尽管先进高强钢的广泛应用仍然期待于未来，但蒂森－克鲁勃、新日铁和JFE等显然已经做好了充分的准备，表3为全球先进高强钢的可供货情况。Page4表321世纪初先进高强度钢板在世界范围的可供货现状抗拉强度级别/MPa可供货情况(热轧)可供货情况(冷轧)可供货情况(热镀锌)DP400*450******500*******550********600*********700********800********900**1000***研发中1200～1400+**研发中CP800*900*1000*研发中1200～1400+研发中TRIP600***研发中700**研发中*800***研发中900研发中1000*M600*研发中700*800研发中900研发中1000*1200～1400＋********大量供货**受限供货*有限供货3高强钢和先进高强钢未来的应用前景汽车轻量化项目是世界主要钢铁企业针对铝或塑料等非钢铁材料的在未来的可能挑战而采取的应对措施，旨在维持钢铁材料在汽车业现有的市场地位。汽车轻量化项目主要包括超轻车身（ULSAB）、超轻覆盖件（ULSAC）、超轻悬挂件（ULSAS）和在此基础上的超轻概念车项目（ULSAB－AVC），包括一个2门掀背轿车和一个4门中级轿车的设计。33个全球领先的钢铁厂商参加并资助了该项目，宝钢作为中国大陆唯一的钢厂参加了该项目。由于使用了大量高强钢，汽车轻量化项目备受关注，ULSAB和ULSAC分别减重25％和30%.ULSAB－AVC概念车则达到了五星级的碰撞标准，并且成本低适于家庭购买。表4为各种高强度钢板在ULSAB－AVC项目中被使用的情况。Page5表4ULSAB－AVC车身制造使用的高强钢及其比例C级车PNGV级车级别重量/kg比例/％重量/kg比例/％HSLA350/4502.681.332.681.23IF300/4205.772.864.189.11BH210/3406.643.298.693.98BH260/37016.778.3112.695.82DP280/6007.843.8915.026.89DP300/50018.148.9917.47.98DP350/6006.583.266.022.76DP400/7009.144.539.144.19DP500/80047.7123.6449.2122.56DP700/100059.3229.4065.4730.02Trip450/8008.444.188.924.09CP700/8001.130.561.130.52Mart950/12006.093.025.832.61车身结构Mart1250/15201.770.881.770.81IF260/4102.5265.7210DP350/60018.174626.9245覆盖件DP500/8005.31137.2212从表4看出，先进高强钢的用量达到了80％以上，成为车身制造的主要材料，其中800和1000MPa的DP钢用量昀大。由于汽车轻量化项目目标指向未来的市场需求，因此有理由相信钢厂至少应具备制造1000MPa级高强钢的能力才能适于未来市场的需求。4宝钢先进高强度钢板现状与发展目标汽车板是宝钢的战略产品，宝钢一直致力于汽车用钢板品种的拓展和质量的提高，经过多年的发展，已经建设和改造以辊冷和气冷为快速冷却方式的3条连续退火机组和4条热镀锌机组用于汽车板生产。宝钢已经开发了高强度IF钢、烘烤硬化钢和各向同性钢等产品并获得了市场的欢迎。随着国内汽车板市场竞争的加剧，宝钢需要不断开发新产品来提升其竞争力，其中先进高强钢钢板系列将是现在和今后一段时间内的一个主要研发方向，具体如下：(1)高强度和超高强度先进高强钢的开发，包括热轧DP钢、TRIP钢、CP钢、热镀锌DP钢和TRIP钢；(2)开展先进高强钢钢板的使用技术研究，主要包括镀锌钢板的成形、高强度钢板的高速动态性能、疲劳性能以及焊接性能等，为用户更好地使用奠定技术Page6基础。目前，宝钢已经开始了热轧双相钢和热TRIP钢的研发，并在实验室取得的成功，不久将应用于生产。冷轧先进高强钢方面完成了600MPa冷轧TRIP钢和500MPa冷轧DP的开发，并试制成功。同时，开展了高可焊性双相钢的研究，以针对特定用户的需求。此外热镀锌TRIP钢也已经开展了实验室研究。另外，宝钢正在规划的旨在解决先进高强钢制造的新机组的建设，在不远的将来，宝钢即可大大提高先进高强钢产品的制造能力，从而大大提高宝钢高强度汽车板的国际竞争力，满足国内外市场的需要。5结语汽车轻量化项目的研究结果表明，大量使用先进高强钢是维护钢铁材料市场地位的唯一可行的途径。世界上设备和技术领先的钢厂已经具备了较为充分的先进高强钢技术储备和生产能力。为了提高先进高强钢的制造能力，保持宝钢产品在汽车板市场的竞争优势，宝钢正致力于不断的技术创新和设备能力的提高。先进高强钢是下一阶段宝钢汽车板产品开发的主要方向。参考文献1M.jeanneau,P.Pichant,ThetrendsofsteelproductsintheEuropeanautomotiveindustry,LaRevueDemetallurgies-CIT,Novembre,2000,1399～1408.2EverettC.Oren,AutomotivematerialsandTechnologiesforthe21stCentury,39THMWSPCONF.PROC.,ISS,1998,639～643.3YukihisaKuriyama,ManabuTakahashiHiroshiOhashi,TrendofCarWeightReductionUsingHigh-strengthSteel.自动车技术，2001,55(4):51～57.4TakehideSENUMA,PhysicalMetallurgyofModernHighStrengthSteelSheets,ISIJInternational,2001,41()(6):520～532.5ThomasHeller，Dr.BernhardEnd，BertramEhrhardt,Ji.irgenEsdohr,NewHighStrengthSteelsProduction,Properties&Applications.40MWSPCONF.PROC.,ISS,1998,25～34.朱晓东博士高工1966年生宝钢研究院汽车用钢研究所从事汽车用钢的开发和研究电话266