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高強度汽車鋼板的發展前景
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2014-10-29
鋼的強度和塑性一般是矛盾的，鋼強度的提高必然導致塑性下降。對于傳統的高強鋼，如碳錳鋼(CMn)、高強低合金鋼(HSLA)、各向同性鋼(IS)、烘烤硬化鋼(BH)、高強IF鋼(HSSIF)等，其強度等級很難突破600MPa。
摘要:隨著我國汽車工業的快速發展以及汽車保有量的不斷增長，汽車減重、節能、小型化、安全、環保等受到人們的普遍關注，高強鋼汽車板將是今后汽車板發展的主流，大量使用高強鋼是解決汽車減重、節能、安全、環保的重要途徑。為此，介紹了高強鋼汽車板在鋼廠各工序生產中存在的主要問題和汽車廠使用高強鋼中存在的主要問題，并對加快發展中國高強鋼汽車板提出了相應的解決措施。
1?前言
?進入21世紀以來，中國汽車工業的發展呈加速發展態勢。2002年之后，汽車產量平均每年約增加100萬輛。隨著我國汽車工業的快速發展以及汽車保有量的不斷增長，道路、停車場、交通安全和燃油緊張等問題也日趨突出。因此，汽車的減重、節能、小型化、安全、環保等備受人們普遍關注，而高強鋼汽車板的大量采用對解決上述問題都有幫助。研究結果表明，汽車板抗拉強度從220MPa提高到700MPa，材料厚度從1.8mm減小到1.4mm，而材料可吸收沖擊能指數則基本保持不變。汽車減重也與材料強度密切相關。研究表明，材料抗拉強度從300MPa左右提高到900MPa左右，汽車減重率則從25％左右提升到40％左右。近10年來，汽車用高強鋼的發展速度很快。為了適應汽車板高強化的發展趨勢，世界各國紛紛開展了高強鋼的研發并取得了令人矚目的進展。
2?汽車用高強鋼板的研究發展
?20世紀90年代初，歐洲試生產了全鋁汽車。由于可以減輕車重，降低油耗，鋁材有躋身汽車行業取代鋼材的可能。1994年，國際鋼鐵學會(簡稱“IISI”，International?Iron&steel?Institute)組織主要由北美和西歐35家鋼廠和汽車廠組成的聯合攻關課題，開展了超輕鋼車身項目ULSAB(ultra?Light?Steel?Auto?Body)的研究。其主要成果如下：車身結構的抗扭和抗彎強度分別提高80％和52％，車重減少25％，車身結構造價降低15％。1998年，在完成ULSAB項目后，又實施一項被稱為先進概念車超輕鋼車身計劃ULSAB—AVC(Advance?Vehicle?Concept)。上述項目的研究結果表明，為了延續鋼材對其它競爭材料的優勢地位，必需大量使用高強鋼，在代表汽車用鋼未來發展方向的新車型C級車和PNGV級車中，相變強化的雙相鋼(DP鋼)占整個結構用鋼的74％左右，600MPa以上的超高強鋼占75％以上。
?在完成ULSAB相關項目(包括ULSAS和ULSAC)后，阿賽洛(Arcelor)公司和蒂森(Thyssen)公司分別設計制造了大量采用高強鋼的概念車車身，使車身減重分別達到20％和24％。分析其用鋼情況，發現未來車身用軟鋼大幅度下降，而高強鋼，特別是強度等級大于80kg級的超高強鋼顯著增加。
?縱觀汽車廠在高強鋼使用方面的發展，尤其是寶馬(BMW)汽車公司，近幾年的發展速度在歐美地區是較快的，寶馬3系列在不同年代上市的車身用材料的平均最低屈服強度從1997年版的178MPa猛增到2004年版的294MPa，增長了65％，屈服強度在400MPa以上的高強鋼的使用比例也大幅度增加，而深沖軟鋼用量卻大幅減少。
?日本在高強度汽車板生產和使用方面原本就有較明顯的優勢。為保持這種優勢，日本于1997年啟動了“超級鋼鐵材料”的國家研究計劃，為期10年，其主要目的是實現鋼鐵材料的“強度翻番，壽命翻番”。同年，日本通產省基礎產業局又安排由日本5大鋼鐵公司為骨干的“超級金屬”研發項目，其目標是通過新工藝細化鋼的金相組織來提高鋼的強韌性能，并計劃在5年內形成“材料微觀領域顯微組織的控制制造技術”。
?在日本超級鋼項目的影響下，韓國在1998年啟動了“21世紀高性能結構鋼”的國家項目，為期10年，這是以POSCO鋼鐵公司為主體的國家項目。歐盟則在2001年啟動“超細晶鋼”項目，由意大利、英國、德國和比利時等國的研究機構參加，歐洲一些公司從工業界加以推進。
?中國于1997年啟動了“新一代微合金高強高韌鋼的基礎研究”國家攀登項目(1997～2000年)。1998年，啟動“973”重大基礎研究項目“新一代鋼鐵材料的重大基礎研究”。寶鋼作為國內汽車板生產企業的排頭兵也參加了國際ULSAB計劃，并在高強汽車板研究開發和生產方面有了較大的投入，做了大量工作，取得了一些成果，走在全國同行業前列。
?眾所周知，鋼的強度和塑性一般是矛盾的，鋼強度的提高必然導致塑性下降。對于傳統的高強鋼，如碳錳鋼(CMn)、高強低合金鋼(HSLA)、各向同性鋼(IS)、烘烤硬化鋼(BH)、高強IF鋼(HSSIF)等，其強度等級很難突破600MPa。即使通過添加大量合金元素來提高其強度，用戶在使用過程中也會出現焊接性能不良等問題，從而影響其使用。現代超高強鋼的發展趨勢是通過適當的熱處理工藝控制鋼的顯微組織，以得到高強度、高塑性的所謂先進高強鋼(AHSS)。例如，低屈強比的在鐵素體基體中分布有5％～30％馬氏體的雙相鋼(DP鋼)，在鐵素體和貝氏體基體中含5％～15％殘余奧氏體的相變誘導塑性鋼(TRIP鋼)，含鐵素體、貝氏體、馬氏體及彌散第二相粒子的復相鋼(CP鋼)以及主要含馬氏體強化相的馬氏體鋼(M鋼)。在新鋼種方面，已開發出常用于熱沖壓成形的具有良好淬透性的含硼高強鋼(B?Steel)及其它合金含量較高的不銹鋼和鐵錳系孿晶誘導塑性鋼(TWIP)等。
?鋼板厚度變薄后，耐腐蝕性變得非常重要。因此，鍍鋅高強鋼，特別是熱鍍鋅高強鋼有了較快的發展。
3?高強鋼汽車板在生產和使用中的主要問題
3.1?高強鋼的生產技術問題
3.1.1?煉鋼問題
?高強鋼的力學性能與化學成分關系密切。由于高強鋼對鋼的化學成分控制要求較高，不允許出現較大的波動，例如，某些鋼種的含碳量控制范圍要求達到ppm(1ppm=10-4％)級，否則，其性能就不合格。由于高強鋼，特別是超高強鋼的合金含量較高，錠坯化學成分易偏析，且錠坯在冷卻過程中特別容易開裂，因此，高強鋼對板坯的熱裝熱送、錠坯堆放及保溫都有較高的要求。另外，這種錠坯因存在某些缺陷而需進行火焰清理或切割時也很容易開裂。
3.1.2?熱軋問題
?高強鋼在熱軋生產過程中也較容易出問題。首先，在板坯加熱過程中，要嚴格控制對合金含量較高板坯的加熱速率和加熱均勻性，以免板坯在加熱過程中產生開裂或變形；其次，高強鋼對熱軋溫度控制要求較高，因為熱軋相關溫度的波動將導致高強鋼材質性能的波動；第三，高強鋼制品力學性能的波動又反過來影響后工序熱軋過程的穩定性和最終熱軋板成品的力學性能、尺寸精度、板形以及表面質量。
3.1.3?酸洗問題
?高強鋼，特別是超高強鋼熱軋卷表面氧化鐵皮的厚薄及特性對溫度較為敏感。而且，酸洗難易程度也不同，加上超高強鋼熱軋板拉矯延伸率很難達到要求，因此，超高強鋼的酸洗困難。除了酸洗表面質量問題外，還有高強鋼的頭尾焊接困難等問題，由于板形差、有時邊裂也較嚴重，高強鋼的穩定通板及切邊碎邊也較困難。在高強鋼中添加的各種合金元素還可能影響酸再生的副產品氧化鐵粉的純凈度和磁性能。
3.1.4?冷連軋問題
?高強鋼的合金含量高，焊接困難，焊縫處易開裂，甚至斷帶。由于變形抗力大，硬化速率快，軋制力過大，很容易超過軋機馬達負荷，因而，不得不減小軋制變形量，降低軋制速度。而且，超高強鋼在軋制過程中易出現打滑、邊裂、板形不良，甚至斷帶等問題。由于高強鋼熱軋來料的力學性能和厚度波動較大，軋硬材的厚度波動也較大。在熱軋和冷軋過程中，軋制力大，軋輥彎曲嚴重，由此引起軋硬材橫斷面凸度較大，邊緣降較嚴重，軋輥易爆裂和斷輥等。
3.1.5?熱處理及涂鍍工序的主要問題
?退火及平整工序最終決定了高強鋼的力學性能、板形及表面質量，特別是對于以相變強化為主的先進高強鋼，熱處理制度(退火曲線)和平整延伸率最終決定了材料的組織結構和力學性能。目前，國內幾乎所有的大型連續熱處理機組在生產相變強化的高強鋼時，其冷卻速度總顯得不足。與國外先進機組相比，在生產相同強度等級的高強鋼時，要添加更多的合金元素，有時甚至根本無法生產出希望獲得的組織結構和性能。此外，還有焊縫開裂問題，由于軋硬材及快冷后的帶鋼板形不良易引起通板困難問題，以及高溫退火造成合金元素易在帶鋼表面富集而引起測溫不準問題。在熱鍍鋅工序中，除上述問題之外，還有高強鋼可鍍性較差及合金化較困難問題。在平整工序中，無論是普冷高強鋼，還是熱鍍鋅高強鋼，特別是當材料強度等級較高時，很難達到要求的平整延伸率，因此，高強鋼平整前本來就較差的板形也很難通過有限的平整變形而得以明顯改善。而且，超高強鋼表面粗糙度的控制能力也較差，有時在平整工序中粗糙度幾乎不變。
?在電鍍鋅工序中，高強鋼較差的板形很容易損壞電極板等電鍍鋅設備，也影響帶鋼的穩定通板和鍍層的均勻性。此外，電鍍鋅機組輥系的設計依據是鋼帶強度等級、規格及機組速度。當強度等級超出設計較多且厚度也較大時，不僅通板困難，還會影響產品質量。
3.1.6?精整及其它問題
?高強鋼，特別是超高強鋼的精整問題主要是剪切能力問題，國內幾乎所有精整線都只能剪切80kg級以下高強鋼。更高強度等級高強鋼的切板或分卷、分條需新增機組或對舊的機組進行優化改進。其它問題，如檢化驗分析和各工序生產組織接續問題，也是較難解決的，特別是超高強鋼拉伸樣的制備和試樣拉伸斷裂后對引伸儀的振動沖擊問題，都是很棘手的。而且，超高強鋼還需追加其它特殊檢化驗項目。各種強度等級和各種規格的高強鋼在連軋機和連續熱處理機組的生產接續問題也很難解決，這對機組的正常生產和狀態的穩定影響很大。
3.2?高強鋼使用過程中的主要問題
3.2.1?高強鋼的成形問題
?由于高強鋼的塑性較差，變形時易開裂，變形抗力大，成形后的回彈也大，零件尺寸精度不良。因而，在對沖壓和滾壓模具進行設計時，要充分考慮到高強鋼變形能力小、變形抗力大及回彈較大的特點，以準確預測形狀尺寸。另外，高強鋼對模具的磨損也較大，有時甚至會卡模具，因此，需對模具表面進行涂鍍(如TiN)處理。為了解決高強鋼成形困難問題，研發了高強鋼板的激光拼焊板，使變形較大的部位由軟鋼或成形性較好的高強鋼來承受，而變形量較小或需要承受較大負荷的部位則使用強度等級較高的高強鋼。除此之外，研發了新的成形技術，如液壓成形、溫成形和熱沖壓成形等。
3.2.2?高強鋼的焊接問題
?高強鋼的焊接性能一直是影響高強鋼冷軋生產和使用的非常核心的問題。由于生產工藝技術不同，特別是熱處理冷卻速率不同，若要獲得用戶需要的強度等級，其合金元素的添加量也要有所不同。當冷卻速度較低時，必須添加較多的合金元素，但由此也會引起焊接性能惡化。除了冷卻速度外，其它生產工藝及設備條件也影響材料設計時合金元素的添加量，影響高強鋼的焊接性能。對于高強鋼涂鍍產品來說，涂鍍層成分及其組織結構和鍍層厚度均影響其焊接性能。
3.2.3?高強鋼的涂裝問題
?高強鋼合金元素的表面富集和氧化則影響其磷化等涂裝性能。就涂鍍產品而言，涂鍍層化學成分及鍍層表面形貌等也影響材料的涂裝性能。然而，改善高強鋼涂裝性能的方法有：通過熱處理過程中爐內氣氛控制來控制高強鋼合金元素的表面富集和氧化；采用酸洗方法將擴散到鍍層表面的合金元素清洗干凈，有的經過酸洗之后，還需進一步電鍍一層極薄的鎳，以改善其涂裝性能。
4?發展高強鋼汽車板的對策及建議
4.1?加強鋼鐵廠與汽車廠的合作研究開發
?新一代性能更優的汽車設計制造需要有新的先進高強鋼材料的支持。鋼鐵廠作為最主要的汽車用材供應商理應在新一代汽車減重、節能和安全環保方面有所貢獻。因此，鋼鐵廠與汽車制造廠之間應加強合作，在汽車設計、模具設計和零件選材與用材方面多進行研討磋商。現在，自主創新是新的國家戰略，提高自主創新能力已成為汽車行業在“十一五”發展規劃中的核心詞匯。同樣，在技術含量較高的汽車用高強鋼生產工藝技術與設備研究開發和高強鋼使用技術研究方面，鋼鐵廠也有大量的技術創新工作要做，這都為將來鋼鐵廠與汽車制造廠的合作研究開發帶來契機。
4.2?高強鋼生產工藝設備的自主研究開發
?目前，商業用高強鋼生產冶金原理近幾年并沒有新的發現，但在1200MPa以上超高強鋼工藝方面，國際上出現了2條途徑：其一，鋼鐵廠通過熱處理方法獲得1500MPa左右超高強鋼，而后通過滾壓等成型方法加工成保險杠、防撞桿等汽車零件；其二，鋼鐵廠只提供強度只有800MPa左右但化學成分能滿足進一步熱處理要求的板卷，由零部件廠或汽車廠通過熱沖壓成形而獲得1500MPa左右超高強鋼零部件。前者的優勢是，超高強鋼的熱處理集中在鋼廠完成，生產效率高，成本低，對環保也有利，但在滾壓成形中必須解決零件成形過程的回彈問題，以確保零件尺寸精度。后者的優勢在于，熱成形后的形狀穩定，尺寸精度高，對于形狀較復雜的零件也較易生產，但該方法的生產效率低，每種車型、每個超高強鋼零件都需要專用水冷模具，投資巨大，而且，還要在后工序配備噴丸或在前工序鍍鋁或涂鍍其它材料，生產成本較高。對于鋼鐵廠科技人員來說，應該更多地關注前者。
?上文提到高強鋼的生產在煉鋼、熱軋、酸洗和冷連軋等工序中都有困難，因此，各工序都必須對現存的生產工藝技術問題進行研究，以優化其生產工藝。對于某些設備，還要進行技改或改善。對于熱處理和涂鍍工序，國內各鋼廠在高強鋼，特別是超高強鋼的生產工藝設備能力方面還有較大的差距，其中最突出的問題是連續熱處理機組的冷卻速率太低，熱鍍鋅機組缺乏改進高強鋼可鍍性的手段。圍繞連退和熱鍍鋅的核心技術-快冷技術(問題)，必須開發出具有自主知識產權的快冷關鍵技術，為更經濟、更合理地開發先進高強鋼和超高強鋼創造條件。針對高強鋼，特別是超高強鋼合金元素含量高，焊接性能差的問題，酸軋及連續熱處理機組都宜配備激光焊機。針對超高強鋼可鍍性差的問題，熱處理線宜采用直火加熱和高氫快冷技術。針對超高強鋼板形差、平整延伸率難以提高的問題，宜采用板形控制能力強、工作輥輥徑較小的六輥平整機。
4.3?加快先進高強鋼新產品的研究開發
?以相變強化機理為主的各種強度等級的雙相鋼、相變誘導塑性鋼、馬氏體鋼和復相鋼等先進高強鋼將在未來的新車型中大量使用，為此，需加快這些新產品開發的速度。高強鋼成品性能與生產工藝參數，特別是熱處理工藝技術參數的關系密切，因此，新產品開發一定要結合工藝流程和生產線進行。在新產品開發中，除進行大量必要的模擬試驗外，還要摸索出各工序關鍵性的工藝技術參數范圍，最好還有一條功能強大的中試機組，以便通過中試機組驗證規定的生產工藝參數范圍是否合理，新產品材質性能及其它質量能否滿足用戶要求。只有通過驗證，才能在大生產機組上進行批量試生產及優化改進。由此可見，中試機組在新產品開發中起著極其重要的橋梁作用。目前，國內非常缺乏這種中試機組，特別是連續熱處理中試機組尤為突出。然而，這種機組的投資龐大，國家及省市相關部門應大力支持并鼓勵鋼鐵企業在這方面的投入，以提升鋼鐵企業的自主創新能力。
4.4?高強鋼產線的優化
?在大型鋼鐵聯合企業中，產線都是比較多的，每條產線都有其自身特點，適合生產相應的產品。為了最大限度地發揮各條產線優勢，就必須對各產線進行分工。高強鋼，特別是超高強鋼主要用于制造汽車安全件和內部結構件，對材質性能要求很高，但對表面質量要求不高。機組生產超高強鋼之后，對輥面質量和爐況均有不良影響。因此，較理想的產線分工是生產汽車外板的機組與生產超高強鋼的機組分開，高強鋼與超高強鋼在專用線上集中生產便于接續過渡。在生產高強鋼的機組中，由于不同鋼種對機組各段的溫度、時間和冷卻速率的要求不同，在設計新的機組時，應根據其主要目標產品特點進行設計。對于已有的機組，則可根據其能力進行分工。一般而言，TRIP鋼對冷卻速率要求不高，但卻要求有較高的過時效溫度和較長的時效時間，DP鋼和M鋼則要求較高的冷卻速度和較低的冷卻終點溫度，但要求過時效的溫度低，過時效時間短。因此，必須盡可能把上述2類鋼分開生產，以免機組設計不合理以及實際生產時工藝過渡時間長。
4.5?加強高強鋼汽車板的用戶使用技術研究
?用戶在高強鋼汽車板使用過程中必然會碰到許多與材料相關的技術問題。對于這些問題，用戶總寄希望鋼廠幫助解決。因此，鋼廠除研究高強鋼本身的基本材料特性之外，還要研究高強鋼的成形問題、各類激光拼焊及拼焊板的成形問題、高強鋼零件之間的點焊問題、高強鋼零件的磷化和后續涂裝問題。鋼廠只有把高強鋼的相關問題研究透了，才能更好地滿足汽車用戶的需要。
5?結語
?中國汽車工業正處于高速發展時期，還有較大的發展空間。高強鋼汽車板將是今后汽車板發展的主流，大量使用高強鋼是解決汽車減重、節能、安全、環保的重要途徑。鋼廠在研究開發及推廣應用高強鋼汽車板方面還有很多問題要解決，而自主創新、產銷研一體化、與用戶互動研發是解決這些問題的根本出路。
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