国内冷轧汽车用钢的研究动态及趋势

西安建筑科技大学研究生课程考试试卷考试科目：现代轧制理论与工艺课程编码：任课教师：王庆娟考试时间：学号：1404811398学生姓名：黄炳喜题号成绩总成绩学分123456阅卷人签字789试题总页数10国内冷轧汽车用钢的研究动态及趋势材料工程14级黄炳喜1404811398摘要：简述我国冷轧汽车用钢的研发历史及现状，分析我国冷轧汽车钢板的发展趋势。提出研发高强汽车用钢的必要性，介绍了几种高强度钢，如高强度IF钢、DP双相钢、TRIP钢、BH钢、CP复相钢、TWIP钢、Q＆P钢等的原理、性能以及开发现状。关键词：冷轧；汽车用钢；高强钢；发展趋势进入新世纪以来,我国汽车工业呈现出井喷式的发展,2005年中国汽车产量达到570万辆,2008年达到934.5万辆。汽车用材的70%～80%是钢铁材料,在一定程度上代表了一个国家钢铁工业的水平。我国在汽车品种和技术水平方面,已经和发达国家同步。随着汽车工业的发展,对优质汽车用钢的要求越来越高,需求也越来越大。因此,紧跟汽车工业的发展趋势,研究和开发新一代汽车用钢,必将成为我国钢铁工业应用基础研究的重要发展目标。1国内冷轧汽车钢板研发的历史回顾钢材是汽车制造的主要原料,品种主要有型钢、中板、薄板、钢带、优质钢材、钢管等,其中以薄板和优质钢材为主。冷轧板带及其镀层板带的用量约占板带材用量的90%,为450～550kg,如夏利车的用量约为450kg,车身加长的红旗车为550kg。轿车用冷轧板带及镀锌板厚度为0.40～4.00mm,冷轧板带用量最多的厚度规格是0.80mm,其次是0.70mm；镀锌板用量最多的厚度规格是0.80mm和0.70mm。轿车用冷轧板带的宽度为600～1850mm,1000mm以下的用量最大。20世纪50～80年代,国内的汽车用钢由鞍钢提供,主要是08Al等软钢板。20世纪80年代后期,我国开始研发无间隙原子钢(IF钢)。北京科技大学的王先进教授最先提出IF钢的研究与开发,并且与宝钢、武钢探讨合作研发的可行性。1989年,宝钢与北京科技大学合作开发IF钢板,1990年研制成功。1992年试制St16,之后试制BSC2、BSC3。2001年,宝钢IF钢产量为70万t,2006年产量已达180万t。1990年,武钢与北京科技大学合作试制WIF,1993年投产,2001年武钢IF钢产量为6万t。2000年鞍钢试制IF钢,有IF(Ti)、IF(Nb+Ti),前者比例大。2004年鞍钢生产IF钢70万t,其中50万t用于汽车工业。随着汽车工业的发展,特别是20世纪90年代以后,我国汽车用钢进入了高强化的进程,开始含P钢板的研发。1991年,一汽宝钢试制BPD35、BPD40,1992年试制BP340、BP400,1994年试制BP380、BP440、BP460,后来纳入宝钢标准BP340、BP400。同一时期,我国还开始了BH钢的开发与应用研究。1992年,一汽宝钢试制BPH340。1993年,武钢投产WBH340。同年,一汽鞍钢试制A220BH,2000年试制BH340。我国表面处理钢板的研发始于20世纪80年代后期。1986年,武钢深冲镀锌钢板开始应用于汽车工业。1990年,武钢一汽试制超深冲热镀锌钢板WSX,还试制了微碳深冲镀锌汽车板03AlZn,汽车燃油箱用深冲镀锌板QYX等等。20世纪90年代,宝钢开始生产电镀锌钢板EG,镀锌量为20～40g/m2。1991年,一汽宝钢试制BPD35E、SECE,1993年试制热镀纯锌板GI(St07Z),1995年试制SECIF(IF基板)。最近几年,鞍钢蒂森克虏伯合资公司、广州JFE合资公司都可生产系列GI、GA热镀锌汽车钢板。2国内冷轧汽车钢板的研发现状（1）IF钢超低碳IF钢已经成为一个国家汽车钢板生产水平的标志。我国超低碳IF钢的研究和开发起步较晚,1989年北京科技大学与武钢、宝钢合作开始IF钢的研究与开发工作,随后成功地生产出IF钢和热镀锌IF钢板等其它产品,如超深冲高强钢板、热轧拉延板和深冲板、烘烤硬化板等。北京科技大学实验室开发IF钢系列钢种的性能如表1所示。目前,宝钢IF钢C和N的控制已达国际先进水平(2001年后低于0.0020%),冲压性能从DQ到SEDDQ均可批量生产。与此同时,IF钢家族(普板、热镀锌和电镀锌)也得以迅速发展。不但能够生产IF软钢,也可生产强度达440MPa的高强度IF钢。鞍钢和武钢的IF钢产量也已接近百万吨。（2）BH钢BH（烘烤硬化）钢板成形时是软的，涂装烘烤后（相当于170℃保温20min的热处理）硬化（图1为BH钢硬化原理示意）。这种钢板是让适量固溶碳残留在钢中，利用涂装烘烤时的热能将冲压成型时导入的位错用固溶碳固定，从而达到提高屈服强度的目的。ＢＨ量根据冲压成型时的变形量而变化，其值在低变形区域内增大，因此ＢＨ钢板适用于车门、车盖等加工度比较低的部件。烘烤硬化是利用固溶碳所产生的应变时效的一种强化方法，必须抑制由常温时效引起的材质劣化，确保ＢＨ量。为了抑制室温时屈服点延伸的回复，ＢＨ量的上限控制在60ＭPa。这种钢板最初是用低碳Ａl镇静钢的罩式炉退火法开发出来，现在主要用成形性优良的极低碳素钢板为基板生产。BH钢是最具有使用前景的高档轿车面板用钢种之一，主要用于汽车的外板。目前国内新一代轿车外板多采用这一系列的电镀锌烘烤硬化钢板，主要有抗拉强度180MPa和210MPa两种级别。如宝钢可以生产抗拉强度为180MPa、210MPa、240MPa、270MPa和300MPa等多个级别冷轧普板、电镀锌和热镀锌3大类的ＢＨ钢板。图1BH钢硬化原理示意(3)TRIP钢TRIP钢主要成分是C、Si和Ｍn,大致含有50％～60铁素体、25～40%氏体或少量马氏体及５％～１５％残留奥氏体。当TRIP钢板中存在一定量比较稳定的残留奥氏体时，在塑性变形的作用下，残留奥氏体逐渐增大产生应变硬化，诱发了马氏体的形核，产生相变而转变为马氏体，使局部的硬度得到提高，继续变形较困难，变形向周围转移，颈缩的产生被延迟，随着相变的不断发展，材料获得了很高的塑性。残留奥氏体相变为马氏体引起位错密度的增加，产生位错强化，材料的强度得到提高。钢板在相变后塑性和强度都得到提高，这种现象称为相变诱发塑性，简称TRIP效应（Transformationinducedplasticity）。2000年以来,国内开始对TRIP钢进行大量深入的研究。国内研发机构主要有北京科技大学、上海大学、东北大学、宝钢、鞍钢、武钢、首钢等,经历了由高硅向低硅的转化。至2008年,宝钢能够提供590MPa的冷轧TRIP钢和热镀锌TRIP钢,已经成功研发780MPa的冷轧TRIP钢,正在着手980MPa冷轧TRIP钢的开发。鞍钢冷TRIP钢涵盖了高硅低铝、低硅高铝和低硅低铝等几个系列,试生产了590MPa和780MPa的冷轧TRIP钢,其中590MPa的还进行了热镀锌的工业试制。武钢完成了800MPa级别冷轧和镀锌TRIP钢的实验室研发,通过Nb、V的微合金化,使得TRIP钢具有优异的强塑性综合性能。目前,国内的研究基本上集中在3个方面:一是对热处理工艺的合理化探索；二是合金元素对组织与性能影响的研究；三是残余奥氏体稳定性的研究。国内对600MPa级以上热镀锌TRIP钢和800MPa级以上冷轧TRIP钢的研究比较少,是今后努力的方向。（4）DP钢DP(双相)钢具有优良的力学性能和成型性能,是理想的汽车用高强钢板。高强度双相钢是汽车结构中应用最多的品种之一。目前,我国一些钢厂正在开发和生产DP钢,并不断应用于新型汽车。2008年,鞍钢在大连镀锌线成功地进行了热镀锌双相钢590DP的工业试验,在冷轧厂3#线完成了CR340/590DP、CR420/780DP的试生产,具备了批量供货能力。武钢已完成了实验室800MPa级别热镀锌、冷轧DP钢种的研发,600MPa级别的双相钢已完成工业试制并得到实际应用。目前,国际上可供货的冷轧双相钢板最高级别达到1180MPa,我国仅为780MPa；热镀锌双相钢最高级别达到了980MPa,我国仅为600MPa。由此可以看出,我国与世界先进水平相比还存在很大的差距,应该加强高级别双相钢的研制。（5）复相钢（CP）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。目前，浦项的热轧CP980钢、冷轧CP1180和CP1470钢已经商业化。宝钢利用钒钛微合金化技术,在2050mm热连轧机组上成功开发出抗拉强度为1150MPa级的热轧复相钢B1150GJ，带钢厚度为215～710mm。310mm厚卷板轧态下的典型力学性能为屈服强度825MPa、抗拉强度1165MPa、伸长率14％。对于冷轧高强度结构钢，可以在连续退火过程中通过复相热处理工艺获得不同组织体积比率的铁素体＋贝氏体＋马氏体复相组织。这种冷轧复相钢具有良好的综合力学性能，与常规淬火马氏体钢相比，在强度相同的条件下，有较高的韧性及塑性，因此在汽车工业具有广阔的应用市场。(6)TWIP钢TWIP钢是最近几年国外为满足ＵＬＳＡＢ计划需求而开发的新型钢种，其成分通常主要是Fe,添加２５％～３０％的Ｍｎ，并加入少量Al和Si，也有再加入少量Ni、V、Mo、Cu、Ti和Nb等元素。该钢在无外载荷使用时，冷却到室温下的组织是稳定的残余奥氏体，但是在有外载荷时，由于应变诱导产生机械孪晶，会产生大的无颈缩延伸，显示出非常优异的力学性能、高的应变硬化率、高的塑性和强度。目前，鞍钢已在实验室研制出冷轧抗拉强度590MPa和780MPa的TWIP钢，980MPa、1180MPa级TWIP钢正在研制开发中。(8)Ｑ＆Ｐ钢近几年，国外提出了一种新工艺——淬火配分(Quenchingandpartitioning,Q＆P）。此工艺可用来生产富碳残余奥氏体钢种，即Ｑ＆Ｐ钢。此工艺机理是基于碳在马氏体／奥氏体混合组织中扩散规律的一种新的认识与理解。Ｑ＆Ｐ钢的显微组织主要是由马氏体基体和残余奥氏体双相复合而成。对于含碳量较低的钢，经Ｑ＆Ｐ处理后其显微组织为典型的板条马氏体和马氏体条间的薄膜状残余奥氏体组成。Ｑ＆Ｐ钢属于第三代高级高强度钢（ＡＨＳＳ），可以达到的力学性能范围为抗拉强度800～1500MPa、伸长率15％～40％。目前,国内外对Ｑ＆Ｐ工艺的研究还处于起步阶段，相关的理论研究仅为初步探索阶段。Ｑ＆Ｐ钢具有优异的强度和塑性综合性能，作为汽车结构用钢，可大大减轻车体质量，增强车体抵抗撞击的能力，提高汽车运行的安全性，具有很好的发展前景。3国内冷轧汽车钢板的发展趋势实现轻量化需要的是高强度、良好成形性；安全性则需要高塑性；低成本需要的是低合金化和易加工化等，但往往高强度与高塑性是不容易同时获得的，塑性好的钢强度往往低，而强度高的钢塑性又很差，故如果能同时获得这两种性能，就能很好地满足汽车用钢板的要求。因此，高强塑积已经成为高性能汽车用钢最重要的衡量指标。对汽车用薄钢板的高强塑积需求带动了高强塑积超高强度钢的研制与应用的发展。图2为各类汽车用钢的强度与延伸率关系示意图。图2各类汽车用钢的拉伸强度与延伸率的关系从第一代汽车用薄板的IF钢、DP钢和马氏体钢等钢种没有或只有少量亚稳奥氏体,TRIP钢具有小于等于20％的亚稳奥氏体，纳米贝氏体钢的约30％的亚稳奥氏体，到TWIP钢的100％奥氏体，它们的强塑积从10～15GPa％、20～25GPa％、40～50GPa％，变化到60GPa％。可见随着残余奥氏体的增加，钢的强塑积几乎线性增加，所以亚稳奥氏体是高强高塑钢的必备组织之一。考虑到TWIP钢和奥氏体不锈钢等第二代汽车用钢的合金含量高导致成本较高的情况，美国AISI组织多家大学、钢铁公司和汽车公司研发第三代汽车用钢。第三代汽车钢通过合金化设计、形变及热处理等手段来对钢的组织进行调控，获得具有较高强度的基体组织和具有TRIP或TWIP效应的亚稳奥氏体组织。第三