第三代汽车用钢生产技术

第三代汽车钢工业生产技术曹文全,时捷,董翰钢铁研究总院结构材料研究所中国钢铁新材料发展研讨会：2011/9/7汽车的轻量化与降低能耗和环境污染图1汽车自重与CO2排放和燃油量之间的关系（随着汽车自重的增加二氧化碳的排放量增加，耗油量也增加），使得汽车向轻量化的方向发展汽车钢的高安全与高强度汽车钢图2美国提出了针对汽车的五星级的安全标准要求，对侧碰和正碰都具有明确的规定，要求提高汽车用钢的强度我国钢铁产量与汽车产量的发展状况我国的粗钢产量在2010年已经占到世界总产量的~50%，汽车总产量也达到了世界第一的位置（1800多万量）。十二五期间是我国钢铁工业和汽车工业由大转强的关键时期，因而新型汽车钢的研发将是其中的一个突破点。汽车钢发展现状力学性能及成分优点（解决问题）缺点（未解决问题）第一代钢Rm：200-1600MPaRm*A:10-20GPa%(TRIP:15-25GPa%)合金总量≤3wt%高强度工业化/经济性好，工艺性能好强塑积低（15GPa%）高强度时:成形难(工艺补充)，碰撞吸能差第二代钢Rm：700-1200MPaRm*A:45-65GPa%合金总量≈30wt%高强塑积碰撞吸能好，成形性好,减重效果明显工业化难/经济性差工艺性能差使用受限第三代钢?工业化/经济好/高强塑积(成形/吸能)/工艺性好仅限概念提出未见结果报道国际上提出的第三代汽车用钢的概念第三代汽车钢就是高强与高塑性结合的钢第三代汽车钢是低成本高性能的钢第三代汽车钢应该是低成本高强度和高塑性的汽车用钢，其强塑积应该RmxA不小于30GPa%050010001500200025003000020406080100(a)40GPa%60GPa%20GPa%Bcc+FccBccFccHotFormingHSLAMaragingDPSSMart.IFsteelMart-Bain.TRIPDPNano-BainASSTWIPA(%)Rm(MPa)第三代汽车钢的研发思路%1060%1015FCCBCCGPaARGPaARmm020406080100020406080100120Mn-3Si-3AlTRIP/TWIPsteel[8]15Mn-3Si-3Al[8](b)0.65Nano-B.Steel[9]TWIP/Aus.Steel[2]TRIPSteel[2]Conv.Steel[2]RmxA(GPa%)Austenitevolumefraction(%)%25][%30][6.015TGTGAmAmfGPaARfAR第三代汽车钢应该具备的组织为BCC+FCC的双相组织低成本高强高塑第三代汽车钢的研发目标及设计目标:(1)低成本(2)Rm*A30GPa%((1)Rm~1GPa,A30%(2)Rm~1.5GPa,A20%)051015-2000200400CrNiAlMnCuSiPC/N,Strengthincrement(MPa)Alloycontent(%)Alloyingdesign(C-Mn)020406080100020406080100120Mn-3Si-3AlTRIP/TWIPsteel[8]15Mn-3Si-3Al[8]Target(a)0.65Nano-B.Steel[9]TWIP/Aus.Steel[2]TRIPSteel[2]Conv.Steel[2]RmxA(GPa%)Austenitevolumefraction(%)%35%25f-----低成本Rm*A30GPa%((钢研总院研发以C/Mn为主要化学成分的第三代汽车用钢第三代汽车钢的热处理工艺选择Upwardheattreatment(ART-annealing)anddownwardheattreatment(Austempering)namedaftertheoriginoftheretainedaustenite*ART-annealing:Austeniterevertedtransformationbymeansofannealing两种获得奥氏体相的技术1.逆转变奥氏体技术（ART-annealing）（逆相变技术：A从无到有）2.淬火配分技术（Q&Pprocessing）（正相变技术：A原来就有）逆相变得到的中锰钢超细双相结构）TG5：650℃*6hTG4：675℃*3hTG5：650℃*6hMicrostructureexaminedbyopticalmicroscopyMicrostructurecharacterizedbySEM背散射电子成像技术分析的经逆相变处理的中锰钢的微观组织结构(a)1m-4.5(b)5m-8.4(c)30-18.3(d)1h-22.5(e)6h-30.9(f)12h-33.7MicrostructuralevolutionasafunctionofART-annealingtime逆相变退火时间对中锰钢的微观组织结构的影响：奥氏体量逐步增多达到了33.7%Microstructure-Ultrafine(sub)grainandhighthermalstabilityexaminedbyTEM/EDSART-annealedat650OCwith6hrs1.Stablelamellarstructure-highthermalstability2.Developedausteniteinbetweenmartensiticlath3.StrongMn-concentrationinausteniteMicrostructure-Ultrafine(sub)grainandhighthermalstabilityexaminedbyTEM/EDSART-annealedat650OCwith12hrs)1.Stablelamellarstructure-highthermalstability2.Developedausteniteinbetweenmartensiticlath3.StrongMn-concentrationinaustenite逆相变处理中锰钢的力学性能500100015002000250001020304050601stGenerationSteel2ndGenerationSteelRm*A----RmTGsteelTGTisteelQPsteelRm*A(GPa%)Rm,Tensilestress(MPa)05001000150020000100200300400X150X50X100CVRT-Rp0.2TGsteelTGTisteelQPsteelCV40-Rp0.2TGsteelTGTisteelQPsteelCV,Charpyimpactenergy(J)Rp0.2,Yieldstress(MPa)0.000.150.300.450.6002004006008001000E,EngineeringstrainE,Engineeringstress,MPaTG51m5m10m30m1h3h6h12h144h0.00.10.20.30.4050010001500E,Engineeringstress(MPa)E,Engineeringstrain0.2C-7MnAustenisation750OC650OC中锰钢形变过程中的TRIP效应010203040020406080,Dislocationdensity(1014/m2)fM,Martensiticfraction(%)100OC50OC25OC-40OC-80OCDeformationstructure(A-M)anddislocationDislocationdensityinBCCphasemeasuredbyXRDAustenitefractionmeasuredbyXRDinasannealedstatesandas-defformedstatesofART-annealedsteel4060801001200.02.0k4.0k6.0k8.0k(311)(211)(220)(200)(200)(110)(111)Intensity(counts)2,(Degrs)Tensilestrain0%6.7%13.3%20%26.7%33.3%40%1101001000015304560f,Austenitefraction(%)t,Anneallingtime(min)TG4@675OCTG5@650OC4060801001200.02.0k4.0k6.0k8.0k(311)(211)(220)(200)(200)(110)(111)Intensity(counts)2,degrsTG5@650OCACEGIK0.000.150.300.450.60010203040T,Truetensilestrainf,austenitevolumefraction(%)Tensile@100OCTensile@50OCTensile@25OCTensile@-40OCTensile@-80OCAustenitefractionasafunctionofART-annealingtimeAustenitefractiondependenceontensilestrainTG钢研究现状-实验室第三代汽车钢的工业化试制钢研与太钢合作第三代汽车钢工艺生产流程图炼钢连铸热轧卷罩退卷工业试制第三代汽车钢性能工业热轧罩退卷性能Rm~750MPa-A~43%RmxA30GPa%工业冷轧板退火后性能Rm~830MPa-A~41%RmxA30GPa%热轧和冷轧退火中锰钢都达到了强塑积超过30GPa%的预定目标，标志着第三代汽车钢的成功研发与工业试制！第三代汽车钢的成形性能测试0200400600800100012001400160000.10.20.30.4Engineeringstress/MPaEngineeringstrain750*5min650*3min650*10min第三代汽车钢的焊接性能测试SpotweldingLaserweldingLaserweldingRm/MPaRp0.2/MPaA/%Agt/%73555034.525Shearstrengthafterspotwelding/MPaTGsteels341.7381.3334.8298.8traditional183第三代汽车钢课题合作情况•上海交通大学：奥氏体逆转变机理研究•一汽：汽车钢成型工艺研究：•湖南大学：汽车钢成型工艺研究•华中理工大学：汽车钢成型工艺的模拟研究•太原钢铁公司：第三代汽车钢的工业试制第三代汽车钢的成功研发、工业试制和应用，需要感谢以上合作单位的努力和支持。未来发展的应用任重而道远，更需要我们更多的研发单位、钢铁企业、汽车公司和上级领导的参与、支持和帮助。Thanksforyourattention&Welcomeyourcomments感谢:Thisresearchisfundedbythe3rdphaseNationalBasicResearchProgramofChina(973program)2011年中国钢铁新材料发展研讨会