第3代高強度汽車用鋼簡介及國內外研究狀況

  第3代先進高強度汽車用鋼兼有第1代和第2代高強度汽車用鋼微觀組織的特點,首先應該是具有高強特點的BCC相和較高組分的具有高強化特性的FCC相的復合組織,即具備BCC+FCC的復合組織,并充分利用晶粒細化、固溶強化、析出強化及位錯強化等手段來提高其強度,通過應變誘導塑性、剪切帶誘導塑性和孿晶誘導塑性等機制來提高塑性及成形性能。

  我國國內對于第3代高強度汽車用鋼的研究處于國際前列。2012年,在國家“973”計劃項目子課題"第3代高強高韌低合金鋼精細組織的研究"的支持下,國內開展了第3代先進汽車用鋼的研究工作:基于動態(tài)相變的熱軋低合金TRIP鋼技術進行合金成分設計和工藝優(yōu)化,通過添加微合金化元素或調整Mn、Si含量,獲得了力學性能指標在第3代先進汽車用鋼范圍內的細晶TRIP鋼。

  寶鋼于2002年開始涉足超高強鋼的研制開發(fā),歷經(jīng)10年探索,成功具備了第3代高成形性超高強鋼一一淬火延性鋼的工業(yè)化生產(chǎn)能力。2010年,寶鋼全球首發(fā)第3代Q&P980鋼(淬火配分鋼〕;2013年,全球首發(fā)第3代熱鍍鋅Q&P980鋼。截至目前,寶鋼是全球唯一一家實現(xiàn)第3代超高強鋼批量穩(wěn)定供貨的企業(yè),也是目前世界上唯一一家同時可以工業(yè)化生產(chǎn)第1代、第2代和第3代全系列超高強鋼的鋼鐵企業(yè)。

  現(xiàn)階段所有高強鋼研發(fā)工作思路都趨于一個方向,即生成高強的基體組織和足夠多的奧氏體,同時奧氏體的穩(wěn)定性是可控的,而在第3代汽車鋼的熱處理選擇上,通常運用逆相變和正相變兩種獲得奧氏體相的技術。在合金元素設計時,常采用更多的奧氏體穩(wěn)定元素,而工藝設計則采用特殊工藝細化基體組織,如通過貝氏體等溫淬火工藝得到納米貝氏體(Nanobainite),通過淬火-配分(Q&P)工藝得到碳配分的馬氏體,通過兩相區(qū)退火工藝得到中錳鋼的超細晶鐵素體(Ultra-fineFrrite)。以中錳鋼、淬火延性鋼、納米鋼、熱沖壓鋼等為代表的第3代高強度汽車用鋼目前都在研發(fā)之中。

  1.中錳鋼

  中錳鋼的顯微組織為超細晶鐵素體和亞穩(wěn)態(tài)奧氏體,其抗拉強度高但伸長率較差,這主要是由于大部分粗大奧氏體中的錳富集不充分,在隨后冷卻到室溫的過程中轉變成了馬氏體。退火溫度過低時,抗拉強度和加工硬化速率均下降,同時有試驗觀察到極長的屈服延伸階段,這主要是由于生成了大量的超細晶鐵素體。而采用中間溫度退火時,退火組織中出現(xiàn)大量的亞穩(wěn)態(tài)奧氏體,從而使得中錳鋼具有高強度和良好的塑性及加工硬化性,經(jīng)逆相變處理的中錳鋼微觀組織結構,隨著退火時間〔1ms?12h〕的延長,奧氏體量逐步增多,可達到33.7%。

  2.淬火延性鋼

  淬火一配分工藝是在帶鋼發(fā)生部分馬氏體相變后將其進行等溫配分處理,使得碳元素從馬氏體中擴散到未轉變的奧氏體中,從而提高奧氏體的穩(wěn)定性。Q&P鋼的顯微組織為馬氏體和殘余奧氏體,較低強度級別的Q&P鋼也含有一定量的鐵素體,其為傳統(tǒng)加Si的TRIP鋼成分。而在同一強度級別,Q&P鋼與通過貝氏體等溫淬火處理得到的無碳貝氏體TRIP鋼各有優(yōu)勢。

  3.納米鋼

  納米鋼公司(NanoSteel)對其開發(fā)的納米結構鐵基材料進行了大力宣傳。前期的報道曾探討過采用非晶態(tài)(金屬玻璃)合金(包括一些超高合金材料)的低溫結晶工藝得到納米晶材料,但其研究近況的技術細節(jié)尚未向冶金界披露。

  4.熱沖壓鋼

  熱沖壓鋼多采用C-Mn-B的成分體系,主要用于生產(chǎn)一些不易成形的傳統(tǒng)高強鋼零件,其室溫組織為高強度的馬氏體。相關的熱沖壓工藝已確定,但鍍層熱沖壓鋼等的研發(fā)仍很熱門。當采用新一代AHSS方法使得帶鋼強度達到相近級別(如1500MPa以上)時,冷成形鋼將極具競爭力,因此,很難預測熱沖壓鋼的最終發(fā)展。值得關注的是,在第3代AHSS研發(fā)的推動下,一旦合適的過程控制能力得到實現(xiàn),同時結合各種熱處理新思路,新一代熱沖壓鋼也將得到發(fā)展。目前,Q&P工藝已經(jīng)被運用到熱沖壓工藝的研究中。結果顯示,相比傳統(tǒng)馬氏體組織的熱沖壓零件,經(jīng)Q&P處理后,其伸長率(斷裂前的能量吸收)得到明顯改善。此外,有較高Mn含量的合金也能應用于熱沖壓的研究中。

  5.總結

  本文對高強度汽車用鋼的發(fā)展與現(xiàn)狀進行了綜述。從傳統(tǒng)的第1代高強度汽車用鋼CP、DP鋼等,為汽車的輕量化做出巨大貢獻,并以極快的速度廣泛應用于汽車之后,各國對未來更高強度鋼板的潛力翹首企盼著,并為開發(fā)第2代及第3代高強度汽車用鋼做出不懈努力。目前研究較為深入的馬氏體鋼與Q&P鋼等成為新一代汽車鋼材。雖然對于新一代高強度汽車用鋼的研究還未徹底結束,甚至關于該鋼種的熱物性(熱物理性質)參數(shù)等方面的基礎研究尚屬空白而導致連鑄關鍵工藝參數(shù)無法確定,但由于未來汽車的需求及環(huán)境形勢所迫等因素,相信第3代高強度汽車用鋼更為深入的研究以及廣泛應用將成為必然趨勢。