汽车制造业钢铁材料的发展方向

世界金属导报/2010年/6月/15日/第020版

质量品种

汽车制造业钢铁材料的发展方向

先越蓉

1概述

提高超高强度钢和高强度钢的利用是汽车制造业材料学的发展方向。只有发展超高强度钢和高强度钢，才能满足当今汽车制造业的要求，提高汽车钢生产企业的竞争力。

任何运输工具首先要满足的四条标准是:安全性、可接受的价格、燃料效率、环境友好(即SAFE 标准，Safe、Affordable、Fuel efficient、Environmentallyfriendly)。在现代化工业发展阶段，这些标准的水平、重要性、相互关系和相互影响，取决于技术、社会、经济、政治和许多其他因素。第一个标准(安全性)和其他3个标准是相互矛盾的。例如提高安全性，要求增加投资来提高现有的和新的安全部件效率和可靠性；要求应用有效的动力消耗系统，这就增加了汽车重量，因此提高了燃料消耗量，恶化了运输工具的环境。

满足可接受的价格、燃油效率和环境友好标准的最简单的方法是减轻汽车重量。实现这一目标有四种方法。

首先，就是显著缩小汽车规格尺寸，但不改变主要结构部件使用材料名目。除了满足上述3条标准外，从提高大城市公路通行能力、增加车位数量的观点来看，这个方法是吸引人的。预计在相当遥远的未来，生产小规格尺寸的汽车将成为主导趋势，小型和微型汽车将占世界总额的决大多数份额。然而今天的现实是这样汽车的发展受到了阻碍，除了主观因素(包括多年的习惯，尤其在北美大陆，习惯宽敞和舒适的汽车)，还有客观因素(首先是安全性)。小规格尺寸本身就限制了无论是固定的还是活动的安全部件的应用。任何一种方法都不能成功平衡上述因素时，这样保证符合SAFE标准的方法将不可以接受。在此必须指出，在很少改变部门标准的条件下，根据用户某种抽象概念的汽车安全，已成为评价的因素。

其次，减轻中级车的重量，在结构中采用轻质合金、复合材料和塑料。这些材料实质上具有更低的密度、更高的耐蚀性，使他们成为钢的重要竞争者。尽管这些材料的推广应用受到限制，如轻质合金和复合材料价格高，汽车企业必须重新装备；与现代汽车钢相比，这些替代材料极大地降低了强度，不能保证应有的安全水平。但是，采用这些材料的比例在增长。汽车的统计数据显示，钢质部件占50%，这些材料占18%。这些材料绝大部分用于发动机、内部装置和管线。

第三，降低汽车钢本身的厚度。然而，如果“变薄”的部件结构强度损失，没有任何一种方法的补偿，那么这不可避免地导致降低车身的支承能力，按安全标准是不能接受的。在一定程度上，这种损失实际上能够通过进一步优化结构部件形状得到补偿。但“简单”降低汽车重量不能充分保证执行安全标准。

第四，用高强度钢和特高强度钢制成的部件来降低汽车重量。它被认为是今天唯一的及未来最充分符合SAFE全部标准的方法。

为应对铝材等替代产品的竞争，世界主要钢铁生产企业联合起来一同进行汽车轻量化的研发。参加的单位有:日本JFE钢公司、日本神户制钢公司、瑞典SSAB公司、韩国浦项钢铁公司、美国钢铁公司等30多家钢铁生产企业，国际钢铁协会汽车工业钢材应用委员会(AUTOCO)起着调配员的作用。

研发的方向是制造超轻、节能、对人和环境安全的汽车。委员会协调重点钢材生产厂开发新品种，并进行应用实践。根据汽车制造要求，制定高强度钢生产、加工及其应用新工艺过程的标准文件。致力于汽车制造用现有和未来钢种的分类。

表1列出汽车轻量化用钢计划的主要方向。

从公布的数据看，汽车轻量化用钢的研究工作取得了效果。最近十年内，在世界汽车制造业中名牌品种已更新了70%。随着这类钢种数量和质量的发展，要求更准确地确定钢材品种、他们的性能、应用范围和发展趋势。

现有的汽车钢分类，显而易见不具备充分的信息量，通常具有图表性，只拥有伸长率-强度特性(屈服点或极限抗拉强度)等参数。推荐用表格形式的分类方案，包括每类钢种典型的化学成分、力学性能、使用性能及在汽车制造中的应用范围。

推荐四类钢种:低碳钢(LC-Low Carbon steels)、高抗凹陷钢(DR-Dent resistant steels)、低合金高强度钢(HSLA-highstrength low alloy steels)和先进高强钢(AHSS-advanced highstrength steels)。

2低碳钢(LC)

在低碳钢中划分的类型(见表2)，反映了直到20世纪90年代初的主导趋势。根据用户需求，第一重要性是材料的工艺性能，首先是成形性，而使用性能处于第二位。这个级别的钢种类型按深冲能力增强的顺序排列。这个钢级也包括日本和韩国冶金学家最新开发的SUPER EDDS类IF 钢和各向异性系数不小于2 5和2 7的Hyper EDDS:继续发展这个级别的钢种是不合理的，因为达到的工艺水平完全符合汽车制造要求，接近工艺的极限。此外，在现阶段钢的使用特性最好(安全性、吸收冲击能、由于减轻重量而降低油耗等)。只有通过提高钢的强度性能才可以达到高水平。

显然，由于“追求”汽车钢的强度，有时不可避免地严重恶化了其工艺性。然而，只有奠定了钢的“强度潜力”，才能保证汽车用钢的竞争力。同时应拥有较好的成型技术，在冶金工序阶段如果不广泛应用最现代化的工艺，就不能在可接受的成型条件下实现钢的“强度潜力”。只有借助最现代化的工艺，才可以有效利用各种强化机理:固溶强化、第二相强化、弥散(直至纳米尺寸)微粒强化、晶界强化。

3高抗凹陷钢(DR)

这个钢级(见表3)是由前不久开发的高强IF钢开始的(和IF-260一样，用磷、锰(达1.2%)、硅、硼合金化)，其σb=450N/mm2。资料报道，用叫做Cu-IF的钢制造车身部件，具有极好的强度和塑性，其含Cul.35%和含Ni 0.65%。

研究具有烘烤硬化效应钢种类型时，若是包含DR级，要指出用磷合金化的同样级别的钢，以及先进高强级别AHSS的DP和TRIP钢和IF钢都具有烘烤硬化能力。

4低合金高强度钢《HSLA)

低合金高强度钢(HSLA)的特点是类型小，传统上它包括唯一类型，即HSLA钢本身，产品具有多样性。低台金高强度钢的化学成分、力学性能见表4，表5。

一些专家认为，这些用于汽车制造的钢种使用“低合金”的名称，不完全正确，他们更应属于微合金高级碳素钢。为了提高耐蚀性，这类钢用铜合金化，它们已获得广泛应用。用Ti、V或Nb合金化能提高σs到550N/mm2，而V+Mo能提高σ。到690N/mmm2。各向同性钢包括在这个级别是合理的，它与HSLA钢的不同之处在于性能的各向异性很低，更节约合金，强度和塑性指标更高。目前该级别钢比较重要，车身重量的10%～15%采用这类钢种。

5先进高强度钢(AHSS)

在AHSS(见表6)中，应提到能够减轻车重25%的双相(DP)钢。由于力学性能范围较宽，例如极限强度范围从500N/mm2到1000N/mm2，根据ULSAB-A VC方案，车身重量中双相钢的比例应为75%。

这个级别也包括了新型TWIP钢(高合金钢，Mn达30%、A1达9%)，保证屈服点大于600N/rmm2时，延伸率达80%。

具有TRIP效应的钢，是有前途的汽车制造用材料，它在高强度时保证良好的成型性。最近开发了Cu含量达1.32%的钢。铜促进细化组织和强化金属，同时提高残余奥氏体的体积分数。

马氏体钢在这个级别中特别重要。严格说，它是碳素钢，用锰合金化和用硼微合金化，它在