[强度,汽车]高强度汽车用钢发展与第3代汽车高强度钢的探究
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高强度汽车用钢发展与第3 代汽车高强度钢的探究
1 引言
近年来世界汽车保有量与日俱增,以越来越大的影响力改变着人们的工作与生活,但同时随之而来的能源短缺、环境污染等一系列问题也日益突出。轻型、节能、环保、安全舒适、低成本等成为各汽车制造厂商追求的目标,而节能减排已成为世界汽车工业界亟待解决的问题。国内外汽车厂家采取一系列措施,其中最有效的措施之一是减轻汽车自身质量,即汽车轻量化。
有资料表明,厚度为1.0~1.2 mm 车身用高强度钢板减薄至0.7~0.8 mm,车身质量可减轻15%~20%,可节油8%~15%。因此,提高钢材的强度,减薄钢板的厚度成为汽车轻量化的合理途径和不可阻挡的应用趋势。普通大众消费的乘用车高强度钢的应用呈现出飞跃发展态势,即从30% 增至60% ,先进高强钢和超高强钢每5 年约提高5%,相比之下铝合金在车身中应用比例远小于高强度钢板。相关专业人士对2015 年车身用钢情况进行了预测,各种钢的用钢比例如图1所示。
2 高强度汽车用钢的发展
汽车用高强度钢板的开发由于车身轻量化要求而得到快速推进。20 世纪70 年代相继开发出固溶强化钢、析出强化钢、复合组织强化钢(DP钢、CP 钢)等钢种。这些钢种的开发多以提高强度为主,对材料的成形性及相关冲压技术的研究较少,所以其用途受到限制。从80 年代后期开始,美国率先推出CAEE 规定,对汽车的轻量化要求进一步提高,为此开发出以组织调控为特点的高强度钢板,并使之实用化,主要产品有:固溶强化型极低碳IF 深冲用钢板(拉伸强度TS=340~440 MPa)、烘烤硬化型(BH)深冲用钢板、残余奥氏体组织TRIP 型高延展性钢板(拉伸强度TS=590~980 MPa)等[2]。这些钢板不仅强度高,而且大幅改善了加工性能。与此同时,对于高强度钢板在车身方面的研究也越来越广泛。1994年,由美国钢铁协会呼吁,国际钢铁协会成立了由18 个国家35 家钢铁公司组成的ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body)项目组,目的是采用当时最先进的技术,在不增加成本并维持车身功能与抗冲击安全性的同时减轻车身质量。该项目中汽车车身所用高强度钢与超高强度钢的比列超过90%。在此基础上,1998年3月钢铁企业又开始在全球实施ULSAB-AVC 计划,即先进的汽车概念项目,从整体上研究开发新一代钢铁材料汽车结构(车身、覆盖件和悬架件等),为之后新一代高强度钢板的研究推进做出很大贡献。
2007 年,美国科学家首先提出开发第3 代高强度汽车钢。这类钢材性能和成本介于第1代和第2代高强钢之间,其强度高、可塑性强。无论在工业制造还是试验研究方向都有所进展。目前,国内外对于第3 代高强度钢的研究不断深入,在不同方面有所创新或发现,其中集成计算材料工程(ICME)取得了最新进展,具备加速最佳先进材料开发的可能。这些材料包括含有大量残余奥氏体的TRIP-TWIP 钢,它们可能作为第3 代钢而被应用。这种利用集成计算材料工程的方法已经应用到多尺度模型计算,但到目前为止还没有应用到钢铁领域。美国能源部新批准600 万美元用于资助创新联盟,该联盟由美国汽车材料合作伙伴(USAMP)、汽车/钢铁合作伙伴(A/SP)、钢材市场发展研究所(SMDI)、5 所美国大学以及包括钢材和汽车生产企业的行业伙伴组成。该项目将包括开发计算模型工具,轻量化、安全和燃油经济性更好的汽车用钢的优化。总之,新一代高强度钢板的深入研发和应用前景甚是广阔。
3 第3 代高强度汽车用钢简介及国内外研究状况
双相钢(DP)、复相钢(CP)、相变诱发塑性钢(TRIP)和马氏体钢(MART)等的强度范围为500~1 600 MPa,均具有较高的轻量化潜力、碰撞吸收能、成形性以及较低的平面各向异性等优点,在汽车上得到广泛应用,被称为第1代高强度汽车用钢。
第1代高强度汽车用钢的低强塑积(RmA)达5~15 GPa%,奥氏体含量较低(不足15%)。DP 钢微观组织为铁素体+马氏体,TRIP 钢成分为铁素体+贝氏体+残余奥氏体。马氏体是通过高温奥氏体组织快速淬火转变为马氏体组织的。2007 年,阿赛洛等钢铁厂家进行孪晶诱导塑性钢(TWIP)、具有诱导塑性的轻量化钢(L-IP)的研究。室温下,这些钢种的组织为稳定的残余奥氏体,当施加一定的外部载荷后,由于应变诱导出现了机械孪晶,会产生较大的无颈缩延伸,因而显示出优异的力学性能、高应变硬化率并具有极高塑性(60%~90%)和较高强度(600~1 000 MPa),被称为第2代高强度汽车用钢,该钢高强塑积介于50~60 GPa%范围。第2 代高强度汽车用钢TWIP钢组织为奥氏体,在变形过程中发生机械孪晶并诱导塑性,从而保证了优良的塑性。
第3代先进高强度汽车用钢兼有第1代和第2代高强度汽车用钢微观组织的特点,首先应该是具有高强特点的BCC相和较高组分的具有高强化特性的FCC 相的复合组织,即具备BCC+FCC 的复合组织,并充分利用晶粒细化、固溶强化、析出强化及位错强化等手段来提高其强度,通过应变诱导塑性、剪切带诱导塑性和孪晶诱导塑性等机制来提高塑性及成形性能。
我国国内对于第3 代高强度汽车用钢的研究处于国际前列。北京科技大学新金属材料国家重点实验室对第3代高强度汽车用钢的研究较早。2012 年,在国家973计划项目子课题第3 代高强高韧低合金钢精细组织的研究的支持下,开展了第3代先进汽车用钢的研究工作:基于动态相变的热轧低合金TRIP钢技术进行合金成分设计和工艺优化,通过添加微合金化元素或调整Mn、Si 含量,获得了力学性能指标在第3代先进汽车用钢范围内的细晶TRIP 钢。
宝钢于2002年开始涉足超高强钢的研制开发,历经10年探索,成功具备了第3代高成形性超高强钢淬火延性钢的工业化生产能力。2010年,宝钢全球首发第3代QP980钢(淬火配分钢);2013年,全球首发第3 代热镀锌QP980 钢。截至目前,宝钢是全球唯一一家实现第3代超高强钢批量稳定供货的企业,也是目前世界上唯一一家同时可以工业化生产第1代、第2代和第3代全系列超高强钢的钢铁企业。
鞍钢作为国内主要的汽车钢板供应商,在成功实现传统高强钢(含磷高强钢、低合金高强钢)稳定、批量供货后,又相继开发了以DP 钢(双相钢)、TRIP 钢(相变诱导塑性钢)、TEIP 钢(孪晶诱导塑性钢)、QP钢(淬火-配分钢)为代表的先进高强钢,为汽车工业实现节能、轻量化和提高安全性的目标提供技术支持。目前,鞍钢先进高强汽车用钢的研制开发进展顺利,已形成热轧、冷轧和热镀锌汽车用钢的产品系列,不仅在DP 钢、TRIP 钢等第1代高强度钢和第2代TWIP钢上有所发展和突破,而且针对第3代先进高强钢QP钢种,通过自主研发实现了QP钢的工业化生产。2013年,国内第3代汽车用钢AQP980在鞍钢天铁冷轧薄板公司面世。鞍钢已走在汽车用钢研发的前沿,成为世界钢铁业和汽车制造业瞩目的焦点。现阶段所有高强钢研发工作思路都趋于一个方向,即生成高强的基体组织和足够多的奥氏体,同时奥