现代多相钢在汽车行业中的应用(鞍钢技术)

现代多相钢在汽车行业中的应用

Klaus Hulka

摘要　热轧或冷轧钢板的冷成形是汽车生产的必需工序。抗拉强度大于500M Pa 的微合金化高强度低合金钢板(H SLA )已广泛应用于汽车生产。然而,双相钢以其十分优异的成形性而同样具有更大的应用价值。此类具有双相或三相显微组织的钢板是采用各种生产工艺路线或热处理工艺以及对应的化学成分的调整而生产的。相变诱导塑性融入双相钢中,进一步提高了钢板的使用性能。生产上述各类钢的最佳工艺是通过铌进行微合金化。铌能细化显微组织,从而提高钢板的机械性能。随着铌加入量的增加,不仅使钢板强度提高,而且可提高延展性,使钢板抗拉强度与延伸率乘积成幂指数增加。因此,具有最佳性能的多相钢也依赖于铌的微合金化。

关键词　多相钢　机械性能　晶粒细化　铌合金化　汽车行业

0　前言

节约燃料和提高安全性是汽车行业增加高强

钢应用的驱动力。与其它材料相比(如铝、镁、塑料和复合材料),高强钢在减少重量的同时还具有高强度,而且其生产工艺与传统钢生产工艺相似。因此,对比其它所有竞争材料,使用高强钢除可减重外,总的制造成本也将降低。

高强钢带和钢板以其高强度及良好的成形性被应用于不同的需求中:低碳磷合金化的高强度无间隙原子钢(IF 钢)具有突出的冷成形性或烘烤硬化性,被应用于强度水平约为400M Pa 的深冲压成形加工方面。深冲压加工要求不是很严格时,r 值为110即可满足要求,此时可使用更高强度的钢。具有双相(D P )显微组织的微合金化钢带也同时应用于汽车行业。图1为不同钢种冷轧钢板的性能。

1　双相钢的特点及生产工艺路线

如图2所示,双相钢的显微组织特点是在铁素体基体上分布着一定比例的呈网状、弥散以及复合结构的第二相粒子,它们通常为马氏体,其体积分数为20%。

显微组织结构的分布影响应力2应变曲线,屈服强度由最初的软相(即铁素体的塑性流变)确定,硬相在此阶段始终处于弹性区域。按照两相组织结构规律,随着应力的增加,

材料表现出强烈的

图1　各种汽车板材料强度与塑性的关系

1—传统DDQ 级,r =1.5;2—软IF 钢,r =2.0;3—高强IF 钢,r =1.9;4—BH 及含P 钢,r =1.

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图2　两相组织的拓扑结构

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85・鞍钢技术

AN GAN G T ECHNOLO GY 2005年第5期

总第335期

加工硬化行为。两相的应力2应变分布是不同的,软相的应变和硬相的应力大于复合相的平均值。即使在最后的变形阶段,硬相开始塑性变形时,这一情况仍存在。图3为此类复合钢首次工业试制数据及同其它钢种的比较

。

图3　双相钢的应力2应变曲线及与其它钢种的对比

对双相钢组织结构的详细分析表明,双相钢同样含有一定数量的残余奥氏体。由于铁素体部分具有较小的拉伸内应力,因此其屈服强度较低。与相同强度级别的微合金化钢相比,在生产汽车零件(如车轮轮辐)方面,双相钢具有较高的疲劳寿命,这与低周疲劳条件下最初的循环硬化有关。

生产含80%铁素体+20%马氏体组织的钢的标准生产工艺是将钢板重新加热到Α+Χ区的某一温度,根据平衡温度曲线,使之产生20%的奥氏体组织。如果冷却速度不是很低,富含碳的奥氏体将转变为马氏体。冷轧钢板可以通过热处理实现材料的再结晶。在连续退火线上,使退火温度稍高于再结晶温度,便可实现该工艺过程。提高材料的临界退火温度,可增加马氏体的数量,从而提高钢材的拉伸强度。但随着强度的提高,钢的延展性降低。因此,马氏体数量为20%时钢的综合性能最佳。

但进行热轧带钢附加的热处理时需要考虑成本问题。为了在轧制状态下得到理想的双相钢组织,对合金设计和输出辊道上的冷却参数进行了优化。图4概括了两种可选择的工艺路线。

如图5所示,由于获得了更加细化的晶粒组织,抗拉强度和延伸率均有所提高,

从而使抗拉强

图4

　可选择的双相钢生产工艺路线

图5　双相钢晶粒尺寸和性能的关系

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95・现代多相钢在汽车行业中的应用

度与延伸率的乘积成幂指数增加。双相钢组织的细化是钢板获得最优异性能的一种有效方法。

2　铌微合金化双相钢及其应用

为避免使用临界热处理法生产热轧双相钢,

最早的合金设计基于M n 、Si 、C r 、M o 等元素的合金化。由于合金含量相当高,钢的成本较高,因此已开发出了无钼双相钢。热轧双相钢应用的典型例子为汽车车轮,而针对抗拉强度大于550M Pa 的典型的热轧双相钢,其合金成分设计为:0108%C 、

0150%M n 、0130%Si 、0150%C r 、0107%P 。按照类似的合金设计思想,开发出D P 500钢(R m >500M Pa ),用铌替代磷来进行微合金化,通过奥氏体调整对晶粒进行细化,使铁素体晶粒尺寸从412Λm 缩小到215Λm ,从而使材料力学性能达到D P 600钢的水平。试验的另一种合金设计的钢种也得到了同样的结论。加入0103%N b 时,可以使拉伸强度从600M Pa 以上提高到800M Pa 以上,但是为了得到双相钢组织,卷取温度必须低于250℃。

用N b 微合金化生产的D P 热轧带钢具有特殊优点:可以延迟奥氏体在精轧时的再结晶,使转变开始时间变短,结果可使冷却模式简化,同时在输出辊道(冷床)上将带钢连续冷却到M s 以下进行卷取,便可得到双相钢组织。

已发现相当高的应力集中于马氏体和铁素体晶界间,但如果组织中含有一定的贝氏体,就可在抗拉强度不明显降低的同时提高塑性,从而减少应力集中。在热轧机组生产具有三相组织的产品,在技术和经济上都是有益的,同时也不需要很低的卷取温度。日本已进行了大量的工业开发工作。卷取温度对机械性能的影响适用于所有钢种:按照传统的做法,在650℃左右进行卷取,则第二相是珠光体,所得到的强度是最低的。当第二相为马氏体时可得到最高的强度,组织为典型的双相组织,同时带钢具有良好的塑性。在450℃中等温度下卷取时,可得到具有贝氏体和马氏体的三相组织,能获得最好的塑性及中等强度。

当加入铌对这类钢进行微合金化时,由于晶粒细化,塑性及强度均有所提高。由于卷取温度的影响,三相钢可得到最佳的强韧性匹配。通常,为了提高带钢的强度,采取的方法是加入Si 、M n 、C r

等元素。卷取温度450℃时所得到的强度>600M Pa 的典型汽车用钢成分为:0108%C 、1140%M n 、01035%N b 。

近年来,采用连续退火方法生产冷轧钢板已较普遍。而这种连续退火设备特别适合通过临界退火方法生产双相钢。铁素体加马氏体的双相钢板具有很强的加工硬化潜力,成形后屈服强度显著提高。若想再进一步提高强度,则与汽车涂漆后

获得的烘烤硬化性(BH )有关。为保证钢材具有较细的晶粒,需要加入铌进行微合金化。

D P 钢显著的加工硬化特点适用于小变形的

汽车零件。图6比较了同等强度的传统微合金化钢HL SA 与双相钢的加工硬化情况。包括两种类型钢在内,冷成形及涂漆条件下的强度比再结晶退火条件下的高。这种较高屈服强度与加工硬化以及一定的烘烤硬化性有关。当两类钢BH 性相同时,D P 钢的高强度是由于加工硬化产生的。但对比软钢的情况,在无变形条件下,两种类型的HL SA 钢不会因烘烤硬化性而引起强度的提高。对于软钢而言,典型的BH 0值(无变形时由BH 性

引起的强度提高)为40M Pa 左右。同样在变形条件下,BH 性对D P 钢强度的影响比软钢低

。

图6　连续退火生产的HL SA 钢经冷变形

及烘烤硬化处理后的屈服强度

1—加工硬化(W H );2—W H ×8.5℃ m in ;3—W H ×11℃ m in

3　TR IP 效应及其应用

面心立方奥氏体向体心立方铁素体的转变与钢的膨胀有关。在高合金钢中,奥氏体相可以在较低温度下稳定存在。有研究表明,奥氏体化钢在室温形变过程中,奥氏体可以稳定地转变成马氏体,

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