先进汽车用钢

我国先进汽车用钢的发展

摘要：先进的高强度钢在汽车减重，节能，提高安全性，降低排放等方面展现出广阔的前景。本文简述了先进高强度汽车用钢板的最新开发和应用前景情况。随着能源危机和环境问题的加剧，节能和安全已经成为汽车制造业最重要的出发点。为了达到上述目的，减轻车重是非常有效的方法，这导致了先进高强钢的开发和应用发展较快。通过引用国际汽车轻量化项目的主要研究结果，介绍了先进高强度汽车用钢的技术和设备现状及其未来在汽车行业的应用前景。此外，结合我国宝钢先进高强钢的研发情况，探讨了我国先进高强度汽车用钢的研发目标和前景。

关键字：先进汽车用钢，高强度，开发，应用

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一．汽车行业的现状分析。

随着能源危机和环境问题的日益加剧，节能和安全的考虑成为汽车制造业的主要发展方向。在降低油耗、减少排放的诸多措施中，降低车重效果最为明显。车重减轻10％可节省燃油3%～7% 。为了降低汽车的重量，近年来，世界各大车厂的汽车逐步增加了高强钢的使用量。与此发展趋势相适应，钢铁业在高强钢方面的研发投资也有了较大增长。传统的高强钢多是通过固溶、析出和细化晶粒做为主要强化手段，而先进高强钢（AHSS）是指通过相变进行强化的钢种，组织中含有马氏体、贝氏体和/或残余奥氏体，包括双相钢（DP）、TRIP 钢、复相钢（CP）和马氏体钢（Mart）等。先进高强钢的强度和塑性配合优于普通高强钢, 兼具高强度和较好的成形性，特别是加工硬化指数高，有利于提高冲撞过程中的能量吸收，这对减重的同时保证安全性十分有利。此外，还有一种热冲压成型模具淬火硬化的超高强钢在欧洲的汽车制造业获得了广泛应用。该类钢种在Arcelor 的商标为USIBOR1500。

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自2000年以来，中国汽车工业发展进入了快车道，每年均有以两位数以上的速度增长，每年的增长绝对值均超过百万辆，至2009年，中国汽车产销超过1350万辆首次成为世界汽车产销第一大国。【见下图】。

汽车工业的发展，汽车保有量的增加，带来了三大问题：能耗，排放和污染，在国际油价持续攀升和环境污染日益严重的今天，节能减排刻不容缓，而且提高汽车性能，改善汽车安全性也十分迫切。因而现代汽车结构、性能和技术的重要发展方向是减重、节能、降低排放和提高安全性。方法有：一是动力系统的改进，包括多种能源的利用；另一种方法是轻量化。一系列的实验和研究都表明，汽车（乘用车）每减重10%，油耗降低6%~8%，排放减少4%~6%；按照我国目前汽车轻量化材料与技术应用情况，整车自重减重仍有较大潜力。

汽车减重可以通过提高汽车用材料的强度或降低材料的密度来实现。提高安全性主要通过车身本身的合理设计及选择具有高撞击能量吸收能力的材料，即高塑性材料。因而未来汽车用钢的发展应该朝着高强度、高塑性、低成本和易加工化等方向发展。

下一代汽车用钢的开发引起了广泛关注

关于下一代的汽车用钢,各国学者还没有找到明确的研发方向,从资料来看,一些单位介绍了新的研发方向,如:钢铁研究总院董瀚等人的工作是开发回火马氏体+ 奥氏体组织, 强度级别达到1GPa ,伸长率大于40 %的新钢种。主要是利用了马氏体的细晶强化和奥氏体的相变提供塑性的原理。

二．世界先进汽车用钢简介。

新西兰Deakin Univer sity 的Duncan 教授介绍了剑桥大学的工作,纳米板条状贝氏体(或马氏体)+ 奥氏体的新型贝氏体(马氏体) 钢,具有大于1GPa 的强度和很好的伸长率。

美国钢铁在下一代汽车用钢的研发中提出了QP 钢的方案,即马氏体+ 残余奥氏体的方案。

通过本次会议,可以确定汽车用钢的发展方向为:高强度、低成本、新的制造技术和下一代汽车用钢的发展;汽车应用技术的发展方向为:先进加工技术、成形、焊接和先期介入。特别值得一提的是,在界汽车用钢联盟的ULSAB - A VC 项目中,大量

使用了先进高强钢和先进的加工技术,在正在进行的FSV 项目中,先进高强钢和

先进加工技术的使用将进一步提高。

图1 第一代、第二代及处于研发阶段的新型第三代钢铁结构材料

通过图1可以看出，第一代汽车用钢的抗拉强度可以从IF钢的300MPa提高到马氏体钢的2000MPa, 甚至更高。但是它们的塑性基本上随抗拉强度的提高而降低。可以说具有较低强塑积的第一代汽车钢已经不能满足汽车工业未来发展对轻量化和高安全的双重要求。对于第二代汽车用钢，它的抗拉强度在800-1000MPa 的水平上，而且它们的塑性在50-80%的范围内。由此可见，第二代汽车用钢的强塑积远远高于第一代汽车用钢，表明第二代汽车用钢具有非常高的碰撞吸能能力与良好的成型能力。但是相比于合金含量小于5%的第一代汽车用钢，第二代汽车用钢添加了大量的Cr、Ni、Mn、Si、和Al等合金元素，其总合金含量高达25%以上，导致其成本较高、工艺性能较差及冶金生产困难较大。为了适应节约资源、降低成本、汽车轻量化和提高安全性的要求，需要研发具有成本接近第一代汽车用钢而性能接近第二代汽车用钢的低成本高强高塑第三代汽车用钢。以说低成本和高强塑是对未来汽车用钢发展的一个基本定位。

三．先进钢种介绍

1相变诱发塑性钢

相变诱发塑性钢是指钢中存在多相组织的钢，这些相通常为铁素体、贝氏体。残余奥氏体和马氏体。在形变过程中，稳定存在的残余奥氏体向马氏体转变时引起了相变强化和塑性增长，为此残余奥氏体必须有足够的稳定性，以实现渐进式转变，一方面强化基体，另一方面提高均匀的伸长率，达到强度和塑性同步增加的目标。

TRIP钢的性能范围为：屈服强度340-860MPa，抗拉强度610-1080

MPa，伸长率22%-37%。TRIP钢的主要成分是C、Si和Mn，其中Si的作用是抑制贝氏体转变时渗碳体的析出，与它同级的高强度钢相比，TRIP钢的最大特点是兼备高强度和高延伸性能，可以冲制较复杂的零件，还具备有高碰撞吸收性能，车身一旦遭遇碰撞，通过自身形变来吸收能量，而不向外传递，常用作汽车保险杠，汽车底盘。

许多研究表明，高硅含量的TRIP钢有更好的延展性和抗拉性，成分系列有：

C-Mn-Si-N-V,C-Mn-Si-Ti等，但是硅含量高将导致钢表面产生红色氧化皮以及热镀锌性能变差等缺点。近年来，一些研究者开始侧重于用其他元素（如铝）部分取代硅，以降低钢中的硅含量，改善涂镀性能，并通过添加铌，钒，钛及钼等元素来提高TRIP钢的强度。

此外，TRIP钢板还可以作为热镀锌和Zn-Ni电镀锌的基板，从而用来生产高强度、高塑性，高拉伸以及高耐腐蚀镀锌板。

2双相钢

DP钢是由低碳钢或低碳微合金钢经两相区热处理或控扎控冷得到，其显微组织主要为铁素体和马氏体。普通的高强钢是通过控制扎制细化晶粒，并通过微合金元素的碳氮化物的析出来强化集体，而双相钢是在纯净的铁素体晶界或晶内弥散分布较硬的马氏体相，因此气强度与韧性得到很好的协调。DP 钢板的主要组织是铁素体和马氏体，其中马氏体的含量在5％～20％，强度为500～1200MPa。双相钢具有低屈强比、高的加工硬化指数、高烘烤硬化性能、没有屈服延伸和室温时效等特点。DP 钢一般用于需高强度、高的抗碰撞吸收能且也有一定成形要求的汽车零件，如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等。双相钢的基本成分为C 和Mn，有时为了提高淬透性还添加一定量的Cr 和Mo。

由微观组织知道，马氏体为强化相，以小岛形状分布在铁素体基体上，其体积分数通常随强度增加而增加，从而是这种钢具有极好的延展性，当发生变形时，应变主要集中在被岛状马氏体包围的强度较低的铁素体上，产生高得硬化速率且有高的延伸率。因此，与具有相同屈服强度的普通钢相比DP钢具有刚高的抗拉强度。