先进高强钢板的开发和相关生产工艺(上)
2014-10-24 10:27 来源： 我的钢铁网
随着70年代中期石油价格高涨以及环境意识的增强，高强度低合金钢（HSLA）逐渐应用到汽车制造，使汽车制造实现低成本化。而后，随着抗冲撞性要求的提高和废气排放法规的制约，轻量化高性能钢的需求不断增加。在这种需求形势下，相继开发出第一、二、三代先进高强度钢（AHSS）。在最近10年中，新车中采用AHSS的钢材量达到50%。目前，主要采用合金化方法、形变热处理轧制（TMR）工艺和急冷自回火技术生产高强度钢，但制造方法的可行性取决于钢厂的制造能力。而且，不论采用怎样的高强钢制造方法，都应使大部分钢的化学成分适合于热镀锌处理。
1、概述
20世纪70年代之前，汽车用钢一般使用屈服强度小于270MPa的低碳软钢。车身用材是厚度为1mm的冷轧钢板，车体底部用材是厚度为2mm以上的热轧钢板。在选择用材时首先考虑的是材料的加工性即制造的容易性，特别优先选择成形、焊接和涂装的低成本材料。70年代中期石油价格高涨，以及环境意识的提高，高强度低合金钢（HSLA）逐渐应用到汽车制造，使汽车制造实现低成本化。但由于抗冲撞性要求和废气排放法规的制约，对轻量化高性能钢的需求不断提高。在这种需求形势下，相继开发出第一、二、三代先进高强度钢（AHSS）。在最近10年中，新车中采用AHSS的钢材量达到50%。目前世界钢铁协会正在进行AHSS用量为97%的新一代环境友好型钢铁结构车的实证研究。
2、先进高强度钢板的进步
通常将抗拉强度为270-700MPa的钢板叫做高强度钢板（HSS），抗拉强度大于700MPa的钢板叫做超高强度钢板（UHSS）。图1表示出传统高强度钢板和超高强度钢板抗拉强度和伸长率的关系。典型的第一代先进高强度钢（AHSS）的抗拉强度范围是500-1600MPa，位于图1的抗拉强度－伸长率曲线的右边或其附近的位置。如图所示，各种类型AHSS的抗拉强度－伸长率表示的成形性不同，原因是成形行为的不同。传统高强度钢以铁素体为基体，钢的成分主要是C、Mn，此外，为获得要求的性能还添加Si、P等强化元素。图1中的IF钢是C含量为8-20ppm的超低C钢，非常适于成形加工。为了将过剩C去除，对钢水进行真空脱C处理。IF钢是真空脱C出现后，才有可能制造的钢类。传统软钢的C含量较高，最大C含量达到0.6%。为避免碳化物生成，采用热处理和降低C含量的方法，制造出烘烤硬化型钢板。在对汽车部件进行涂漆烘烤的过程中，烘烤硬化型钢板中的C向位错偏析或形成碳化物，提高了烘烤后部件的强度。图1中的IF-HS钢是添加Ti、Nb、Si等元素的高强度IF钢。图1中还有冷成形各向同性的特殊用钢，钢的C含量是0.1%-0.15%、P含量为0.045%、Mn含量为0.6%。C、Mn含量更高的钢是传统的高强度钢（HSS）。
图1：传统HSS和第一代AHSS的抗拉强度和伸长率的关系
（IF：无间隙原子钢、DP：双相钢、MART：马氏体钢、
IFHS：无间隙原子高强钢、CMn：碳锰钢、Mild：软钢、HSLA：高强度低合金钢、
BH：烘烤硬化钢、CP：复相钢、TRIP：相变诱发塑性钢）
20世纪70年代，HSLA开始用于汽车制造。HSLA的特点是添加微量Nb、V、Ti，强度高于普通高强度钢。但这种钢尚未具有车体轻量化要求的成形性和吸收冲击功的能力。
图1中的第一代AHSS，包括双相（DP）钢和相变诱发塑性（TRIP）钢的性能提高几乎都是通过基体相铁素体的强度和硬化效应来实现的。双相钢，顾名思义是铁素体和马氏体的混合组织。C含量是0.1%、最大Mn含量是2%，此外，还添加Si、Cr等元素。双相钢比HSLA具有高加工硬化率和高伸长率，提高了钢的加工性。双相钢的抗拉强度和高伸长率相结合，提高了钢的冲击功吸收能力。通过对钢中C状态的控制，可以使双相钢具有较高的烘烤硬化性。TRIP钢是铁素体、马氏体、贝氏体和残余奥氏体的混合组织钢。TRIP钢的重要特征是钢中有4%-12%的残余奥氏体。一般情况下，常温下的奥氏体是不稳定组织。但C含量为1%-2%的奥氏体在室温下呈稳定状态。在这种状态下，使奥氏体发生变形，稳定的奥氏体会转变为马氏体。因此产生很强的加工硬化行为和高吸收功。TRIP钢的典型C含量是0.15%左右。与双相钢和其他低C钢一样，TRIP钢也不能很好地焊接。Si含量超过0.3%的TRIP钢材，一般会在表面生成Si的氧化物。由于在热镀锌前，不能将Si的氧化物清除掉，在镀锌时会产生问题。
第一代AHSS钢中的复相钢（CP）具有极微细贝氏体、马氏体和奥氏体的组织结构。为在CP钢中生成碳化物，在钢中添加C、Mn的同时，还添加Si、Nb或Ti。一般来说，C含量为0.1%、最大Mn含量为2%。第一代AHSS钢中的复相钢具有良好的加工硬化性、高冲击吸收功、最大抗拉强度达到1000MPa。第一代AHSS钢中的马氏体钢的C含量为0.16%-0.26%、并含有Mn、Cr、Mo等淬硬性元素。这种马氏体钢可以以冷轧镀锌状态供货，也可以以最近开发的热冲压成型状态供货。国际锌协会的汽车车体协作项目，是在典型的商业生产线上，成功进行了抗拉强度1250MPa全马氏体钢的热镀锌。商业生产线的退火冷却速度为20℃/s。在马氏体钢热冲压成型方面，将马氏体镀锌钢板快速加热到奥氏体区进行冲压成型，然后进行急冷。图2是该工艺的典型冷却曲线和工艺略图。冲压成型后的急冷使钢的组织成为抗拉强度很高的马氏体组织。能够承受这种苛刻条件加工的镀锌层，是采用了欧洲和亚洲的几个钢厂开发出的镀锌技术制作的。用于热冲压成型的马氏体钢板一般是C-Mn钢，冲压加热温度通常超过900℃。
图2：典型的TTT（时间-温度-相变）曲线和热冲压成形急冷工艺示意图
第二代AHSS是强度水平与第一代AHSS相同，但伸长率更高的钢类（见图3）。第二代AHSS是高Mn含量的奥氏体钢。这种钢与传统的奥氏体不锈钢有密切关系。第二代AHSS有三种类型：TWIP钢（孪晶诱发塑性钢）、L-IP钢®（诱发塑性轻型钢）和高强度奥氏体不锈钢。第一代AHSS钢和TWIP钢的应力－应变曲线的比较如图4。
图3：传统HSS、第一代、第二代AHSS抗拉强度和伸长率的关系
（TWIP：孪晶诱发塑性钢、L-IP：诱发塑性轻型钢）
图4：HSLA、第一代AHSS（DP、TRIP）和第二代AHSS的应力-应变曲线
第二代AHSS虽然具有优良的成形性，但为形成微细化奥氏体组织，添加了大量的合金元素。这是第二代AHSS的问题。例如，TWIP钢的成分一般是，0.4%C、22%Mn、0.19%Si、0.14%Cr。这种典型成分的TWIP钢，在拉伸10%时，已经出现孪晶组织，进一步从40%拉伸到60%，就会出现裂纹。
为解决第二代AHSS的成分和加工性的问题，开发出第三代AHSS。第一代AHSS的基本组织是铁素体和马氏体的混合组织，第三代AHSS为了获得超过第一代AHSS的高水平伸长率，必须采用奥氏体和马氏体的混合组织。图5说明了采用这种组织的必要性。该图表示的是，对于设定的钢的组织的预测强度和伸长率的关系。图5中的数据是根据基于Mileiko模型的马氏体体积分量，用Matlock计算的结果。采用理想化的Mileiko模型时，做了如下的假定：铁素体的最大抗拉强度是300MPa、均匀伸长率是0.3，稳定奥氏体的最大抗拉强度是640MPa、均匀伸长率是0.6，马氏体的最大抗拉强度是2000MPa、均匀伸长率是0.08。将图5的曲线与图3的曲线叠加起来（见图6），得到的铁素体－马氏体曲线可以近似描述第一代AHSS的强度、伸长率状况。奥氏体－马氏体曲线在第一代AHSS曲线的上方，处于优良强度、伸长率范围。目前全世界正在集中力量研究将奥氏体－马氏体钢的优良特性用于汽车板的最佳成分和钢板加工技术，以及钢板的热镀锌技术。
图5：基于Mileiko模型的理论伸长率-强度曲线
图6：第三代AHSS的可能力学性能
根据对热镀锌钢板车体合作项目的文献研究，确定了最可能适用于热镀锌生产线进行镀锌的第三代AHSS钢板的3种类型。图7是适于热镀锌的3种第三代AHSS钢板的热处理曲线。这3种类型钢板的成分是（见表1），C含量4%、Mn含量5%-6%、Si含量1%-2%，其中Al含量与Si含量以及Cr含量与Si含量成反比例变化。制造第三代AHSS钢板所需要的奥氏体化退火温度是图中的Ae3。但是如果进行相变区热处理可以获得更好的性能，也可以在小于Ae3的50%奥氏体化温度下进行处理，这是更经济的处理温度。对第三代AHSS钢板进行的进一步开发工作是第三代AHSS钢板的镀锌工艺设计和热镀锌第三代AHSS钢板车体的合作开发。
图7：针对适于进行热镀锌的第三代AHSS钢板设计的热处理曲线
