第3代高強度汽車用鋼簡介及國內外研究狀況

  第3代先進高強度汽車用鋼兼有第1代和第2代高強度汽車用鋼微觀組織的特點,首先應該是具有高強特點的BCC相和較高組分的具有高強化特性的FCC相的復合組織,即具備BCC+FCC的復合組織,并充分利用晶粒細化、固溶強化、析出強化及位錯強化等手段來提高其強度,通過應變誘導塑性、剪切帶誘導塑性和孿晶誘導塑性等機制來提高塑性及成形性能。

  我國國內對于第3代高強度汽車用鋼的研究處于國際前列。2012年,在國家“973”計劃項目子課題"第3代高強高韌低合金鋼精細組織的研究"的支持下,國內開展了第3代先進汽車用鋼的研究工作:基于動態相變的熱軋低合金TRIP鋼技術進行合金成分設計和工藝優化,通過添加微合金化元素或調整Mn、Si含量,獲得了力學性能指標在第3代先進汽車用鋼范圍內的細晶TRIP鋼。

  寶鋼于2002年開始涉足超高強鋼的研制開發,歷經10年探索,成功具備了第3代高成形性超高強鋼一一淬火延性鋼的工業化生產能力。2010年,寶鋼全球首發第3代Q&P980鋼(淬火配分鋼〕;2013年,全球首發第3代熱鍍鋅Q&P980鋼。截至目前,寶鋼是全球唯一一家實現第3代超高強鋼批量穩定供貨的企業,也是目前世界上唯一一家同時可以工業化生產第1代、第2代和第3代全系列超高強鋼的鋼鐵企業。

  現階段所有高強鋼研發工作思路都趨于一個方向,即生成高強的基體組織和足夠多的奧氏體,同時奧氏體的穩定性是可控的,而在第3代汽車鋼的熱處理選擇上,通常運用逆相變和正相變兩種獲得奧氏體相的技術。在合金元素設計時,常采用更多的奧氏體穩定元素,而工藝設計則采用特殊工藝細化基體組織,如通過貝氏體等溫淬火工藝得到納米貝氏體(Nanobainite),通過淬火-配分(Q&P)工藝得到碳配分的馬氏體,通過兩相區退火工藝得到中錳鋼的超細晶鐵素體(Ultra-fineFrrite)。以中錳鋼、淬火延性鋼、納米鋼、熱沖壓鋼等為代表的第3代高強度汽車用鋼目前都在研發之中。

  1.中錳鋼

  中錳鋼的顯微組織為超細晶鐵素體和亞穩態奧氏體,其抗拉強度高但伸長率較差,這主要是由于大部分粗大奧氏體中的錳富集不充分,在隨后冷卻到室溫的過程中轉變成了馬氏體。退火溫度過低時,抗拉強度和加工硬化速率均下降,同時有試驗觀察到極長的屈服延伸階段,這主要是由于生成了大量的超細晶鐵素體。而采用中間溫度退火時,退火組織中出現大量的亞穩態奧氏體,從而使得中錳鋼具有高強度和良好的塑性及加工硬化性,經逆相變處理的中錳鋼微觀組織結構,隨著退火時間〔1ms?12h〕的延長,奧氏體量逐步增多,可達到33.7%。

  2.淬火延性鋼

  淬火一配分工藝是在帶鋼發生部分馬氏體相變后將其進行等溫配分處理,使得碳元素從馬氏體中擴散到未轉變的奧氏體中,從而提高奧氏體的穩定性。Q&P鋼的顯微組織為馬氏體和殘余奧氏體,較低強度級別的Q&P鋼也含有一定量的鐵素體,其為傳統加Si的TRIP鋼成分。而在同一強度級別,Q&P鋼與通過貝氏體等溫淬火處理得到的無碳貝氏體TRIP鋼各有優勢。

  3.納米鋼

  納米鋼公司(NanoSteel)對其開發的納米結構鐵基材料進行了大力宣傳。前期的報道曾探討過采用非晶態(金屬玻璃)合金(包括一些超高合金材料)的低溫結晶工藝得到納米晶材料,但其研究近況的技術細節尚未向冶金界披露。

  4.熱沖壓鋼

  熱沖壓鋼多采用C-Mn-B的成分體系,主要用于生產一些不易成形的傳統高強鋼零件,其室溫組織為高強度的馬氏體。相關的熱沖壓工藝已確定,但鍍層熱沖壓鋼等的研發仍很熱門。當采用新一代AHSS方法使得帶鋼強度達到相近級別(如1500MPa以上)時,冷成形鋼將極具競爭力,因此,很難預測熱沖壓鋼的最終發展。值得關注的是,在第3代AHSS研發的推動下,一旦合適的過程控制能力得到實現,同時結合各種熱處理新思路,新一代熱沖壓鋼也將得到發展。目前,Q&P工藝已經被運用到熱沖壓工藝的研究中。結果顯示,相比傳統馬氏體組織的熱沖壓零件,經Q&P處理后,其伸長率(斷裂前的能量吸收)得到明顯改善。此外,有較高Mn含量的合金也能應用于熱沖壓的研究中。

  5.總結

  本文對高強度汽車用鋼的發展與現狀進行了綜述。從傳統的第1代高強度汽車用鋼CP、DP鋼等,為汽車的輕量化做出巨大貢獻,并以極快的速度廣泛應用于汽車之后,各國對未來更高強度鋼板的潛力翹首企盼著,并為開發第2代及第3代高強度汽車用鋼做出不懈努力。目前研究較為深入的馬氏體鋼與Q&P鋼等成為新一代汽車鋼材。雖然對于新一代高強度汽車用鋼的研究還未徹底結束,甚至關于該鋼種的熱物性(熱物理性質)參數等方面的基礎研究尚屬空白而導致連鑄關鍵工藝參數無法確定,但由于未來汽車的需求及環境形勢所迫等因素,相信第3代高強度汽車用鋼更為深入的研究以及廣泛應用將成為必然趨勢。