基于纳米技术的高强度钢研发和应用

基于纳米技术的高强度钢研发和应用

刊名：Materials Science and Technology（英）

刊期：2013年第10期

作者：K.Seto,H.Matsuda

编译：张英才

具有最佳沉淀析出相分布的细晶粒无间隙原子先进高强度钢无间隙原子（IF）钢已广泛应用于汽车外覆盖件，但当IF钢被固溶强化时常伴随屈服强度（Ys）的提高，从而降低表面精度。为此开发了一种新型细晶粒IF先进高强度钢（AHSS）,与传统超低碳IF HSSs相比，有低的Ys和高的r值。

在新型细晶粒IF HSS中，碳含量为传统IF HSSs的3倍，同时添加超过C原子当量的Nb，不仅保证了钢中的IF化学成分，而且获得较多的纳米尺度Nb（C，N）沉淀相。通过晶粒细化和沉淀强化使钢的拉伸强度（Ts）提高，钢中总的固溶元素得以降低。对传统IF钢来说，较为粗大的晶粒对获得较高平均r值有利，但粗晶粒在冲压成形之后表面出现“橘皮”状。新开发的细晶粒IF HSS显示，平均r值与晶粒大小有更为良好的关系，这点与传统IF钢不同。已经熟知，晶粒细化与沉淀硬化会提高屈强比，但新型细晶粒IF HSS具有比传统固溶强化IF HSSs更低的屈强比，这可通过控制纳米沉淀相分布的最优化获得。

上述IF HSSs已经商业化生产，其拉伸强度级别分别为340、390、440MPa，与传统钢板相比，具有较低的屈服强度和较高的n值，r值为1.7。用440MPa级钢板试冲压了某车型的前翼子板，在较低的压边力下就可以防止起皱，在高的压边力下也没有发生开裂。

利用纳米沉淀硬化的单相铁素体AHSS为满足汽车悬架和底盘零件可靠性要求，所用热轧钢板的抗拉强度Ts须达到780MPa。已经开发出一种新型沉淀强化热轧HSS，其沉淀相被细化到数纳米，具有高Ys、高扩孔性能、高伸长率。诸如双相钢等多相组织钢可以得到较高的伸长率，但扩孔率低；贝氏体钢之类的单相钢的扩孔率高，但通常伸长率低。因此，在新钢种开发中，注意到铁素体的高伸长率和单相组织的高扩孔率，但采用传统技术很难得到780MPa的强度。因此，采用沉淀强化技术对于780MPa级钢来说，沉淀相要细化到3nm，同时还要求沉淀相的热稳定性。利用三元碳化物系统，适量的Ti与Mo共同添加到基础钢中，产生的约3nm的沉淀相显示了超高的热稳定性。开发钢的热轧工艺与原有钢没有差异，在传统的卷取温度下能够容易获得沉淀强化铁素体单相组织，这是因为开发钢中的固溶碳极低且Mo阻止珠光体转变。此外，开发钢种的强度分散性很小，使冲压成形时的回弹分散性小。

780MPa级新开发钢的应用正在逐步扩大，特别是在汽车底盘和臂类零件应用，目前达到1000t/月的水平。虽然现在应用的钢材是以780MPa级为主，但此钢种的强度可以提高到980MPa，还可以扩大到镀层钢板。

通过硬化相的分布优化提高超高强度钢的成形性已经开发出抗拉强度为980～1470MPa的超高强度钢（UHSSs），但仍然存在开发先进钢板的需求，特别是Ts超过1180MPa，可以应用于中立柱、横梁等零件的钢材。如此高强度的钢板必须保留大量如贝氏体或马氏体样的硬质相，其性能在很大程度上依赖于硬质相的纳米尺度结构，包括碳和位错的状态。已经通过几种新途径开发新的UHSSs，譬如纳米晶贝氏体钢、淬火配分钢以及马氏体时效转变诱发塑性钢。其基本目标就是用纳米技术控制组织，即回火马氏体与带残余奥氏体的贝氏体相结合改善成形性。试验结果表明，Ts达到1470MPa的新开发钢种的伸长率比TS590MPa级双相钢更高。当然，仍然存在许多与高含碳量有关的问题和对热处理精准控制的要求。虽然这些途径具有改善成形性的潜力，但材料成分和生产工艺还有待进一步优化。