汽车用先进高强度钢的特点和生产工艺

2015-05-28李登超

中国科技纵横 2015年9期

关键词：孪晶贝氏体双相

李登超

(四川机电职业技术学院,四川攀枝花 617000)

汽车用先进高强度钢的特点和生产工艺

李登超

(四川机电职业技术学院,四川攀枝花 617000)

随着经济的快速发展,家庭汽车的不断普及促进了汽车工业的快速发展。为满足汽车轻量化发展的需求以及前述汽车板的各种性能要求,高强度钢和先进高强度钢近年来发展很快。因此先进高强度钢是目前汽车用钢研发的热点。但开发新钢种周期长,难度大,可合理借鉴专利进行创新开发。

先进高强度钢汽车用钢发明热轧冷轧

汽车轻量化和安全性对汽车用钢的性能提出了新的、较高的要求，具体有以下6个方面:优良的成形性能;在保证塑性、延性指标的同时，提高强度降低冲压件重量;良好的表面状态和形貌、严格的尺寸精度;良好的连接性能和保型性能;抗时效性稳定性和油漆烘烤硬化性;耐蚀性能[1]。先进高强度钢，其英文缩写为AHSS(Advanced High Strength Steel)，主要包括双相(DP)钢、相变诱导塑性(TRIP)钢、复相(CP)钢、马氏体(M)钢、热成形(HF)钢和孪晶诱导塑性(TWIP)钢。

1　各种先进高强度钢的特点和生产工艺

1.1双相钢(DP)

双相钢组织是在纯净的铁素体晶界或晶内弥散分布着较硬的马氏体或贝氏体(一般在15%)，强度与韧性协调很好，兼有高强度和良好的成形性。双相钢生产方法有热轧法和热处理法两种。热轧法是将热轧钢材的终轧温度控制在两相区的某一范围，然后快速冷却，即通过控制最终形变温度及冷却速度的方法获得铁素体+马氏体双相组织。该方法又分为两种:一是常规热轧法，即在通常的终轧及卷取温度下获得双相组织;二为极低温度卷取热轧法，即在Ms点以下进行卷取，以获得双相组织。热处理法是将热轧或冷轧后的钢材重新加热到两相区并保温一定时间，然后以一定速度冷却，从而获得所需要的铁素体+马氏体双相组织。

宝钢发明提供的一种热轧高强度双相钢板，其化学成分设计(按重量百分含量计)为:C:0.10一0.13%，Si:0.85一1.15%，Mn:1. 40一1.70%，P:≤0.015%，S:≤0.005%，Al:0.015一0.035%，N:≤0. 006%，余量为铁和不可避免杂质。

生产过程:转炉吹炼和真空处理→连铸→加热和轧制→轧后进行分段冷却→卷取→空冷。

第一段水冷速度70一100℃/s，快速水冷目的是使材料迅速进入铁素体相区，中间空冷温度控制在620一660℃，空冷时间4一6s，空冷温度和时间的配合是为了获得适量的铁素体组织(体积分数80%左右)和较低的屈服强度，第二段水冷速度要求大于100℃/s，终冷温度≤200℃，第二段水冷的终冷温度优选150一200℃，其目的在于使未相变的奥氏体组织淬火成马氏体组织，提高钢材的抗拉强度。由于生产热轧双相钢的关键是控制热轧后的冷却方式，因此本方法可以通过控制相变组织类型和比例来得到双相钢板所需的性能。

通过该方法制造的钢板:屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥800MPa，延伸率A50≥15%，具有较高的强度、塑型性和成形性，较好的延伸性、焊接性、冷弯性等使用性能[2]。

1.2相变诱发塑性钢(TRIP)

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[3]。

鞍钢发明提供的一种高强塑积TRIP钢板，其化学成分以质量百分比计为:C:0.08%一0.5%，Si:0.4%一2.0%，Mn:3%一8%，P:≤0.10%，S:≤0.02%，Al:0.02%一4%，N:≤0.01%，Nb:0—0.5%，V:0—0.5%，Ti:0—0.5%，Cr:0—2%，Mo:0—1%。

生产过程，冶炼→连铸→热轧→酸洗→冷轧→罩式炉退火。热轧加热温度:1100一1250℃，保温时间为≥2h，开轧温度为≥1100℃，终轧温度850一950℃，卷取温度＜720℃，热轧板厚度为2—4mm;如果客户要求钢板厚度在2—4mm之间，也可以不进行冷轧;冷轧累积压下量40%一80%。罩式炉退火:随炉加热，保温温度为:550一750℃，保温时间:1—20h，随炉冷却。得到的冷轧TRIP钢板强塑积大于30GPa%，显微组织中马氏体以面积率计为30—90%，奥氏体以体积率计为5一30%，其余为少量铁素体和渗碳体[4]。

1.3复相钢(CP)

复相钢的组织与TRIP钢类似，其主要组织是细小的铁素体和高比例的硬相(马氏体、贝氏体)，含有铌、钛等元素。通过马氏体和贝氏体以及析出强化的复合作用。依靠合金成分设计、微合金化、控轧控冷技术和连续退火技术，热轧和冷轧高强度带钢可以得到不同的组织，如铁素体+贝氏体双相组织、铁素体+马氏体双相组织、铁素体+贝氏体+残余奥氏体复相组织和马氏体组织[3]。

1.4马氏体钢(MART)

马氏体钢的生产是通过高温奥氏体组织快速淬火转变为板条马氏体组织，可通过热轧、冷轧、连续退火或成形后退火来实现，是目前商业化高强度钢板中强度级别最高的钢种。

首钢发明提供的一种热轧马氏体钢，其化学成分按重量百分比为:C:0.10一0.18%，Si:0. 0l一0. 4，Mn:l.0一2.0，P:≤0.012%，S:≤0.006%，Nb:0.02一0.06%，Ti:0.0l一0.05%，Cr:0.1一0.5%，余量为Fe及其它杂质元素。生产过程:冶炼、铸造，形成钢坯;将所述钢坯加热至1200一1250℃，保温1一2小时;将保温后的钢坯进行热轧;对热轧后的钢坯采用直接冷却工艺，以30一70℃/s的冷却速率冷却到马氏体相变点以下后进行卷取。获得的热轧马氏体钢屈服强度大于1000MPa，抗拉强度达到1200一1320MPa，延伸率8一11%，d=8a冷弯性能良好[5]。

1.5孪晶诱导塑性钢(TWIP)

孪晶诱导塑性钢在室温下其组织为奥氏体，在变形过程中将发生机械孪晶并诱导塑性(即TWIP效应)，从而保证了其优良的塑性。鞍钢发明提供的一种孪晶诱导塑性钢，其化学组成以重量百分比计为:C0.30%一0.80%，Si≤0.4%，Mn15%一25%，Al≤0.05%，P0.04%一0.16%，Re0.10%一0.30%，N 0.01%一0.02%。制备方法包括以下工艺步骤:(1)采用真空冶炼、出钢温度控制在1450—1550℃，浇注成锭料，以获得具有大量等轴晶结构的铸态组织;(2)将具有上述成分的铸锭热轧，开轧温度控制在1150—700℃，终轧温度为≥550℃，轧后钢板空冷或水淬;再经40%一80%的压下量，冷轧成厚度为0.5mm—3.0mm的钢板;(3)在600—1000℃的静态炉中对冷轧带材进行退火处理，等温保持0.5—20分钟，然后以5—20℃/s冷却/或水淬冷至室温。

孪晶诱导塑性钢的显微组织以奥氏体为主，其体积分数≥80%，其余为马氏体及铁素体。抗拉强度可以达到700—1200MPa或以上，断裂延伸率达到30—60%或以上，加工硬化指数n达到0.3—0.49。

1.6淬火配分钢(Q&P)

淬火配分钢的显微组织主要是由马氏体基体和残余奥氏体双相复合而成。对于含碳量较低的钢，经Q&P处理后其显微组织为典型的板条马氏体和马氏体条间的薄膜状残余奥氏体组成。当碳含量较高的时候，基体为由板条马氏体和孪晶马氏体混合而成的组织，残余奥氏体则呈不规则分布。Q&P钢是一种具有高强度和较高延伸率结合的新钢种，其优越的性能主要来自于钢中马氏体和奥氏体双相组织的合理配比。高强度来自于马氏体和合金元素固溶强化的贡献，而高塑性则取决于马氏体中的碳含量和残余奥氏体的含量及其分布[7]。

2003年，Speer等基于对碳配分过程的理解提出了淬火配分(Q&P)热处理工艺，该热处理过程包括:首先将试样加热到奥氏体区使其奥氏体化后淬火到马氏体开始转变温度和转变结束温度之间某一设定温度，得到马氏体和残余奥氏体的混合组织;并在此温度(一步法)或高于此温度(两步法)保温一定时间使碳元素从过饱和的马氏体向奥氏体中配分，提高奥氏体稳定性，从而在最后淬火至室温的过程中保留下来。Q&P钢因优异的强韧性的结合，成分中主要有C、Mn、Si(A1)元素，有着广阔的应用前景[8]。