1、汽車用高強鋼板的發展現狀和趨勢一、汽車工業對冷軋鋼板性能的要求及冷軋高強鋼板的分類1 汽車工業對鋼板的要求汽車工業要求冷軋鋼板重量輕，成形性好，壽命長，安全性好，環境友好。首先，汽車輕量化對于提高燃料效率、防止CO2排放所造成的環境污染是極為重要的。為了解決這個問題，需要提高汽車用鋼板的強度。這樣的話，即使鋼板厚度減薄，仍然可以保持原來的強度水平。所謂DP鋼、TRIP鋼就是為此目的而開發的。其次，是鋼板的成形性，因為它決定了汽車成形過程的生產效率。一般說來，隨著強度的提高，鋼鐵材料的成形性惡化。目前，汽車盡管設計多種多樣，但是大的趨勢是采用流線型，以減少空氣的阻力。具有高塑性的鋼板即使經過多階

2、段的加工仍然可以不發生裂紋。近年開發的所謂自潤滑鋼板由于改進了鋼板涂層的潤滑性能而提高了成形加工的效率。汽車的外板有可能遭受沖擊，如果材料強度過低，很容易發生凹陷變形。BH鋼在成形之后進行烤漆的過程中可以進一步提高其強度，這實際上等于汽車在使用過程中得到了更高的強度，因而具有良好的抗凹陷性。因此，近年對BH鋼的需求不斷增強。汽車需要的另一個重要因素是壽命，即耐腐蝕性，特別在北美為了除去積雪，大量使用對鋼有強烈腐蝕作用的氯化鈣，對耐腐蝕性提出了更高的要求。應對腐蝕問題的重要措施是對鋼板進行各種表面處理，例如鍍鋅。所以，近年表面處理鋼板的用量持續增長，盡管其價格比普通鋼板要高。另外，低成本的耐腐蝕

3、鋼板也在不斷開發出來。還有一個問題是安全性，特別是與沖撞有關的安全性。為了保證乘用者的安全，目前正在開發既具有高強度，又具有良好耐沖撞性能的高強鋼板，用于汽車的結構件和底盤等部件。最后，需要開發的高強汽車用冷軋鋼板與環境友好。國際上已經制定了一系列法規和制度，強化環境保護，明令禁止使用對人類有毒害的物質。近年開發的無3價鉻、無鉛的涂鍍層板，就是順應這種趨勢。2 汽車用冷軋鋼板的成形性能由于汽車用冷軋鋼板需要經過成形加工，才能成為需要的零件，所以不僅要求鋼板有需要的力學性能，而且要求鋼板有良好的成形性能。這些鋼板通常經過圖1所示幾種變形方式或者它們的組合而成形為零件。1） 拉深成形（Deep d

4、rawing, shrink flanging）。它的特點是工件在沖頭和沖模之間變形過程中，在坯料上施加一定的壓邊力，使坯料在一個方向上獲得大的拉延變形（例如在沖杯過程中沿著杯的直徑方向），在另一個方向上發生收縮變形（例如沖杯過程中的圓周方向），所以需要材料有高的r值。2） 鼓脹成形（Stretching）。它的特點是施加非常強的壓邊力，沖壓工具帶有凸凹槽，即使在沖頭的作用下，材料邊緣也不能滑動，中間部分材料受到雙向等軸拉深，像氣球一樣膨脹變薄。因此要求材料具有良好的塑性和各個方向均勻延展變形和連續強化的能力。3） 卷邊成形（stretch flanging）。材料的切口邊緣經歷大的拉伸變形，

5、例如在沖制的圓孔用錐形沖頭擴孔屬于典型的卷邊成形過程。由于切口邊緣收到極大的拉伸變形，要求材料的組織必須性能均勻，組織中沒有明顯的硬相顆粒。所以應當盡量避免出現大顆粒的碳化物或氧化物，使它們均勻、細小、分散。4） 彎曲成形（bending）。彎曲成形發生的問題與卷邊成形相似，也是由于局部變形引起。改進方法也是相似的，可以通過硬度的均勻、分散而得到實現。3.汽車用冷軋鋼板的類型性能由于采用不同的強化機制，汽車用鋼板有不同的組織，因而有不同的強度水平，依據鋼板的強化機制、強度水平、組織特點可劃分為不同的鋼種類型。其中抗拉強度低于270MPa的鋼板，主要是用作面板的IF鋼和低碳鋼，規定其為低強度鋼。

6、抗拉強度在270700MPa的屬于高強度鋼，包括高強度的IF鋼、BH鋼、C-Mn鋼、HSLA鋼以及一部分DP鋼和TRIP鋼。超過700MPa的鋼板為超高強度鋼板，包括高強度級別的TRIP鋼、DP鋼以及馬氏體鋼和新開發的TWIP鋼。其中TWIP鋼由于其獨特的高延伸、高強度而受到人們的重視。表1所示為汽車用高強度鋼板的強化機制、化學成分設計、強度水平、應用舉例。 表1 高強度鋼板的成分設計與汽車部件的應用舉例強化機制成分設計舉例強度水平特性應用舉例固溶強化（低碳）P, Mn-P, Si-Mn系490深拉，一般加工外板、內板、結構件固溶強化（極低碳）Si，Mn，PTi, (Nb), (B)等490深

7、拉外板、內板、結構件析出強化（低、中碳）Mn-Nb, Si-Mn-Nb等590一般加工內板、結構件組織強化（馬氏體系）（低、中碳）Si-Mn， Si-Mn-P等590980DP鋼（低屈強比型）結構件組織強化（殘余奧氏體系）（低、中碳）Si-Mn等590980殘余奧氏體（TRIP）鋼結構件析出組織強化（低、中碳）Si-Mn- Ti-(Mo)等1470超高強度鋼結構件不同的汽車零件，將經歷不同特征的變形過程，因而要求使用不同類型的鋼板。考慮到需要的材料特性和強度水平，一般將汽車零件分為面板、結構件、加強件、底盤。根據各種材料所經受的不同的成形方式，而選用不同類型的材料。4.汽車面板用高強鋼板及其生

8、產工藝IF鋼板，含低強度的軟鋼和高強IF鋼板，特點是非常大的延伸和良好的深沖性能，因而廣泛用于制造汽車面板。通常汽車面板需要良好的塑性和拉深成形性能，因而無間隙原子鋼（IF鋼）得到了廣泛的應用。IF鋼采用低碳或超低碳和Nb、Ti微合金化的成分設計，使鋼中的C、N以碳氮化物的型式，而非固溶的形式存在，因而得到了極高的r值（平均r=2.5）和加工硬化系數（n=0.27）。IF鋼的生產工藝是，通過低溫大壓下的熱軋過程和軋后立即進行加速冷卻，得到細晶的鐵素體，以及大壓下冷軋和高溫退火，得到需要的冷軋組織和高成形性能。外板不僅要求有良好的剛性（由楊氏模量、厚度、集合形狀等決定），還要求在受到壓力或沖擊時

9、，具有良好的抗凹陷性。盡管提高屈服強度可以提高抗凹陷性，但是為了防止沖壓過程中鋼板表面發生畸變，還是限制屈服強度不要超過240MPa。為了解決成形性和抗凹陷性的矛盾，開發了烘烤硬化鋼（BH鋼）。BH鋼在成形加工中強度低，成形后材料發生加工硬化，強度有所提高。經過烘烤涂漆后的使用過程中，強度進一步提高，較好的解決了上述成形性和抗凹陷性的矛盾。BH鋼板的強化機制和生產工藝為：BH鋼在經過170下20min的烘烤，固溶在鐵素體中的殘余C、N向成形過程中產生的位錯擴散，它們將位錯釘扎并提高了屈服強度。因此，固溶的C、N量越多，則烘烤效應越高。不過，殘存固溶的C、N原子可能會引起時效，因而引起屈服點延伸

10、的缺陷。當經過100下1小時的加速時效熱處理后，屈服點延伸可以小于0.2%，實際上觀察不到，這種情況下的實際可達的烘烤硬化量是大約3050MPa。有兩種利用超低碳鋼制造BH鋼的方法，一種方法添加的C、N量超過與Nb、Ti的化學計量比，另一種方法添加的C、N量低于與Nb、Ti的化學計量比。在前一種情況下，由于存在固溶的C、N原子，會妨礙具有高r值的有利織構。而后一種情況下，必須在后續的高溫退火中考慮溶解一部分碳化物，以維持最終的產品中有必要的含碳量。通過控制固溶的C、N量，以及進行適量的Nb、Ti微合金化，不經過高溫退火，也可以得到270和340MPa的BH鋼。BH鋼用作容易受到外載荷的零件，例

11、如頂蓋、側圍等590MPa級的TiIF鋼。5. 結構件和加強件用高強鋼結構件和加強件是重要的安全防護件，因此希望它具有高的沖擊吸收能力。當然，它必須具有良好的成形性能，特別是鼓脹成形性能，以便沖制成形狀復雜的零件。鼓脹成形性能與材料的延伸率有關，在高強鋼的沖壓成形中具有重要的作用。對于高強鋼來說，一般隨著鋼板強度的增加，其延伸率降低。DP鋼和TRIP鋼兼有高的強度和良好的延伸，因而廣泛應用于汽車的結構件和加強件，如車門、后背箱蓋等。過去20年BH鋼的應用增長迅速。更高強度的高強鋼板應用于轎車外板，已經付諸實現。一種Nb、Ti微合金化、超低碳并含有P、Mn、Si的440MPa級的固溶強化高強鋼板

12、已經開發出來，總延伸38.3%，n值為0.24，r值為1.95。采用隨后600熱處理的Cu沉淀強化機制，開發了另一種r1.9，強度達到590MPa級的汽車外板用鋼。DP鋼是以Si、Mn為主要合金成分的低成本鋼材。在連續退火過程中，首先加熱到760830的鐵素體奧氏體兩相區，使其組織為一定比例的鐵素體和奧氏體。此時令鋼材淬火到馬氏體點以下，則奧氏體轉變為馬氏體，導致所謂的“雙相組織”。DP鋼基體為軟的鐵素體，在其上分布硬質的馬氏體，兩者分別確定材料的低的屈服強度和高的抗拉強度。DP鋼比傳統的高強鋼有更高的初始加工硬化率，所以有很低的屈強比，可以得到很大的延伸。DP鋼中固溶較多的C，所以也是一種烘

13、烤硬化鋼，在經過烘烤涂漆后，屈服強度提高約100MPa。DP鋼在車輛沖撞這樣的高速變形（正面沖撞變形速率可達1000/s）中，表現出比普通高強鋼更高的強度，所以具有更大的沖擊能吸收能力，有利于提高車輛的安全性。目前，最常用的DP鋼的強度水平為490780MPa，高達1170MPa的DP鋼也已經開發出來。TRIP鋼是一種由鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體組成的多相鋼，殘余奧氏體的量可以達到20。由于變形過程中殘余奧氏體轉變為馬氏體，即所謂的TRIP效應，會促進變形均勻分布，所以TRIP鋼有很高的強度，又可以得到很大的延伸。DP鋼和TRIP鋼是制造結構件和加強件的重要高強鋼。為了生產TRIP鋼需要特殊的

14、熱處理裝置和技術。利用連續退火設備可以制造TRIP鋼。在加熱到高溫退火過程中，顯微組織分解為鐵素體和奧氏體。將鋼板迅速冷卻到貝氏體轉變溫度范圍，在隨后幾秒的熱處理中，硬的貝氏體形成，碳在剩余的奧氏體中富集，添加一些元素可以幫助碳的富集。最終的室溫組織是由鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體組成。還有一類汽車結構件和加強件，由于要經過卷邊成形和彎曲成形，所以要求具有性能均一、硬度均勻的組織，不希望有明顯的硬相。這一類零件經常使用卷邊成形性能優良的貝氏體鋼。6. 車體下部零件用高強鋼板對于車體下部的結構件，過去以沉淀硬化鋼為主。但是，近年兼有強度和優良成形性能的DP鋼和TRIP鋼的應用已呈上升的趨勢。780

15、MPa 超強鋼板用于懸掛件和車輪等車體下部零件。超強的沉淀硬化鋼和馬氏體鋼用于高剛性的零件，像緩沖器和沖擊梁。1470MPa級的超強鋼板用于震動吸收裝置，如安裝在緩沖器和車門上的防震沖擊梁。 7. 耐腐蝕涂鍍鋼板為了提高鋼板的耐腐蝕性能，7080的汽車板采用涂鍍鋼板。在連續熱浸鍍生產線上，鋼板首先經過連續退火，以獲得需要的力學性能。然后經過鋅鍋，在鋼板表面鍍鋅（或鋅的合金），利用噴吹空氣或氮氣的氣刀控制鋅層的厚度。最后，涂鍍的鋼板要通過平整機進行平整。盡管通過熱浸鍍的鋼板表現出良好的抗腐蝕能力，但是涂漆性能、成形性能、焊接性能尚不能滿足要求，原因在于涂層是純鋅。為此，將純鋅層再加熱到一定溫度，

16、將純鋅層變為一層鋅鐵金屬間化合物。這就是所謂的合金化鍍鋅板（GA）。 但是，由于鍍鋅層是由Zn-Fe化合物組成，性質極脆，可能在成形過程中發生粉化，即剝落現象。控制Zn-Fe化合物的組成，可以抑制粉化現象。Zn-Fe化合物可以依據化合物的成分分類為相、1相和相。涂層的性能受到這些相成分比的顯著影響。希望減少相，因為這種相會增加摩擦阻力。同時也希望減少相，因為這種組織非常硬，不容易發生變形。二、汽車用冷軋高強鋼板的生產工藝高強冷軋鋼板要經過酸洗、冷軋、退火、平整等工序，才能成為供用戶使用的冷軋產品。其中退火工序是決定冷軋板性能的關鍵環節。退火主要有兩種方式，一種是罩式退火工藝，另一種是連續退火工

17、藝。罩式退火工藝主要用于生產深沖鋼板，包括IF鋼和BH鋼。它的特點是處理時間長（2030hr），冷卻速度緩慢，但是由于可以對各個爐單獨控制，所以靈活性較強；連續退火工藝處理時間段（幾分鐘），可以控制得到很高的冷卻速度，由于冷卻條件的控制受到爐體結構的限制，所以生產的靈活性較差。一般，需要相變強化的鋼種，例如DP鋼、TRIP鋼只能通過連續退火進行處理。1 罩式退火工藝（略） 2 連續退火工藝連續退火生產線分為加熱區、一次冷卻區、過時效區、最終冷卻區。加熱區又分為預熱段、加熱段、均熱段。預熱段通常使用輻射管加熱的加熱段排出的廢氣對鋼板進行預熱。預熱有3種方式，1）使用加熱段的廢氣直接預熱鋼板，效率

18、高，但是有鋼板氧化問題；2）利用廢氣通過熱交換器加熱空氣，用空氣預熱鋼板，效率不高，也有鋼板氧化的問題；3）用通過熱交換器的循環氣體進行預熱，效率最低，但是無板面氧化的問題。帶鋼在加熱段加熱到需要的溫度，加熱段帶鋼通過導向輥垂直布置，約20m高，折返幾次，在帶鋼之間有輻射管進行加熱。該段允許的最高加熱溫度約950，平均的運行溫度在800900之間。達到退火溫度的帶鋼，在均熱段保持在該溫度下至少20 s，完成再結晶過程。在均熱段折返的次數依據以最大速度通過時達到最小保持時間所必須的帶鋼長度確定。一次冷卻區分為慢冷段和快冷段。慢冷段帶鋼以低于10/s的冷卻速度冷卻到650670。它是快冷段的準備階

19、段，在此階段碳在奧氏體中遷移，改變奧氏體各部分的濃度。帶鋼部分是由于輻射冷卻，部分是由于氮氫混合氣體的軟噴射冷卻。快速冷卻段對于退火過程是非常重要的。盡管嘗試過多種冷卻方式，目前主流的冷卻方式是氣體噴射冷卻。有兩種氣體在使用，一種是成分可控的氮氫混合氣體，另一種是氫氣。在使用氮氫混合氣體時，經過水/氣體熱交換器進行循環的高速氣體直接噴射到帶鋼表面，通常這種系統可以達到7080/s的冷卻速度，但是循環風機的運行需要較高的能源成本（12kW/t）。使用氫含量5060的氣體進行冷卻時，由于氫的高導熱性，可以將冷卻速率提高到100/s/mm，由于氫單重較低，風機能源消耗可以大幅降低（4kW/t）。使用

20、氫氣必須具有良好的安全措施，冷卻段必須與上、下游隔離開來，以便將氫氣控制在冷卻段內。帶鋼與水冷的導向輥接觸實現的輥淬冷卻能量消耗低，是一種可供選擇的方案，不過這個系統通常不太穩定。目前，Kawasaki開發了輥淬與氮氫混合氣體噴射混合使用的系統；而NSC和NKK則開發了輥淬系統。還有其他3種系統具有相當高的冷卻速率，主要用于特殊的目的，不過它們需要隨后進行酸洗。這3種系統是，1）水淬；2）熱水淬火；3）水霧冷卻。水淬法可以實現非常高的冷卻速率（5001000/s），通常用于處理非常高強度的鋼板。熱水淬是將帶鋼進入熱水中進行淬火，這種方法可以得到板形非常好的鋼板，冷卻速率可以達到150/s，但是

21、在500以下效果不好。NSC開發了水霧冷卻系統，使用感應加熱方式加熱帶鋼。它適應于TRIP鋼這樣的帶有加熱的快速、終冷溫度低的冷卻過程。過時效段。在快速冷卻之后，晶粒尺寸固定了，但是脫溶的碳化物殘存下來，應當盡量減少脫溶的碳化物。在過時效的過程中，這些碳化物將遷移到晶粒邊界。最優的溫度是350400。在更高的溫度下，碳化物將再一次溶解；在更低的溫度下，沒有足夠的能量來完成遷移。因此，過時效段是由一個或幾個段構成，要配以足夠的折返數，以利用最短的過時效時間使脫溶碳含量達到最小。過時效過程應用于CQ級和DQ級的低碳鋼板材。對于高強鋼，在快冷區之后得到了需要的金屬結構，目標溫度低于300，以便防止任

22、何“過時效”發生，這個區通常是使用電加熱。最終冷卻區。在帶鋼離開密閉的爐子和保護性氣氛之前，必須將鋼板的溫度降低到氧化極限之下，即低于200。如果平整機安裝在退火過程的下游，必須將帶鋼在低于40的溫度下，送進軋機。帶鋼通常使用氣體噴射系統冷卻到80150，再進一步用水箱冷卻到40。DP鋼和TRIP鋼必須通過連續式退火進行熱處理，以獲得需要的組織和性能。快冷段的冷卻速度對于高強鋼的性能有重要的影響。目前我國大多數連續退火線冷卻速度偏低，影響高強鋼板的研發和生產。在高強鋼的制造過程中，有時需要將鋼板以150/s的速度冷卻。此時要求非常大的冷卻能力。例如，厚度0.5mm的鋼板，如果以150/s的速度

23、從700冷卻到300，熱交換系數必須達到500W/m2K。利用以氮氣為主的氮氫混合氣體噴射冷卻達不到這樣的熱交換系數，利用水霧或浸水冷卻又有板變形和表面氧化的問題。為此，正在研究開發噴射氫氣的快速冷卻方式。與以氮氣為主的氮氫混合氣體相比，全氫噴射冷卻熱交換系數非常大，在同樣的噴射情況下，可以得到2倍的冷卻能力。如果能夠優化噴嘴的配置和噴射的速度，熱交換系數有可能超過500W/m2K。噴射純氫的問題是需要開發氣封技術，以便將冷卻區與加熱區隔離開來。另外需要確保氫氣循環系統的安全。這都是今后研究的課題。三、汽車用高強冷軋鋼板的發展趨勢1TWIP鋼由于環保和節能，需要減輕車體重量；為了安全和舒適，又

24、會引起車重增加。為了解決這一對矛盾，需要同時提高材料的成形性和材料的強度，實現材料強度和延展性的平衡。近年開發的所謂TWIP鋼就是在這個方向上的一個重要進展。所謂TWIP，意即孿晶誘導塑性（TWinning Induced Plasticity）。TWIP鋼是以Fe、Mn為主的純奧氏體碳鋼，采用Mn可以擴大奧氏體相區，添加C不僅可以穩定奧氏體，而且可以利用C的固溶強化奧氏體。通過控制Mn（1724）和C(0.50.7%)的含量，可以得到最好的力學性能。與DDQ級沖壓板相比，同樣可以沖制各種形狀復雜的零件，強度卻要高出25倍；其抗拉強度與熱處理鋼相當，延展性卻比熱處理鋼強10倍。TWIP鋼的塑性

25、變形的主要機制是位錯滑移。在變形過程中，非常細的孿晶在晶內發生，孿晶界和晶粒邊界均成為位錯滑移的壁壘，這會導致非常劇烈的加工硬化，其瞬時硬化率能保持較高的水平（>0.45）。這會抑制細頸的發生，從而導致TWIP鋼非常強的加工硬化能力和非常大的延伸率。這種性能即使在高應變速率下仍然保持著，因而在撞擊等高應變過程中，可以保證汽車非常高的安全性。這是TWIP受到青睞的一個非常重要的原因。2.熱沖鋼板隨著強度的提高，鋼板成形性能總體上呈下降趨勢，形狀凍結性變差，成形難度加大。同時材料成形力也增加，造成成形負荷增大，工具、模具的磨損和損壞嚴重。所以，近年開發了材料的熱沖隨后熱處理的新技術，以滿足用戶對進一步提高強度的迫切要求。這種技術應用于可以熱處理強化的鋼板，例如含B鋼板，將其加熱到900左右進行沖壓變形，大幅度降低成形力，提高材料的成形能力，沖成零件后，立即利用余熱進行淬火處理。目前處理后的抗拉強度可以達到15002000