国内冷轧汽车用钢的研究动态及趋势

1、西安建筑科技大学 研究生课程考试试卷课程编码：考试时间：学生姓名：黄炳喜考试科目：现代轧制理 论与工艺任课教师：王庆娟 学 号：1404811398题号成绩总成绩学分123456阅卷人签卞789试题总页数10内冷乳汽车用钢的研宄动态及趋势材料工程14级黄炳喜1404811398摘耍：简述我国冷轧汽车用钢的研发历史及现状，分析我国冷轧汽车钢板的 发展趋势。提出研发高强汽车用钢的必要性，介绍了儿种高强度钢，如高强度 if钢、dp双相钢、trip钢、bh钢、cp复相钢、twip钢、q&p钢等的原理、性 能以及开发现状。关键词：冷轧；汽车用钢；高强钢；发展趋势进入新世纪以来，我w汽车工业呈现出

2、井喷式的发展,2005年中m汽车产量 达到570万辆，2008年达到934.5万辆。汽车用材的70%80%是钢铁材料， 在一定程度上代表了一个国家钢铁工业的水平。我国在汽车品种和技术水平方面, 已经和发达国家同步。随着汽车工业的发展,对优质汽车用钢的要求越来越高， 需求也越来越大。因此，紧跟汽车工业的发展趋势,研究和开发新一代汽车用钢， 必将成为我国钢铁工业应用基础研宄的重要发展目标。内冷乳汽车钢板研发的历史回顾钢材是汽车制造的主要原料，品种主要有型钢、屮板、薄板、钢带、优质钢 材、钢管等，其中以薄板和优质钢材为主。冷轧板带及其镀层板带的用量约占板 带材用量的90%，为450550kg，如夏利

3、车的用量约为450kg,车身加长的红旗车 为550kg。轿车用冷轧板带及镀锌板厚度为0. 404. 00mm，冷乳板带用量最多的 厚度规格是0. 80mm,其次是0. 70mm；镀锌板用量最多的厚度规格是0. 80 mm和 0. 70mm。轿车用冷轧板带的宽度为6001850mm, 1000mm以下的用量最大。20世 纪5080年代，国内的汽车用钢由鞍钢提供，主要是08a1等软钢板。20世纪80 年代后期，我国开始研发无间隙原子钢(if钢)。北京科技大学的王先进教授最先 提出if钢的研究与开发,并且与宝钢、武钢探讨合作研发的可行性。1989年，宝 钢与北京科技大学合作开发tf钢板，1990年研

4、制成功。1992年试制stl6,之后 试制bsc2、bsc3。2001年，宝钢if钢产量为70万t, 2006年产量已达180万t。 1990年，武钢与北京科技大学合作试制w1f，1993年投产，2001年武钢1f钢产量 为6万t。2000年鞍钢试制if钢，有if(ti)、if(nb+ti),前者比例大。2004年 鞍钢生产if钢70万t，其中50万t用于汽车工业。随着汽车工业的发展，特别是20世纪90年代以后，我国汽车用钢进入了高强 化的进程，开始含p钢板的研发。1991年，一汽宝钢试制bpd35、bpd40, 1992年 试制 bp340、bp400, 1994 年试制 bp380、bp4

5、40、bp460,后来纳入宝钢标准 bp340、 bp400。同一时期，我国还开始了 bh钢的开发与应用研究。1992年，一汽宝钢试 制bprodo。1993年，武钢投产wbh340。同年，一汽鞍钢试制a220bh, 2000年试制 bh340。我国表面处理钢板的研发始于20世纪80年代后期。1986年，武钢深冲 镀锌钢板开始应用于汽车工业。1990年，武钢一汽试制超深冲热镀锌钢板wsx, 还试制了微碳深冲镀锌汽车板03alzn,汽车燃油箱用深冲镀锌板qyx等等。20 世纪90年代，宝钢开始生产电镀锌钢板eg，镀锌量为2040g/m2。1991年,一汽 宝钢试制bpd35e、sece, 199

6、3年试制热镀纯锌板gi (sto7z), 1995年试制secif (tf基板)。最近几年,鞍钢蒂森克虏伯合资公司、广州jfe合资公司都可生产系列gi、ga热镀锌汽车钢板。内冷轧汽车钢板的研发现状（1）tf钢超低碳if钢己经成为一个国家汽车钢板生产水平的标志。我国超低碳if钢 的研宄和开发起步较晚，1989年北京科技大学与武钢、宝钢合作开始1f钢的研 宄与开发工作，随后成功地生产出if钢和热镀锌if钢板等其它产品，如超深冲高 强钢板、热轧拉延板和深冲板、烘烤硬化板等。北京科技大学实验室开发if钢 系列钢种的性能如表1所示。表1北京科技人学研制开发的f钢系醐种的性能品种完成时问*性能rna/%&

7、amp;/mpa/mpaeddq f1992 8>2 0洸25彡50ulcbh1994.31. 9 2 1fhss1994. 9>1.8>(120>36220230355370hrddq f1995.31.30-1. 750. 23 m). 2647 5489 112252277hg f1996 3彡ft 22>42<215<350hg fhss1996 31. 8-2 2ft 23 ft 2541-45160230340410hrdq if1997. 3>45<215<350注:ulcbh的烘烤硬化值30mpa，时效指数为23mpa

8、;hrdq if的时效指数30mpa,脆性转变温度为-70 t。目前，宝钢if钢c和n的控制己达国际先进水平（2001年后低于0. 0020%）, 冲压性能从dq到seddq均可批量生产。与此同时，if钢家族（齊板、热镀锌和电 镀锌）也得以迅速发展。不但能够生产if软钢，也可生产强度达440mpa的高强度 tf钢。鞍钢和武钢的tf钢产量也已接近百万吨。（2）bh钢bh （烘烤硬化）钢板成形时是软的，涂装烘烤后（相当于170°c保温20min 的热处理）硬化（图1为bh钢硬化原理示意）。这种钢板是让适量固溶碳残留在 钢中，利用涂装烘烤时的热能将冲压成型时导入的位错用固溶碳固定，从而达到

9、 提高屈服强度的0的。bh量根据冲压成型时的变形量而变化，其值在低变形区 域内增大，因此bh钢板适用于车门、车盖等加工度比较低的部件。烘烤硬化是 利用同溶碳所产生的应变时效的一种强化方法，必须抑制由常温吋效引起的材质 劣化，确保bh量。为了抑制室温时屈服点延伸的回复，bh量的上限控制在 60mpa。这种钢板最初是用低碳a 1镇静钢的罩式炉退火法幵发出来，现在主要 用成形性优良的极低碳素钢板为基板生产。bii钢是最具有使用前景的高档轿车面板用钢种之一，主要用于汽车的外板。 目前国内新一代轿车外板多采用这一系列的电镀锌烘烤硬化钢板，主要有抗拉强 度180mpa和210mpa两种级别。如宝钢可以生产

10、抗拉强度为180mpa、210mpa、 240mpa 270mpa和300mpa等多个级别冷乳普板、电镀锌和热镀锌3大类的b h 钢板。bh钢加工化应变烘鍀礤化图1 bu钢硬化原理示意(3) trip 钢trip钢主要成分是c、si和mn，大致含有50%60铁素体、2540%氏体 或少量马氏体及51 5 %残留奥氏体。当trip钢板中存在一定量比较稳定的残留奥氏体时，在塑性变形的作用下，残留奥氏体逐渐增人产生应变硬化，诱 发丫马氏体的形核，产生相变而转变为马氏体，使局部的硬度得到提高，继续变 形较困难，变形向周围转移，颈缩的产生被延迟，随着相变的不断发展，材料获 得了很高的塑性。残留奥氏体和变

11、为马氏体引起位错密度的增加，产生位错强化， 材料的强度得到提高。钢板在相变后塑性和强度都得到提高，这种现象称为相变 诱发塑性，简称 trip 效应(transformation induced plasticity )o2000年以来，国|aj开始对trip钢进行大量深入的研宂。国内研发机构主要 有北京科技大学、上海大学、东北大学、宝钢、鞍钢、武钢、首钢等，经历了由 高硅向低硅的转化。至2008年，宝钢能够提供590 mpa的冷轧trip钢和热镀 锌trip钢，已经成功研发780mpa的冷乳trip钢,正在着手980 mpa冷乳trip 钢的开发。鞍钢冷trtp钢涵盖了高硅低铝、低硅高铝和低硅

12、低铝等几个系列, 试生产了 590mpa和780 mpa的冷轧trip钢,其屮590mpa的还进行了热镀锌的 工业试制。武钢完成了 800mpa级别冷轧和镀锌trip钢的实验室研发，通过nb、 v的微合金化,使得trip钢具有优异的强塑性综合性能。目前，国内的研究基本 上集中在3个方面:一是对热处理工艺的合理化探索；二是合金元素对组织与性 能影响的研究；三是残余奥氏体稳定性的研究。国内对600 mpa级以上热镀锌trip钢和800mpa级以上冷乳trip钢的研宄比较少，是今后努力的方向。(4) dp钢dp(双相)钢具有优良的力学性能和成型性能,是理想的汽车用高强钢板。高 强度双相钢是汽车结构中

13、应用最多的品种之一。目前，我国一些钢厂正在开发和生产dp钢，并不断应用于新型汽车。2008年， 鞍钢在大连镀锌线成功地进行了热镀锌双相钢590dp的工业试验，在冷轧厂3# 线完成了 cr340/590dp、cr420/780dp的试生产，具备了批量供货能力。武钢已完 成了实验室800mpa级别热镀锌、冷轧dp钢种的研发,600 mpa级別的双相钢己 完成工业试制并得到实际应用。目前，国际上可供货的冷轧双相钢板最高级别达到1180mpa,我国仅为780 mpa；热镀锌双相钢最高级别达到了 980mpa,我国仅为600 mpa。由此可以看出， 我w与世界先进水平和比还存在很大的差距，应该加强高级别

14、双和钢的研制。(5) 复相钢(cp)cp钢同trtp钢的组织类似，只是cp钢中含有马氏体而非残余奥氏体。通过 马氏体和贝氏体以及析出强化的复合作用，cp钢的强度可达800looompa，特别 适合于车门防撩杆、保险杠和b立柱等安全零件。目前，浦项的热轧cp980钢、冷乳cp1180和cp1470钢已经商业化。宝钢 利用钒钛微合金化技术，在2050mm热连轧机组上成功开发出抗拉强度为 1150mpa级的热乳复相钢b1150gj，带钢厚度为215710mm。310mm厚卷板轧态 下的典型力学性能为屈服强度825mpa、抗拉强度1165mpa、伸长率14°%。对于冷轧高强度结构钢，可以在连

15、续退火过程中通过复相热处理工艺获得不 同组织体积比率的铁素体+贝氏体+马氏体复和组织。这种冷乳复和钢具有良好 的综合力学性能，与常规淬火马氏体钢相比，在强度相同的条件下，有较高的初 性及塑性，因此在汽车工业具有广阔的应用市场。(6) twip 钢tw1p钢是最近几年国外为满足u l s a b计划需求而幵发的新型钢种，其 成分通常主要是fe,添加2 5 %3 0 %的mn，并加入少量a1和si，也有再 加入少量ni、v、mo、cu、ti和nb等元素。该钢在无外载荷使用时，冷却到 室温下的组织是稳定的残余奥氏体，但是在冇外载荷时，由于应变诱导产生机械 孪晶，会产生大的无颈缩延伸，显示出非常优异的

16、力学性能、高的应变硬化率、 高的塑性和强度。目前，鞍钢已在实验室研制出冷乳抗拉强度590mpa和780mpa的twip钢， 980mpa、1180mpa级twip钢正在研制开发中。(8) q&p 钢近几年，国外提出丫 一种新工艺猝火配分(quenching andpartitioning ,q&p)。此:艺可用来生产富碳残余奥氏体钢种，即q&p钢。 此工艺机理是基于碳在马氏体/奥氏体混合组织中扩散规律的一种新的认识与 理解。q&p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

17、氏体条 间的薄膜状残余奥氏体组成。q&p钢属于第三代高级高强度钢(ahss),可以达到的力学性能范围为抗拉强度8001500 mpa、仲长率15%40%。目前，w内外对q& p工艺的研宄还处于起步阶段，相关的理论研究仅为初 步探索阶段。q&p钢具有优异的强度和塑性综合性能，作为汽车结构用钢，可 大大减轻车体质量，增强车体抵抗撞击的能力，提高汽车运行的安全性，具冇很好的发展前景。内冷乳汽车钢板的发展趋势70 *h强度钢坂h><2iompa020040060080010001200w服强度/mpa实现轻量化需要的是高强度、好成形性；安全性则需要高塑性；低成本需

18、要的是低合金化和易加工化等，但往往高强度与高塑性是不容易同时获得的，塑 性好的钢强度往往低，而强度高的钢槊性又很差，故如果能同时获得这两种性 能，就能很好地满足汽车用钢板的要求。因此，高强塑积已经成为高性能汽车用 钢最重要的衡量指标。对汽车用薄钢板的高强塑积需求带动了高强塑积超高强度 钢的研制与应用的发展。图2为各类汽车用钢的强度与延伸率关系示意图。if：无间隙原子锁 mild: ft碳铝镇静81 hssif：商强度if钢 bh:供烤化1 is： 同性钢 cmn:破锰钢 hsla： ®强没低合金谢 dps双相钢 cp：醐 trip：相变诱发頌tt.tm mart：马氏体钢 twip：

19、华么诱犮塑性钢 stainless:不!秀（m b steel：热冲1k用钢图2各类汽车用钢的拉伸强度与延伸率的关系从第-代汽车用薄板的tf钢、dp钢和马氏体钢等钢种没冇或只冇少量亚稳奥氏体,trip钢具有小于等于20%的亚稳奥氏体，纳米贝氏体钢的约30%的亚 稳奥氏体，到twip钢的100%奥氏体，它们的强塑积从1015gpa%、20 25gpa%、4050gpa%，变化到60 gpa%。可见随着残余奥氏体的增加，钢的 强塑积几乎线性增加，所以亚稳奥氏体是高强高塑钢的必备组织之一。考虑到 twtp钢和奥氏体不锈钢等第二代汽车用钢的合金含量高导致成本较高的情况， 美国aisi组织多家大学、钢铁

20、公司和汽车公司研发第三代汽车用钢。第三代汽车钢通过合金化设计、形变及热处理等手段来对钢的组织进行调 控，获得具有较高强度的基体组织和具有trip或twip效应的亚稳奥氏体组织。 第三代汽车用薄板钢的力学性能指标应该是抗拉强度以超过trip钢（soompa）、 达到超高强的热成形马氏体钢（1500mpa）作为目标，塑性应该以超过trtp钢（在 800mpa 卜为 20°%）、达到 i f 钢（40°%50°%）和 twip 钢（50°%70% ）为 r标。 因而第三代汽车用薄板钢的强度和塑性可以定位在抗拉强度在8001500mpa、 塑性为20%40%、强塑积达到3040gpa%的级别。高的抗拉强度，特别是 对于抗拉强度不小于1500mpa的高塑性钢，意味着需要高强度的基体组织，基 体组织必然是马氏体、冋火马氏体组织或者亚微米其至是纳米晶组织。第三代汽车用薄板钢应该考虑利用硬软和相间的配合形变行为，利用亚稳相的trip/ twip行为以及不同尺、？晶粒对塑性的贡献等。所以高强高塑第三代汽车用薄 板钢的理想组织应该是马氏体和奥氏体复合的马奥组织。以“多相、亚稳、多尺 度”的m3组织为控制目标，应该是获得高强塑积钢的有效方法。表2为部分新 型汽车用钢性能汇总。表2各类新型钢