高品质钢铁材料的研发与应用交流材料

减轻重量和提高碰撞性能的微合金化高强钢在汽车中的应用减重和提高碰撞性能是汽车工业的两个重要目标。减重意味着降低燃料消耗量、降低CO2的排放以及改善驱动性能。使用高强钢来代替传统的低碳钢可以减轻单个零件50%以上的重量。提高碰撞性能对于生产安全的交通工具和在国际碰撞测试如EuroNCAP中达到五星级标准是十分重要的。使用微合金化高强钢，这两个目标都能够达到且比其他轻量化材料更具成本优势。这类钢具有良好成型性和焊接性，可以采用常规的成型和焊接焊接设备生产零件。本文主要以瑞典钢材公司SSAB生产的铌合金钢为例，介绍其生产、成型性能、焊接性能以及在汽车工业中的最新应用。合金钢的钢种包括沉淀强化热轧钢、沉淀强化冷轧钢、双相冷轧钢和马氏体冷轧钢。1、 钢种的说明DomexMC是一类热轧高强度冷成型钢。所有钢种均采用铌微合金化，可提供的屈服强度等级从315MPa到700MPa。Doco1和DogalYP钢是典型的高强度微合金化冷轧和热镀锌钢，可进行通常的压制、成型和弯曲操作，并提供相符的性能以满足现代高速生产方式。Doco1和DogalDP是冷轧双相钢，这些钢可在连续退火生产线或热镀锌生产线上进行热处理而得到双相组织。其中一相为铁素体，保证独特的成型性能；另一个相是马氏体，提供强度。钢的强度随硬相马氏体的比例增大而提高。与常规的双相钢相比，DogalDPX钢具有更好的成型性能特别是弯曲成型性，可进行反向弯曲操作。DocolM是冷轧全马氏体钢，极高的强度是通过从高的奥氏体温度范围水淬得到的。2、 合金化SSAB可提供很多铌微合金钢，所有这些钢种都具有高强度。铌微合金化的主要作用是晶粒细化和沉淀强化。所有的DomexMC钢中都用铌，含量最高可到0.07%。有8个不同的强度级别，最低屈服点从315MPa到700MPa。表I给出了典型成分的三个例子，添加其他微合金元素如钒和钛可达到最高的强度等级。表1给出SSAB生产的含铌冷拉钢和热镀锌钢的典型化学成分，所有这些铌微合金钢均是Al镇静钢。表1高强度铌微合金钢种的典型化学成Crude1XInSbiML'F4JIHlFS5mMCUdoien屯胁MCx Mt.IIR-MA11IK-M4OJ07OJO?imiIJIJD.IND.ffi5DIhV,Ti1[R.-MAIiQl-nJIcdrzBLnrmlh>vilDixdI|g・|CK-MACRMACR-JVlACR-MA珂DD5DJQSQPfrI询D』O035OLDlD.BJD.lMllE-MACLul日低iBedEHznxiJI呼km!bocolMillBl*1Dft-idIlli耶DPfR-JW5II34102tk-DFCold-rnlleddualphaseDccdIL2UUM|.Xw>iIM*MCK-M.CR-MCi.iL13.17IM]规d哒。.呛CR-MCokl-ralkdnurc^iiikDottNMni3Ih.dl5<irJ\PHDO-MAIIDChMAMBDMD.l^D飘RjMIai»Q.IHbinii£I.Xi-MA-Clnt-dkpgilvnni?!Dd.nncmill(n'QilD如WiODPHlXi-DI'0.15Qj5IlJSOii巒*CLIH5；i>2CrILIXj-DP-Hiyl-dti dual3、工艺在瑞典钢铁公司SSAB中，高强度钢米用氧气顶吹转炉冶炼，随后进行连铸。在冶炼过程中对硫化物性状进行控制以提高成形性。铌是至今为止所知的升高无再结晶温度最有效的元素，如图1。在热轧带钢生产线上，板坯在两个步进式加热炉中加热到约1250°C,然后采用一个初轧机和一个六机架精轧机进行传统控制轧制。粗轧后，中间坯在热卷箱中热卷，使其温度均匀，然后进入精轧机。典型的终轧温度大约875C,卷取温度约为600C以使所有铌合金钢的沉淀强化作用得以最大化。InitialSoluteInitialSoluteConleiM,at%CJQ⑴dEQlUO1EN亠--E«”」<Joa:图1在0.07C,1.40Mn,0.25Si钢中随着不同微合金元素的含量的增加其微再结晶温度也随之升高冷轧和热镀锌钢种均在热轧后酸洗并冷轧，冷轧压下量大约为65%。冷轧微合金钢在热轧过程中产生最大程度的沉淀强化作用。热处理的目的是使冷轧脆性显微组织发生再结晶，同时保证沉淀物不会粗化。SSAB采用三种不同的生产路线来进行这种热处理：罩式炉，连续退火生产线，热镀锌生产线。图2给出了连续退火微合金钢的时间和温度循环。双相钢、全马氏体钢则与微合金钢不同，这些钢的强度由热处理产生。双相钢和全马氏体钢均是从a/y相区或Y相区淬火冷却的。图3给出了连续退火双相钢的时间与温度循环。图2微合金钢的典型时间与温度循环Time图3双相钢的典型时间与温度循环通过显微镜观察热轧钢Domex700MC、冷轧钢Docol420YP和热镀锌钢Dogal350YP的显微组织；。热轧钢Domex700MC的显微组织是平均尺寸约为3-4例的不规则铁素体，冷轧钢Docol420YP和热镀锌钢Dogal350YP的显微组织则主要由铁素体及存在于晶界处的珠光体组成。双相钢和马氏体钢加入合金元素铌是为了控制晶粒大小，获得细小晶粒。较为均匀的晶粒可以获得较为一致的力学性能。细小的晶粒尺寸小有助于得到细小分散的马氏体下从而达到较高的抗拉强度。铌合金化的一个负面影响是铌促进冷却过程中铁素体的形成，而在SSAB的连续退火双相钢和马氏体钢生产线上，由于采用快速水冷使得这种情况不会出现。4、拉伸性能DomexMC钢的力学性能基于欧洲标准EN10149按不同的强度等级来分类。根据标准，伸长率采用A80标准时试样厚度小于3.00mm，采用A5标准时试样厚度等于或大于3.00mm。表2铌微合金钢典型的拉伸性能Gfriidr¥kidSlrcagth(mln41cHflilrSlrrH^th(min)|MPa|I1.HaiiKHtionAh{割恢)|%|1<3.VrumLlkbh|u；iiiiiiir1i'(mbl|%|■2J"IIMHDomex5DUMCJIR-MA50055014】8□umex他UMCJIK-MA600]}16DcmexTOOMCHR-MA70075010122朗VPCR^MA卿J7026LXiml35<1YlaCR-MA倾411322Docol420YPCR-MA420斗如16叶刑500¥PCR-MASOO57012Docol射旳DPCH-DP500SODKDlk^I1000DPOR-DP700low5PixelIJflOM(UA1^503Dncol]-M)0MCR-M113-DI4O<)3Do辭13和YTHDCr-MA55042022D呻142()YPHDCj-MA4204MJR300YPHDG-MA50060010価DPHWi-DPSOOROD10Dof；alfiWiDPXittKi-Dr*20ECW10所有Domex、Docol和Dogal钢的力学性保证在规定的最大和最小值范围内。表2给出了铌合金钢典型的最小拉伸性能。5、冷弯性能

表3给出了特定材料特定板厚条件下在不发生开裂的情况下获得的最小弯心半径（适用于所有弯曲方向）。在相同的屈服强度水平下，微合金钢一般比双相钢的弯心半径要小。表表3给出了特定材料特定板厚条件下在不发生开裂的情况下获得的最小弯心半径（适用于所有弯曲方向）。在相同的屈服强度水平下，微合金钢一般比双相钢的弯心半径要小。表3SSAB的锯微合金钢典型的冷弯性能GradeMinimumrceommendedbendingradiusin9(}degreebend+1<3mmIXimexX)nMCIlomex何川MrIJomcx70(1\\CDocgJ280YPDocol350Y卩Docol420Y卩Docol500YPDocolKOODPDocoJ1000DPDocol1200MDglIMMDoga!350YPDugal420YPDog^l500YPDogalMOODPDoga!SOODPX0.6xI{OXk0*0.71Hl1Xt)*O.Bxt(1Jxt)*0(IxtO.ttxt().5xtinKtLOxtxt40xt4(1xt0J)X[05xt1hxtLl>xI07x(Forthickness3mm6、焊接性能由于采用较少的合金加入量，SSAB生产的所有高强度钢均可以用传统的焊接方法进行焊接，这些方法包括点焊、缝焊、MIG/MAG焊接和激光焊接。微合金化钢种由于非常低的碳当量而更容易焊接。在点焊时，即使是双相钢和马氏体钢，均可较宽的电流范围内进行焊接且伴随焊接接头的塑性断裂特征。在某些情况下，失效模式是部分顶头失效，但大多数失效形式是全顶头失效。图4给出了铌合金双相钢Docol1000DP典型的焊接参数，这个图同时显示了当电极压力增加时电流范围会变得更宽。Minplugdiam-iWwkincidiitaEl41*新6mrny^eldtrue.14cyMinplugdiam-iWwkincidiitaEl41*新6mrny^eldtrue.14cyHoklthTie:10cyEl&clro>cl&<arc&5000制400C14Weldji>gcunent(KAI,8g10图4Docol1000DP1.20mm厚板材的典型点焊参数，失效形式为全顶头失效高强度钢的MAG焊接中，一直至到800MPa的抗拉强度，焊接接头的抗拉强度均可保持与基材一致。超过这一强度水平，在热影响区会发生一定程度的软化，然而随基材强度的升高焊接接头的强度仍然在增加。7、疲劳性能在基体金属试验中，屈服强度的增加对于疲劳强度和疲劳寿命都是有益的。对于光滑试样这种影响是重大的，即使对缺口试样也显示出屈服强度升高的有益影响。无论屈服强度的增加是来源于加工硬化、烘烤硬化还是由于钢种强度级别的提高，疲劳强度的增加多是相等的。无论在试验条件下还是在实际应用中，边缘状态都是至关重要的。焊接接头的疲劳强度一般不受基材强度的影响。因此在其他参数都保持不变的情况下，高应力条件下应用高强度钢将会导致疲劳寿命的降低。然而，还是有一些措施可以采取以便于在高疲劳载荷时应用高强度微合金钢。这包括几个方面，如巧妙的设计(由板状作用变成趋肤作用，使焊接接头位于较低压力区域等)，增加点焊密度和/或直径，提高焊接质量和/或连续焊接后进行焊后处理以及使用替代连接方法(激光焊、粘合剂、焊接搭头)。8、应用铌合金高强钢在汽车工业中的典型应用包括传统的保险杠增强件、车门冲击桁、座椅结构件和座椅机械装置。新的应用领域则包括汽车车身中不同的能量吸收构件。这一趋势在ULSAB-AVC(超轻钢车身——先进汽车概念)中被明确指出，该项目表明中型轿车的车身可使用高达83%的先进的高强度钢(其中75%是双相钢)。据报道，在欧洲汽车车身使用的先进高强度钢的最高数量已经达至20-30%。图5表示目前使用双相钢一些典型的例子。(a) (b)图5铌合金钢的典型应用：用双相钢Docol1000DP冲压的车门冲击桁用双相钢Docol1000DP冲压的保险杠增强件应用微合金钢的主要包括底盘部件、座椅框架和机械设备。其他应用有保险杠增强件、车门冲击桁和车身结构部件如冲撞盒。其主要优势是良好的可焊性与非常好的冷弯性能的结合。从结构的角度来看也具有优势，可在部件的整个横截面上实现高屈服强度而无需加工硬化。双相钢有越来越多不同的应用，包括座椅框架和座椅机械设备、保险杠增强件、车门冲击桁和不同的能量吸收车身部件。使用双相钢可以比微合金钢达至更高的抗拉强度，而且还可获得成形性和焊接性的结合。马氏体钢用于座椅框架和座椅机械设备、保险杠增强件、车门冲击桁和特定的车身部件，可提供最高的拉伸强度和最大的重量减轻。尽管与双相钢相比其成型性较低，但也可利用冲压、弯曲、辗压成形来制作零件。对于这些高强度钢种，获得良好的焊接性能也是可能的。结论减轻重量和改善碰撞性能对于开发新的汽车越来越重要。更多地使用先进高强度钢是满足这些要求的一个重要途径。在瑞典钢铁公司SSAB,铌微合金化广泛用于汽车工业以获得高强度，改善成形性