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1、冶金管理2009 年第 9 期翁宇庆董 瀚干 勇汽车的高性能、 轻量化和高安全发展需要先进钢铁材料作为基础。 汽车上应用和制造过程所涉及的钢材品种繁多： 铝镇静钢、IF钢、BH钢、IS钢、CMn钢、HSLA钢、DP钢、CP钢、 马氏体钢、TRIP钢、TWIP钢、奥氏体不锈钢、热成形马氏体钢、碳结钢、优碳钢、齿轮钢、螺栓钢、弹簧钢、轴承钢、调质合结钢、非调质钢、气阀钢、铁素体不锈钢、耐热合金、粉末冶金钢、热作模具钢、冷作模具钢、塑料模具钢、高速钢等30个左右。 它们应用于车身、发动机、传动、底盘和悬挂系统。汽车制造几乎牵涉到了所有的钢材品种， 汽车用钢发展也促进了这些钢类在其它领域的应用。应用于
2、汽车车身制造的冷轧和涂镀薄板钢的发展方向是：轻量化所需要的高强度、良好成形性和安全性提高所需要的高塑性、 低成本所需要的低合金化和易加工化等。 汽车用薄板钢发展迅速，上世纪90年代的热点是IF钢和BH钢，而今天人们更加关注的是高强度的DP钢、TRIP钢和热成形马氏体钢，甚至开始了第三代汽车用钢的研发工作。 随着碰撞安全性要求的提高，热成形马氏体钢发展迅速。目前国际上常用的是德国TK公司研发的22MnB5钢，他们还在研发更高强度的热成形钢。 我国钢铁和汽车企业也在研发热成形马氏体钢。钢铁研究总院研发了抗拉强度达到1500MPa、1700MPa、1900MPa、2200MPa四个强度级别的高塑性热
3、成形马氏体钢。 对于BCC组织结构而言，钢的强度超过1000MPa后，塑性下降幅度大。 研发热成形马氏体钢需要解决高强度导致的低塑性问题。考虑到TWIP钢和奥氏体不锈钢等第二代汽车用钢的合金含量高导致了成本较高的情况，美国AISI组织多家大学、 钢铁公司和汽车公司研发第三代汽车用钢。 它将有别于现有的以BCC组织结构为主的第一代汽车用钢和以FCC组织结构为主的第二代汽车用钢，以提高强塑积为目标。 钢铁研究总院等单位也在开展研发，试验钢的强塑积达到了40GPa%，较第一代汽车用钢强塑积翻番。长形钢材主要是各种类型的特殊钢材， 应用于汽车发动机、传动、悬挂、底盘等零部件。这些零部件一般需要承受各种
4、动载荷的作用，汽车的高性能、轻量化和高安全性同样需要这类钢材向高强度化方向发展。 但是高强度化导致的疲劳破坏和延迟断裂问题需要解决。为了降低成本和节约能源，汽车锻钢件应用了微合金非调质钢，同时提高了零件的均匀性。 近年来，微合金化元素成本持续提高， 需要研发少无微合金化元素的新型非调质钢。近年来，国内各单位积极研发汽车用钢，从过去的仿制学习，开始了自主创新研发先进汽车用钢。本文将论述近年来我们在汽车用钢方面的创新性技术研发进展。一、高强度、高塑性薄板钢汽车用钢占汽车总重的70左右。 传统汽车薄板钢的强度仅为200300MPa级左右， 随着汽车的轻量化发展，研发了强度为5001000MPa级的A
5、HSS钢(包括DP、TRIP、CP钢等)。 进一步的高强度化需求促进了热成形马氏体钢的产生， 热成形后的零件可获得1300MPa级以上的强度。 上述薄板钢都已经工业生产和应用。 我们开展了热成形马氏体钢板(HSMS)的材料生产与零件成形制造技术的研发， 并进行相关服役应先进汽车钢扁平材和长形材的研发进展技术与装备纵横42冶金管理2009 年第 9 期用性能评估。 研发促进现有热成形马氏体钢的强度从1500MPa进一步提高， 达到了1700MPa级、1900MPa级和2200MPa级。 但是，热成形马氏体钢的塑性较低，其强塑积一般小于20GPa%， 需要探索提高热成形马氏体钢塑性的途径。 第二代
6、汽车用薄板钢 （如TWIP钢）的研发是近年来的热点之一。为了达到高性能和低成本的目标， 我们开展了氮合金化的亚稳奥氏体不锈钢的研发工作。为了进一步降低成本，美国开展了第三代汽车用薄板钢的研发。 我们也在此方面开展了探索性工作， 在中低合金钢中获得了强塑积较第一代汽车用薄板钢翻番的结果。1超高强度热成形马氏体钢20世纪后期,热成形马氏体钢零件开始应用于汽车的防撞梁、A柱、B柱、保险杠、通道等安全部件，使汽车获得高碰撞安全性和轻量化效果。1500MPa级热成形马氏体钢与300MPa级的传统汽车用薄板钢相比可达到最大减重率58%， 而目前使用的最高强度级别的600-800MPa的AHSS钢减重率为2
7、4%-37%。 预计在未来5年， 汽车市场对热成形马氏体钢零件需求将持续增加。 我国部分引进车型已经应用热成形马氏体钢零件，部分国产车型也在开始应用此类零件。薄板钢热成形的工艺过程为： 将薄板钢坯料加热到奥氏体化温度，并在高温状态下利用模具冲压成形。高温的成形件通过带有循环水冷却的模具快速冷却下来，获得GPa级超高强度的马氏体组织。 目前，热成形马氏体钢的典型钢种为22MnB5， 组织为单一的自回火马氏体。 其抗拉强度达到了1500MPa级，延伸率为A805%，热成形件实物的强塑积通常在9-15GPa%范围。 汽车的发展需要进一步提高强度和强塑积。对碳含量为0.04%-0.77%的MnB系钢的
8、研究结果表明：碳含量在0.04%0.30%之间，随着碳含量的升高，钢的抗拉强度和强塑积同时增加。水淬和油淬冷却方式对钢的性能影响不大， 采用回火处理可以进一步增加强塑积；碳含量在0.34%0.56%之间，随着碳含量的升高，钢的抗拉强度增加，但强塑积保持不变。 水冷将可能产生淬火裂纹，强塑积需通过回火处理来保证。将碳含量提高到0.77%， 钢的抗拉强度和强塑积都明显降低。 研究证明，通过单一马氏体组织，获得更高强度和更高强塑积的难度大。对此，我们提出了新型的M3组织调控思路，即形成亚稳、多相、多尺度的组织来提高强塑积。 实现了对碳含量为0.21wt%的钢M3组织调控，特别是在钢中获得了一定数量的
9、亚稳奥氏体。此时，钢的强塑积获得大幅度提高。结果表明，提高亚稳奥氏体数量和稳定性对钢强塑积有明显的贡献，其强塑积可超过20GPa%。 同样，利用M3组织调控思路对含碳量为0.19%到0.51%的钢开展了研究， 可获得抗拉强度为1000-2300MPa和18GPa%以上的强塑积， 在2200MPa强度级别上获得了27GPa%的强塑积。我们将上述M3组织控制的思路应用到热成形马氏体钢零件的开发。 通过建设热成形马氏体钢中试线和热成形模具， 研发了1500MPa、1700MPa、1900MPa、2200MPa级热成形马氏体钢车门防撞梁零件。 在国家轿车质量监督检验中心， 依照轿车侧门强度标准GB15
10、743-1995和美国FMVSS214标准进行“轿车侧门防撞梁强度测试”，四个强度级别防撞梁通过考核。 强度提高将有效提高弯曲最大抗力 （从5000KN提高到6200、6700、7000KN）， 有效降低最大弯曲高度 （从158mm降低到133、128、120mm），改善碰撞安全性。2高塑性氮合金化亚稳奥氏体不锈钢亚稳奥氏体不锈钢是指具有奥氏体组织的不锈钢在形变作用下较容易转变成马氏体组织的一类不锈钢，如AISI301不锈钢。 由于亚稳奥氏体不锈钢优良的比强度及应变硬化能力，被应用在汽车结构件、底盘、油箱、防撞杆等部件中，提高汽车燃油经济性及碰撞安全性。 由奥迪、 宝马等6家汽车制造公司联合奥
11、托昆普、 蒂森克虏伯和安赛乐米塔尔承担的新一代汽车研究计划中挑选的4种不锈钢， 其中3种均为亚稳奥氏体不锈钢。 但是，由于此类钢含镍高，材料成本比碳钢和部分铝合金高，阻碍了在汽车中应用。随着冶金技术进步和高氮钢研究深入， 氮作为有益合金元素开始被应用于不锈钢。通过成分设计与形变控制，含氮亚稳奥氏体不锈钢的屈服强度可控制在5001200MPa间，满足汽车用钢的高强度需要，同时还具备耐腐蚀特性。氮合金化亚稳奥氏体不锈钢首先要求在室温具有亚稳特性，选择合金体系至关重要。 一般根据Ms点和Md点来判断钢的亚稳性。 由于Md在实际测量时较困难，故规定以材料变形30%、诱发50%马氏体转变的温度来衡量亚稳
12、性， 即Md30。 根据已经建立起的Ms和Md30经验式， 计算出目前主要存在的亚稳奥氏体不锈钢的Ms和Md点。 结果表明，常用亚稳奥氏体不锈钢的Md点均在室温附近。 结合修改的Schaeffler图， 几乎所有的亚稳钢均处于FCC单相区的凹谷处，并略微偏向FCC+M两相区。我们通过实验设计了4种技术与装备纵横43冶金管理2009 年第 9 期不锈钢。图1显示了XRD和磁性测量法获得的在冷轧过程中相转变现象。 对于镍、氮含量较低的M1钢，在较低变形下即发现了（200）、（211）峰的马氏体。 随着镍、氮含量的增加，冷变形过程中马氏体转变量逐渐减少。 对M4钢而言，在较小变形量下已经基本不发生马
13、氏体相变了。 没有发现明显的马氏体相变。图1亚稳奥氏体钢中的变形诱导马氏体相变随着冷变形量的增加， 试验钢的屈服强度显著增加。M1钢、M2钢的强度明显大于M3钢和M4钢。M1钢和M2钢的延伸率虽然较低， 但并不随冷变形量的增加而减小。而M3钢和M4钢的延伸率随冷变形量的增加逐渐减小。对于M1钢和M2钢，由于镍、氮含量较低，在很小变形时就发生了马氏体相变。 因此，力学性能主要取决于马氏体相和少量奥氏体相形变强化，强度迅速增加而塑性较低。比较M3钢和M4钢，尽管M3钢的强度高于M4钢，但是其延伸率却仍然高于后者。即M3钢比M4钢具有更好的强韧性配合。M4钢即使在变形50%时马氏体转变量也很少， 在
14、冷变形过程中M4钢表现为奥氏体的形变硬化。 随冷变形量增加，面心立方晶体中的位错密度增加，位错缠结、堆积导致强度增加，塑性下降。 而M3钢由于在冷变形中产生了一定量马氏体相变（约20%），使得M3钢比M4钢不仅强度高而且塑性也高。因此，通过控制亚稳钢的马氏体相转变量，在适当冷变形条件下，可获得既有较高强度又有良好塑性的钢。氮合金化亚稳奥氏体钢 （HNS） 的强度比低碳钢（LCsteel）和400系铁素体不锈钢高，也高于300系奥氏体不锈钢，其强度和塑性配合好。对亚稳奥氏体不锈钢进行了胀形成形和深拉成形等成形性能试验。M3钢具有良好的胀形成形性能和深拉成形性能。 适量的马氏体相变不仅不会导致应变
15、硬化指数降低，相反，马氏体相变会提高应变硬化指数，从而提高成形性能。由于采用氮合金化， 有效提高耐点蚀和缝隙腐蚀性能。 与AISI301钢和AISI201钢相比，研发钢具有更高耐蚀性能，结果表明其耐蚀性已经接近AISI304不锈钢。3第三代高强塑积汽车用薄板钢汽车用薄板钢的高强塑积(抗拉强度与延伸率的乘积)需求带动了高强塑积超高强度钢的研制与应用发展。 第一代汽车用薄板钢的强塑积在10-20GPa%水平， 已不能满足汽车发展对轻量化和高安全的双重要求。 比如抗拉强度在200-1000MPa范围的IF钢、BH钢、HSLA钢、双相钢和TRIP钢等薄板的强塑积为15-20GPa%水平,超高强度马氏体
16、钢的抗拉强度达到1500MPa，强塑积约为10GPa%左右。 近年来人们相继开发了不同强塑级别的TWIP钢和亚稳奥氏体钢，它们的抗拉强度可以达到800-1000MPa， 强塑积达到了60GPa%的级别。但这些汽车用薄板钢中添加了大量的Cr、Ni、Mn、Si和Al等合金元素，材料成本较高。同时由于高合金含量，特别是高Mn含量，导致了工艺性能较差，冶金生产难度大，限制了其生产与应用。 为了适应节约资源、 降低成本、 汽车轻量化和提高安全性的要求，需要研发高强塑积超高强度、低成本的第三代高强高塑汽车用薄板钢。那么第三代汽车用薄板钢应该拥有什么样的组织结构类型，应该具备什么样的强度水平和塑性级别，应该如何进行研发和生产呢？ 从第一代汽车用薄板的IF钢、DP钢和马氏体钢等钢种没有亚稳奥氏体或少量亚稳奥氏体，TRIP钢具有20%的亚稳奥氏体， 纳米贝氏体钢约30%的亚稳奥氏体，到TWIP钢的100%奥氏体， 它们的强塑积从10-15GPa%、20-25GPa%、40-50GPa%，变化到60GPa%。 可见随着残余奥氏体的增技术与装备纵横44冶金管理2009 年第
