浦项TWIP钢的研发与试生产简介

齐殿威 周舒野

        现代汽车工业正不断向节能、降耗、环保及更安全的方向发展，促使钢铁行业开发超高强度钢，近年来以汽车轻量化为目标的研发成为钢铁企业和科研部门的重点内容之一。随着钢板强度的提高，生产中相应地对汽车用钢的强韧性水平又有了更高的要求。此外，为了提高汽车的抗撞安全性能和降低生产成本，汽车用钢被要求具备尽可能高的吸收能、高成形性、高扩孔性、优良可涂镀性。

        为实现这一目标，近年来世界主要汽车钢生产企业和科研部门开展了集中攻关研发，开发出一系列兼具高强度和高延伸性的汽车车身用钢，如双相(DP)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢和复相(CP)钢等高强度钢，以及正在汽车制造业上商业化试应用的孪晶诱导塑性(TWIP)钢。这些种类的钢中以TWIP钢的综合性能为最佳。该钢主要化学成分(质量分数，％)大致为C 0.03~1.5，Mn 5~35，A1≤3、Si≤3，其余为Fe。此外，在实际生产中还可添加其他各种合金化元素。TWIP钢的主要力学性能特点为：断后伸长率可达30％~95％，抗拉强度一般在600MPa~1924MPa，部分试验产品的强塑积已高达50000MPa·％以上，是高强韧性TRIP钢的2倍。

        浦项制铁是较早研发TWIP钢的国际著名钢铁企业，尤其是在TWIP钢被韩国政府列为重点研发课题以来，浦项加快和加强了TWIP钢的研发速度和力度。本文主要根据韩国浦项制铁公司在世界知识产权组织(WIPO)申请公开的孪晶诱发塑性钢(TWIP钢)的典型专利技术，概述了浦项新开发的汽车用内、外面板、加强部件、抗撞击吸收部件和其他结构用途的TWIP钢研发动态。此外，文章还详细介绍了浦项制铁公司试验生产高强度、高塑性以及具有优良涂镀性和加工性等特征的TWIP热轧板、冷轧板及镀层板的试生产情况。

化学成分

        目前，国际上对TWIP钢的研发包括第一代Fe一25Mn一3Al一3Si一0.03C系列，以及第二代Fe一23Mn一0.6C系列。其中，以安赛乐米塔尔与蒂森克虏伯合作开发的Fe—Mn—C系列TWIP钢较为典型，抗拉强度级别已经覆盖600MPa~1400MPa，主要用于制造车架和底盘等汽车结构件。浦项开发TWIP钢的成分设计基本以第二代为主，成分主要根据钢的品种、用途和专利申请保护范围需要等因素而设计。浦项开发的各类TWIP钢的典型化学成分见表1。

        就浦项的成分方案而言，从表1中可以看出以下几个特点：其一，两种热轧板的成分设计思路不同。热轧钢板A的Mn含量上、下限都较低，而且添加大量的Ni和Cu合金元素；热轧钢板D没有明确规定添加何种合金元素，但Mn含量上、下限都有所提高。其二，两种热轧板钢对Si和N含量没有明确限定，也没有提及可涂镀性能。相反，其他涉及镀层的钢B、D和F都对Si和N含量作出明确限定。其三，两种热轧板成分设计，与开发单一镀层板和可提供热轧、冷轧和镀层板的B、D和F钢相比，成分设计比较简单。其四，开发的镀层钢B的成分设计方案相对最为复杂，所涉及的元素多达23种。其五，均能提供热轧板、冷轧板和镀层板的D和F钢的成分设计也有差异，其主要成分C、Si、Mn、P、S和Al含量大同小异，但其他合金元素有所不同。D钢对添加Cr、Ca作了明确限定，而对Nb没有规定含量范围，而F钢仅对Nb规定了含量范围，规定添加合金元素种类较少。

生产工艺

浦项开发的各种TWIP钢的主要工艺参数见表2。

        从表2可知，只生产热轧板与生产单一镀层板和可以提供热轧板、冷轧板和镀层板的TWIP开发钢相比，因成分设计、用途等不同，其主要生产工艺参数有较大差异。这具体表现在：首先，生产热轧钢板A和E时，其板坯加热温度范围较窄，温度波动幅度仅为40℃，而生产单一镀层板，或可以提供热轧板、冷轧板和镀层板的B、D和F钢板坯加热温度范围较为宽泛，温度波动幅度为250℃。其次，生产A和E钢时都明确限定冷却停止温度，但未明确界定热轧卷卷取温度，相反，生产B、D和F钢时未明确界定热轧板卷冷却停止温度，但却界定了热轧板卷取温度。

        此外，从表2可以看出，生产B、D和F钢时的板坯加热温度、热轧终轧温度、热轧板卷取温度、冷轧压下率、冷轧后退火温度和冷轧后镀层用镀液温度几乎相同。

试验和结果

热轧板

        试验中，技术人员将板坯加热至1200℃并保温l小时。在900℃时开始进行热轧，然后水冷至680℃。再在1100℃~1200℃条件下进行1分钟~3分钟短时热处理。最后，截取试样检测强度、伸长率和扩孔率等性能。试验结果表明，热轧板的扩孔率高达42.6％以上，平均奥氏体晶粒尺寸在18μm以上，伸长率为50％以上，强塑积在50000MPa·％以上。

一次冷轧板

        浦项技术人员将板坯加热至1200℃并保温l小时，然后进行热轧，终轧温度900℃。在650℃时卷取热轧板，之后对热轧板进行酸洗，接着以50％的压下率进行冷轧。随后，在800℃条件下对冷轧板进行模拟连续退火热处理，而后再在400℃条件下对退火板进行400s（秒）的过时效处理。最后，在冷轧板上按照JIS标准（日本工业标准）截取拉伸试样，并在万能试验机上对试样进行力学性能测试。

        试验结果表明，浦项开发的冷轧TWIP钢抗拉强度为678MPa~934MPa，伸长率在40.3％~80.9％。此外，冷轧板的屈服强度低、抗拉强度高，即屈强比低，而加工硬化性良好，兼备高强度和高塑性的特点。因此，此种钢适用于制造变形程度大且要求强度高的车身零部件，如车门加强板和保险杠等。

经二次冷轧的冷轧板

        浦项技术人员经过试验发现，对单一高锰奥氏体相的试验钢进行二次冷轧，可以获得更高的强度。例如，如果一次冷轧板的屈服强度和抗拉强度分别为471.3MPa和939.9MPa，那么经过若干二次冷轧后，其主要力学性能有所提高。

        经过二次冷轧的开发钢的屈服强度和抗拉强度均有大幅提高。其中，尤以压下率10％和20％的轧制效果最佳，屈服强度在750MPa以上，抗拉强度在1000MPa以上，伸长率最高达44.6％，强韧性俱佳。另外，二次冷轧后的TWIP钢抗拉强度最高可以达到1924MPa。

镀层板

        技术人员将板坯加热至1200℃，然后进行热轧，在620℃时卷取热轧板，并进行空冷。之后，再采用HCI（稀盐酸）溶液清除热轧板表面的氧化铁皮，随后以70％压下率对热轧板进行冷轧，获得冷轧板。之后在试验中，技术人员再将冷轧板在620℃~880℃的N2+10％H2混合气氛下退火处理90s，接着在460℃条件下的Zn+0.013％Al的锌铝镀液中进行镀层。最后，在540℃条件下工作人员对钢板进行合金化热处理，发现在钢板表面最终形成成分含量Zn—Fe—Mn合金化热镀锌层。

        试验结果表明，在高锰钢板的表面可以涂敷Zn—Fe—Mn等成分的热镀锌层或合金化热镀锌层，没有发现裸镀区，说明钢的可涂镀性优良。经过SST（salt spray test,盐雾）和CCT耐腐蚀试验，其镀膜气泡均在4mm以下，这表明镀层后的钢板耐腐蚀性优良。  

结语

        随着浦项等世界大型钢铁企业对TWIP钢的深入研究和开发，TWIP钢的力学性能、可镀性、表面质量等各项指标的综合性能将越来越稳定。以汽车轻量化为目的而开发的、具有优良综合力学性能的TWIP钢将逐渐成为汽车用钢的主力军。  

信息来源：中国冶金报