低成本热轧高强汽车板的研发及应用

　　目前中国已成为世界汽车产销第一大国，但超过55%的对外石油依赖度和日渐恶化的城市环境让我国汽车工业的压力无比沉重。因而，汽车节能减排已成为汽车产业发展中的一项关键性研究课题。新能源汽车技术和轻量化技术是解决汽车节能减排的主要举措，而且新能源汽车技术在乘用车上已经取得一定应用进展。但从目前来看，受到电池技术的制约，电动汽车的性能与传统汽车相比还有一定的差距，同时新能源汽车技术在重载汽车上的应用更是困难重重。新能源汽车真正成为替代石油汽车的主力军至少还需十年到二十年。所以，传统能源汽车的结构减重对于汽车工业的发展仍然具有重要意义。研究表明，汽车自重减少10%，可降低油耗6%-8%，降低CO2排放13%。因此，在保证汽车强度和安全性的前提下，轻量化是目前汽车节能减排有效的技术措施之一。

　　重载汽车产量占国内汽车总产量30%，其车身70%为钢铁材料。车厢用钢和大梁用钢的主要材料为Q345和510L。车轮用钢的主要材料为Q235和490CL等，钢板强度低，车身自重大。采用超高强度薄钢板替代低强度厚钢板，可在减少钢材用量的同时提高有效负载能力和运输效率，从而达到节能减排的目的，对国民经济的健康可持续发展具有重要的意义。国外已逐步将屈服强度为700MPa级钢板广泛应用在重载汽车生产制造上，如瑞典SSAB公司的Domex系列、日本JFE的NANOHITEN等。而国内700MPa级以上汽车板产品种类相对较少，合金用量相对较高，产品综合性能与国外同级别产品存在一定差距。

　　1国外热轧超高强汽车板的成分设计及工艺路线

　　国外超高强汽车板的研制开发工作起步较早，产品综合性能优良，已广泛应用于重载汽车零部件制造。表1为几种国外典型热轧超高强汽车板的化学成分。表2为其相应的显微组织类型、力学性能及应用。瑞典SSAB公司的Domex系列采用低碳高锰复合添加微合金元素Nb、V、Ti的成分设计思路，通过控轧控冷工艺，获得屈服强度达到650MPa和700MPa钢板，该钢板主要应用于卡车底盘。Takahiro Kashima等以0.05%C-0.5%Si-1.5%Mn-0.13%Ti为基本成分，通过控制热轧工艺参数获得具有双相组织的高翻边性能热轧板，该钢板主要应用在汽车支撑臂等悬挂部件上。R.D.K. Misra等以0.05%C-1.5%Mn为成分基础，同时添加微合金元素Nb、Ti、Mo和B，通过晶粒细化实现钢板的高强韧化。Yoshimasa Funakawa等提出了超低碳铁素体析出强化型高延伸凸缘性能钢板，以0.047%C-1.59%Mn为成分基础，利用Mo提高TiC析出粒子的稳定性，通过控制纳米析出粒子（Ti，Mo）C的相间析出行为获得780MPa级热轧超高强度钢（NANOHITEN Steel），析出强化对屈服强度的贡献量可达300MPa以上，产品主要用于汽车悬挂件和车轮轮辐等行走部件的制造。此外，JFE开发出980MPa级热轧超高强Ti-Mo-V合金化钢板，通过提高C、Mo及Ti含量，并添加V，大幅提高钢板强度，且获得了铁素体组织，保证了较高的断后延伸率。

 

表1 国外典型超高强汽车板的化学成分 质量分数, %

符号说明：/ 表示未添加，√ 表示添加该元素，但无具体含量数据。

表2 国外典型超高汽车板的显微组织、力学性能及应用

　　2国内热轧超高强汽车板的成分设计及工艺路线

　　与国外相比，国内热轧超高强汽车板的开发起步较晚。近年来，超高强度汽车用钢开发逐步得到重视并已成为国内钢铁企业、科研单位及汽车制造厂的研发热点，企业与科研单位合作开发进程不断加快。目前宝钢、太钢、鞍钢、本钢、马钢、天津铁厂等均已实现了700MPa以上超高强汽车大梁钢的工业化生产。从化学成分上看，多数采用低碳高锰复合添加Nb、Ti、Mo，Mo的添加可以有效抑制多边形铁素体形成，有利于析出强化效果的发挥；也有采用低碳高锰添加多种微合金元素Cu、Mo、Ni等的化学成分体系，通过工艺控制获得低碳贝氏体组织，进而实现高强韧化。国内汽车大梁用钢的强度级别已接近国外先进水平，但贵重合金元素Mo、Cr、Ni及Cu等的含量较高，对生产成本有一定影响。

　　车轮作为汽车的重要部件，对汽车的行驶性能有着重大的影响。长期以来，人们一直致力于改善车轮的形状、车轮的设计参数及制造工艺，而所有这些都离不开车轮材料的改善。车轮材料相应也朝着适应车轮高速运转、降低燃耗等要求的方向发展。据分析，汽车车轮一类旋转件应用高强钢来减轻质量的节能效果相当于非旋转件的1.2-1.3倍。为此，近三十几年来开发了不同种类高强钢用于制造车轮，获得了明显减重效果。国内汽车车轮用钢市场需求量巨大。目前大量使用的是330MPa、380MPa、420MPa级别的车轮钢。随着汽车结构减重、减低油耗的要求越来越强烈，抗拉强度490MPa、540MPa和590MPa级别的车轮钢的需求在不断增加，更高级别的车轮钢也逐渐引起人们的重视。而国外550-600MPa级别的车轮钢已经在大量使用，抗拉强度为690MPa级和780MPa级的车轮钢也已经开发成功并得到应用。

　　3新一代低成本热轧汽车板的组织性能控制技术及工业实践

　　东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室在王国栋院士的带领下，以低成本的成分设计思路，在系统研究高强热轧汽车用钢微观组织控制理论与工艺的基础上，设计开发出不同成分体系、不同强度级别的新一代低成本热轧汽车大梁及车轮用钢系列产品，并实现了工业化生产及应用，产生了显著的经济社会效益。

　　3.1抗拉强度700-780MPa级Nb-Ti铁素体-贝氏体大梁用钢

　　固溶的Nb原子对奥氏体晶界产生拖曳作用，且轧制过程中Nb微合金碳氮化物会形变诱导析出，析出物对奥氏体晶界及位错有钉扎作用，显著阻碍形变奥氏体的动态再结晶的进行，从而扩大未再结晶区范围，实现两阶段轧制。含Ti低S微合金钢中，所形成的常见析出物为TiN和TiC。Ti与N之间有着十分强烈的化学亲和力，在炼钢和连铸过程中，TiN已经开始析出。由于TiN属于高温析出物，故其尺寸粗大，尺寸多在50-500nm之间，部分颗粒达到微米级，一般呈方形或长方形，大多在晶界上形核析出，对钢板强度无贡献量。但适宜尺寸的TiN颗粒可在再加热或焊接热循环过程中抑制奥氏体晶粒粗化，起到提高韧性的作用。TiC的析出峰值温度在500-600℃左右，多为球形，且尺寸一般为纳米级，细小的TiC析出粒子对钢板具有极强的析出强化作用。

　　利用Nb-Ti微合金化技术，结合优化的控轧控冷工艺成功开发出低成本抗拉强度700-780MPa级Nb-Ti大梁用钢，并在国内两家钢铁企业完成工艺试制，且实现批量供货。观察780MPa级Nb-Ti大梁钢显微组织，发现其主要由晶粒尺寸为3-5μm铁素体与粒状贝氏体组成，粒状贝氏体由板条束及细小弥散的M/A岛组成，板条束内的亚半条宽度为200-500nm。在铁素体和贝氏体铁素体基体上分布着5nm高体积分数的（Nb，Ti）C析出粒子。计算表明析出强化对屈服强度的贡献量达300MPa以上。780MPa级Nb-Ti大梁用钢具有良好的低温冲击韧性，韧脆转变温度在-60℃以下，与国内外同强度级别超高强钢的冲击功对比，在测试温度范围内达到或高于同级别产品冲击性能。

　　3.2抗拉强度540MPa级细晶铁素体-珠光体车轮用钢

　　540MPa级低成本车轮钢以Q235碳素钢为基本成分，通过降低碳含量来保证车轮钢较高的韧塑性及良好焊接性能，适当提高Mn含量继而降低奥氏体向铁素体转变的开始温度Ar3，扩大奥氏体区，利于在未再结晶区进行控制轧制，细化铁素体晶粒，同时利用Mn在钢中的固溶强化作用。在此基础上添加0.015Nb，微量Nb原子以固溶形式存在于奥氏体内，其固溶拖曳作用可以有效阻止奥氏体晶粒长大和抑制奥氏体静态再结晶。Nb也增大奥氏体稳定性，降低其相变温度，通过控轧控冷工艺铁素体晶粒尺寸可达5-10μm。540MPa级低成本车轮钢在具有高强度的同时，冲击、扩孔及疲劳性能优良，综合力学性能及与其他钢种对比如图1所示。

　　3.3抗拉强度590MPa级V-N车轮用钢

　　我国V矿储量丰富，利用V取代Nb可以减小对国外矿产原料的依赖。V的微合金化机理与Nb不同，由于V在奥氏体内溶解度很高，所以在高温很难析出，且固溶V原子对于奥氏体晶界的拖曳作用很小，因此V对抑制奥氏体的再结晶作用很弱。V的控制轧制温度较高，通过奥氏体反复的再结晶细化晶粒。卷取时析出的纳米级V（C，N）粒子具有很强析出强化作用，且析出速率随N含量增加而显著提高。实验室与首钢总公司合作开发抗拉强度590MPa级V-N车轮用钢，显微组织主要为细晶铁素体、珠光体及少量贝氏体。590MPa级V-N车轮钢扩孔冷弯试样形貌如图2所示，试验钢的扩孔率达到95%，且具有良好的冷弯性能，冷弯试样表面无肉眼可见裂纹。

　　3.4抗拉强度700-780MPa级超低碳Ti-V与V-N铁素体高延伸凸缘性车轮用钢

　　钢中的马氏体、珠光体及M/A岛为C含量较高的硬脆相组织，在外加载荷的作用下易由于应力集中而成为裂纹源，从而降低材料的韧塑性。超低碳的成分设计思路避免了富碳相的形成，铁素体组织具有均匀的局部变形性能，因此可以获得很高的延伸凸缘性。碳含量的降低及组织强化作用的缺失是发展高强度铁素体钢的瓶颈。为了提高钢材的屈服强度，通过添加成本较低合金元素Ti-V或V-N，利用细晶强化与析出强化作用大幅提高钢材的屈服强度，从而成功开发抗拉强度700-780MPa级超低碳Ti-V铁素体车轮用钢。

　　4结语

　　在低成本成分设计及高效能轧制工艺的思想指导下，通过在实验室前期理论探讨及工艺优化，后期与多家知名钢铁企业合作，研究开发出不同成分体系、不同强度级别的大梁用钢和车轮用钢，产品性能优良，部分品种实现了工业化生产和应用，为企业创造了很高的经济效益，并对国家节能减排目标的实现做出了贡献。

　　新一代低成本超高强汽车板的研究开发还有很长一段路要走，微合金元素的匹配及相应的控轧控冷工艺还需不断的优化，相变机理、强韧化机制有待进一步深入研究。成形性问题、焊接问题以及内应力问题是制约超高强钢板推广应用的关键问题，实验室正在与相关企业和研究单位合作开展相应的研究工作。

信息来源：《世界金属导报》