钢铁材料冶金技术的进步——薄钢板

　　目前，汽车用钢板向高强度化快速发展。薄钢板采用冲压成形加工成要求的三维形状部件，不仅要求高强度，而且还要求有良好的加工性。因此，对钢板的冲压成形性、冲击能量吸收能力、疲劳特性、耐蚀性以及提高焊接部位特性等的要求将进一步提高。为了满足这些要求，控制显微组织特性及其控制技术的确立非常重要，是今后钢铁材料发展不可缺少的技术。

　　近几年，随着汽车产量的大幅增加，强烈要求自然环境和社会环境的和谐共融。以上世纪70年代美国制定的企业平均燃油经济性标准（CAFE）为代表，当初以石油危机为契机的节能，到后来发展为防止地球变暖减排二氧化碳的提高燃油效率的技术开发。为了进一步加速这些技术开发，1994年又强化了车体碰撞安全性标准。一般提高车体碰撞安全性是通过增加车体结构钢材的厚度和增加加强材等，这样就增加了车身重量，使燃油消耗率上升。为了提高燃油经济性，积极推进提高发动机效率和降低摩擦阻力等措施，满足这些要求的方法之一，研究或已实施了原材料的高强化和轻量化。汽车用钢板的高强化采用了铝合金、镁合金和树脂等，作为汽车车身轻量化或不增加车身重量提高碰撞安全性的有效方法引起关注。

　　在这种环境下，要求用于构成汽车车身部件的薄钢板进一步高强化。众所周知，钢材的强化措施是：①采用Mn、Si等置换型元素的固溶强化；②析出物等的分散强化；③通过加工和相变引入的位错强化；④晶粒的细化强化。通过将这些强化措施组合，开发了各种强度级别的钢板。但是，薄钢板采用冲压成形加工成要求的三维形状部件，不仅要求高强度，而且还要求有良好的加工性。

　　1世界汽车生产状况

　　日本国内的CO2总排放量超过11亿t，其中运输部门占20%以上。1997年京都议定书通过之后，各产业都开始努力削减CO2排放量，运输部门的目标削减量约6000万t。在欧洲，2012年的目标是乘用车CO2排放量为130g/km，到2020年将达到95g/km。目前，对于继续推行汽车车身轻量化的日本国内汽车业，很难说可以轻易达到这个目标。

　　另一方面，关于碰撞安全性，制定了①完全正面碰撞；②正面偏置碰撞；③侧面碰撞；④保护行人头部碰撞等试验及其标准，在完全正面碰撞中，1994年引入了以50km/h速度向刚性壁障碰撞试验。在正面偏置碰撞中，2007年引入了以56km/h速度对可变形壁障40%重叠率的正面偏置碰撞试验、在侧面碰撞中，1998年引入了移动壁障50km/h速度的侧面碰撞试验。但是，在欧洲和美国的碰撞安全标准中，40%重叠率的正面偏置碰撞的车辆速度提高到64km/h的基础上，还引入了后碰头部保护试验、侧面碰撞的SUV侧面碰撞、杆侧面碰撞试验、翻滚试验和顶盖强度试验等更严格的要求。而且这种碰撞安全性评价试验结果也已公开，对汽车厂商也是非常重要的卖点。

　　从世界范围看汽车生产分布状况，2008年欧洲和北中南美洲依然是汽车制造中心，日本和中国大约相同，是欧洲的50%左右。而2010年中国与欧洲、北中南美洲的汽车产量相等，日本，中国以外的亚洲各国产量也在增加（见图1），今后仍将持续这种趋势，预计中国和其他亚洲各国在世界汽车生产和消费中将占据重要地位。在这种环境下，日本汽车厂商加速了海外生产转移，与中国和韩国等海外厂家的价格、质量方面的竞争也更加激烈。在确保价格竞争力的同时，在碰撞安全性和其他特性方面，为保证对海外汽车厂商的竞争力，期待成本、供给性以及强度和刚性优越的钢材，轻量化材料最佳混合以及结构优化等。

　　2对汽车用薄板的要求

　　表1是汽车代表性部件要求的强度特性及控制其板厚以外的代表性材料特性。决定汽车价值的因素之一是承担外观的部件门和车盖等外面板。在这些部件中，形状和表面质量是最重要的要求特性，还要求耐凹痕性等强度特性。

 

表1   构成汽车车身部件所需的强度特性和材料因素

 　　张紧刚性依存于板厚、曲率和材料的杨氏模量，是钢板高强度化中不能改善的特性。部件的板厚由张紧刚性决定时，很难减薄。耐凹痕性除钢板的板厚和曲率以外，还依存于钢板的屈服强度（YS），所以，用变更钢材的强度特性可以达到薄壁化。底板等内板与外板一样也要求刚性。另一方面，构成座舱和发动机室等的骨架结构件的前侧构件、柱和侧梁等除要求部件刚性之外，还要求耐久强度和压溃强度（静态、动态）。该特性随着钢板强度的上升而提高，所以，是可以期待通过钢板高强化达到薄壁化效果的部件。此外，门冲击梁、缓冲器和柱等的加强部件碰撞时变形要小，要求达到保证乘员生存空间的高强度。

　　底盘部件要支承车身整体重量，并耐走行中的各种应力，因此，一直采用较厚的钢板，所以该部件也可期待薄壁化。但是，这些部件往往在要求刚性的同时，还要求耐久寿命（耐腐蚀性和耐疲劳性）。采用钢板高强度化的薄壁化仅限于腐蚀导致的减薄、焊接部位和应力集中部位的疲劳强度等不是板厚控制因素的情况。

　　这些部件一般是通过冲压成形加工成所要求的部件形状。冲压加工性可分为4种特征的成形方式，即深冲成形性、凸肚成形性、拉伸凸缘成形性和弯曲成形性。下面概要介绍控制各成形方式的材料特性和伴随高强度化的这些特性的变化。

　　在深冲成形过程中，例如将圆盘状的钢板成形为圆筒杯状，采用金属模边减少凸缘部位的体积、边流动，使其从平面向圆筒等三维形状变化。凸缘部位径向拉伸变形的同时，向圆周方向收缩变形，之后是收缩凸缘变形。这种变形特性用圆筒杯成形的极限深冲比（LDR）来表述。LDR与钢板的塑性异向性应变比（r值）有密切的关系。r值越高，板厚减少越少，易向宽度方向收缩。因此，具有高r值的钢板可以边控制板厚减少，边保证非常大的成形高度。在汽车部分外板和深碗状油盘等的成形中，该特性起到非常重要的作用。通过降低钢板的碳含量和利用析出处理降低固溶C、固溶N以及优化生产条件，开发出了具有非常高r值的钢板。但是，在高强度钢板中，一般钢中含C量高，在钢中所含硬质相周围产生变形不均匀性等，不容易获得高r值。现在用于汽车构件的钢板强度（单轴拉伸试验的最大强度TS）500MPa以上的所有高强度钢板中，r值为1.0以下，不能期待良好的深冲成形性。图2是钢板强度与r值的关系。

　　凸肚成形是将凸缘部位夹紧，不使材料流动，边减少板厚，边确保成形高度的成形，类似膨胀气球的变形。凸肚成形性用极限凸肚高度（LDH）表述，众所周知，LDH与钢板的延性，特别是均匀伸长率有很大关系。综上所述，高强度钢板一般不可能确保较大的r值，所以，凸肚成形性即延性可以说是冲压成形性的代表性指标。钢板的延性随着钢板强度的提高而降低，所以，高强度钢板凸肚成形性劣化。图3是TS与延性（断裂伸长率）的关系。如果在同一强度下进行比较，相对于固溶强化和析出强化，显微组织为软质铁素体与硬质相混合组织的DP钢和低合金TRIP钢等复合组织钢板，显示良好的延性。

　　拉伸凸缘成形性是指端部，特别是冲裁端部的变形能。一般用圆锥形扩孔冲头扩孔试验进行评价。相对于初始孔径d0，用直到龟裂穿透板厚时的最终孔径d的扩孔率λ（%） = 100×（d-d0）/d0作为指标，图4是TS与扩孔率的关系。扩孔性也随钢板强度的提高而降低，但受钢板显微组织的影响较大。DP钢和低合金TRIP钢等复合组织钢板均匀伸长率大，凸肚成形性优越，但扩孔率差，具有均匀显微组织的贝氏体组织钢显示非常良好的扩孔性。钢板显微组织的均匀化和降低硬质相的碳化物、氧化物颗粒的数量并使其微细化对提高拉伸出凸缘成形性有效。

　　弯曲成形性，尤其是在强度级别高的钢板中成为问题。用固定弯曲R的弯曲试验来评价。弯曲性也与拉伸凸缘一样，可以捕捉到局部性大变形导致的断裂现象。

　　3各种汽车用薄板的特性及显微组织

　　各种汽车用薄板要求的特性不同，为实现这些特性的显微组织控制的特性也不同，在此将部件分为面板系部件、骨架结构用部件和底盘悬挂系部件三类，概要介绍用于各部件的钢板。

　　3.1 面板系部件用薄钢板

　　面板系部件基本分为从外部可看见的部位设置的外面板和通常由其他部件遮挡的内面板。特别是外面板部件对表面品质和形状的要求非常严格。决定汽车价值因素的车身设计是通过组合复杂形状的部件来达到的。为了大量生产这种复杂形状的部件，外面板用钢板要求具有非常优越的冲压成形性和冲压成形后的表面美观性。除特殊的例子外，车身外面板不承担车身的强度特性，所以，尽量利用软质材料。作为这种外面板系部件的大趋势，以前是冲压成形多个部件，然后通过焊接组合，最终作为一个冲压部件。后来开发了通过减少模具和焊接点数量等达到降低生产成本的一体成形化，因此，要求钢板进一步提高成形性。而且，减轻车身重量对这些外面板也不例外，在已经使用较薄钢板的外面板中，要求更加薄壁化。使用非常薄的钢板，必须确保高成形高度的成形的难易度也提高了。为了满足这种要求，不仅要提高凸肚成形性，而且尽量不使板厚减少，还期待进一步改善深冲成形性。

　　1）织构控制和高深冲性钢板

　　控制钢板深冲成形性的r值随钢板中C和N含量降低而提高。钢板r值很大程度上依赖于钢板结晶织构，与冷轧退火后的钢板板面平行的{111}面集中度越高，r值越高。尤其是在用Al、Ti等作为氮化物固定N的钢板中，间隙型原子C促进冷轧中的剪切带形成，在剪切带生成使r值劣化的{110}<001>方位的再结晶铁素体，钢板的{111}织构强度降低，r值降低。此外，固溶C的存在抑制冷轧的回复，其结果位错密度高，方位分散较大的{111}<110>再结晶，吞蚀周围的具有随机方位的{111}<112>颗粒，阻碍了有利r值提高的织构{111}<112>发展，r值降低。

　　因此，为了生产具有更高r值的钢板，开发了降低钢板中不可避免存在的C、N的精炼技术，现在已有了钢中C含量降低到10ppm以下的炼钢技术，这种钢称为超低碳钢。但是，少量残留的固溶Ｃ和固溶Ｎ也会使钢板的r值降低，所以，开发了将这些间隙型原子以Ti、Nb化合物的形式固定的IF钢，作为汽车外板用钢板广泛应用。此外，对这些IF钢，在热轧工序的低温大压下和急冷使热轧钢板铁素体晶粒细化，其后将高压下冷轧和高温退火组合，可进一步促进织构发展，开发出平均r值为2.5，加工硬化指数n值为0.27，具有非常高冲压成形性的钢板。

　　2）面板用高强度钢板

　　对外面板等部件要求的强度特性首先是刚性，钢材不能使杨氏模量发生大的变化，所以，主要是由板厚和结构来决定刚性。但是，面板担负强度传递时，希望提高面板用钢板的强度。特别是外面板，要求具有抗石子撞击和耐按压的能力，还要求在停车场等的轻微刮擦也不残留永久性凹痕。作为汽车外面板用钢板高强度化的例子，主要是开发了在IF钢中添加合金元素的固溶强化型高r值钢板，例如以添加Nb-Ti的超低碳钢为基础，通过添加P、Mn和Si等元素固溶强化的440MPa级总伸长率38.3%、n值0.24、r值1.95的高成形性高强度钢板。

　　汽车外面板要求的耐凹痕性是用一定载荷按压面板表面时是否产生凹坑，即是否产生塑性变形来判断，钢板的屈服强度越高越好。因此，为提高耐凹痕性，提高钢板的屈服强度是有效的方法。但是，冲压成形时钢板屈服强度高，存在应力不均匀性产生表面缺陷的情况。要求低屈服强度（240MPa以下）。为了满足这些相互矛盾的要求，开发了烘烤硬化（BH）钢板。BH钢板是在钢板中以固溶状态残留少量的间隙型原子（C、N）。固溶C和固溶N在冲压成形后的烘烤处理（为干燥涂层，一般进行170℃×20min的热处理）期间，固定冲压成形引起的位错，通过阻碍再变形时的位错转移，提高屈服强度。因此，成形时保证低屈服强度，通过冲压成形后的烘烤处理使屈服强度上升，BH钢板是兼顾成形性和耐凹痕性的钢板。

　　薄板的BH特性见图5。

　　3.2 骨架结构部件用薄钢板

　　汽车结构部件在承担车身刚性和压溃强度的同时，还必须具备碰撞时保护乘员的功能。因此，随着对安全标准和燃油经济性要求的严格化，近几年汽车结构部件的高强度化发展很快。在前碰撞时，由于前侧构件等结构部件的压曲、弯曲变形，吸收了碰撞能，缓解了对乘员的冲击，同时阻止发动机及周围部件进入座舱，确保乘员的生存空间。在侧碰撞时，构件的塑性变形直接缩小了乘员的生存空间，所以，作为超强的结构选择进入座舱小的结构。

　　1）骨架结构用复合组织高张力钢板

　　希望能吸收碰撞时能量的结构件和加强材，因其复杂的形状，所以，要求良好的冲压成形性，由延性控制的凸肚成形性很重要。延性一般随着钢板的强度上升而降低，但是，与析出强度、固溶强化、相变组织（贝氏体等）强化的同一强度的钢板相比，软质铁素体为主相的DP钢和低合金TRIP钢呈现高的延性。考虑耐蚀性部件中大多采用利用Zn牺牲防蚀的镀锌钢板， 在DP钢中开发了比传统钢显示大的延性合金化热浸镀锌钢板，并投入了商业化生产。

　　低合金TRIP钢是带有残余奥氏体的钢，可利用钢中廉价的碳稳定奥氏体。低合金TRIP钢的残余奥氏体含量从百分之几到20%左右。在塑性变形过程中，奥氏体可以转变为硬质（高碳）马氏体。因此，这种钢具有高的加工硬化性和良好的凸肚成形性。虽然低合金TRIP钢的r 值在1.0以下，但是，与传统的析出强化钢相比，具有非常高的深冲成形性。马氏体相变是剪切型相变，伴随体积膨胀之后，由于变形方式不同，从奥氏体向马氏体的相变量也不同。在凸缘部（收缩凸缘变形）和壁部（平面应变变形）得到的马氏体相变量不同。与凸缘部位相比壁部为硬质，壁部不发生断裂，可以保证凸缘部位材料的高深冲成形性。

　　动态应力和静态应力之差（动静差）随着钢板强度的上升而减小，但动静差受钢板高强度化方法的影响。主相为铁素体的DP钢和低合金TRIP钢与传统的高强度钢板相比，特别是预变形和烘烤处理后显示高能量吸收能力。其原因之一是这种复合组织钢板具有较高的烘烤硬化特性。低合金TRIP钢随着应变速度的提高，在低应变区域从奥氏体向硬质马氏体的相变加速也是一个原因，由于拉伸速度加快，促进了马氏体相变。DP钢和低合金TRIP钢等复合组织高强度钢板兼备高冲击能量吸收能力和大的延性，可以说是适合用于复杂形状的冲击安全部件的高强度钢板。

　　2）极力控制变形的超高强度钢板

　　在没有大变形的超强结构的防侧碰撞部件和缓冲加强材中，980MPa级以上超高强度钢板的应用取得进展。这种超高强度钢板一般冲压成形较少，不仅延性，而且弯曲性和拉伸凸缘成形性都是很重要的成形性因素。为了提高延性，采用复合组织是有效的方法，抗拉强度1180MPa级以下的冷轧DP钢已实用化。为了提高拉伸凸缘成形性软质相和硬质相的复合化是不利的，不如显微组织均质化有效。

　　实际上，应用980MPa级超高强度钢板的部位，在要求弯曲性和拉伸凸缘成形性等局部变形能的同时，有时还要求代表延性的凸肚成形性。因此，开发了使硬质马氏体分散在软质相的高延性、缩小铁素体与第二相硬度差的高扩孔性、高弯曲性以及具有其中间特性类型的3种980MPa级超高强度钢板。在弯曲性优越的高成形性980MPa级超高强度钢板中，还开发了确保耐蚀性的合金化热浸镀锌（GA）钢板。

　　此外，还开发了高延性和改善焊接性及冲击吸收特性等，与780MPa级高强度钢板具有同样成形性的1180MPa级高成形性高强度钢板，并实际应用。

　　3.3底盘悬挂系薄钢板

　　汽车底盘系部件不仅静态支承车身总重量，而且，走行时根据其状况还要反复承受各种动态的外力。这些部件直接暴露在环境中，为了在腐蚀导致板厚减少的情况下仍能充分耐荷载，使用较厚的钢板。底盘系部件是保证车身走行时安全性的重要部件，板厚比较厚，所以，一般采用热轧钢板，我们开发了耐久性和成形性优良的各种高强度热轧钢板。热轧钢板不能期待高深冲成形性，所以，良好的拉伸凸缘成形性是重要的成形性指标。

　　1）高延性、高疲劳强度热轧钢板

　　热轧钢板也与冷轧钢板一样，将软质铁素体与硬质相复合化获得良好的强度和延性的平衡。从上世纪70年代就开始了将马氏体分散在铁素体的DP钢的研究。

　　DP钢在高温生成软质铁素体后急冷，使未相变奥氏体相变为马氏体。马氏体相变伴随膨胀，尤其是相变温度越低，单位体积的膨胀量越大。如果分散在高温生成的软质铁素体中的未相变奥氏体颗粒在低温下相变为马氏体，由于伴随相变膨胀周围的铁素体受到塑性变形，引起可动位错。DP钢拉伸试验时的钢板强度虽高，但从初始显示连续屈服（屈服点不明显）行为，与其他的高强度钢板相比，呈低YS是相变中引起可动位错的缘故。相对强度，YS低（屈服比低），DP钢具有高加工硬化特性，即大的均匀伸长率。日本将热轧状态的DP钢用于汽车轮圈的制造。

　　热轧低合金TRIP钢与DP钢一样具有良好的疲劳特性。热轧DP钢和低合金TRIP钢都是硬质相和软质相的复合组织，所以，底盘系部件要求的拉伸凸缘成形性（扩孔性）方面不如其他高强度钢板。但是，有文章介绍热轧低合金TRIP钢通过钢的低碳化和控制热轧条件的残余奥氏体和贝氏体微细化分散，在保证高延性的同时，改善扩孔性的例子。

　　2）高扩孔型热轧钢板

　　底盘系部件大多在要求伸长率的同时，还要求高的拉伸凸缘成形性。这种拉伸凸缘成形性优越的钢板称为高扩孔型钢板。一般拉伸凸缘成形性随着钢板的强度上升而降低，但根据钢中的S含量而变化。S的影响可以理解为MnS等非金属夹杂物存在导致局部变形能降低，在炼钢阶段尽可能低S化的同时，采用添加Ca和稀土类元素（REM）的夹杂物形态控制技术。此外，显微组织由硬质相和软质相构成时，引起两相界面发生空隙等，局部变形能降低，所以，希望极均匀的显微组织。

　　3）实际使用环境的疲劳特性

　　在汽车底盘部件中，疲劳耐久性是重要的部件特性之一。但是，在实际使用环境中依据部件的形状和装配方法，常常存在应力集中的部位。最常见的是焊接部位，在厚钢板接缝使用的电弧焊中，钢材与焊接部位的边界附近存在应力集中部位，该部位易发生疲劳断裂。在这种实际使用环境中，应力集中部位的疲劳强度很重要，在缓解施工技术导致的应力集中外，还需要提高母材的疲劳强度。

　　4今后的展望

　　汽车用钢板向高强度化快速发展。可以预测对冲压成形性、冲击能量吸收能力、疲劳特性、耐蚀性以及提高焊接部位特性等的要求将进一步提高。为了满足这些要求，控制显微组织特性及其控制技术的确立非常重要。显微组织成为连接用户使用特性和生产线条件的关键。因此，可以说显微组织形成过程的理解和定量化是今后钢铁材料发展不可缺少的技术。但是，实际钢材的变形常常体现的是不均匀性，这种不均匀性除材料显微组织中构成组织的不均匀度，织构和界面的元素偏析等外，各构成组织的形状也有重要影响。这种不均匀性不能用二维方法表现，必须正确地掌握三维法的表现及其时间变化。今后将用三维技术进行显微组织的评价和预测，如果可以定量地掌握局部的不均匀性，就可以更进一步控制致密的钢材特性。因此，需要发展利用高能束等的三维显微组织观察技术和确立与此对应可预测三维形状的计算技术，包括各种界面成立的平衡条件的明确化和偏析等效果，各种相变、析出、再结晶过程的更深的理论理解和实验性确认。

　　钢铁材料的潜能非常巨大。通过利用多维显微组织控制技术，可以最大限度地发掘钢铁材料的功能。 

信息来源：《世界金属导报》