汽車用高強鋼的發展與展望

李 麟

（上海大學材料與科學工程學院，上海 200444）

由于20世紀70年代的石油危機，汽車工業開始了輕量化進程，實施了以高強鋼（high strength steel，HSS）替代軟鋼的研發。為加速這一進程，國際上30余個大型鋼鐵集團出資聯合成立了ULSAB （ultra light steel auto body）［1］項目，并委托保時捷公司設計新型乘用車，其宗旨是盡可能多地采用HSS。而在其后續項目ULSABAVC（advanced vehicle concept）中，僅HSS 被應用于車身，如圖1 所示［2］。

圖1 ULSAB-AVC項目材料選擇［2］Fig.1 Material applications for ULSAB-AVC［2］

ULSAB-AVC項目應用了高強度低合金鋼、烘烤硬化鋼、雙相鋼、相變誘發塑性鋼、馬氏體鋼、復相鋼、無間隙原子鋼等，這些鋼的微觀組織和力學性能差異甚大，且應用于汽車的部位亦不相同。下面介紹其中一些代表性鋼種及新研發的鋼種。

1 高強鋼發展的歷史回顧

眾所周知，一般將屈服強度在210 MPa以上的汽車鋼稱為HSS。傳統的HSS是鐵素體和珠光體的混合組織，通過添加Nb、V和Ti微合金元素及在控軋控冷工藝過程中的溶解和微合金化合物的析出，改善其組織和力學性能［3］。又由于該鋼種碳質量分數低，所以有好的焊接性能和韌性。HSLA鋼可分為Mn鋼、Si-V鋼、Mn-RE鋼、Ti鋼、Nb鋼和Mn-V鋼等，見表1［4］。國外也根據需求研發了相應的鋼種。

表1 國內HSLA鋼類別［4］Table 1 Class of HSLA steels in China［4］

在乘用車輕量化進程的早期，HSLA鋼曾被大量采用。但由于這些鋼的抗拉強度尚不能滿足現代汽車的需求，于是由馬氏體和鐵素體構成的DP鋼，因其既具有高的抗拉強度又展現了較好的成形性，受到汽車制造商的青睞，如圖1［2］所示。事實上，不僅在ULSUB-AVC的設計中［2］，目前各汽車廠廣泛使用的鋼材仍是DP鋼。

需要指出的是，在DP鋼的應用過程中，對進一步提升其強度的研發工作從未停止過［5-7］。Yukihiro等［5］通過添加合金元素和調整工藝，開發了一種抗拉強度達1 180 MPa的超高強DP鋼，且其疲勞壽命也較長。牛楓等［6］和鄺霜等［7］通過對含鈮DP鋼熱處理工藝的設計，獲得的產品抗拉強度大于1 000 MPa，斷后伸長率大于10%。牛楓等［6］采用的工藝參數為：終軋溫度880℃，卷取溫度620℃，冷軋壓下率70%，兩相區830℃保溫60 s淬火，過時效溫度240～300℃，過時效時間240 s。瑞典鋼鐵公司采用的DP鋼的化學成分和標準如表2所示［8］。

表2 DP鋼的化學成分（質量分數）和標準［8］Table 2 Chemical compositions （mass fraction）and standards of DP steel［8］ %

1987 年，Matsumumura等［9］指出低合金鋼中也存在相變塑性。該作者設計的TRIP鋼成分為C～0.4%，Mn～1.5%，Si～1.5%。高的C和Mn含量是為了使奧氏體穩定化，而高Si是為了阻止C以滲碳體形式析出而降低奧氏體穩定性。由于相變誘發塑性，TRIP鋼除了具有與DP鋼相同的強度外，還展現了高得多的斷后伸長率，也即同時具有高強度和高塑性。因此也曾被認為是新一代最有應用前景的汽車用高強鋼。

但在TRIP鋼的生產過程中，發現該鋼Si含量高，在連續退火工序表面易生成SiO2，這些氧化物浸潤性差，使后續熱鍍鋅時常出現漏鍍現象，影響鋼板表面質量。Meyer等［10］始創了在TRIP鋼中以Al代Si的工作，所研發的TRIP鋼在Arcelor Auto和ThyssenKrupp Stahl公司的產品情況并列于表3［11］。

表3 Arcelor Auto和ThyssenKrupp Stahl公司產品［11］Table 3 Products in Arcelor Auto and ThyssenKrupp Stahl companies［11］

雖然以Al代Si的TRIP鋼既具有好的表面質量又有強塑性的良好配合，但當Al質量分數在1%以上時，生成的氧化鋁夾雜物懸浮在鋼液中易造成水口堵塞。另一些鋼廠如浦項鋼鐵、寶鋼和鞍鋼，為避免水口堵塞，降低了Al含量。當該TRIP鋼的強度達780 MPa時，斷后伸長率可達22%以上，比同強度級別DP鋼的10% ～14%高得多［12］；而當強度達980 MPa時，一些供貨廠產品的斷后伸長率只有14%左右，雖比同強度級別DP鋼的7%［12］高，但優越性低得多。

近年來汽車用鋼依其性能和產出年代被劃分出了幾代汽車鋼，如HSLA鋼、CMn鋼等被命名為第一代汽車鋼；DP鋼、TRIP鋼和Q&P鋼等被命名為第二代汽車鋼，具體如圖2所示［13］。

圖2 汽車鋼的級別與性能［13］Fig.2 Grades and properties of automobile steels［13］

2 第一代和第二代汽車鋼性能的改進或應用對策

DP鋼具有高強度和較好的斷后伸長率，但由干其擴孔率低，不宜應用在對翻邊成形要求高的零部件上。在此工況下，CP鋼是一較好的替代品。該鋼由鐵素體、貝氏體和馬氏體組成，或由鐵素體＋貝氏體組成。這種混合組織比DP鋼的馬氏體＋鐵素體組織具有小的相間硬度差，所以擴孔率高于DP鋼。典型CP鋼的化學成分如表4所示［14］，其熱處理工藝如圖3 所示［14］。該鋼低的C含量和高的固溶溫度導致奧氏體的含C量低，轉變成的馬氏體硬度也低，鋼材擴孔率高。

表4 CP鋼的化學成分（質量分數）［14］Table 4 Chemical compositions of CP steel（mass fraction）［14］ %

圖3 CP鋼的熱處理工藝［14］Fig.3 Heat treatment process of CP steel［14］

雖然CP鋼的擴孔率比DP鋼高，但在相同強度時DP鋼的斷后伸長率要比前者高一些。所以可根據實際工況選擇用材。

DP、CP和TRIP鋼為汽車企業常用鋼種。但隨著環保的要求越來越嚴格，汽車減重的步伐也加快。Grassel等［15］和Frommeyer［16］研發的TWIP鋼Mn質量分數高達15% ～33%，通過在承載時孿晶變形而誘發高塑性。Sutou等［17］在研發TWIP鋼時特別注重降低其密度，設計了Fe-20Mn-（10 ～14）Al-（0 ～1.8）C （質量分數/%，下同）和Fe-20Mn-（10 ～14）Al-（0.75～1.8）C-5Cr兩種成分鋼，經熔煉和熱軋后，在900～1 100℃等溫15 min，再以不同方式冷卻。在1 100℃退火并水淬和空冷的鋼的力學性能及計算得到的比強度分別如表5和表6所示。

表5 于1 100°C退火15 min后水淬至室溫的Fe-Mn-Al-C和Fe-Mn-Al-C-Cr鋼的硬度、密度、強度、斷后伸長率及比強度［17］Table 5 Hardness，specific gravity，strength，elongation and specific strength of Fe-Mn-Al-C and Fe-Mn-Al-C-Cr steels annealed at 1 100 ℃ for 15 min and water-quenched to room temperature［17］

表6 于1 100°C退火15 min后空冷至室溫的Fe-Mn-Al-C和Fe-Mn-Al-C-Cr鋼的硬度、密度、強度、斷后伸長率及比強度［17］Table 6 Hardness，specific gravity，strength，elongation and specific strength of Fe-Mn-Al-C and Fe-Mn-Al-C-Cr steels annealed at 1 100 ℃ for 15 min and air-cooled to room temperature［17］

研究者［17］指出，在生產過程中α 相、κ-碳化物和Cr碳化物的形成是影響該鋼性能的主要因素。Fe-20Mn-11Al-1.8C-5Cr鋼的顯著優點是經簡單熱處理即可獲得良好的性能：低的密度6.51 g/cm3，超越除TRIP鋼以外所有汽車用鋼的高比強度180 MPa·cm3/g，當抗拉強度為1 200 MPa時，斷后伸長率仍在30%左右。如能解決高鋁鋼的冶煉問題，為求高比強度該鋼應是不錯的選擇。

在熱力學計算基礎上，李麟等［18］設計了一種兼具TWIP和TRIP效應的新型TWIP鋼。在兩種增塑效應作用下，他們與鞍鋼合作生產的這種鋼具有極高塑性，當抗拉強度為1 080 MPa時，斷后伸長率達80%。

雖然TWIP鋼有極優越性能，但因其Mn含量高而價格昂貴。因此，Merwin［19］建議采用成分為0.1～0.2C、4～8Mn、0.15～1.5Si的中錳鋼取代之，如處理適當，該鋼亦具有很好的力學性能。但錳量低會導致奧氏體穩定性下降，在熱軋后的冷卻過程中易轉變為馬氏體使鋼板硬度升高而使后續的冷軋難以進行，為此需增加一道中間退火。附加退火不但增加了成本，且在罩式爐中的退火，各區域溫度并不嚴格相等，而中錳鋼的性能對處理溫度極敏感，這給生產上述中錳鋼帶來困難。

3 問題和處理方法

如前所述，Meyer等［10］早在1999 年就提出了在TRIP鋼中以Al代Si以改善鋼的表面質量，但由于連鑄水口堵塞現象而未能推廣。2008年，Lyu 等［20］、Damien 等［21］分別經熱力學計算首先發現，現有含鋁鋼的熱力學參數存在很大誤差，不能用于計算含一定量鋁（如wAl＝2%）鋼的相圖。Li等［22］優化計算了這類鋼的相圖，計算結果與試驗數據吻合很好；并指出［18，22］鋁可顯著擴大γ＋α（奧氏體＋鐵素體）兩相區，提高奧氏體含碳量和穩定性，從而增強鋼的TRIP效應。

李麟等［18］用新研發的數據庫計算了Fe-1.5Mn-C和Fe-1.5Mn-1.2Al-C鋼的相圖，如圖4所示。由圖4可見，當兩種鋼的碳質量分數均為0.2%時，780℃時Fe-1.5Mn-C鋼中奧氏體的碳質量分數僅為0.29%，而Fe-1.5Mn-1.2Al-C鋼中奧氏體的碳質量分數為0.76%，說明后者由于添加了質量分數1.2%的鋁，奧氏體穩定性大大提高。如水口堵塞問題得到解決，這種合金化概念可廣泛應用于鋼中。在其后，近年來在鋼中添加Al以提高性能的研究日益增多。

圖4 Fe-1.5Mn-C和Fe-1.5Mn-1.2Al-C鋼的相圖［18］Fig.4 Phase diagrams of Fe-1.5Mn-C and Fe-1.5Mn-1.2Al-C steels［18］

De Cooman等［23］設計了數種含鋁與不含鋁的中錳鋼，相圖如圖5所示。由于鋁的加入，類2鋼的顯微組織包含粗晶δ-鐵素體、超細晶鐵素體和奧氏體，因而鋼的硬度不是很高，不必經罩式爐退火，熱軋后可直接冷軋繼而至連退線出產品，從而保證了中錳鋼性能不受影響。并認為在產線上生產類2鋼的難度不大，只需注意以下幾點：（1）為形成δ-鐵素體而加入的鋁量不宜太高，否則會在鑄造時出現問題并造成熱軋開裂；（2）碳含量應降低，否則會生成很硬的馬氏體導致冷軋開裂；（3）硅雖可防止滲碳體析出，但硅含量高也會使熱鍍鋅質量下降。除了De Cooman等［23］所指出的混合組織原因外，從圖5也可看出，含鋁鋼中奧氏體含碳量大大增加，其穩定性也會顯著提高，不會在冷卻過程中轉變為馬氏體，這也可能是文獻［23］中的中錳鋼（類2）熱軋后可直接冷軋的原因之一。

圖5 類1、類2和類3中錳鋼相圖［24］Fig.5 Phase diagrams of medium manganese steels in classes 1，2 and 3［24］

另一將合金化Al添加于汽車鋼的實例是鞍鋼生產的TRIP鋼，該鋼的抗拉強度為980 MPa，斷后伸長率為23%［18］，遠超一些廠家產品目錄中TRIP鋼在該強度下的斷后伸長率指標14%。

胡建明等［24］在鞍鋼生產的TRIP 鋼［18］成分基礎上，又添加了微合金元素Ti與V，以彌散分布的納米級尺寸的Ti（C，N）來提升鋼的強度，通過連退時V（C，N）的重溶以增加奧氏體的穩定性和鋼的相變塑性，獲得的TRIP鋼抗拉強度可達1 000 MPa，斷后伸長率為30%。該結果證實了De Cooman［13］的預測：微合金化的TRIP 鋼是第三代汽車鋼（NewAHSSSteelsResearchand Development Focus）的有力候選者，如圖3［13］所示。但遺憾的是，胡建明等［24］的試驗結果和De Cooman［13］的預測在普通連退線上均可實現，但在國內外均未引起重視。

眾所周知，TWIP鋼具有較高的強度和極高的斷后伸長率。但由于其價格高昂，這些優點并未得到汽車制造廠的重視。如Sutou等［17］的研究得出，Fe-20Mn-11Al-1.8C-5Cr鋼經30%冷軋，比強度超過230 MPa·cm3/g，抗拉強度為1 500 MPa，斷后伸長率為10%。強度達1 500 MPa的TWIP鋼還可從文獻［25-26］等中查得。因此如以冷軋TWIP鋼替代熱沖壓鋼制作零部件，可以節省昂貴的熱成型模具費用。綜合考慮，應用TWIP鋼的成本不會比熱沖壓鋼高。

2003 年，Speer等［27］研發了低碳的淬火-配分鋼。將該鋼淬火至Ms～Mf溫度后再升溫至Ms以上保溫一段時間，C會從馬氏體擴散至奧氏體并增強鋼的TRIP效應，由此獲得高強度和高塑性。寶鋼生產的Q&P鋼的力學性能如下［12］：屈服強度550～800 MPa，抗拉強度980 MPa，斷后伸長率20%；屈服強度820～1 100 MPa，抗拉強度1 180 MPa，斷后伸長率14%。

因此Q&P鋼被認為是第三代鋼的候選者。Wang 等［28］和徐祖耀［29］修改了原Q&P 鋼的成分，在鋼中添加了強碳化物形成元素Mo，并提出用quenching-partitioning-tempering（淬火-配分-回火）的方法處理該鋼，即在淬火后將該鋼置于一較高溫度400℃回火，碳擴散配分后析出納米級復雜碳化物以提高強度，隨后淬火至室溫。該QP-T鋼的抗拉強度為2 160 MPa，斷后伸長率為10%［28-29］。

4 總結及建議

數十年來，工業界和科研院所對汽車高強鋼的研發從未停止過，從軟鋼到超高強的熱沖壓鋼，從低碳低合金鋼到高合金的孿晶誘發塑性鋼，為適應消費者及環境需求付出了大量的人力物力。另一方面，因汽車用鋼量大面廣，其價格一直是不能忽視的問題。所以除瞄準高合金含量的新材料外，研究開發各種合金含量低、工藝處理簡單、力學性能和工藝性能都較好的鋼材不應被忽視。例如自回火鋼即具上述優點。齊靖遠［30］指出，15MnB鋼（0.15%C，1.26%Mn，0.000 7%B）在淬火過程中細小彌散分布的碳化物會從低碳馬氏體中析出，奧氏體以薄膜狀存在于馬氏體條間，使得該鋼具有很高的斷裂韌性：KIC值為280 kg/mm2，即2 800 MPa，該性能足可擔當汽車的防沖撞零部件。Mastuda等［31］認為，Q&P鋼雖具有好的性能，但需更改現有連退設備而增加成本，故提出了添加Cr和B的Fe-0.21C-1.5Si-2.3Mn鋼，由于自回火后的馬氏體在應變時的不均勻變形，改善了加工硬化，這使得僅經簡單熱處理的該鋼的強度便高達1 600 MPa，斷后伸長率為10%。對這類材料的工藝性能的進一步研究將具有重要應用前景。

致謝：對劉仁東首席、何燕霖教授、張梅副教授、史文教授和符仁鈺副教授給予的支持和幫助致以熱忱謝意。