高品質(zhì)鋼鐵材料的研發(fā)與應(yīng)用交流材料

減輕重量和提高碰撞性能的微合金化高強鋼在汽車中的應(yīng)用減重和提高碰撞性能是汽車工業(yè)的兩個重要目標(biāo)。減重意味著降低燃料消耗量、降低CO2的排放以及改善驅(qū)動性能。使用高強鋼來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低碳鋼可以減輕單個零件50%以上的重量。提高碰撞性能對于生產(chǎn)安全的交通工具和在國際碰撞測試如EuroNCAP中達到五星級標(biāo)準(zhǔn)是十分重要的。使用微合金化高強鋼，這兩個目標(biāo)都能夠達到且比其他輕量化材料更具成本優(yōu)勢。這類鋼具有良好成型性和焊接性，可以采用常規(guī)的成型和焊接焊接設(shè)備生產(chǎn)零件。本文主要以瑞典鋼材公司SSAB生產(chǎn)的鈮合金鋼為例，介紹其生產(chǎn)、成型性能、焊接性能以及在汽車工業(yè)中的最新應(yīng)用。合金鋼的鋼種包括沉淀強化熱軋鋼、沉淀強化冷軋鋼、雙相冷軋鋼和馬氏體冷軋鋼。1、 鋼種的說明DomexMC是一類熱軋高強度冷成型鋼。所有鋼種均采用鈮微合金化，可提供的屈服強度等級從315MPa到700MPa。Doco1和DogalYP鋼是典型的高強度微合金化冷軋和熱鍍鋅鋼，可進行通常的壓制、成型和彎曲操作，并提供相符的性能以滿足現(xiàn)代高速生產(chǎn)方式。Doco1和DogalDP是冷軋雙相鋼，這些鋼可在連續(xù)退火生產(chǎn)線或熱鍍鋅生產(chǎn)線上進行熱處理而得到雙相組織。其中一相為鐵素體，保證獨特的成型性能；另一個相是馬氏體，提供強度。鋼的強度隨硬相馬氏體的比例增大而提高。與常規(guī)的雙相鋼相比，DogalDPX鋼具有更好的成型性能特別是彎曲成型性，可進行反向彎曲操作。DocolM是冷軋全馬氏體鋼，極高的強度是通過從高的奧氏體溫度范圍水淬得到的。2、 合金化SSAB可提供很多鈮微合金鋼，所有這些鋼種都具有高強度。鈮微合金化的主要作用是晶粒細化和沉淀強化。所有的DomexMC鋼中都用鈮，含量最高可到0.07%。有8個不同的強度級別，最低屈服點從315MPa到700MPa。表I給出了典型成分的三個例子，添加其他微合金元素如釩和鈦可達到最高的強度等級。表1給出SSAB生產(chǎn)的含鈮冷拉鋼和熱鍍鋅鋼的典型化學(xué)成分，所有這些鈮微合金鋼均是Al鎮(zhèn)靜鋼。表1高強度鈮微合金鋼種的典型化學(xué)成Crude1XInSbiML'F4JIHlFS5mMCUdoien屯脅MCx Mt.IIR-MA11IK-M4OJ07OJO?imiIJIJD.IND.ffi5DIhV,Ti1[R.-MAIiQl-nJIcdrzBLnrmlh>vilDixdI|g?|CK-MACRMACR-JVlACR-MA珂DD5DJQSQPfrI詢D』O035OLDlD.BJD.lMllE-MACLul日低iBedEHznxiJI呼km!bocolMillBl*1Dft-idIlli耶DPfR-JW5II34102tk-DFCold-rnlleddualphaseDccdIL2UUM|.Xw>iIM*MCK-M.CR-MCi.iL13.17IM]規(guī)d噠。.嗆CR-MCokl-ralkdnurc^iiikDottNMni3Ih.dl5<irJ\PHDO-MAIIDChMAMBDMD.l^D飄RjMIai?Q.IHbinii￡I.Xi-MA-Clnt-dkpgilvnni?!Dd.nncmill(n'QilD如WiODPHlXi-DI'0.15Qj5IlJSOii巒*CLIH5；i>2CrILIXj-DP-Hiyl-dti dual3、工藝在瑞典鋼鐵公司SSAB中，高強度鋼米用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉，隨后進行連鑄。在冶煉過程中對硫化物性狀進行控制以提高成形性。鈮是至今為止所知的升高無再結(jié)晶溫度最有效的元素，如圖1。在熱軋帶鋼生產(chǎn)線上，板坯在兩個步進式加熱爐中加熱到約1250°C,然后采用一個初軋機和一個六機架精軋機進行傳統(tǒng)控制軋制。粗軋后，中間坯在熱卷箱中熱卷，使其溫度均勻，然后進入精軋機。典型的終軋溫度大約875C,卷取溫度約為600C以使所有鈮合金鋼的沉淀強化作用得以最大化。InitialSoluteInitialSoluteConleiM,at%CJQ⑴dEQlUO1EN亠--E?”」<Joa:圖1在0.07C,1.40Mn,0.25Si鋼中隨著不同微合金元素的含量的增加其微再結(jié)晶溫度也隨之升高冷軋和熱鍍鋅鋼種均在熱軋后酸洗并冷軋，冷軋壓下量大約為65%。冷軋微合金鋼在熱軋過程中產(chǎn)生最大程度的沉淀強化作用。熱處理的目的是使冷軋脆性顯微組織發(fā)生再結(jié)晶，同時保證沉淀物不會粗化。SSAB采用三種不同的生產(chǎn)路線來進行這種熱處理：罩式爐，連續(xù)退火生產(chǎn)線，熱鍍鋅生產(chǎn)線。圖2給出了連續(xù)退火微合金鋼的時間和溫度循環(huán)。雙相鋼、全馬氏體鋼則與微合金鋼不同，這些鋼的強度由熱處理產(chǎn)生。雙相鋼和全馬氏體鋼均是從a/y相區(qū)或Y相區(qū)淬火冷卻的。圖3給出了連續(xù)退火雙相鋼的時間與溫度循環(huán)。圖2微合金鋼的典型時間與溫度循環(huán)Time圖3雙相鋼的典型時間與溫度循環(huán)通過顯微鏡觀察熱軋鋼Domex700MC、冷軋鋼Docol420YP和熱鍍鋅鋼Dogal350YP的顯微組織；。熱軋鋼Domex700MC的顯微組織是平均尺寸約為3-4例的不規(guī)則鐵素體，冷軋鋼Docol420YP和熱鍍鋅鋼Dogal350YP的顯微組織則主要由鐵素體及存在于晶界處的珠光體組成。雙相鋼和馬氏體鋼加入合金元素鈮是為了控制晶粒大小，獲得細小晶粒。較為均勻的晶粒可以獲得較為一致的力學(xué)性能。細小的晶粒尺寸小有助于得到細小分散的馬氏體下從而達到較高的抗拉強度。鈮合金化的一個負面影響是鈮促進冷卻過程中鐵素體的形成，而在SSAB的連續(xù)退火雙相鋼和馬氏體鋼生產(chǎn)線上，由于采用快速水冷使得這種情況不會出現(xiàn)。4、拉伸性能DomexMC鋼的力學(xué)性能基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10149按不同的強度等級來分類。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，伸長率采用A80標(biāo)準(zhǔn)時試樣厚度小于3.00mm，采用A5標(biāo)準(zhǔn)時試樣厚度等于或大于3.00mm。表2鈮微合金鋼典型的拉伸性能Gfriidr￥kidSlrcagth(mln41cHflilrSlrrH^th(min)|MPa|I1.HaiiKHtionAh{割恢)|%|1<3.VrumLlkbh|u；iiiiiiir1i'(mbl|%|■2J"IIMHDomex5DUMCJIR-MA50055014】8□umex他UMCJIK-MA600]}16DcmexTOOMCHR-MA70075010122朗VPCR^MA卿J7026LXiml35<1YlaCR-MA傾411322Docol420YPCR-MA420斗如16葉刑500￥PCR-MASOO57012Docol射旳DPCH-DP500SODKDlk^I1000DPOR-DP700low5PixelIJflOM(UA1^503Dncol]-M)0MCR-M113-DI4O<)3Do辭13和YTHDCr-MA55042022D呻142()YPHDCj-MA4204MJR300YPHDG-MA50060010価DPHWi-DPSOOROD10Dof；alfiWiDPXittKi-Dr*20ECW10所有Domex、Docol和Dogal鋼的力學(xué)性保證在規(guī)定的最大和最小值范圍內(nèi)。表2給出了鈮合金鋼典型的最小拉伸性能。5、冷彎性能

表3給出了特定材料特定板厚條件下在不發(fā)生開裂的情況下獲得的最小彎心半徑（適用于所有彎曲方向）。在相同的屈服強度水平下，微合金鋼一般比雙相鋼的彎心半徑要小。表表3給出了特定材料特定板厚條件下在不發(fā)生開裂的情況下獲得的最小彎心半徑（適用于所有彎曲方向）。在相同的屈服強度水平下，微合金鋼一般比雙相鋼的彎心半徑要小。表3SSAB的鋸微合金鋼典型的冷彎性能GradeMinimumrceommendedbendingradiusin9(}degreebend+1<3mmIXimexX)nMCIlomex何川MrIJomcx70(1\\CDocgJ280YPDocol350Y卩Docol420Y卩Docol500YPDocolKOODPDocoJ1000DPDocol1200MDglIMMDoga!350YPDugal420YPDog^l500YPDogalMOODPDoga!SOODPX0.6xI{OXk0*0.71Hl1Xt)*O.Bxt(1Jxt)*0(IxtO.ttxt().5xtinKtLOxtxt40xt4(1xt0J)X[05xt1hxtLl>xI07x(Forthickness3mm6、焊接性能由于采用較少的合金加入量，SSAB生產(chǎn)的所有高強度鋼均可以用傳統(tǒng)的焊接方法進行焊接，這些方法包括點焊、縫焊、MIG/MAG焊接和激光焊接。微合金化鋼種由于非常低的碳當(dāng)量而更容易焊接。在點焊時，即使是雙相鋼和馬氏體鋼，均可較寬的電流范圍內(nèi)進行焊接且伴隨焊接接頭的塑性斷裂特征。在某些情況下，失效模式是部分頂頭失效，但大多數(shù)失效形式是全頂頭失效。圖4給出了鈮合金雙相鋼Docol1000DP典型的焊接參數(shù)，這個圖同時顯示了當(dāng)電極壓力增加時電流范圍會變得更寬。Minplugdiam-iWwkincidiitaEl41*新6mrny^eldtrue.14cyMinplugdiam-iWwkincidiitaEl41*新6mrny^eldtrue.14cyHoklthTie:10cyEl&clro>cl&<arc&5000制400C14Weldji>gcunent(KAI,8g10圖4Docol1000DP1.20mm厚板材的典型點焊參數(shù)，失效形式為全頂頭失效高強度鋼的MAG焊接中，一直至到800MPa的抗拉強度，焊接接頭的抗拉強度均可保持與基材一致。超過這一強度水平，在熱影響區(qū)會發(fā)生一定程度的軟化，然而隨基材強度的升高焊接接頭的強度仍然在增加。7、疲勞性能在基體金屬試驗中，屈服強度的增加對于疲勞強度和疲勞壽命都是有益的。對于光滑試樣這種影響是重大的，即使對缺口試樣也顯示出屈服強度升高的有益影響。無論屈服強度的增加是來源于加工硬化、烘烤硬化還是由于鋼種強度級別的提高，疲勞強度的增加多是相等的。無論在試驗條件下還是在實際應(yīng)用中，邊緣狀態(tài)都是至關(guān)重要的。焊接接頭的疲勞強度一般不受基材強度的影響。因此在其他參數(shù)都保持不變的情況下，高應(yīng)力條件下應(yīng)用高強度鋼將會導(dǎo)致疲勞壽命的降低。然而，還是有一些措施可以采取以便于在高疲勞載荷時應(yīng)用高強度微合金鋼。這包括幾個方面，如巧妙的設(shè)計(由板狀作用變成趨膚作用，使焊接接頭位于較低壓力區(qū)域等)，增加點焊密度和/或直徑，提高焊接質(zhì)量和/或連續(xù)焊接后進行焊后處理以及使用替代連接方法(激光焊、粘合劑、焊接搭頭)。8、應(yīng)用鈮合金高強鋼在汽車工業(yè)中的典型應(yīng)用包括傳統(tǒng)的保險杠增強件、車門沖擊桁、座椅結(jié)構(gòu)件和座椅機械裝置。新的應(yīng)用領(lǐng)域則包括汽車車身中不同的能量吸收構(gòu)件。這一趨勢在ULSAB-AVC(超輕鋼車身——先進汽車概念)中被明確指出，該項目表明中型轎車的車身可使用高達83%的先進的高強度鋼(其中75%是雙相鋼)。據(jù)報道，在歐洲汽車車身使用的先進高強度鋼的最高數(shù)量已經(jīng)達至20-30%。圖5表示目前使用雙相鋼一些典型的例子。(a) (b)圖5鈮合金鋼的典型應(yīng)用：用雙相鋼Docol1000DP沖壓的車門沖擊桁用雙相鋼Docol1000DP沖壓的保險杠增強件應(yīng)用微合金鋼的主要包括底盤部件、座椅框架和機械設(shè)備。其他應(yīng)用有保險杠增強件、車門沖擊桁和車身結(jié)構(gòu)部件如沖撞盒。其主要優(yōu)勢是良好的可焊性與非常好的冷彎性能的結(jié)合。從結(jié)構(gòu)的角度來看也具有優(yōu)勢，可在部件的整個橫截面上實現(xiàn)高屈服強度而無需加工硬化。雙相鋼有越來越多不同的應(yīng)用，包括座椅框架和座椅機械設(shè)備、保險杠增強件、車門沖擊桁和不同的能量吸收車身部件。使用雙相鋼可以比微合金鋼達至更高的抗拉強度，而且還可獲得成形性和焊接性的結(jié)合。馬氏體鋼用于座椅框架和座椅機械設(shè)備、保險杠增強件、車門沖擊桁和特定的車身部件，可提供最高的拉伸強度和最大的重量減輕。盡管與雙相鋼相比其成型性較低，但也可利用沖壓、彎曲、輾壓成形來制作零件。對于這些高強度鋼種，獲得良好的焊接性能也是可能的。結(jié)論減輕重量和改善碰撞性能對于開發(fā)新的汽車越來越重要。更多地使用先進高強度鋼是滿足這些要求的一個重要途徑。在瑞典鋼鐵公司SSAB,鈮微合金化廣泛用于汽車工業(yè)以獲得高強度，改善成形性