汽车工业对冷轧钢板性能的要求及冷轧高强钢板的分类

    1 汽车工业对钢板的要求

    汽车工业要求冷轧钢板重量轻，成形性好，寿命长，安全性好，环境友好。

    首先，汽车轻量化对于提高燃料效率、防止CO2排放所造成的环境污染是极为重要的。为了解决这个问题，需要提高汽车用钢板的强度。这样的话，即使钢板厚度减薄，仍然可以保持原来的强度水平。所谓DP钢、TRIP钢就是为此目的而开发的。

    其次，是钢板的成形性，因为它决定了汽车成形过程的生产效率。一般说来，随着强度的提高，钢铁材料的成形性恶化。目前，汽车尽管设计多种多样，但是大的趋势是采用流线型，以减少空气的阻力。具有高塑性的钢板即使经过多阶段的加工仍然可以不发生裂纹。近年开发的所谓自润滑钢板由于改进了钢板涂层的润滑性能而提高了成形加工的效率。

    汽车的外板有可能遭受冲击，如果材料强度过低，很容易发生凹陷变形。BH钢在成形之后进行烤漆的过程中可以进一步提高其强度，这实际上等于汽车在使用过程中得到了更高的强度，因而具有良好的抗凹陷性。因此，近年对BH钢的需求不断增强。

    汽车需要的另一个重要因素是寿命，即耐腐蚀性，特别在北美为了除去积雪，大量使用对钢有强烈腐蚀作用的氯化钙，对耐腐蚀性提出了更高的要求。应对腐蚀问题的重要措施是对钢板进行各种表面处理，例如镀锌。所以，近年表面处理钢板的用量持续增长，尽管其价格比普通钢板要高。另外，低成本的耐腐蚀钢板也在不断开发出来。

    还有一个问题是安全性，特别是与冲撞有关的安全性。为了保证乘用者的安全，目前正在开发既具有高强度，又具有良好耐冲撞性能的高强钢板，用于汽车的结构件和底盘等部件。

    最后，需要开发的高强汽车用冷轧钢板与环境友好。国际上已经制定了一系列法规和制度，强化环境保护，明令禁止使用对人类有毒害的物质。近年开发的无3价铬、无铅的涂镀层板，就是顺应这种趋势。

    2 汽车用冷轧钢板的成形性能

    由于汽车用冷轧钢板需要经过成形加工，才能成为需要的零件，所以不仅要求钢板有需要的力学性能，而且要求钢板有良好的成形性能。这些钢板通常经过图1所示几种变形方式或者它们的组合而成形为零件。

    1） 拉深成形（Deep drawing, shrink flanging）。它的特点是工件在冲头和冲模之间变形过程中，在坯料上施加一定的压边力，使坯料在一个方向上获得大的拉延变形（例如在冲杯过程中沿着杯的直径方向），在另一个方向上发生收缩变形（例如冲杯过程中的圆周方向），所以需要材料有高的r值。

    2） 鼓胀成形（Stretching）。它的特点是施加非常强的压边力，冲压工具带有凸凹槽，即使在冲头的作用下，材料边缘也不能滑动，中间部分材料受到双向等轴拉深，像气球一样膨胀变薄。因此要求材料具有良好的塑性和各个方向均匀延展变形和连续强化的能力。

    3） 卷边成形（stretch flanging）。材料的切口边缘经历大的拉伸变形，例如在冲制的圆孔用锥形冲头扩孔属于典型的卷边成形过程。由于切口边缘收到极大的拉伸变形，要求材料的组织必须性能均匀，组织中没有明显的硬相颗粒。所以应当尽量避免出现大颗粒的碳化物或氧化物，使它们均匀、细小、分散。

    4） 弯曲成形（bending）。弯曲成形发生的问题与卷边成形相似，也是由于局部变形引起。改进方法也是相似的，可以通过硬度的均匀、分散而得到实现。

    汽车用冷轧钢板的类型性能

    由于采用不同的强化机制，汽车用钢板有不同的组织，因而有不同的强度水平，依据钢板的强化机制、强度水平、组织特点可划分为不同的钢种类型。其中抗拉强度低于270MPa的钢板，主要是用作面板的IF钢和低碳钢，规定其为低强度钢。抗拉强度在270－700MPa的属于高强度钢，包括高强度的IF钢、BH钢、C-Mn钢、HSLA钢以及一部分DP钢和TRIP钢。超过700MPa的钢板为超高强度钢板，包括高强度级别的TRIP钢、DP钢以及马氏体钢和新开发的TWIP钢。其中TWIP钢由于其独特的高延伸、高强度而受到人们的重视。表1所示为汽车用高强度钢板的强化机制、化学成分设计、强度水平、应用举例。

    表1 高强度钢板的成分设计与汽车部件的应用举例

    不同的汽车零件，将经历不同特征的变形过程，因而要求使用不同类型的钢板。考虑到需要的材料特性和强度水平，一般将汽车零件分为面板、结构件、加强件、底盘。根据各种材料所经受的不同的成形方式，而选用不同类型的材料。

    1 汽车面板用高强钢板及其生产工艺

    IF钢板，含低强度的软钢和高强IF钢板，特点是非常大的延伸和良好的深冲性能，因而广泛用于制造汽车面板。通常汽车面板需要良好的塑性和拉深成形性能，因而无间隙原子钢（IF钢）得到了广泛的应用。IF钢采用低碳或超低碳和Nb、Ti微合金化的成分设计，使钢中的C、N以碳氮化物的型式，而非固溶的形式存在，因而得到了极高的r值（平均r=2.5）和加工硬化系数（n=0.27）。

    IF钢的生产工艺是，通过低温大压下的热轧过程和轧后立即进行加速冷却，得到细晶的铁素体，以及大压下冷轧和高温退火，得到需要的冷轧组织和高成形性能。

    外板不仅要求有良好的刚性（由杨氏模量、厚度、集合形状等决定），还要求在受到压力或冲击时，具有良好的抗凹陷性。尽管提高屈服强度可以提高抗凹陷性，但是为了防止冲压过程中钢板表面发生畸变，还是限制屈服强度不要超过240MPa。为了解决成形性和抗凹陷性的矛盾，开发了烘烤硬化钢（BH钢）。BH钢在成形加工中强度低，成形后材料发生加工硬化，强度有所提高。经过烘烤涂漆后的使用过程中，强度进一步提高，较好的解决了上述成形性和抗凹陷性的矛盾。

    BH钢板的强化机制和生产工艺为：BH钢在经过170℃下20min的烘烤，固溶在铁素体中的残余C、N向成形过程中产生的位错扩散，它们将位错钉扎并提高了屈服强度。因此，固溶的C、N量越多，则烘烤效应越高。不过，残存固溶的C、N原子可能会引起时效，因而引起屈服点延伸的缺陷。当经过100℃下1小时的加速时效热处理后，屈服点延伸可以小于0.2%，实际上观察不到，这种情况下的实际可达的烘烤硬化量是大约30－50MPa。

    有两种利用超低碳钢制造BH钢的方法，一种方法添加的C、N量超过与Nb、Ti的化学计量比，另一种方法添加的C、N量低于与Nb、Ti的化学计量比。在前一种情况下，由于存在固溶的C、N原子，会妨碍具有高r值的有利织构。而后一种情况下，必须在后续的高温退火中考虑溶解一部分碳化物，以维持最终的产品中有必要的含碳量。通过控制固溶的C、N量，以及进行适量的Nb、Ti微合金化，不经过高温退火，也可以得到270和340MPa的BH钢。BH钢用作容易受到外载荷的零件，例如顶盖、侧围等590MPa级的Ti－IF钢。

    2 结构件和加强件用高强钢

    结构件和加强件是重要的安全防护件，因此希望它具有高的冲击吸收能力。当然，它必须具有良好的成形性能，特别是鼓胀成形性能，以便冲制成形状复杂的零件。鼓胀成形性能与材料的延伸率有关，在高强钢的冲压成形中具有重要的作用。对于高强钢来说，一般随着钢板强度的增加，其延伸率降低。DP钢和TRIP钢兼有高的强度和良好的延伸，因而广泛应用于汽车的结构件和加强件，如车门、后背箱盖等。过去20年BH钢的应用增长迅速。

    更高强度的高强钢板应用于轿车外板，已经付诸实现。一种Nb、Ti微合金化、超低碳并含有P、Mn、Si的440MPa级的固溶强化高强钢板已经开发出来，总延伸38.3%，n值为0.24，r值为1.95。采用随后600℃热处理的Cu沉淀强化机制，开发了另一种r＝1.9，强度达到590MPa级的汽车外板用钢。

    DP钢是以Si、Mn为主要合金成分的低成本钢材。在连续退火过程中，首先加热到760－830℃的铁素体＋奥氏体两相区，使其组织为一定比例的铁素体和奥氏体。此时令钢材淬火到马氏体点以下，则奥氏体转变为马氏体，导致所谓的“双相组织”。DP钢基体为软的铁素体，在其上分布硬质的马氏体，两者分别确定材料的低的屈服强度和高的抗拉强度。DP钢比传统的高强钢有更高的初始加工硬化率，所以有很低的屈强比，可以得到很大的延伸。DP钢中固溶较多的C，所以也是一种烘烤硬化钢，在经过烘烤涂漆后，屈服强度提高约100MPa。DP钢在车辆冲撞这样的高速变形（正面冲撞变形速率可达1000/s）中，表现出比普通高强钢更高的强度，所以具有更大的冲击能吸收能力，有利于提高车辆的安全性。

    目前，最常用的DP钢的强度水平为490~780MPa，高达1170MPa的DP钢也已经开发出来。

    TRIP钢是一种由铁素体、贝氏体、残余奥氏体组成的多相钢，残余奥氏体的量可以达到20％。由于变形过程中残余奥氏体转变为马氏体，即所谓的TRIP效应，会促进变形均匀分布，所以TRIP钢有很高的强度，又可以得到很大的延伸。DP钢和TRIP钢是制造结构件和加强件的重要高强钢。为了生产TRIP钢需要特殊的热处理装置和技术。

    利用连续退火设备可以制造TRIP钢。在加热到高温退火过程中，显微组织分解为铁素体和奥氏体。将钢板迅速冷却到贝氏体转变温度范围，在随后几秒的热处理中，硬的贝氏体形成，碳在剩余的奥氏体中富集，添加一些元素可以帮助碳的富集。最终的室温组织是由铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成。

    还有一类汽车结构件和加强件，由于要经过卷边成形和弯曲成形，所以要求具有性能均一、硬度均匀的组织，不希望有明显的硬相。这一类零件经常使用卷边成形性能优良的贝氏体钢。

    3 车体下部零件用高强钢板

    对于车体下部的结构件，过去以沉淀硬化钢为主。但是，近年兼有强度和优良成形性能的DP钢和TRIP钢的应用已呈上升的趋势。780MPa 超强钢板用于悬挂件和车轮等车体下部零件。超强的沉淀硬化钢和马氏体钢用于高刚性的零件，像缓冲器和冲击梁。1470MPa级的超强钢板用于震动吸收装置，如安装在缓冲器和车门上的防震冲击梁。

    4 耐腐蚀涂镀钢板

    为了提高钢板的耐腐蚀性能，70－80％的汽车板采用涂镀钢板。在连续热浸镀生产线上，钢板首先经过连续退火，以获得需要的力学性能。然后经过锌锅，在钢板表面镀锌（或锌的合金），利用喷吹空气或氮气的气刀控制锌层的厚度。最后，涂镀的钢板要通过平整机进行平整。

    尽管通过热浸镀的钢板表现出良好的抗腐蚀能力，但是涂漆性能、成形性能、焊接性能尚不能满足要求，原因在于涂层是纯锌。为此，将纯锌层再加热到一定温度，将纯锌层变为一层锌铁金属间化合物。这就是所谓的合金化镀锌板（GA）。 但是，由于镀锌层是由Zn-Fe化合物组成，性质极脆，可能在成形过程中发生粉化，即剥落现象。控制Zn-Fe化合物的组成，可以抑制粉化现象。Zn-Fe化合物可以依据化合物的成分分类为ζ相、δ1相和Г相。涂层的性能受到这些相成分比的显著影响。希望减少ζ相，因为这种相会增加摩擦阻力。同时也希望减少Г相，因为这种组织非常硬，不容易发生变形。

    汽车用冷轧高强钢板的生产工艺

    高强冷轧钢板要经过酸洗、冷轧、退火、平整等工序，才能成为供用户使用的冷轧产品。其中退火工序是决定冷轧板性能的关键环节。退火主要有两种方式，一种是罩式退火工艺，另一种是连续退火工艺。罩式退火工艺主要用于生产深冲钢板，包括IF钢和BH钢。它的特点是处理时间长（20－30hr），冷却速度缓慢，但是由于可以对各个炉单独控制，所以灵活性较强；连续退火工艺处理时间段（几分钟），可以控制得到很高的冷却速度，由于冷却条件的控制受到炉体结构的限制，所以生产的灵活性较差。一般，需要相变强化的钢种，例如DP钢、TRIP钢只能通过连续退火进行处理。

    1 罩式退火工艺（略）

    2 连续退火工艺

    连续退火生产线分为加热区、一次冷却区、过时效区、最终冷却区。

    加热区又分为预热段、加热段、均热段。预热段通常使用辐射管加热的加热段排出的废气对钢板进行预热。预热有3种方式，1）使用加热段的废气直接预热钢板，效率高，但是有钢板氧化问题；2）利用废气通过热交换器加热空气，用空气预热钢板，效率不高，也有钢板氧化的问题；3）用通过热交换器的循环气体进行预热，效率最低，但是无板面氧化的问题。带钢在加热段加热到需要的温度，加热段带钢通过导向辊垂直布置，约20m高，折返几次，在带钢之间有辐射管进行加热。该段允许的最高加热温度约950℃，平均的运行温度在800－900℃之间。达到退火温度的带钢，在均热段保持在该温度下至少20 s，完成再结晶过程。在均热段折返的次数依据以最大速度通过时达到最小保持时间所必须的带钢长度确定。

    一次冷却区分为慢冷段和快冷段。慢冷段带钢以低于10℃/s的冷却速度冷却到650－670℃。它是快冷段的准备阶段，在此阶段碳在奥氏体中迁移，改变奥氏体各部分的浓度。带钢部分是由于辐射冷却，部分是由于氮氢混合气体的软喷射冷却。快速冷却段对于退火过程是非常重要的。尽管尝试过多种冷却方式，目前主流的冷却方式是气体喷射冷却。有两种气体在使用，一种是成分可控的氮氢混合气体，另一种是氢气。

    在使用氮氢混合气体时，经过水/气体热交换器进行循环的高速气体直接喷射到带钢表面，通常这种系统可以达到70－80℃/s的冷却速度，但是循环风机的运行需要较高的能源成本（12kW/t）。使用氢含量50－60％的气体进行冷却时，由于氢的高导热性，可以将冷却速率提高到100℃/s/mm，由于氢单重较低，风机能源消耗可以大幅降低（4kW/t）。使用氢气必须具有良好的安全措施，冷却段必须与上、下游隔离开来，以便将氢气控制在冷却段内。

    带钢与水冷的导向辊接触实现的辊淬冷却能量消耗低，是一种可供选择的方案，不过这个系统通常不太稳定。目前，Kawasaki开发了辊淬与氮氢混合气体喷射混合使用的系统；而NSC和NKK则开发了辊淬系统。

    还有其他3种系统具有相当高的冷却速率，主要用于特殊的目的，不过它们需要随后进行酸洗。这3种系统是，1）水淬；2）热水淬火；3）水雾冷却。水淬法可以实现非常高的冷却速率（500－1000℃/s），通常用于处理非常高强度的钢板。热水淬是将带钢进入热水中进行淬火，这种方法可以得到板形非常好的钢板，冷却速率可以达到150℃/s，但是在500℃以下效果不好。NSC开发了水雾冷却系统，使用感应加热方式加热带钢。它适应于TRIP钢这样的带有加热的快速、终冷温度低的冷却过程。

    过时效段。在快速冷却之后，晶粒尺寸固定了，但是脱溶的碳化物残存下来，应当尽量减少脱溶的碳化物。在过时效的过程中，这些碳化物将迁移到晶粒边界。最优的温度是350－400℃。在更高的温度下，碳化物将再一次溶解；在更低的温度下，没有足够的能量来完成迁移。因此，过时效段是由一个或几个段构成，要配以足够的折返数，以利用最短的过时效时间使脱溶碳含量达到最小。

    过时效过程应用于CQ级和DQ级的低碳钢板材。对于高强钢，在快冷区之后得到了需要的金属结构，目标温度低于300℃，以便防止任何“过时效”发生，这个区通常是使用电加热。

    最终冷却区。在带钢离开密闭的炉子和保护性气氛之前，必须将钢板的温度降低到氧化极限之下，即低于200℃。如果平整机安装在退火过程的下游，必须将带钢在低于40℃的温度下，送进轧机。带钢通常使用气体喷射系统冷却到80－150℃，再进一步用水箱冷却到40℃。

    DP钢和TRIP钢必须通过连续式退火进行热处理，以获得需要的组织和性能。

    快冷段的冷却速度对于高强钢的性能有重要的影响。目前我国大多数连续退火线冷却速度偏低，影响高强钢板的研发和生产。在高强钢的制造过程中，有时需要将钢板以150℃/s的速度冷却。此时要求非常大的冷却能力。例如，厚度0.5mm的钢板，如果以150℃/s的速度从700℃冷却到300℃，热交换系数必须达到500W/m2K。利用以氮气为主的氮氢混合气体喷射冷却达不到这样的热交换系数，利用水雾或浸水冷却又有板变形和表面氧化的问题。为此，正在研究开发喷射氢气的快速冷却方式。与以氮气为主的氮氢混合气体相比，全氢喷射冷却热交换系数非常大，在同样的喷射情况下，可以得到2倍的冷却能力。如果能够优化喷嘴的配置和喷射的速度，热交换系数有可能超过500W/m2K。喷射纯氢的问题是需要开发气封技术，以便将冷却区与加热区隔离开来。另外需要确保氢气循环系统的安全。这都是今后研究的课题。

    汽车用高强冷轧钢板的发展趋势

    1 TWIP钢

    由于环保和节能，需要减轻车体重量；为了安全和舒适，又会引起车重增加。为了解决这一对矛盾，需要同时提高材料的成形性和材料的强度，实现材料强度和延展性的平衡。

    近年开发的所谓TWIP钢就是在这个方向上的一个重要进展。所谓TWIP，意即孪晶诱导塑性（TWinning Induced Plasticity）。TWIP钢是以Fe、Mn为主的纯奥氏体碳钢，采用Mn可以扩大奥氏体相区，添加C不仅可以稳定奥氏体，而且可以利用C的固溶强化奥氏体。通过控制Mn（17－24％）和C(0.5－0.7%)的含量，可以得到最好的力学性能。与DDQ级冲压板相比，同样可以冲制各种形状复杂的零件，强度却要高出2－5倍；其抗拉强度与热处理钢相当，延展性却比热处理钢强10倍。

    TWIP钢的塑性变形的主要机制是位错滑移。在变形过程中，非常细的孪晶在晶内发生，孪晶界和晶粒边界均成为位错滑移的壁垒，这会导致非常剧烈的加工硬化，其瞬时硬化率能保持较高的水平（>0.45）。这会抑制细颈的发生，从而导致TWIP钢非常强的加工硬化能力和非常大的延伸率。这种性能即使在高应变速率下仍然保持着，因而在撞击等高应变过程中，可以保证汽车非常高的安全性。这是TWIP受到青睐的一个非常重要的原因。

    2 热冲钢板

    随着强度的提高，钢板成形性能总体上呈下降趋势，形状冻结性变差，成形难度加大。同时材料成形力也增加，造成成形负荷增大，工具、模具的磨损和损坏严重。所以，近年开发了材料的热冲＋随后热处理的新技术，以满足用户对进一步提高强度的迫切要求。这种技术应用于可以热处理强化的钢板，例如含B钢板，将其加热到900℃左右进行冲压变形，大幅度降低成形力，提高材料的成形能力，冲成零件后，立即利用余热进行淬火处理。目前处理后的抗拉强度可以达到1500－2000MPa。处理完的零件要经过喷丸处理，以消除氧化铁皮，改善表面质量。2006年初，POSCO的热冲零件厂投入生产，年产热处理零件300万件。

    也有的热冲后，对零件的关键部位进行局部热处理，制成所谓性能TAYLORED坯料。

    3 激光拼焊

    汽车的一些零件各个部位可能有不同的负荷和不同的受力条件，成形方式也会有差异。为了节省材料、减轻车体的重量，希望零件的不同部位可以制成不同厚度和采用不同的材质。基于这样的想法，利用焊接技术的最新成果，开发出激光拼焊技术（TWB－Taylored Welding Blank），一个零件，可以依据其不同部位的负荷、受力条件、成形方式和难易程度，采用不同厚度、材质的材料，将其焊接起来，达到物尽其用，从而提高材料的利用效率，实现车辆的轻量化。

    4 液压管成形

    汽车一些零件是先用钢板冲压成两个半片，然后焊接在一起，形成中空的管状结构件。由于焊接而成，工序复杂，强度和刚度均不理想。德国Thyssen-Krupp长期致力于发展液压管成形技术，通过焊接钢管技术、管件液压成形技术、管件激光拼焊技术、卷管技术等系列关键技术的开发，已经形成成套技术，并已经开发出概念车。通过应用液压管成形技术的应用，可以改善零件的受力条件，提高构件的承载能力，降低车体重量20-30％，成本稍稍高于传统车。目前已经在众多车辆上推广应用。

    5 耐腐蚀钢板

    由于高强钢板成分设计和变形规律有自己的特点，所以其涂镀过程有特殊的难度。首先，高强钢板采用一定含量的Mn和Si，也经常使用各种合金元素，由于不同元素与基本材料Fe氧化特性不同，一些元素发生选择性氧化，常常会在钢材表面形成氧化物，这些氧化物会造成漏镀点，直接恶化材料的涂镀质量和抗腐蚀能力。其次由于高强钢板，如DP或TRIP，热处理的温度制度，特别是等温时效处理的温度，与涂镀的温度不一致，需要调整高强钢板连续退火和热浸镀的温度制度。此外，如何调整和控制高强钢板热处理的温度制度，实现需要的高冷却速率和柔性化的退火与热处理制度，也是迫切需要解决的问题。