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(dá)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(dá)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(xì)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(dá)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(xì)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(xì)小的晶粒尺寸小有助于得到細(xì)小分散的馬氏體下從而達(dá)到較高的抗拉強度。鈮合金化的一個負(fù)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(dá)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(dá)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(dá)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