1、世界金屬導報 /2010年 /6月 /15日 /第 020版質量品種汽車制造業鋼鐵材料的發展方向先越蓉1概述提高超高強度鋼和高強度鋼的利用是汽車制造業材料學的發展方向。只有發展超高強度鋼和 高強度鋼,才能滿足當今汽車制造業的要求,提高汽車鋼生產企業的競爭力。任何運輸工具首先要滿足的四條標準是 :安全性、 可接受的價格、 燃料效率、 環境友好 (即 SAFE 標準, Safe 、 Affordable 、 Fuel efficient、 Environmentallyfriendly 。在現代化工業發展階段,這些 標準的水平、重要性、相互關系和相互影響,取決于技術、社會、經濟、政治和許多其他因素

2、。 第一個標準 (安全性 和其他 3個標準是相互矛盾的。例如提高安全性,要求增加投資來提高現有 的和新的安全部件效率和可靠性;要求應用有效的動力消耗系統,這就增加了汽車重量,因此提 高了燃料消耗量,惡化了運輸工具的環境。滿足可接受的價格、燃油效率和環境友好標準的最簡單的方法是減輕汽車重量。實現這一目 標有四種方法。首先,就是顯著縮小汽車規格尺寸,但不改變主要結構部件使用材料名目。除了滿足上述 3條標準外,從提高大城市公路通行能力、增加車位數量的觀點來看,這個方法是吸引人的。預計 在相當遙遠的未來,生產小規格尺寸的汽車將成為主導趨勢,小型和微型汽車將占世界總額的決 大多數份額。 然而今天的現實是

3、這樣汽車的發展受到了阻礙, 除了主觀因素 (包括多年的習慣, 尤 其在北美大陸,習慣寬敞和舒適的汽車 ,還有客觀因素 (首先是安全性 。小規格尺寸本身就限制 了無論是固定的還是活動的安全部件的應用。任何一種方法都不能成功平衡上述因素時,這樣保 證符合 SAFE 標準的方法將不可以接受。在此必須指出,在很少改變部門標準的條件下,根據用 戶某種抽象概念的汽車安全,已成為評價的因素。其次,減輕中級車的重量,在結構中采用輕質合金、復合材料和塑料。這些材料實質上具有 更低的密度、更高的耐蝕性,使他們成為鋼的重要競爭者。盡管這些材料的推廣應用受到限制, 如輕質合金和復合材料價格高,汽車企業必須重新裝備;與

4、現代汽車鋼相比,這些替代材料極大 地降低了強度,不能保證應有的安全水平。但是,采用這些材料的比例在增長。汽車的統計數據 顯示,鋼質部件占 50%,這些材料占 18%。這些材料絕大部分用于發動機、內部裝置和管線。 第三,降低汽車鋼本身的厚度。然而,如果“變薄”的部件結構強度損失,沒有任何一種方 法的補償,那么這不可避免地導致降低車身的支承能力,按安全標準是不能接受的。在一定程度 上,這種損失實際上能夠通過進一步優化結構部件形狀得到補償。但“簡單”降低汽車重量不能 充分保證執行安全標準。第四,用高強度鋼和特高強度鋼制成的部件來降低汽車重量。它被認為是今天唯一的及未來 最充分符合 SAFE 全部標準

5、的方法。為應對鋁材等替代產品的競爭,世界主要鋼鐵生產企業聯合起來一同進行汽車輕量化的研 發。參加的單位有 :日本 JFE 鋼公司、日本神戶制鋼公司、瑞典 SSAB 公司、韓國浦項鋼鐵公司、 美國鋼鐵公司等 30多家鋼鐵生產企業, 國際鋼鐵協會汽車工業鋼材應用委員會 (AUTOCO起著調 配員的作用。研發的方向是制造超輕、節能、對人和環境安全的汽車。委員會協調重點鋼材生產廠開發新 品種,并進行應用實踐。根據汽車制造要求,制定高強度鋼生產、加工及其應用新工藝過程的標 準文件。致力于汽車制造用現有和未來鋼種的分類。表 1列出汽車輕量化用鋼計劃的主要方向。從公布的數據看,汽車輕量化用鋼的研究工作取得了

6、效果。最近十年內,在世界汽車制造業 中名牌品種已更新了 70%。隨著這類鋼種數量和質量的發展,要求更準確地確定鋼材品種、他們 的性能、應用范圍和發展趨勢?，F有的汽車鋼分類, 顯而易見不具備充分的信息量, 通常具有圖表性, 只擁有伸長率 -強度特 性 (屈服點或極限抗拉強度 等參數。推薦用表格形式的分類方案,包括每類鋼種典型的化學成分、 力學性能、使用性能及在汽車制造中的應用范圍。推薦四類鋼種 :低碳鋼 (LC-Low Carbon steels、高抗凹陷鋼 (DR-Dent resistant steels、低合金 高強度鋼 (HSLA-highstrength low alloy steel

7、s和先進高強鋼 (AHSS-advanced highstrength steels。 2低碳鋼 (LC在低碳鋼中劃分的類型 (見表 2 ,反映了直到 20世紀 90年代初的主導趨勢。根據用戶需求, 第一重要性是材料的工藝性能,首先是成形性,而使用性能處于第二位。這個級別的鋼種類型按 深沖能力增強的順序排列。這個鋼級也包括日本和韓國冶金學家最新開發的 SUPER EDDS類 IF 鋼和各向異性系數不小于 2 5和 2 7的 Hyper EDDS:繼續發展這個級別的鋼種是不合理的, 因為達 到的工藝水平完全符合汽車制造要求, 接近工藝的極限。 此外, 在現階段鋼的使用特性最好 (安全 性、吸收沖

8、擊能、由于減輕重量而降低油耗等 。只有通過提高鋼的強度性能才可以達到高水平。 顯然,由于“追求”汽車鋼的強度,有時不可避免地嚴重惡化了其工藝性。然而,只有奠定 了鋼的“強度潛力” ,才能保證汽車用鋼的競爭力。同時應擁有較好的成型技術,在冶金工序階 段如果不廣泛應用最現代化的工藝,就不能在可接受的成型條件下實現鋼的“強度潛力” 。只有 借助最現代化的工藝,才可以有效利用各種強化機理 :固溶強化、第二相強化、彌散 (直至納米尺 寸 微粒強化、晶界強化。3高抗凹陷鋼 (DR這個鋼級 (見表 3 是由前不久開發的高強 IF 鋼開始的 (和 IF-260一樣, 用磷、 錳 (達 1.2%、 硅、 硼合金

9、化 ,其b=450N/mm2。資料報道,用叫做 Cu-IF 的鋼制造車身部件,具有極好的強度和 塑性,其含 Cul.35%和含 Ni 0.65%。研究具有烘烤硬化效應鋼種類型時,若是包含 DR 級,要指出用磷合金化的同樣級別的鋼, 以及先進高強級別 AHSS 的 DP 和 TRIP 鋼和 IF 鋼都具有烘烤硬化能力。4低合金高強度鋼 HSLA低合金高強度鋼 (HSLA的特點是類型小, 傳統上它包括唯一類型, 即 HSLA 鋼本身, 產品具 有多樣性。低臺金高強度鋼的化學成分、力學性能見表 4,表 5。一些專家認為,這些用于汽車制造的鋼種使用“低合金”的名稱,不完全正確,他們更應屬 于微合金高級

10、碳素鋼。為了提高耐蝕性,這類鋼用銅合金化,它們已獲得廣泛應用。用 Ti 、 V 或 Nb 合金化能提高s 到 550N/mm2,而 V+Mo能提高。到 690N/mmm2。各向同性鋼包括在這 個級別是合理的,它與 HSLA 鋼的不同之處在于性能的各向異性很低,更節約合金,強度和塑性 指標更高。目前該級別鋼比較重要,車身重量的 10%15%采用這類鋼種。5先進高強度鋼 (AHSS在 AHSS(見表 6 中,應提到能夠減輕車重 25%的雙相 (DP鋼。由于力學性能范圍較寬,例如 極限強度范圍從 500N/mm2到 1000N/mm2,根據 ULSAB-A VC 方案,車身重量中雙相鋼的比例 應為

11、75%。這個級別也包括了新型 TWIP 鋼 (高合金鋼, Mn 達 30%、 A1達 9%,保證屈服點大于 600N/rmm2時,延伸率達 80%。具有 TRIP 效應的鋼,是有前途的汽車制造用材料,它在高強度時保證良好的成型性。最近 開發了 Cu 含量達 1.32%的鋼。銅促進細化組織和強化金屬,同時提高殘余奧氏體的體積分數。 馬氏體鋼在這個級別中特別重要。嚴格說,它是碳素鋼,用錳合金化和用硼微合金化,它在水中 900 淬火,從相當軟的珠光體狀態轉變成高強度的馬氏體。這種鋼以熱軋狀態供貨,在汽 車廠進行熱沖壓并隨后淬火。在此條件下屈服點和極限強度幾乎提高 2倍。最新高強度鋼 (NHSS列入 AHSS 級別。目前它只包括 2005年日本 JFE 公司開發的納米級微