汽车用冷轧超高强度双相钢的研发和生产

关键词：冷轧双相钢；生产工艺；高强度钢；热锌锌

随着控轧控冷技术、连续退火技术及镀锌退火技术的开发应用和汽车工业的高速发展，冷轧双相钢在汽车结构用钢中比重越来越大，而且向超高强度和镀层化发展。日本已使980、1 170MPa级DP钢商品化，并开发了1 370、1 560 MPa级超高强度冷轧DP钢板。目前世界各国均在加速高强度DP钢在汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上的应用，其关键技术在于解决高强度DP钢的冲压成形性。

高强度DP钢的生产工艺是影响强度和塑性的关键因素，尤其是成形性能优良的新型高强度DP钢生产工艺目前属于国际尖端技术。本文旨在介绍国内外冷轧超高强度双相钢在化学成分、组织性能、生产工艺及开发等方面取得的一些进展和趋势。

1 汽车用冷轧超高强度双相钢

1．1 冷轧超高强度双相钢

进入21世纪，所有的研究和开发工作集中在开发新型的超高强度钢，为超轻型车体计划配套的新型钢板。目前的研究和开发重点主要是800 MPa级及以上的超高强度双相钢。

为了获得超高强度，从成分设计上不宜提高传统的C—Mn双相钢的C、Mn和Si含量，因为C和Mn含量的提高不利于钢的焊接性能和成形性。但Si在双相钢中是一种特别有效的添加元素，它不仅可以提高铁素体基体的连续性，避免马氏体相互联接，防止马氏体区域出现裂纹，而且能提高铁素体中C的活性，使其具有更好的韧性，从而优化双相钢强度和韧性的平衡。但是Si和Mn一样，如果添加过量，退火时容易在钢带表面氧化，降低镀锌浸润性，造成漏镀点等镀层缺陷，并且会恶化镀锌板的点焊性，所以其添加量也受到限制。因此，从综合力学性能和工艺性能考虑，在低C当量和低含Si量的条件下，通过成分和工艺的优化来获得高强度级别的双相钢是非常重要的方法。借助微合金化设计取得冷轧双相钢所要求的综合力学和工艺性能也是其中的途径之一。另外，双相钢组织优化是另一个途径。日本开发的超细晶粒钢通过细化铁素体晶粒、应用细化铌f碳、氮)析出弥散硬化技术等实现了材料好的深冲性能、低的屈强比等。连续退火技术的提高和发展为超高强度钢的生产创造了条件，日本IIEF公司采用超高冷却速率的洋火工艺，工业化生产出Rm=780～1 470 MPa高成形性超高强度钢板产品。

1．2 超高强度热镀锌双相钢

作为汽车车体用的双相钢面板和构件，大都需要热镀锌以提高其耐蚀性能，都需要采取急速冷却以得F M双相组织。然而，热镀锌时，钢带出退火炉后马上进入460℃左右的锌锅镀锌，冷却速度相对较低，难以得到理想的双相钢组织。目前主要是800～1000 MPa超高强度级别热镀锌DP钢的开发，其中热镀锌的可镀性是一个研究重点。主要是化学成分的设计必须同时满足力学性能和镀锌工艺的要求，或者开发和应用如锌淬技术等新的镀锌工艺。日本川崎选择添加铝元素，开发出的R=590～980 MPa高强度合金化热镀锌钢板(GA)。

2 冷轧超高强度双相钢的性能特点

DP钢室温组织主要由铁素体(F)和马氏体(M)构成，F为基体相，岛状M分布于其上。软的F赋予DP钢优良的塑性，硬的M则赋予其高的强度，使得它具有较好的力学性能和加工工艺性能。但随着双相钢强度的不断提高，马氏体数量的增加，钢的塑性会急剧降低，在相同强度等级时，其塑性和成形性低于TRIP钢。TRIP钢室温组织主要由铁素体(F)、贝氏体(B)以及残余奥氏体(Ar)三相构成。与DP钢相似，作为基体的F主要对塑性做贡献，作为第二相的B则主要提高材料的强度。但由于TRIP钢的组织中还存在一定量的Ar(一般5％～15％)，在变形过程中，Ar逐步转变成M，大大提高材料塑性，TRIP钢也因此而得名。

DP钢由于在和马氏体相邻的铁素体内存在可动位错，即使在相同抗拉强度下屈服强度也低，即具有低的屈强比，因此加工时弹性回复量小，具有良好的成形性能。另外，由于比析出强化钢延伸率大，凸肚成形性优良，疲劳耐久性也好，因此可用来制造轮辐等。但是依赖于局部变形能的延伸翻边性稍差，这是由于变形能相差很大的二相界面成了延性破坏的起点。还有，冷轧DP钢板的γ值低，这可以认为是由于在晶粒位向上存在着对γ值不利的马氏体相，而且塑性变形时在硬质马氏体相周围产生多重滑移导致变形杂乱所造成的。TRIP钢由于自身优异的拉胀性和塑性，比DP钢具有更广泛的成形范围，特别适合于需要很大压边力的冲压成形工艺，可用于制作汽车的挡板、底盘部件、车轮轮辋、车门冲击梁等。

为了解决高强度尤其是超高强度双相钢应用中存在的强度高而塑性差的矛盾，目前的一个有效途径是细化晶粒，当晶粒尺寸只有数微米时，这种超细晶粒钢具有非常高的强度和硬度，而且韧性也显著改善。另外，近几年在双相钢的基础上开发出一种有相变诱发塑性特性(TRIP)的双相钢(TDP钢)。由于TDP钢具有高强度(达500 MPa以上)和非常良好的冲压成形性，可制造几乎所有的汽车结构件，应用前景极佳。TDP钢组织主要由铁素体 贝氏体 10％左右的残余奥氏体组成。在变形时残余奥氏体相变为马氏体，可使材料强塑度大大提高。

3 冷轧高强度双相钢的连续退火工艺

目前冷轧双相钢带一般采用连续退火机组生产，其工艺特点是双相区保温，两段式(缓冷段和快冷段)冷却和过时效处理。冷却技术是现代连续退火技术的核心。

目前国内大型连退机组采用的冷却方式主要为辊冷或气体喷射的冷却方式。由于连续退火机组冷却方式和冷却能力差别，成分设计差别也比较大，在机组冷却能力不足的情况下，只能提高碳含量及添加较高的合金元素，这又严重影响了带钢的焊接性能及涂镀性能。采用水淬冷却方式的连续退火机组冷却能力较强，因此，可以大大减少碳和合金元素的含量，从而有利于降低成本，减少炼钢、热轧、冷轧等工序的压力，并且有利于提高焊接性。日本JEF公司的具有淬火功能的连续退火线WQ—CAL，冷却速率超过1000℃／s，应用可保证强度、成形性能和低碳当量的成分设计，工业化生产出Rm=780～l 470 MPa的高成形性高强度钢板产品。

4 冷轧高强度双相钢的热镀锌退火工艺

汽车车体用钢大都需要热镀锌以提高其耐蚀性能，并需要采取急速冷却以得到F M双相组织。与连续退火相比，热镀锌时冷却速度相对较低，难以得到理想的双相钢组织。目前解决这一问题有两种方法：一是采用添加合金元素法，即在双相钢基板中添加适当的合金元素，使CCT曲线右移，避过珠光体区；二是采用锌淬技术镀锌。

4．1 添加合金元素法

添加合金元素对马氏体转变温度TMs，及冷却速度的影响可表示为如下公式：

TMs=539－423[C]一1 7．7[Ni]－12．1[Cr]－7．5[Mo] (1)

lg(CR)=4．93－1．7[Mn]－1．34[Si]一5．86[C] (2)

从式(1)、式(2)可看出：C元素的影响作用最大，然而双相钢中的马氏体组织必须是强韧的低C多位错类型，而不是高C的孪晶马氏体。因此奥氏体在转变为马氏体前的w(C)最高不得超过0．3％，这就要求基板的总w(C)必须小于0．1％。Tobiyama等人推出了一个更全面的公式：

1g(CR)=3．95－1．73[Mneq] (3)

Mneq=[Mn] 0．26[Si] 3．5[P] 1．3[Cr] 2．67[Mo] (4)

由以上公式可知：Mn是继C以后最为有效的添加元素。如果要保证双相钢在合金化后仍具有相同的双相组织，那么锰当量必须增加到2．3～2．5。但是，Mn在退火过程中会在钢带表面被氧化和沉积，过量的Mn将会恶化镀锌浸润性，所以还必须添加其他元素。如果添加w(Mo)0．15％并提高Mn含量，在热镀锌后合金化过程中以较慢的冷却速度(约1℃／s)冷却，则可得到更好的性能。

4．2 锌淬法

由于现有的连续热镀锌线退火后钢带的冷却速率较低，在镀锌后难以获得双相钢组织，因此不得不添加大量合金化元素(Si、Mn、Cr等)。然而，这些合金化元素在热镀锌线的退火过程中，倾向于存钢表面富集并发生选择性氧化，从而导致锌液浸润性变坏，使锌层质量变差。对此，美国Ispat Inland钢公司采用锌淬技术镀锌，不仅获得了双相钢组织而且大大降低了合金化元素的添加量，同时镀层的质量也明显提高。

利用锌淬技术可使钢带温度从炉鼻温度(480～600℃)到锌锅温度(450℃)的范围内获得很高的冷却速率(100℃／s)。采用锌淬技术的镀锌线对C—Mn双相钢的镀锌试验结果表明：在相同退火温度下，其抗拉强度提高约150 MPa。对C—Mn双相钢显微结构观察表明，锌淬法热镀锌的C—Mn双相钢含有较多的马氏体组织，而一般热镀锌C—Mn双相钢的马氏体含量很少，但有大量贝氏体组织存在。同样，采用锌淬法的热镀锌线在生产热镀锌双相钢(DP600HDG)时，双相钢基体结构由铁素体和马氏体构成。

5 国内冷轧高强度双相钢的研究开发

DP钢板的商业化开发己30多年，目前国外投入商业化生产的双相钢的强度最高己达到1 170 MPa的水平，我国宝钢已初步形成800 MPa以下级别冷轧和镀锌DP钢的生产能力，鞍钢与德国蒂森克虏伯钢铁股份公司合资在大连新建镀锌厂，引进DP钢生产技术，正在试制和开发冷轧和镀锌DP500、DP600、DP800等，但仍不能满足我国汽车工业高速发展的需要，大部分仍需进口。

武钢二冷轧已于2006年全线投产，设计生产规模215万t，产品主要包括冷轧、镀锌及彩涂板卷，厚度0．2～2．5mm，宽度800～2 080 mm，具备800MPa超高强度及以下级别的高强度冷轧和镀锌DP钢生产条件。为了尽快占领国内高强度汽车板市场，武钢应加大DP钢研发力度，加快冷轧双相钢生产工艺研究，尽早形成DP钢批量生产和供货能力是十分需要的。

6 结语

汽车用冷轧双相钢，尤其是高强度和超高强度双相钢，不仅具有优异的综合力学性能，而且用途极其广泛，不仅能大幅度减少车体重量，节能降耗，降低制造成本，而且能大幅度提高汽车的安全性，是一类非常重要的、具有市场竞争优势的钢铁材料，将对我国汽车制造业的快速发展发挥越来越重要的作用。随着我国高档汽车产量的逐步提高和汽车车型更新换代速度的加快，这种作用将更加明显。但我国在汽车用超高强度冷轧双相钢的研究和开发上，在进一步简化生产工艺、降低成本、稳定质量、改善性能的生产实践及应用上，和世界先进国家相比，都还有一定的差距。因此，加快高强度冷轧双相钢的生产装备和生产工艺研究是一项迫在眉睫的任务。