東北大學(xué)開發(fā)出納米析出2GPa高韌性熱成形鋼，推動我國超高強汽車用鋼研發(fā)

針對新一代汽車鋼“高強、減重”這一重大需求，東北大學(xué)“先進冷軋、熱處理和涂鍍工藝及裝備技術(shù)”團隊在高性能冷軋汽車鋼工藝與產(chǎn)品研發(fā)方面取得重要進展：開發(fā)出納米析出2GPa高韌性熱成形鋼，并應(yīng)用于北汽新能源純電動兩座車型”LITE”側(cè)防撞區(qū)；在低碳低錳和現(xiàn)有產(chǎn)線能力等多約束條件下開發(fā)出系列化超級淬火配分鋼（Super-Q&P）工業(yè)化原型技術(shù)，其中全球首創(chuàng)的基于一步過時效處理的980MPa級Q&P鋼已批量化生產(chǎn)，強塑積可達27GPa·%；提出熱軋-冷軋-連續(xù)退火一體化控制的技術(shù)思路，提高了產(chǎn)品組織均勻性，保證了高強鋼強塑性和成形性能的良好匹配。上述研究成果突破高性能鋼強韌化的經(jīng)典理論和關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，有助于推動我國汽車輕量化鋼鐵材料研發(fā)與應(yīng)用達到國際領(lǐng)先水平。

1、引言

近年來，我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展給鋼鐵行業(yè)帶來巨大的發(fā)展空間。然而，在環(huán)保、節(jié)能和安全等多重挑戰(zhàn)下，汽車用鋼的超高強化、汽車零部件的輕量化已經(jīng)成為鋼鐵和汽車制造商競相追求的重要目標。2011鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心“先進冷軋、熱處理和涂鍍工藝及裝備技術(shù)”方向針對“高性能冷軋汽車用鋼工藝與產(chǎn)品研發(fā)”這一重大需求，旨在通過物理冶金原理及調(diào)控技術(shù)研究，在2GPa熱成形鋼、1000-1500MPa高強塑積冷成形鋼、熱軋-冷軋-連續(xù)退火一體化工藝等方面取得突破性進展，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列化專有工藝技術(shù)，在若干關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全球首次或批量化工業(yè)應(yīng)用，助力我國超高強汽車用鋼研發(fā)向世界頂尖水平邁進。

2、研究進展及成果

2.1納米析出2GPa高韌性熱成形鋼的開發(fā)及工業(yè)應(yīng)用

目前，全球汽車廣泛采用的安全構(gòu)件主要為22MnB5鋼，對其進行熱沖壓成形并涂裝后，構(gòu)件的強度可達1.5GPa，但其延伸率僅為7%左右。隨著汽車輕量化的發(fā)展和更為苛刻的汽車碰撞安全性要求，提高強度至2GPa可減薄材料厚度20%，進一步實現(xiàn)輕量化，然而，其瓶頸在于：如何在現(xiàn)有熱沖壓條件下，不增加額外工藝，確保2GPa級熱成形鋼達到22MnB5鋼同等延伸率和韌性，以實現(xiàn)更優(yōu)異的碰撞吸能效果。冷沖壓成形鋼通過鋼鐵廠的連續(xù)退火線生產(chǎn)，可在其柔性的幾乎任意的熱工曲線下實現(xiàn)其相變和強韌化的組織調(diào)控。而熱沖壓工藝過程的熱工曲線固定，板材高溫下成形后直接在模具內(nèi)淬火，3-8s內(nèi)快冷至馬氏體相變結(jié)束溫度，對該工藝條件的任何改變都將帶來制造成本的增加或構(gòu)件形狀變形等問題。僅簡單通過提高碳含量的方式提高熱成形鋼抗拉強度會導(dǎo)致其延伸率和韌性降低，如何使1.8-2.0GPa級熱成形鋼達到22MnB5的良好韌性，這是一個巨大的工程難題。

東北大學(xué)易紅亮教授帶領(lǐng)技術(shù)團隊，針對汽車用1.8GPa以上超高強鋼的強度與韌性、延伸率間的矛盾這一難題，積極探索，大膽創(chuàng)新，提出將釩微合金與熱沖壓工藝條件耦合實現(xiàn)熱沖壓鋼晶粒細化，并通過納米碳化釩析出降低馬氏體中的碳含量，從物理上抑制1.8GPa以上超高強鋼脆性馬氏體的生成，從而根本上改善材料韌性，再以馬氏體強化、晶粒細化、納米碳化釩析出復(fù)合強化機制實現(xiàn)強度突破2GPa，避免因單一強化機制過高而導(dǎo)致熱沖壓成形用鋼的韌性和延伸率惡化。

通用汽車評價結(jié)果表明，該材料相比目前工業(yè)應(yīng)用的熱成形鋼22MnB5性能提高20%以上，比全球各大鋼鐵巨頭開發(fā)的1.8GPa級熱沖壓鋼性能提高10%以上。納米析出2GPa鋼在模具淬火狀態(tài)即可達到2121MPa的超高強度和8%的延伸率，涂裝回火后延伸率提升至9%左右。

通過帽型件三點彎曲試驗測試發(fā)現(xiàn)，納米析出2GPa熱成形鋼對比22MnB5性能提高約20%；對比國際前沿1.8GPa級以上熱成形鋼性能提高約10%以上。同時，在國際上，首次實現(xiàn)了2GPa級熱沖壓鋼必須通過回火來改善韌性的技術(shù)突破。納米析出2GPa鋼在實驗室研發(fā)成功后，進行了北汽新能源“LITE”車型的車門防撞鋼梁熱沖壓件及長安汽車的B柱加強件等汽車車身零部件的工業(yè)試制，經(jīng)測試分析，其性能均達到了2GPa超高強度，8%以上的延伸率。

2016年，納米析出2GPa熱成形鋼車門防撞鋼梁熱沖壓件成功焊接裝車，同時進行了實車碰撞性能測試（如圖1所示），潰縮10mm彎曲變形未發(fā)生斷裂，驗證了該材料的高強韌性。2017年，該2GPa鋼在本鋼集團成功完成批量生產(chǎn)，并商業(yè)化應(yīng)用于北汽新能源純電動兩座車型“LITE”側(cè)防撞區(qū)，成功實現(xiàn)車身相關(guān)零部件減重10%-15%，這也是2GPa級超高強鋼在全球范圍內(nèi)首次投入批量化工業(yè)應(yīng)用。除此之外，在工藝設(shè)計上，該鋼板基于創(chuàng)新的材料設(shè)計，不需通過回火來改善韌性，減少了汽車零部件的制造工藝環(huán)節(jié)，為汽車企業(yè)大幅降低了生產(chǎn)成本，經(jīng)濟效益十分可觀。

2.2新一代高強韌高成形性汽車用鋼的研究與開發(fā)

為應(yīng)對節(jié)能減排、綠色環(huán)保和提高安全性能的巨大壓力，開發(fā)高強度、高韌塑性、輕質(zhì)低密度的汽車用鋼已成為鋼鐵和汽車行業(yè)所面臨的迫切任務(wù)。先進高強鋼的研究和開發(fā)大致經(jīng)歷了三個階段，第一代主要以無間隙原子鋼、高強度低合金鋼、C-Mn鋼、烘烤硬化鋼、雙相鋼、應(yīng)變誘導(dǎo)塑性鋼、復(fù)相鋼、馬氏體鋼為代表，這也是目前主流的商業(yè)化汽車鋼品種，但是較低的合金含量導(dǎo)致強塑性能不能兼顧，強塑積通常在10-20GPa·%范圍內(nèi)。隨著人們對強度及韌塑性要求的不斷提高，以輕質(zhì)誘導(dǎo)塑性鋼、微觀帶誘導(dǎo)塑性鋼以及孿晶誘導(dǎo)塑性鋼為代表的第二代鋼憑借奧氏體內(nèi)部微觀帶、孿生等主導(dǎo)的特殊變形機制大幅度提高了強塑性能，強塑積可達50-70GPa·%，但是該類合金鋼添加了大量的錳、硅、鎳和鋁等合金元素，導(dǎo)致其成本較高、工藝性能較差、冶煉及生產(chǎn)難度極大。為了同時滿足低成本、高性能和易于工業(yè)化的要求，以淬火配分鋼（Q&P）、中錳鋼、納米晶鋼（Nano-Steel）為代表的第三代汽車鋼應(yīng)運而生，憑借高于第一代鋼的性能優(yōu)勢及低于第二代鋼的成本優(yōu)勢而備受青睞。但是，當前面臨的“卡脖子”問題就是工業(yè)化制造難度大，與技術(shù)成熟的商業(yè)化（第一代）汽車鋼相比，由于合金元素（C、Mn、Al、Si等）含量的增加，給傳統(tǒng)的冶煉、連鑄、軋制、熱處理等裝備與工藝帶來了很大的挑戰(zhàn)，甚至可以說存在難以逾越的技術(shù)瓶頸。首先，需要解決厚板坯連鑄問題。常規(guī)厚板坯中高錳鋼連鑄過程中C、Mn等元素偏析嚴重，鑄坯表面、心部冷速差異造成大的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致內(nèi)部裂紋，并且心部出現(xiàn)的粗大柱狀晶組織導(dǎo)致后續(xù)軋制時形成嚴重的表面缺陷；高Al鋼連鑄過程易引起水口堵塞、保護渣傳熱及潤滑特性發(fā)生改變。其次，軋制開裂及冷軋機負荷極限問題。常規(guī)流程中，冗長的熱軋過程易引起Mn-Al鋼帶狀組織界面析出大量薄膜狀碳化物造成相界面間隙及熱軋開裂；中錳鋼熱軋板通常要經(jīng)歷大壓縮比冷軋，而馬氏體冷軋平均流變應(yīng)力超過2000MPa，顯然全馬氏體冷軋難以實現(xiàn)；即使經(jīng)過中間罩式退火處理形成α+γ組織，在大壓縮比冷軋后期仍會出現(xiàn)大量馬氏體，并且罩式退火易生成滲碳體導(dǎo)致分層開裂，軋制難度依然極大。再次，冷軋高強中錳鋼退火產(chǎn)品往往存在較長的呂德斯帶應(yīng)變，嚴重影響了沖壓過程中鋼件的表面質(zhì)量。這也是目前在中錳鋼成形應(yīng)用過程中所遇到最為棘手的問題之一。此外，錳配分過程與連續(xù)退火工藝的匹配、高合金含量下的中高錳鋼焊接技術(shù)以及延伸凸緣成形過程的裂紋敏感性等問題都是目前主要依賴錳配分實現(xiàn)強韌化的第三代鋼工業(yè)化過程所面臨的技術(shù)瓶頸。

正是上述原因使第三代鋼工業(yè)化技術(shù)進展緩慢，只有在現(xiàn)有生產(chǎn)流程、工藝裝備和合金體系框架下，開發(fā)高強韌高塑性高成形性鋼鐵材料，解決諸如長呂德斯帶缺陷以及其他成形焊接問題，才有可能從根本上解決第三代鋼制造過程的技術(shù)瓶頸，使其真正成為適合工業(yè)化的新一代先進汽車鋼商業(yè)化產(chǎn)品。為此，東北大學(xué)許云波教授研究了基于傳統(tǒng)合金和工業(yè)條件約束的先進鋼鐵材料典型微結(jié)構(gòu)演化以及增強、增塑和增韌機理，為破解第三代鋼的工業(yè)化難題提供了新的解決方案，研究成果具有重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用潛力。

在低成本、減量化成分體系基礎(chǔ)上，將多尺度組織細化、殘余應(yīng)變控制、貝氏體碳配分與奧氏體穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)，提出一種非等溫（連續(xù)冷卻）過程中實現(xiàn)碳原子“動態(tài)配分（DQ&P）”的工藝理念，利用熱軋-動態(tài)配分和大應(yīng)變冷軋-快速退火等方法，促進TRIP效應(yīng)的最大化。系統(tǒng)研究了新型中錳鋼形變熱處理過程特征微結(jié)構(gòu)演變與調(diào)控機理，分析了奧氏體穩(wěn)定性的主要影響因素及其物理本質(zhì)，揭示了“多峰值”加工硬化行為與不連續(xù)TRIP效應(yīng)的關(guān)系，闡明了靜、動態(tài)載荷下特殊的塑性變形機制及其增強、增塑、增韌機理。在此基礎(chǔ)上，提出新穎的“雙尺度+雙結(jié)構(gòu)”組織設(shè)計思想，有效提高了溶質(zhì)原子配分效率，實現(xiàn)了奧氏體晶粒尺寸、形貌特征、體積分數(shù)和穩(wěn)定性的最優(yōu)匹配，優(yōu)化了材料塑性流動和變形協(xié)調(diào)行為，進一步提高了鋼的強韌性能。

圍繞Fe-3wt%Mn鋼不同熱處理工藝下組織結(jié)構(gòu)、鐵素體狀態(tài)、奧氏體含量、錳元素配分行為、TRIP效應(yīng)及加工硬化行為之間的關(guān)聯(lián)機理，重點分析不同退火工藝下逆轉(zhuǎn)變奧氏體的形成及富錳化機制。研究結(jié)果表明，優(yōu)化退火工藝可促進錳元素的配分動力學(xué)，為后續(xù)奧氏體的保留提供了較高的錳濃度梯度，同時改變了奧氏體的形貌結(jié)構(gòu)，有效提高了成品組織中殘余奧氏體的含量并細化奧氏體晶粒。多形態(tài)奧氏體在拉伸變形過程中持續(xù)提供TRIP效應(yīng)，大幅度改善實驗鋼的加工硬化行為，使得抗拉強度達到1040MPa的同時斷后延伸率達40%以上，起到明顯的增強增塑效果。采用多階段軋制及溫軋退火工藝，調(diào)控顯微組織結(jié)構(gòu)及殘余奧氏體含量及穩(wěn)定性，明確了亞穩(wěn)殘余奧氏體的增韌機理。在此基礎(chǔ)上，采用層狀結(jié)構(gòu)增韌設(shè)計，挑戰(zhàn)鋼鐵材料韌性極限，開發(fā)了抗拉強度1150MPa以上，-60℃以上沖擊功＞450J的超高強韌鋼板原型技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在低碳低錳低合金和現(xiàn)有產(chǎn)線能力等多約束條件下，國際上首次采用碳錳配分和應(yīng)變配分協(xié)同調(diào)控機制開發(fā)出系列化超級淬火配分鋼（Super-Q&P）的工業(yè)化原型技術(shù)，其中1000MPa級延伸率25%-40%，1200MPa級18%-24%，1400MPa級20%（如圖2所示）。新開發(fā)鋼種力學(xué)性能達到或超過中錳鋼水平，而合金成本和生產(chǎn)難度大幅度降低，特別是Mn含量降低到3wt%以下，塑性比現(xiàn)有Q&P鋼可提高一倍，這是一種非常適合現(xiàn)有產(chǎn)線及工藝的全新第三代汽車鋼品種，具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，針對冷軋高強中錳鋼中普遍存在“較長呂德斯帶”的世界性難題，在系統(tǒng)研究其形成機制的基礎(chǔ)上，提出“微納米雙相結(jié)構(gòu)與高加工硬化能力”的組織控制思路，通過優(yōu)化應(yīng)變配分和調(diào)控塑性變形機制，開發(fā)了消除呂德斯帶的微結(jié)構(gòu)精細控制技術(shù)，獲得了無呂德斯帶1000-1200MPa級高性能Mn-TRIP原型鋼。

針對現(xiàn)有Q&P鋼成形性較低、工藝成本高和依賴專用退火線等局限性，依托國內(nèi)某傳統(tǒng)連續(xù)退火生產(chǎn)線世界首創(chuàng)基于一步過時效處理的高延伸Q&P鋼生產(chǎn)技術(shù)（如圖3所示），工業(yè)成品板屈服強度≥600MPa，抗拉強度≥980MPa，斷后延伸率可達到25%以上，綜合性能表現(xiàn)優(yōu)異。與同級別“兩步配分”商業(yè)化鋼種相比，新技術(shù)溫控路徑簡單，配分窗口靈活，生產(chǎn)銜接順暢高效，工藝成本降低，僅取消“感應(yīng)提溫”一項就可以節(jié)約電費50-100元/噸。而且，新產(chǎn)品典型組織和力學(xué)性能表現(xiàn)優(yōu)異，通卷性能波動小，抗回火穩(wěn)定性強，顯微組織中殘奧體積分數(shù)提高2%-6%，斷后延伸率增加2%-4%，強塑積可達27GPa·%以上。電阻點焊及成形性能與“兩步配分”產(chǎn)品典型值基本相當，其中折彎、回彈等性能更優(yōu)，1.6mm板臨界相對彎曲半徑降至1.5mm左右，90°折彎回彈角可達到約14°。此外，與同級別冷軋雙相鋼（DP）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP）相比，不僅Cr、Mo及Nb、V、Ti等合金成本大幅度降低，而且鋼材韌塑性、成形性和延伸凸緣性等顯著提高，特別是延伸率達到了同級別DP鋼的兩倍以上。新型Q&P鋼可用于橫梁、縱梁、車窗框架、保險杠及地板加強件等汽車結(jié)構(gòu)件（圖4），通過減薄零件厚度，減少燃油損耗，有效實現(xiàn)節(jié)能降耗。例如，使用QP980替代DP600，工件厚度由1.2mm減薄至1.0mm，減重10%-20%。同時，汽車安全性顯著提高，在正常碰撞下人員死亡率大幅度下降。

2.3冷軋高強鋼的熱軋-冷軋-退火一體化控制工藝研究

在汽車制造中，汽車前后縱梁、側(cè)梁等受力結(jié)構(gòu)件和加強件需要有良好的抗變形能力，即需要有高的屈服強度和高的屈強比。由于對微合金元素有嚴格的用量限制，加之連退過程中微合金元素析出的控制上存在難度，實際生產(chǎn)和使用過程中往往出現(xiàn)幾方面問題：其一，出現(xiàn)屈服強度偏低或強度與延伸之間的蹺蹺板效應(yīng)；其二，出現(xiàn)折彎開裂等成形問題；其三，鋼板橫縱向力學(xué)性能差異大，影響使用。為了解決上述難題，東北大學(xué)藍慧芳副教授采用熱軋-冷軋-退火一體化的工藝控制思路，通過控制熱軋冷卻過程中的相變及析出行為，結(jié)合冷軋及冷軋后連退過程中的鐵素體再結(jié)晶、奧氏體相變及微合金元素析出行為調(diào)控，提高最終產(chǎn)品組織均勻性，并通過控制連退過程中微合金元素的析出行為，獲得良好的析出強化效果，從而保證強度、塑性和成形性能的良好匹配。

研究了不同熱軋工藝條件下，冷軋后連續(xù)退火過程中的鐵素體再結(jié)晶行為，弄清了基于一體化控制的鐵素體再結(jié)晶規(guī)律。比較常規(guī)工藝和新工藝兩種工藝條件下的鐵素體再結(jié)晶動力學(xué)曲線以及試驗數(shù)據(jù)，可以看出，常規(guī)工藝條件下再結(jié)晶完成所需時間明顯延長。計算表明，新工藝條件下再結(jié)晶激活能僅為常規(guī)條件的1/2左右，為鐵素體再結(jié)晶和析出的順序控制提供了依據(jù)。此外，通過一體化控制可以保證在鐵素體發(fā)生完全再結(jié)晶的基礎(chǔ)上，獲得良好的析出強化效果。基于一體化控制的組織控制思路，進行了工業(yè)推廣應(yīng)用。結(jié)果表明，該工藝條件下可實現(xiàn)：1）強度升級，從而節(jié)約合金成本；2）降低均熱溫度，從而降低加熱能耗；3）力學(xué)穩(wěn)定性提高。

高強度冷軋雙相鋼通常用于沖壓如汽車B柱、座椅框架等形狀復(fù)雜的部件。然而在諸如小半徑彎曲、延伸凸緣這類局部成形過程中，高強度雙相鋼往往出現(xiàn)“不可預(yù)計”的開裂現(xiàn)象。因此，高強度雙相鋼在成形過程中遇到了極大挑戰(zhàn)。雙相鋼折彎開裂原因在于變形過程中馬氏體帶斷裂，為成形開裂提供裂紋源，從而顯著降低局部成形性能。因此，消除冷軋產(chǎn)品中的帶狀組織、提高組織均勻性，是提高局部成形性能的重要手段。為此，研究者提出了熱軋-冷軋-連續(xù)退火一體化控制思路。研究合金元素、熱軋、冷軋和連退工藝對相變、析出行為及連續(xù)退火過程中的鐵素體再結(jié)晶和相變行為的影響規(guī)律，明確組織分布對力學(xué)性能和折彎性能的影響規(guī)律。連續(xù)退火加熱過程中，鐵素體再結(jié)晶對后續(xù)奧氏體相變的形核和長大均有重要影響。為此，通過對比研究，弄清了一體化控制工藝條件下的鐵素體再結(jié)晶規(guī)律，為后續(xù)馬氏體形態(tài)和分布控制提供了依據(jù)。常規(guī)工藝和新工藝條件下鐵素體的再結(jié)晶動力學(xué)曲線對比可以發(fā)現(xiàn)，新工藝條件下，鐵素體發(fā)生完全再結(jié)晶所需時間明顯縮短。經(jīng)回歸分析，得到新工藝下鐵素體再結(jié)晶激活能顯著降低。

連續(xù)加熱過程中奧氏體相變動力學(xué)直接影響后續(xù)冷卻過程中馬氏體分數(shù)，因而對性能產(chǎn)生重要影響。為此，綜合考慮相變過程中的相界面移動及元素擴散兩方面因素，進行了相變動力學(xué)模擬與實驗驗證，實現(xiàn)了不同組織條件下的奧氏體相變動力學(xué)精確預(yù)測。此外，研究了鐵素體再結(jié)晶對組織均勻性的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)，隨鐵素體再結(jié)晶分數(shù)提高，奧氏體形核位置更加均勻，有利于最終馬氏體分布均勻性的提高。通過一體化控制工藝，獲得了強塑性匹配良好的DP780。通過組織及局部成形性能評估可以看出，一體化控制工藝可顯著提高組織均勻性，所開發(fā)高成形性雙相鋼局部成形性能優(yōu)勢明顯，如圖5所示。

3、結(jié)語

上述研究成果圍繞新一代高強韌汽車用鋼的設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用全鏈條，在深度挖掘現(xiàn)有裝備和工藝能力的基礎(chǔ)上，突破高性能鋼強韌化的經(jīng)典理論和關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，大幅度降低合金成本和工業(yè)制造難度，有助于推動我國汽車輕量化鋼鐵材料研發(fā)與應(yīng)用達到國際領(lǐng)先水平。

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