先进高强度汽车钢的发展趋势与挑战

先进高强度汽车钢的发展趋势与挑战

许瑞

唐山钢铁集团高强汽车板有限公司 河北 唐山 063000

摘要：在汽车轻量化过程中，汽车制造商越来越多地使用先进的高强度钢板，以降低汽车质量，提高其安全性。本文分析了先进高强度汽车钢的发展趋势与挑战。

关键词：先进高强度钢；发展趋势；挑战

高强钢在汽车轻量化、节能减排、成本方面具有一定优势和潜力，目前仍是汽车主要材料。高强钢使用比例逐年增加，并向更高强度方向发展，生产模式呈现钢板“以热代冷”和零件成形“以冷代热”的低成本发展趋势，亚稳奥氏体增强增塑第二代汽车钢已成为先进高强钢的重要发展方向，但先进高强钢的发展给材料、工艺设备等带来了新的挑战。

一、先进高强度汽车钢发展趋势

1、高强度化趋势。随着钢铁工业的发展，先进汽车钢的生产及应用强度水平不断提高。目前，1200MPa级以下的钢质汽车零部件主要采用冷成形，1500MPa级以上采用热成形。高强度钢生产能力和技术储备为汽车轻量化提供了更大的潜力。

中国自主品牌汽车与合资品牌在强度级别及质量上存在差距。与合资品牌相比，自主品牌汽车使用的高强度钢比例、强度等级、镀锌板使用比例相对较低，仍有很大发展空间。

为实现汽车轻量化，许多国家制定了汽车轻量化技术路线，开发超高强度钢和先进成形工艺已成为主要发展趋势。例如，美国提出在2025年及2030年分别完成1500～2000MPa与2500～3000MPa低密度高模量汽车钢的开发，我国提出了发展第三代超高强度汽车钢和应用2000MPa超高强度钢的发展目标。未来，汽车钢的发展及使用将朝着更高强度方向发展。

从汽车厂角度来看，增加超高强度钢的应用比例以满足车身轻量化和高安全性发展要求外，材料还应具有优良的加工性及连接性，以及多材质匹配应用的特性，在满足性能要求的同时，应具有较高的性价比，实现材料和部件的低能耗生产与回收，实现全生命周期绿色供应链系统。

2、低成本化趋势。汽车钢品种多、数量大、面广，在满足性能要求前提下，具有较高的性价比是汽车用钢的一项重要指标。因此，低成本化是汽车钢的主要发展趋势之一。

为保证良好的焊接性及低成本，汽车结构件与安全件用钢板通常采用低碳微合金化钢制造，主要采用组织调控和形变相变相结合实现高性能化，不建议添加高合金来确保性能，热处理时通常采用生产效率高、一致性好的连续退火。

就钢板生产流程而言，汽车板通常采用长流程工艺生产，即冶炼→连铸→热轧→冷轧→退火等。随着流程及设备技术的进步，先进高强度钢板生产正朝着低成本流程的“以热代冷”方向发展，即冶炼→薄板坯连铸→热轧→酸洗，节约冷轧工艺。薄板坯连铸连轧技术起初旨在降低投资及成本，主要生产中低档热轧产品。近年来，在深入了解冶金流程及工艺特征基础上，能生产深冲钢、结构钢、低合金高强度钢、IF钢等，还可生产热冲压成形钢。无头轧制技术将是薄板坯连铸连轧的发展趋势，大量理论研究及生产实践表明，薄板坯连铸连轧将取代冷轧生产出高质量、薄规格钢板。薄带连铸技术将连铸与热轧相结合，如在汽车用钢生产中具有能耗低、流程短、效率高、成本低等明显优势。

在汽车零件成形中，“以冷代热”和“以温代热”已成为零部件低成本生产趋势。由于钢板成形能力及加工能力的限制，冷冲压难以生产高强度零件，热冲压成形能在完全奥氏体化钢板成形的同时完成碎火，获得超高强度的力学性能，解决超高强度钢零件成形问题。

3、依靠亚稳奥氏体增强增塑的发展趋势。利用亚稳奥氏体在变形时的相变增强增塑已成为先进高强度汽车钢的一个重要方向。为解决汽车钢塑性随强度增加而降低的问题，美国首先提出了发展高强度、高塑性的第三代汽车钢概念和第三代汽车钢Q&P工艺发展思路。

当前，Q&P钢及中锰钢是第三代汽车用钢的两个主要发展路线，Q&P工艺采用不完全碎火和控制间隙原子碳配分，最终获得马氏体基体上分布有一定量残留奥氏体组织；中锰钢在逆相变退火过程中，通过控制间隙锰原子配分，在超细铁素体基体上获得一定量的亚稳奥氏体，这两种思路区别在于基础钢化学成分及工艺路线的不同，它们的共同点是在变形过程中利用亚稳奥氏体的TRIP效应获得一定比例的亚稳奥氏体并增强增塑。在第三代汽车钢的工业生产方面，我国处于世界前列，中锰钢及Q&P钢分别于2010年与2013年实现工业生产，当前这两种钢都处于推广应用初步阶段。

二、汽车钢面临的挑战与展望

高强度给材料科学本身带来了挑战。高强度是汽车钢发展的必然趋势，但钢的韧塑性随着强度等级的增加而降低，当强度增加到一定程度时，会出现延迟断裂现象及疲劳抗力下降，当抗拉强度超过1200MPa时，零件在使用中会发生延迟断裂；当抗拉强度超过1400MPa时，疲劳破坏敏感，限制了高强度钢的发展及应用，如何提高高强度钢的韧塑性和使役性能是汽车钢面临的重要科学问题。第三代汽车钢使用亚稳奥氏体增强增塑，与第一代汽车钢相比，其强塑性显著提高。然而，含亚稳奥氏体的多相组织钢在单轴拉伸载荷、循环载荷、氢环境下的变形及断裂现象和机理，以及在M3组织中的裂纹启裂和扩展规律、微观组织与力学性能间的定量描述等仍需深入研究，了解强韧塑性的本源是改善材料性能的关键。2017年，国家启动了“十三五”重点研发项目“高性能超高强汽车钢的开发与应用”，提出了探索含亚稳奥氏体多相组织钢变形和断裂机理的关键科学问题，开发了抗拉强度1000～1500MPa、强塑积分别超过20和30GPa.%的新一代汽车钢，项目从成分设计、组织调控原理、工业生产、零部件先进成形、使役性能评价等方面，研究应用超高强高塑性汽车钢，利用大量亚稳奥氏体增强增塑，实现工业化生产及应用。

钢铁材料及装备技术的发展，为汽车钢及零部件的生产方式提供了更多选择。不同先进高强钢力学性能范围交叉，为零件材料提供了多种选择。在成形方法上，抗拉强度1000～2000MPa的零件可选用热成形，而冷成形一般选择在1300MPa以下，热成形解决了超高强钢成形问题，使零件在获得1500MPa级以上的抗拉强度时仍具有较高尺寸精度，但热成形生产效率低、表面质量差、成本高；而冷成形具有较高生产效率及较低加工成本，随着强度水平的提高，回弹已成为高强钢应用的关键技术瓶颈，回弹大小与材料屈服强度R_pO.2成正比，与弹性模量E成反比，即R_pO.2/E越大，回弹越大。对于高强度钢，弹性模量差别不大，随着初始屈服强度的增加，回弹呈增加趋势。从成形工艺角度来看，高强度汽车钢需加强对回弹准确预测和补偿的研究，特别是含有一定比例亚稳奥氏体的超高强第三代汽车钢，在成形过程中，相变行为对回弹的影响也值得关注。汽车钢的短流程生产节约了工艺成本，但目前大多数短流程产线只适合生产抗拉强度不超过700MPa的高强钢，更高强度钢板的生产能力有待进一步提高。由于汽车工业量大面广，在选择不同流程、材料、成形工艺时，满足使用要求的低成本技术往往受到汽车制造商的青睐。

平衡多材料化，减少钢种数量。汽车由多材料组成，特别是近年来在铝、镁、塑料、复合材料等轻质材料快速发展的推动下，轻质材料在汽车上的应用越来越多，通过多材料车身实现汽车轻量化及高安全性是一个重要的发展趋势。车身材料的多元化与材料品种的减少之间存在矛盾，汽车车身制造中，为了满足结构设计的需求，平台化控制需约120种钢牌号和厚度组合，这对材料连接、结构优化设计、性能匹配等提出了挑战。通过控制钢的微观组织，实现多种力学性能，从而减少材料品种数量，不仅能减少材料异质连接数量、钢厂与汽车厂材料管理，也能降低材料与车身制造成本。

参考文献：

[1]董瀚.高性能钢的M3组织调控理论与技术[J].钢铁，2015(07).

[2]常颖.先进高强度汽车钢的发展趋势与挑战[J].钢铁，2019(02).