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纳米析出2GPa高韧性热成形钢

东北大学开发出纳米析出2GPa高韧性热成形钢,推动我国超高强汽车用钢研发

针对新一代汽车钢“高强、减重”这一重大需求,东北大学“先进冷轧、热处理和涂镀工艺及装备技术”团队在高性能冷轧汽车钢工艺与产品研发方面取得重要进展:开发出纳米析出2GPa高韧性热成形钢,并应用于北汽新能源纯电动两座车型”LITE”侧防撞区;在低碳低锰和现有产线能力等多约束条件下开发出系列化超级淬火配分钢(Super-Q&P)工业化原型技术,其中全球首创的基于一步过时效处理的980MPa级Q&P钢已批量化生产,强塑积可达27GPa·%;提出热轧-冷轧-连续退火一体化控制的技术思路,提高了产品组织均匀性,保证了高强钢强塑性和成形性能的良好匹配。上述研究成果突破高性能钢强韧化的经典理论和关键技术瓶颈,有助于推动我国汽车轻量化钢铁材料研发与应用达到国际领先水平。

1、引言

近年来,我国汽车工业的快速发展给钢铁行业带来巨大的发展空间。然而,在环保、节能和安全等多重挑战下,汽车用钢的超高强化、汽车零部件的轻量化已经成为钢铁和汽车制造商竞相追求的重要目标。2011钢铁共性技术协同创新中心“先进冷轧、热处理和涂镀工艺及装备技术”方向针对“高性能冷轧汽车用钢工艺与产品研发”这一重大需求,旨在通过物理冶金原理及调控技术研究,在2GPa热成形钢、1000-1500MPa高强塑积冷成形钢、热轧-冷轧-连续退火一体化工艺等方面取得突破性进展,形成具有自主知识产权的系列化专有工艺技术,在若干关键领域实现全球首次或批量化工业应用,助力我国超高强汽车用钢研发向世界顶尖水平迈进。


2、研究进展及成果

2.1纳米析出2GPa高韧性热成形钢的开发及工业应用

目前,全球汽车广泛采用的安全构件主要为22MnB5钢,对其进行热冲压成形并涂装后,构件的强度可达1.5GPa,但其延伸率仅为7%左右。随着汽车轻量化的发展和更为苛刻的汽车碰撞安全性要求,提高强度至2GPa可减薄材料厚度20%,进一步实现轻量化,然而,其瓶颈在于:如何在现有热冲压条件下,不增加额外工艺,确保2GPa级热成形钢达到22MnB5钢同等延伸率和韧性,以实现更优异的碰撞吸能效果。冷冲压成形钢通过钢铁厂的连续退火线生产,可在其柔性的几乎任意的热工曲线下实现其相变和强韧化的组织调控。而热冲压工艺过程的热工曲线固定,板材高温下成形后直接在模具内淬火,3-8s内快冷至马氏体相变结束温度,对该工艺条件的任何改变都将带来制造成本的增加或构件形状变形等问题。仅简单通过提高碳含量的方式提高热成形钢抗拉强度会导致其延伸率和韧性降低,如何使1.8-2.0GPa级热成形钢达到22MnB5的良好韧性,这是一个巨大的工程难题。

东北大学易红亮教授带领技术团队,针对汽车用1.8GPa以上超高强钢的强度与韧性、延伸率间的矛盾这一难题,积极探索,大胆创新,提出将钒微合金与热冲压工艺条件耦合实现热冲压钢晶粒细化,并通过纳米碳化钒析出降低马氏体中的碳含量,从物理上抑制1.8GPa以上超高强钢脆性马氏体的生成,从而根本上改善材料韧性,再以马氏体强化、晶粒细化、纳米碳化钒析出复合强化机制实现强度突破2GPa,避免因单一强化机制过高而导致热冲压成形用钢的韧性和延伸率恶化。

通用汽车评价结果表明,该材料相比目前工业应用的热成形钢22MnB5性能提高20%以上,比全球各大钢铁巨头开发的1.8GPa级热冲压钢性能提高10%以上。纳米析出2GPa钢在模具淬火状态即可达到2121MPa的超高强度和8%的延伸率,涂装回火后延伸率提升至9%左右。

通过帽型件三点弯曲试验测试发现,纳米析出2GPa热成形钢对比22MnB5性能提高约20%;对比国际前沿1.8GPa级以上热成形钢性能提高约10%以上。同时,在国际上,首次实现了2GPa级热冲压钢必须通过回火来改善韧性的技术突破。纳米析出2GPa钢在实验室研发成功后,进行了北汽新能源“LITE”车型的车门防撞钢梁热冲压件及长安汽车的B柱加强件等汽车车身零部件的工业试制,经测试分析,其性能均达到了2GPa超高强度,8%以上的延伸率。

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2016年,纳米析出2GPa热成形钢车门防撞钢梁热冲压件成功焊接装车,同时进行了实车碰撞性能测试(如图1所示),溃缩10mm弯曲变形未发生断裂,验证了该材料的高强韧性。2017年,该2GPa钢在本钢集团成功完成批量生产,并商业化应用于北汽新能源纯电动两座车型“LITE”侧防撞区,成功实现车身相关零部件减重10%-15%,这也是2GPa级超高强钢在全球范围内首次投入批量化工业应用。除此之外,在工艺设计上,该钢板基于创新的材料设计,不需通过回火来改善韧性,减少了汽车零部件的制造工艺环节,为汽车企业大幅降低了生产成本,经济效益十分可观。

2.2新一代高强韧高成形性汽车用钢的研究与开发

为应对节能减排、绿色环保和提高安全性能的巨大压力,开发高强度、高韧塑性、轻质低密度的汽车用钢已成为钢铁和汽车行业所面临的迫切任务。先进高强钢的研究和开发大致经历了三个阶段,第一代主要以无间隙原子钢、高强度低合金钢、C-Mn钢、烘烤硬化钢、双相钢、应变诱导塑性钢、复相钢、马氏体钢为代表,这也是目前主流的商业化汽车钢品种,但是较低的合金含量导致强塑性能不能兼顾,强塑积通常在10-20GPa·%范围内。随着人们对强度及韧塑性要求的不断提高,以轻质诱导塑性钢、微观带诱导塑性钢以及孪晶诱导塑性钢为代表的第二代钢凭借奥氏体内部微观带、孪生等主导的特殊变形机制大幅度提高了强塑性能,强塑积可达50-70GPa·%,但是该类合金钢添加了大量的锰、硅、镍和铝等合金元素,导致其成本较高、工艺性能较差、冶炼及生产难度极大。为了同时满足低成本、高性能和易于工业化的要求,以淬火配分钢(Q&P)、中锰钢、纳米晶钢(Nano-Steel)为代表的第三代汽车钢应运而生,凭借高于第一代钢的性能优势及低于第二代钢的成本优势而备受青睐。但是,当前面临的“卡脖子”问题就是工业化制造难度大,与技术成熟的商业化(第一代)汽车钢相比,由于合金元素(C、Mn、Al、Si等)含量的增加,给传统的冶炼、连铸、轧制、热处理等装备与工艺带来了很大的挑战,甚至可以说存在难以逾越的技术瓶颈。首先,需要解决厚板坯连铸问题。常规厚板坯中高锰钢连铸过程中C、Mn等元素偏析严重,铸坯表面、心部冷速差异造成大的内应力导致内部裂纹,并且心部出现的粗大柱状晶组织导致后续轧制时形成严重的表面缺陷;高Al钢连铸过程易引起水口堵塞、保护渣传热及润滑特性发生改变。其次,轧制开裂及冷轧机负荷极限问题。常规流程中,冗长的热轧过程易引起Mn-Al钢带状组织界面析出大量薄膜状碳化物造成相界面间隙及热轧开裂;中锰钢热轧板通常要经历大压缩比冷轧,而马氏体冷轧平均流变应力超过2000MPa,显然全马氏体冷轧难以实现;即使经过中间罩式退火处理形成α+γ组织,在大压缩比冷轧后期仍会出现大量马氏体,并且罩式退火易生成渗碳体导致分层开裂,轧制难度依然极大。再次,冷轧高强中锰钢退火产品往往存在较长的吕德斯带应变,严重影响了冲压过程中钢件的表面质量。这也是目前在中锰钢成形应用过程中所遇到最为棘手的问题之一。此外,锰配分过程与连续退火工艺的匹配、高合金含量下的中高锰钢焊接技术以及延伸凸缘成形过程的裂纹敏感性等问题都是目前主要依赖锰配分实现强韧化的第三代钢工业化过程所面临的技术瓶颈。

正是上述原因使第三代钢工业化技术进展缓慢,只有在现有生产流程、工艺装备和合金体系框架下,开发高强韧高塑性高成形性钢铁材料,解决诸如长吕德斯带缺陷以及其他成形焊接问题,才有可能从根本上解决第三代钢制造过程的技术瓶颈,使其真正成为适合工业化的新一代先进汽车钢商业化产品。为此,东北大学许云波教授研究了基于传统合金和工业条件约束的先进钢铁材料典型微结构演化以及增强、增塑和增韧机理,为破解第三代钢的工业化难题提供了新的解决方案,研究成果具有重要的科学意义和广阔的应用潜力。

在低成本、减量化成分体系基础上,将多尺度组织细化、残余应变控制、贝氏体碳配分与奥氏体稳定性相关联,提出一种非等温(连续冷却)过程中实现碳原子“动态配分(DQ&P)”的工艺理念,利用热轧-动态配分和大应变冷轧-快速退火等方法,促进TRIP效应的最大化。系统研究了新型中锰钢形变热处理过程特征微结构演变与调控机理,分析了奥氏体稳定性的主要影响因素及其物理本质,揭示了“多峰值”加工硬化行为与不连续TRIP效应的关系,阐明了静、动态载荷下特殊的塑性变形机制及其增强、增塑、增韧机理。在此基础上,提出新颖的“双尺度+双结构”组织设计思想,有效提高了溶质原子配分效率,实现了奥氏体晶粒尺寸、形貌特征、体积分数和稳定性的最优匹配,优化了材料塑性流动和变形协调行为,进一步提高了钢的强韧性能。

围绕Fe-3wt%Mn钢不同热处理工艺下组织结构、铁素体状态、奥氏体含量、锰元素配分行为、TRIP效应及加工硬化行为之间的关联机理,重点分析不同退火工艺下逆转变奥氏体的形成及富锰化机制。研究结果表明,优化退火工艺可促进锰元素的配分动力学,为后续奥氏体的保留提供了较高的锰浓度梯度,同时改变了奥氏体的形貌结构,有效提高了成品组织中残余奥氏体的含量并细化奥氏体晶粒。多形态奥氏体在拉伸变形过程中持续提供TRIP效应,大幅度改善实验钢的加工硬化行为,使得抗拉强度达到1040MPa的同时断后延伸率达40%以上,起到明显的增强增塑效果。采用多阶段轧制及温轧退火工艺,调控显微组织结构及残余奥氏体含量及稳定性,明确了亚稳残余奥氏体的增韧机理。在此基础上,采用层状结构增韧设计,挑战钢铁材料韧性极限,开发了抗拉强度1150MPa以上,-60℃以上冲击功>450J的超高强韧钢板原型技术,具有广阔的应用前景。

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在低碳低锰低合金和现有产线能力等多约束条件下,国际上首次采用碳锰配分和应变配分协同调控机制开发出系列化超级淬火配分钢(Super-Q&P)的工业化原型技术,其中1000MPa级延伸率25%-40%,1200MPa级18%-24%,1400MPa级20%(如图2所示)。新开发钢种力学性能达到或超过中锰钢水平,而合金成本和生产难度大幅度降低,特别是Mn含量降低到3wt%以下,塑性比现有Q&P钢可提高一倍,这是一种非常适合现有产线及工艺的全新第三代汽车钢品种,具有广阔的应用前景。此外,针对冷轧高强中锰钢中普遍存在“较长吕德斯带”的世界性难题,在系统研究其形成机制的基础上,提出“微纳米双相结构与高加工硬化能力”的组织控制思路,通过优化应变配分和调控塑性变形机制,开发了消除吕德斯带的微结构精细控制技术,获得了无吕德斯带1000-1200MPa级高性能Mn-TRIP原型钢。

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针对现有Q&P钢成形性较低、工艺成本高和依赖专用退火线等局限性,依托国内某传统连续退火生产线世界首创基于一步过时效处理的高延伸Q&P钢生产技术(如图3所示),工业成品板屈服强度≥600MPa,抗拉强度≥980MPa,断后延伸率可达到25%以上,综合性能表现优异。与同级别“两步配分”商业化钢种相比,新技术温控路径简单,配分窗口灵活,生产衔接顺畅高效,工艺成本降低,仅取消“感应提温”一项就可以节约电费50-100元/吨。而且,新产品典型组织和力学性能表现优异,通卷性能波动小,抗回火稳定性强,显微组织中残奥体积分数提高2%-6%,断后延伸率增加2%-4%,强塑积可达27GPa·%以上。电阻点焊及成形性能与“两步配分”产品典型值基本相当,其中折弯、回弹等性能更优,1.6mm板临界相对弯曲半径降至1.5mm左右,90°折弯回弹角可达到约14°。此外,与同级别冷轧双相钢(DP)、相变诱发塑性钢(TRIP)相比,不仅Cr、Mo及Nb、V、Ti等合金成本大幅度降低,而且钢材韧塑性、成形性和延伸凸缘性等显著提高,特别是延伸率达到了同级别DP钢的两倍以上。新型Q&P钢可用于横梁、纵梁、车窗框架、保险杠及地板加强件等汽车结构件(图4),通过减薄零件厚度,减少燃油损耗,有效实现节能降耗。例如,使用QP980替代DP600,工件厚度由1.2mm减薄至1.0mm,减重10%-20%。同时,汽车安全性显著提高,在正常碰撞下人员死亡率大幅度下降。

2.3冷轧高强钢的热轧-冷轧-退火一体化控制工艺研究

在汽车制造中,汽车前后纵梁、侧梁等受力结构件和加强件需要有良好的抗变形能力,即需要有高的屈服强度和高的屈强比。由于对微合金元素有严格的用量限制,加之连退过程中微合金元素析出的控制上存在难度,实际生产和使用过程中往往出现几方面问题:其一,出现屈服强度偏低或强度与延伸之间的跷跷板效应;其二,出现折弯开裂等成形问题;其三,钢板横纵向力学性能差异大,影响使用。为了解决上述难题,东北大学蓝慧芳副教授采用热轧-冷轧-退火一体化的工艺控制思路,通过控制热轧冷却过程中的相变及析出行为,结合冷轧及冷轧后连退过程中的铁素体再结晶、奥氏体相变及微合金元素析出行为调控,提高最终产品组织均匀性,并通过控制连退过程中微合金元素的析出行为,获得良好的析出强化效果,从而保证强度、塑性和成形性能的良好匹配。

研究了不同热轧工艺条件下,冷轧后连续退火过程中的铁素体再结晶行为,弄清了基于一体化控制的铁素体再结晶规律。比较常规工艺和新工艺两种工艺条件下的铁素体再结晶动力学曲线以及试验数据,可以看出,常规工艺条件下再结晶完成所需时间明显延长。计算表明,新工艺条件下再结晶激活能仅为常规条件的1/2左右,为铁素体再结晶和析出的顺序控制提供了依据。此外,通过一体化控制可以保证在铁素体发生完全再结晶的基础上,获得良好的析出强化效果。基于一体化控制的组织控制思路,进行了工业推广应用。结果表明,该工艺条件下可实现:1)强度升级,从而节约合金成本;2)降低均热温度,从而降低加热能耗;3)力学稳定性提高。

高强度冷轧双相钢通常用于冲压如汽车B柱、座椅框架等形状复杂的部件。然而在诸如小半径弯曲、延伸凸缘这类局部成形过程中,高强度双相钢往往出现“不可预计”的开裂现象。因此,高强度双相钢在成形过程中遇到了极大挑战。双相钢折弯开裂原因在于变形过程中马氏体带断裂,为成形开裂提供裂纹源,从而显著降低局部成形性能。因此,消除冷轧产品中的带状组织、提高组织均匀性,是提高局部成形性能的重要手段。为此,研究者提出了热轧-冷轧-连续退火一体化控制思路。研究合金元素、热轧、冷轧和连退工艺对相变、析出行为及连续退火过程中的铁素体再结晶和相变行为的影响规律,明确组织分布对力学性能和折弯性能的影响规律。连续退火加热过程中,铁素体再结晶对后续奥氏体相变的形核和长大均有重要影响。为此,通过对比研究,弄清了一体化控制工艺条件下的铁素体再结晶规律,为后续马氏体形态和分布控制提供了依据。常规工艺和新工艺条件下铁素体的再结晶动力学曲线对比可以发现,新工艺条件下,铁素体发生完全再结晶所需时间明显缩短。经回归分析,得到新工艺下铁素体再结晶激活能显著降低。

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连续加热过程中奥氏体相变动力学直接影响后续冷却过程中马氏体分数,因而对性能产生重要影响。为此,综合考虑相变过程中的相界面移动及元素扩散两方面因素,进行了相变动力学模拟与实验验证,实现了不同组织条件下的奥氏体相变动力学精确预测。此外,研究了铁素体再结晶对组织均匀性的影响规律。发现,随铁素体再结晶分数提高,奥氏体形核位置更加均匀,有利于最终马氏体分布均匀性的提高。通过一体化控制工艺,获得了强塑性匹配良好的DP780。通过组织及局部成形性能评估可以看出,一体化控制工艺可显著提高组织均匀性,所开发高成形性双相钢局部成形性能优势明显,如图5所示。

3、结语

上述研究成果围绕新一代高强韧汽车用钢的设计、研发、生产与应用全链条,在深度挖掘现有装备和工艺能力的基础上,突破高性能钢强韧化的经典理论和关键技术瓶颈,大幅度降低合金成本和工业制造难度,有助于推动我国汽车轻量化钢铁材料研发与应用达到国际领先水平。

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!


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