汽车用高强度钢板的最新开发成果

LIU1018

汽车用高强度钢板的最新开发成果

    前言
    随着汽车车体轻量化要求的不断提高，汽车用钢板的高强度化取得了显著进展，不仅加固用构件，而且骨架系构件都陆续采用了≥980MPa级强度的钢板。在这样的超高强度薄（钢）板的制造中，B（贝氏体）和M（马氏体）的应用是不可缺少的，即以考虑焊接性和耐蚀性为前提，适应特性要求必须适当控制以这些金属相作为主体的显微组织。例如为了将汽车用薄板加工成预定部件形状，则钢板必须满足部件加工方法的成形特性要求。薄板的冲压成形性主要分为以下形式：①深冲成形性；②胀形成形性；③延伸凸缘成形性；④弯曲成形性。一般认为：①取决于钢板的r值（即表示塑性应变比的Lankford值）；②取决于钢板的延性（均匀延伸性或n值即加工硬化指数）；③和④取决于钢板的局部变形能和显微组织均匀性。
    一般而言，高强度钢板要提高r值是困难的，而较之深冲成形性，胀形成形性和延伸凸缘成形性则是更重要的指标。为了提高支配胀形成形性的延性，将钢板中的硬质组织弥散到较软质的F（铁素体）组织中是有利的，由F+M组成的DP钢和由F+B+残余A（奥氏体）组成的低合金TRIP钢的原理与此相符。
    另一方面，B在支配延伸凸缘成形性和弯曲成形性的显微组织均匀化方面起到了重要作用，故一直采用F+B和B单一组织；而且，为了实现高强度化目标，也采用了低碳M。
    作为汽车用高强度钢板的最新开发事例，以下分别介绍低合金TRIP型复合组织钢板、高去飞边性780MPa级热轧钢板、低碳980MPa级冷轧钢板和热冲压材以及M今后的研究课题与展望。
    1.低合金TRIP型复合组织钢板
    此TRIP钢板是具有高延性的高强度钢板，在冲压加工时残余A相变为硬质M的情况下，通过回避应力集中的TRIP现象而呈现出高延伸率、特大的均匀延伸率的特性。为了在不含多量Ni和Mn等的低合金钢上获得残余A，在A中充分富集C，并降低A向M相变的开始温度（Ms温度）是必要的。一般向钢中加入Si和Al，在抑制了Fe-C化物生成之后，在400℃附近温度产生B相变的情况下，将未相变A中的C含量提高到1％以上，然后冷却，即可获得残余A。作为例子，调查了在400℃的等温保持时间对0.2C-1.5Si-1.5Mn钢材质和显微组织的影响。结果表明：伴随B相变的进行，未相变A中的C含量增加，从而使钢的延性持续增大；然而若将钢长时间保温，因未相变A中析出Fe-C化物而降低了残余A量，故使钢板延性下降。
    另外，最近还开发了合金化热浸镀锌（GA）TRIP钢板。在此情况下，因必须在400℃以上温度进行Fe-Zn合金化处理，故查明Fe-C化物开始析出的条件，对于实现GA-TRIP钢板制造条件的最佳化是重要的。过去已有研究报告提供了伴随Fe-C化物析出的B相变模型，采用此模型不仅可以计算未相变A量和C浓度，等温保持中渗C体开始析出条件等，而且若也考虑到网状F中的Fe-C化物析出，就可以计算从上B向下B的转变。然而，对于Fe-C的析出，关于Si和Al等热力学作用等的定量研究报告尚少，为了提高计算精度，对今后的相关研究仍有大的期待。并且，当向钢中添加了Ti、Nb、Mo等元素时，必须定量把握这些合金C化物的析出行为，并对之进行控制，还须把握并控制这些合金C化物与Fe-C化物析出之间的竞争。由于研究报告报导已使用了复数析出物的竞争反应，故掌握此方法，将析出行为模型化，以定量确定析出物量并测定其尺寸，是今后的重要课题之一。
    2.高去飞边性780MPa级热轧钢板
    在汽车车轮部位的部件成形中，延性和延伸凸缘性都是重要特性。为了评价延伸凸缘性，多采用扩孔率λ作为指标：具体是用冲头对孔径为d0的钢板进行扩孔，以产生贯通板厚的龟裂时所扩孔径d进行评价，而扩孔率λ=（d-d0）/d（％）。
    试验和研究表明，适于延性提高的软质F和M等硬质组织的混合组织，其延伸凸缘成形性低；而适于局部延性支配的延伸凸缘成形性改善的针状F单一组织的延性低（见图1）。为使钢板能兼具这两种特性，利用固溶强化，将各组织间硬度差小的F和B构成复合组织是重要的。具体方法是为了促进F的生成而降低钢中的C和Mn含量；而且，热轧后采用2阶段冷却工艺以控制F量和组织形态；另外，低C化也有利于降低不需要的硬质组织。
    表1对比显示出了开发的高去飞边性热轧钢板和原来钢板的力学性能：降低了C、Mn含量的开发钢提高了Ar3点而成了促进F生成的因素之一；同时Mn含量的降低抑制了Mn的偏析。其结果是有效提高了金相组织均匀性，确保了较高程度的延性和延伸凸缘成形性之间的平衡（见图2）。另外，对比观察开发钢和原来钢的金相组织图片结果表明（见图3），为F+B混合组织，与原来钢相比，开发钢每个晶粒的形态也更接近等轴多边形。
   
          表1  高去飞边性780MPa级开发钢与原来钢的力学性能
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     钢种     Ar3，℃    ROT 2级冷却   TS，MPa   E1，％   λ，％
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    开发钢      789          有         797       22       84
    原来钢      736          无         795       19       74
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    3.低碳980MPa级冷轧钢板
    抗拉强度（TS）≥980MPa级的超高强度钢板，一直被限定用于汽车挡板和门梁等部位，但近年正陆续扩大应用于汽车车体骨架构件。因按车体部位的不同，部件的成形方法各异，故材料生产厂家根据需求对材料供应实行了菜单化。
    通过试验调查了980MPa级冷轧钢板的总延伸率（E1）和扩孔率（λ）之间的关系（见图4），结果表明：重视扩孔率（即高去飞边）型钢板的λ≈75％～102％，而E1≈7.6％～11.2％。重视延伸率型钢板的E1≈15.7％～18.8％，而λ≈31％～49％；只有平衡型钢板的λ≈47％～66％，而E1≈12.5％～15.4％，实现了λ和E1的良好平衡。
    为了提高钢板特性，必须进行恰当的金相组织控制，对重视延伸率的钢板，须以软质而延性优良的F组织作为基体，并将硬质的M等弥散到其中而构成复合组织。例如在连续退火工序中用高温退火进行组织均匀化，然后慢冷生成F后，再急冷到Ms点以下而生成M。另一方面，对重视扩孔性的钢板，须尽可能将金相组织均匀化。在复合组织中的软质和硬质组织的界面附近，局部的应力集中易引起显微裂纹的发生和传播，从而造成局部延性的劣化。因此，为了抑制硬质粗大C化物的生成和硬质组织的过度生成，降低钢的C含量，并尽可能在高温加热以减少不均匀组织是必要的；反之，为了获得延伸率和扩孔性的优良平衡，利用复合组织化可确保总延伸率，但降低软质与硬质组织的硬度差也是重要的。为此，应将M回火且将冷却终点温度控制在Ms点以上而生成B，以减小与F之间的硬度差。最近，新日铁还开发了合金化热浸镀锌（GA）的980MPa级汽车用高强度钢板。
    4.热冲压材
    在超高强度钢板的冷成形中，为了解决成形裂纹和形状冻结性不良等问题，热冲压材的开发和应用引人注目，已用其进行了强度高达1470MPa级汽车部件的制造。其代表性成分（％）为0.22C-1.2Mn-0.002B，将之加热到Ac3相变点以上，利用金属模冲压成形与淬火几乎同时进行。如此种成分钢的CCT（连续冷却相变）线图所示那样，在大约30℃/sec以上冷速下即可获得单一的M组织。
    最近，还对抗拉强度（TS）为1760MPa的热冲压材进行了研讨。结果表明，由于延性和韧性不足，较之其高强度不能获得充分的冲击吸收能（即韧性值不高），因此，如何调整其成分以改善这些特性是今后的重要课题。
    5.结语
    作为汽车用高强度钢板的最新开发事例，本文列举了几种重要的代表产品，以及尚需解决的几个重要课题。例如，从金相组织控制的观点，希望查明包含与Fe系碳化物相关的热力学基础数据扩充的析出行为；另外，从材质特性的观点，希望查明金相组织中的板条、基底和组群的尺寸和固溶状态时对B?M力学性能（延性、延伸凸缘性、韧性等）的影响。这些课题的解决对今后产品的开发十分重要。