東北大學開發出納米析出2GPa高韌性熱成形鋼，推動我國超高強汽車用鋼研發
針對新一代汽車鋼“高強、減重”這一重大需求，東北大學“先進冷軋、熱處理和涂鍍工藝及裝備技術”團隊在高性能冷軋汽車鋼工藝與產品研發方面取得重要進展：開發出納米析出2GPa高韌性熱成形鋼，并應用于北汽新能源純電動兩座車型”LITE”側防撞區；在低碳低錳和現有產線能力等多約束條件下開發出系列化超級淬火配分鋼（Super-Q&P）工業化原型技術，其中全球首創的基于一步過時效處理的980MPa級Q&P鋼已批量化生產，強塑積可達27GPa·%；提出熱軋-冷軋-連續退火一體化控制的技術思路，提高了產品組織均勻性，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典理論和關鍵技術瓶頸，有助于推動我國汽車輕量化鋼鐵材料研發與應用達到國際領先水平。
1、引言
近年來，我國汽車工業的快速發展給鋼鐵行業帶來巨大的發展空間。然而，在環保、節能和安全等多重挑戰下，汽車用鋼的超高強化、汽車零部件的輕量化已經成為鋼鐵和汽車制造商競相追求的重要目標。2011鋼鐵共性技術協同創新中心“先進冷軋、熱處理和涂鍍工藝及裝備技術”方向針對“高性能冷軋汽車用鋼工藝與產品研發”這一重大需求，旨在通過物理冶金原理及調控技術研究，在2GPa熱成形鋼、1000-1500MPa高強塑積冷成形鋼、熱軋-冷軋-連續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權的系列化專有工藝技術，在若干關鍵領域實現全球首次或批量化工業應用，助力我國超高強汽車用鋼研發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及工業應用
目前，全球汽車廣泛采用的安全構件主要為22MnB5鋼，對其進行熱沖壓成形并涂裝后，構件的強度可達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%，進一步實現輕量化，然而，其瓶頸在于：如何在現有熱沖壓條件下，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，以實現更優異的碰撞吸能效果。冷沖壓成形鋼通過鋼鐵廠的連續退火線生產，可在其柔性的幾乎任意的熱工曲線下實現其相變和強韌化的組織調控。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淬火，3-8s內快冷至馬氏體相變結束溫度，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。
東北大學易紅亮教授帶領技術團隊，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，大膽創新，提出將釩微合金與熱沖壓工藝條件耦合實現熱沖壓鋼晶粒細化，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、納米碳化釩析出復合強化機制實現強度突破2GPa，避免因單一強化機制過高而導致熱沖壓成形用鋼的韌性和延伸率惡化。
通用汽車評價結果表明，該材料相比目前工業應用的熱成形鋼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現，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，首次實現了2GPa級熱沖壓鋼必須通過回火來改善韌性的技術突破。納米析出2GPa鋼在實驗室研發成功后，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試制，經測試分析，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，并商業化應用于北汽新能源純電動兩座車型“LITE”側防撞區，成功實現車身相關零部件減重10%-15%，這也是2GPa級超高強鋼在全球范圍內首次投入批量化工業應用。除此之外，在工藝設計上，該鋼板基于創新的材料設計，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節，為汽車企業大幅降低了生產成本，經濟效益十分可觀。
2.2新一代高強韌高成形性汽車用鋼的研究與開發
為應對節能減排、綠色環保和提高安全性能的巨大壓力，開發高強度、高韌塑性、輕質低密度的汽車用鋼已成為鋼鐵和汽車行業所面臨的迫切任務。先進高強鋼的研究和開發大致經歷了三個階段，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、應變誘導塑性鋼、復相鋼、馬氏體鋼為代表，這也是目前主流的商業化汽車鋼品種，但是較低的合金含量導致強塑性能不能兼顧，強塑積通常在10-20GPa·%范圍內。隨著人們對強度及韌塑性要求的不斷提高，以輕質誘導塑性鋼、微觀帶誘導塑性鋼以及孿晶誘導塑性鋼為代表的第二代鋼憑借奧氏體內部微觀帶、孿生等主導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，導致其成本較高、工藝性能較差、冶煉及生產難度極大。為了同時滿足低成本、高性能和易于工業化的要求，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運而生，憑借高于第一代鋼的性能優勢及低于第二代鋼的成本優勢而備受青睞。但是，當前面臨的“卡脖子”問題就是工業化制造難度大，與技術成熟的商業化（第一代）汽車鋼相比，由于合金元素（C、Mn、Al、Si等）含量的增加，給傳統的冶煉、連鑄、軋制、熱處理等裝備與工藝帶來了很大的挑戰，甚至可以說存在難以逾越的技術瓶頸。首先，需要解決厚板坯連鑄問題。常規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應力導致內部裂紋，并且心部出現的粗大柱狀晶組織導致后續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生改變。其次，軋制開裂及冷軋機負荷極限問題。常規流程中，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歷大壓縮比冷軋，而馬氏體冷軋平均流變應力超過2000MPa，顯然全馬氏體冷軋難以實現；即使經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大量馬氏體，并且罩式退火易生成滲碳體導致分層開裂，軋制難度依然極大。再次，冷軋高強中錳鋼退火產品往往存在較長的呂德斯帶應變，嚴重影響了沖壓過程中鋼件的表面質量。這也是目前在中錳鋼成形應用過程中所遇到最為棘手的問題之一。此外，錳配分過程與連續退火工藝的匹配、高合金含量下的中高錳鋼焊接技術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強韌化的第三代鋼工業化過程所面臨的技術瓶頸。
正是上述原因使第三代鋼工業化技術進展緩慢，只有在現有生產流程、工藝裝備和合金體系框架下，開發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瓶頸，使其真正成為適合工業化的新一代先進汽車鋼商業化產品。為此，東北大學許云波教授研究了基于傳統合金和工業條件約束的先進鋼鐵材料典型微結構演化以及增強、增塑和增韌機理，為破解第三代鋼的工業化難題提供了新的解決方案，研究成果具有重要的科學意義和廣闊的應用潛力。
在低成本、減量化成分體系基礎上，將多尺度組織細化、殘余應變控制、貝氏體碳配分與奧氏體穩定性相關聯，提出一種非等溫（連續冷卻）過程中實現碳原子“動態配分（DQ&P）”的工藝理念，利用熱軋-動態配分和大應變冷軋-快速退火等方法，促進TRIP效應的最大化。系統研究了新型中錳鋼形變熱處理過程特征微結構演變與調控機理，分析了奧氏體穩定性的主要影響因素及其物理本質，揭示了“多峰值”加工硬化行為與不連續TRIP效應的關系，闡明了靜、動態載荷下特殊的塑性變形機制及其增強、增塑、增韌機理。在此基礎上，提出新穎的“雙尺度+雙結構”組織設計思想，有效提高了溶質原子配分效率，實現了奧氏體晶粒尺寸、形貌特征、體積分數和穩定性的最優匹配，優化了材料塑性流動和變形協調行為，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構、鐵素體狀態、奧氏體含量、錳元素配分行為、TRIP效應及加工硬化行為之間的關聯機理，重點分析不同退火工藝下逆轉變奧氏體的形成及富錳化機制。研究結果表明，優化退火工藝可促進錳元素的配分動力學，為后續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構，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。多形態奧氏體在拉伸變形過程中持續提供TRIP效應，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，調控顯微組織結構及殘余奧氏體含量及穩定性，明確了亞穩殘余奧氏體的增韌機理。在此基礎上，采用層狀結構增韌設計，挑戰鋼鐵材料韌性極限，開發了抗拉強度1150MPa以上，-60℃以上沖擊功＞450J的超高強韌鋼板原型技術，具有廣闊的應用前景。
在低碳低錳低合金和現有產線能力等多約束條件下，國際上首次采用碳錳配分和應變配分協同調控機制開發出系列化超級淬火配分鋼（Super-Q&P）的工業化原型技術，其中1000MPa級延伸率25%-40%，1200MPa級18%-24%，1400MPa級20%（如圖2所示）。新開發鋼種力學性能達到或超過中錳鋼水平，而合金成本和生產難度大幅度降低，特別是Mn含量降低到3wt%以下，塑性比現有Q&P鋼可提高一倍，這是一種非常適合現有產線及工藝的全新第三代汽車鋼品種，具有廣闊的應用前景。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，在系統研究其形成機制的基礎上，提出“微納米雙相結構與高加工硬化能力”的組織控制思路，通過優化應變配分和調控塑性變形機制，開發了消除呂德斯帶的微結構精細控制技術，獲得了無呂德斯帶1000-1200MPa級高性能Mn-TRIP原型鋼。
針對現有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，依托國內某傳統連續退火生產線世界首創基于一步過時效處理的高延伸Q&P鋼生產技術（如圖3所示），工業成品板屈服強度≥600MPa，抗拉強度≥980MPa，斷后延伸率可達到25%以上，綜合性能表現優異。與同級別“兩步配分”商業化鋼種相比，新技術溫控路徑簡單，配分窗口靈活，生產銜接順暢高效，工藝成本降低，僅取消“感應提溫”一項就可以節約電費50-100元/噸。而且，新產品典型組織和力學性能表現優異，通卷性能波動小，抗回火穩定性強，顯微組織中殘奧體積分數提高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”產品典型值基本相當，其中折彎、回彈等性能更優，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構件（圖4），通過減薄零件厚度，減少燃油損耗，有效實現節能降耗。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、側梁等受力結構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，實際生產和使用過程中往往出現幾方面問題：其一，出現屈服強度偏低或強度與延伸之間的蹺蹺板效應；其二，出現折彎開裂等成形問題；其三，鋼板橫縱向力學性能差異大，影響使用。為了解決上述難題，東北大學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，結合冷軋及冷軋后連退過程中的鐵素體再結晶、奧氏體相變及微合金元素析出行為調控，提高最終產品組織均勻性，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，冷軋后連續退火過程中的鐵素體再結晶行為，弄清了基于一體化控制的鐵素體再結晶規律。比較常規工藝和新工藝兩種工藝條件下的鐵素體再結晶動力學曲線以及試驗數據，可以看出，常規工藝條件下再結晶完成所需時間明顯延長。計算表明，新工藝條件下再結晶激活能僅為常規條件的1/2左右，為鐵素體再結晶和析出的順序控制提供了依據。此外，通過一體化控制可以保證在鐵素體發生完全再結晶的基礎上，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，進行了工業推廣應用。結果表明，該工藝條件下可實現：1）強度升級，從而節約合金成本；2）降低均熱溫度，從而降低加熱能耗；3）力學穩定性提高。
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“不可預計”的開裂現象。因此，高強度雙相鋼在成形過程中遇到了極大挑戰。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、析出行為及連續退火過程中的鐵素體再結晶和相變行為的影響規律，明確組織分布對力學性能和折彎性能的影響規律。連續退火加熱過程中，鐵素體再結晶對后續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晶規律，為后續馬氏體形態和分布控制提供了依據。常規工藝和新工藝條件下鐵素體的再結晶動力學曲線對比可以發現，新工藝條件下，鐵素體發生完全再結晶所需時間明顯縮短。經回歸分析，得到新工藝下鐵素體再結晶激活能顯著降低。
連續加熱過程中奧氏體相變動力學直接影響后續冷卻過程中馬氏體分數，因而對性能產生重要影響。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，進行了相變動力學模擬與實驗驗證，實現了不同組織條件下的奧氏體相變動力學精確預測。此外，研究了鐵素體再結晶對組織均勻性的影響規律。發現，隨鐵素體再結晶分數提高，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，所開發高成形性雙相鋼局部成形性能優勢明顯，如圖5所示。
3、結語
上述研究成果圍繞新一代高強韌汽車用鋼的設計、研發、生產與應用全鏈條，在深度挖掘現有裝備和工藝能力的基礎上，突破高性能鋼強韌化的經典理論和關鍵技術瓶頸，大幅度降低合金成本和工業制造難度，有助于推動我國汽車輕量化鋼鐵材料研發與應用達到國際領先水平。
注：文章內的所有配圖皆為網絡轉載圖片，侵權即刪！
