現(xiàn)代汽車用鋼特點及發(fā)展趨勢分析

康華偉

（山東鋼鐵集團有限公司鋼鐵研究院，山東濟南 250101）

試驗研究

現(xiàn)代汽車用鋼特點及發(fā)展趨勢分析

康華偉

（山東鋼鐵集團有限公司鋼鐵研究院，山東濟南 250101）

介紹了現(xiàn)代汽車用鋼的發(fā)展特點、性能要求以及存在的深加工問題等，對國內(nèi)外現(xiàn)代汽車用鋼情況進行調(diào)研分析。建議針對目前3代汽車鋼的生產(chǎn)與技術(shù)應(yīng)用，結(jié)合汽車用戶開展EVI模式，做到產(chǎn)銷研的高效良性循環(huán)。

汽車用鋼；高強鋼；強塑積

1 前言

汽車是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，對拉動國民經(jīng)濟和保障就業(yè)具有十分重要的作用。近年來，我國汽車產(chǎn)銷量逐年增加，2013年，產(chǎn)、銷量雙雙突破2 000萬輛。我國正處于汽車發(fā)展的普及期，汽車市場在未來的很長時間內(nèi)仍將保持持續(xù)增長態(tài)勢。

汽車的大量使用導(dǎo)致能源和環(huán)境方面的問題更加突出，一般鋼材占汽車質(zhì)量的70%左右，汽車的輕量化、安全性和低成本要求使汽車用鋼向高強度、高韌性和更易于加工的方向發(fā)展。實現(xiàn)輕量化需要的是高強度及良好的成形性；安全性則需要高塑性；低成本需要的是低合金化和易加工化等。因此，高強塑積（鋼的抗拉強度與總伸長率的乘積，其數(shù)值近似地等于鋼的拉伸曲線所包圍的面積）已經(jīng)成為高性能汽車用鋼最重要的衡量指標(biāo)。對汽車用薄鋼板的高強塑積需求帶動了高強塑積超高強度鋼的研制與應(yīng)用的發(fā)展。高強塑積鋼的理想組織應(yīng)該是馬氏體和奧氏體組成的復(fù)合馬奧組織。以“多相（Multiphase）、亞穩(wěn)（Metastable）、多尺度（Multiscale）”的3M組織為控制目標(biāo)，應(yīng)該是獲得高強塑積第3代汽車用鋼的有效方法。本研究對現(xiàn)代汽車的結(jié)構(gòu)、用鋼特點以及現(xiàn)代汽車用鋼的發(fā)展趨勢進行分析，以期為汽車用鋼的開發(fā)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

2 現(xiàn)代汽車的結(jié)構(gòu)及用鋼特點

汽車是由上萬個零件組成的機動交通工具，基本構(gòu)造主要由發(fā)動機、底盤、車身與電氣設(shè)備4部分組成。汽車制造工藝主要有沖壓、焊裝、涂裝、總裝4大工藝。

2.1 汽車發(fā)動機

發(fā)動機是汽車的心臟。發(fā)動機零件的服役條件很惡劣，疲勞、磨損、高溫、腐蝕、振動等，時刻威脅著發(fā)動機零件的使用壽命。因此，與汽車其他零件相比，發(fā)動機零件所用的材料往往要好得多，新材料、新工藝在現(xiàn)代車用發(fā)動機上的應(yīng)用將越來越廣泛。其中輕量化的要求更為突出，使汽車材料構(gòu)成有了明顯變化。當(dāng)前國內(nèi)外重點材料的開發(fā)方向是：鋁合金、錳合金、鈦合金、高強度鋼、復(fù)合材料（如金屬基復(fù)合材料、玻璃鋼和碳纖維復(fù)合材料）和熱塑性材料等。

2.2 汽車底盤

底盤的作用是支承、安裝汽車發(fā)動機及其各部件、總成，形成汽車的整體造型，并接受發(fā)動機的動力，使汽車產(chǎn)生運動，保證正常行駛。汽車底盤用鋼材主要以低合金高強度熱軋鋼板為主，如車架縱梁、橫梁及制動盤等受力構(gòu)件和安全件等，重要部位用到了含鈦熱軋板、錳鋼或錳稀土系列鋼、硅—釩鋼和含釩系列鋼，以提高強度與疲勞性等綜合性能。

2.3 汽車車身

汽車車身用鋼性能要求為：1）較高的強度、剛度指標(biāo)，以提高安全性、舒適性，降低噪聲、震動（NVH）；2）嚴(yán)格的幾何尺寸精度，以提高鋼板沖壓性能和零件形狀穩(wěn)定性；3）優(yōu)良的工藝性能，以保證鋼板沖壓成形能力；4）良好的表面外觀質(zhì)量，以保證深沖性、涂裝性、外觀質(zhì)量；5）具有好的焊接性能，以保證焊裝質(zhì)量；6）具有良好的涂漆性能，以保證涂裝質(zhì)量和耐腐蝕性能。汽車車身用鋼分類如表1所示。

3 現(xiàn)代汽車用鋼及趨勢

國際鋼鐵協(xié)會（IISI）將高強鋼分為傳統(tǒng)高強鋼（HSS）和先進高強鋼（AHSS）。傳統(tǒng)高強鋼主要包括碳錳鋼、烘烤硬化（BH）鋼、高強度無間隙原子（HSS－IF）鋼和高強度低合金（HSLA）鋼；先進高強鋼主要包括雙相（DP）鋼、相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼、馬氏體級（Mart）鋼、復(fù)相（CP）鋼、熱成形（HF）鋼和孿晶誘發(fā)塑性（TWIP）鋼。傳統(tǒng)的高強鋼多是通過固溶、析出和細化晶粒作為主要強化手段，而先進高強鋼是指通過相變進行強化的鋼種，組織中含有馬氏體、貝氏體和/或殘余奧氏體。汽車用先進高強鋼分為熱軋、冷軋和熱鍍鋅產(chǎn)品，其工藝特點都是通過相變實現(xiàn)強化。

表1 汽車車身用鋼板分類

近年來在汽車用先進高強鋼的工藝基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)研究方面的開發(fā)十分活躍，超高強鋼板的強度已達到或超過2 000 MPa。相比于傳統(tǒng)的高強鋼，先進高強鋼具有更高的強度和更好的成形性能，根據(jù)鋼種的強塑積的不同先進高強鋼可分為以下3代：第1代以DP鋼、TRIP鋼為代表，強塑積為5～15 GPa%，主要組織結(jié)構(gòu)以軟相（鐵素體）為主要基體，另外含有少量（TRIP鋼含有5%～15%的殘余奧氏體）甚至不含有殘余奧氏體；第2代以TWIP鋼為代表，強塑積為50～60 GPa%，主要組織結(jié)構(gòu)是軟相奧氏體；第3代以淬火－分配鋼（QP）鋼為代表，強塑積為30～40 GPa%，主要是通過3M組織調(diào)控思路，即亞穩(wěn)、多相和多尺度，控制最終亞穩(wěn)奧氏體相含量達到30%左右［1］。3代汽車用先進高強鋼示意圖如圖1所示。

3.1 汽車對高強度鋼板的性能要求

現(xiàn)代汽車的發(fā)展趨勢是減重、節(jié)能、防腐、防污染、防噪音和安全舒適等，為適應(yīng)這一發(fā)展需要，對汽車鋼板的要求除傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟性能以外，還必須滿足新的一系列質(zhì)量上的特殊要求［2］：

1）優(yōu)良的成形性能，即高的塑性應(yīng)變比r值、高的均勻伸長率δu、高的總伸長率δ、低的屈服強度Rp、低的時效指數(shù)AI和低的屈服伸長。只有具備以上性能的鋼板，才能用于沖制復(fù)雜的汽車覆蓋件。

圖1 3代汽車用先進高強鋼示意圖

2）良好的抗凹陷能力和足夠的結(jié)構(gòu)剛度，以避免在制造和使用中產(chǎn)生凹陷，能在突發(fā)沖撞事故中最大限度地吸收能量，保護乘員的安全。這要求鋼板有較高的強度和剛度，即高的Rm和適當(dāng)?shù)暮婵居不耘c加工硬化能力。

3）良好的焊接性能，保證零件有效的連接及焊點和焊點周邊區(qū)域的強度和性能不發(fā)生大的變化。

4）優(yōu)良的表面形貌和光潔程度，良好的噴涂性能和對油漆涂鍍層的附著性能，以求表面美觀。

5）高的耐蝕性能。

6）良好的板形和板面平直度，嚴(yán)格的尺寸精度和性能均勻性。

7）為減小汽車行駛中的雷鳴效應(yīng)，部分零件用鋼板應(yīng)有吸聲減振效果。

3.2 汽車用鋼板的發(fā)展趨勢

輕量化是汽車工業(yè)開發(fā)“綠色、安全、價格低”汽車的主要技術(shù)路線，鋼鐵作為汽車的主要原材料受到汽車輕量化的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在汽車用HSS的比例為14%～45%（100～295 kg），將來使用比例將提高為30%～80%，其中AHSS約占HSS的30%。高強度鋼和先進高強度鋼有良好的加工性能以及高強度，同時具有很好的吸能性和延伸性，允許部件有較小厚度的同時提供很好的碰撞安全性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。對于薄鋼板的汽車部件分類及性能要求見表2所示。

目前汽車大量使用的是傳統(tǒng)的和第1代高強度薄鋼板，前者強度低而后者塑性有待提高。第2代高強度汽車用鋼是亞穩(wěn)不銹鋼或高錳TWIP鋼，其合金含量高導(dǎo)致成本較高，工藝性能較差，它們不能滿足日益增長的汽車輕量化和碰撞安全性的需求。因此，提出需要發(fā)展高強塑積（≥30 GPa%）的第3代汽車用鋼。國外發(fā)展比較快的是AHSS鋼，AHSS鋼主要包括DP鋼、TRIP鋼、CP鋼和Mart鋼等，這類鋼是通過相變組織強化來達到高強度的，強度范圍500～1 500 MPa，具有高的減重潛力、高的碰撞吸收能、高的疲勞強度、高的成形性和低的平面各向異性等優(yōu)點。我國各大鋼鐵企業(yè)如太鋼、寶鋼、鞍鋼等已成功研制出Q&P等第3代汽車鋼，并良好地應(yīng)用到一汽轎車、奇瑞汽車等。目前山鋼研究院亦專門成立汽車研究所，對先進高強汽車鋼進行大力研發(fā)。目前主要新型汽車用鋼的應(yīng)用見表3。

表2 薄鋼板的汽車部件分類及性能要求

表3 現(xiàn)代汽車用鋼匯總

3.3 汽車用鋼存在的問題

隨著AHSS鋼的大量應(yīng)用，與采用軟鋼相比，成形中的起皺、回彈、模具損傷、開裂、翹曲等問題大量出現(xiàn)。因此完善AHSS鋼的成形技術(shù)是下一階段的主要研究任務(wù)［3］。由于高強鋼的塑性較差，變形時易開裂，變形抗力大，成形后的回彈也大，零件尺寸精度不良，在對沖壓和滾壓模具進行設(shè)計時，要充分考慮到高強鋼的這些特點，以準(zhǔn)確預(yù)測零件的形狀尺寸。另外，高強鋼對模具的磨損也較大，有時甚至?xí)＞撸鑼δ＞弑砻孢M行涂鍍（如TiN）處理。為了解決高強鋼成形困難問題，研發(fā)了激光拼焊板，變形較大的部位由軟鋼或成形性較好的高強鋼來承受，而變形量較小或需要承受較大負荷的部位則使用強度等級較高的高強鋼，還研發(fā)了新的成形技術(shù)，如液壓成形、溫成形和熱沖壓成形等。

4 結(jié)語

我國鋼鐵企業(yè)應(yīng)及時掌握國內(nèi)外先進高強度汽車鋼板的發(fā)展動向，適時地進行產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)的研究，使我國汽車用鋼達到世界先進水平。采用低厚度、高強度的鋼板成為當(dāng)前汽車發(fā)展主導(dǎo)方向，但是后續(xù)深加工（如成形、焊接、涂裝等）問題仍是制約客戶使用中的難點，需要鋼廠自主創(chuàng)新、產(chǎn)銷研一體化、與用戶互動研發(fā)，并充分展現(xiàn)良好的用戶應(yīng)用技術(shù)與EVI工作模式（材料制造商介入下游用戶的早期研發(fā)階段，充分了解用戶對原材料性能的要求，從而為用戶提供更高性能的材料和個性化服務(wù)），逐步解決在推廣和應(yīng)用高強汽車鋼過程中的這些問題。

［1］董瀚，曹文全，時捷，等.第三代汽車鋼的組織與性能調(diào)控技術(shù)［J］.鋼鐵，2011（6）：1-11．

［2］康永林，張登科.現(xiàn)代汽車板的質(zhì)量控制與成形性［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1999：3-280．

［3］李揚，劉漢武，杜云慧，等.汽車用先進高強鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向［J］.材料導(dǎo)報，2011（7）：101-104．

Analysis of the Characteristics and Development Trend of Modern Automobile Steel

KANG Huawei

（The Iron and Steel Research Institute of Shandong Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

The research and analysis on modern automobile steels both at home and abroad were made and the development characteristics of modern automobile,properties requirements and existing problems for steel deep processing were introduced.To the production and application technology for the 3G automobile steels at present,to develop EVI mode combine with the automobile user were suggested,so as to the efficient circulation of production and marketing research may be achieved.

automobile steel;high strength steel;strong plastic product

U465.1+1

A

1004-4620（2015）03-0022-03

常見單位符號大小寫混淆示例

單位名稱標(biāo)準(zhǔn)符號錯誤符號米秒噸m s t M S T單位名稱帕［斯卡］瓦［特］電子伏標(biāo)準(zhǔn)符號Pa W eV錯誤符號pa w ev單位名稱千克摩［爾］升標(biāo)準(zhǔn)符號kg mol L錯誤符號Kg Mol l

2015-03-12

康華偉，男，1984年生，2007年畢業(yè)于江西理工大學(xué)金屬材料工程專業(yè)。現(xiàn)為山鋼集團鋼鐵研究院工程師，從事冷軋汽車用鋼的技術(shù)研發(fā)工作。