适用于冷冲压成形的超高强钢性能分析

文/陈新平，蒋浩民·宝山钢铁股份有限公司

适用于冷冲压成形的超高强钢性能分析

文/陈新平，蒋浩民·宝山钢铁股份有限公司

陈新平，宝钢集团中央研究院首席研究员，高级工程师。从事超高强钢冲压成形技术研究、新车型EVI核心技术研究、管件液压成形技术研究等，曾获国家科技进步二等奖、中国专利优秀奖等奖项，已授权/受理专利41项，制/修订国家标准8项、行业标准1项，发表科技论文65篇。

车身用钢的发展趋势

随着汽车市场对节能、环保、安全、舒适等要求的提高，汽车车身轻量化成为当今汽车技术发展的重要发展方向。由于高强钢和超高强钢在减轻车身重量的同时，还能提高汽车车身的结构强度及能量吸收能力，因此高强钢和超高强钢在汽车上的应用越来越广泛。截至目前，高强钢和超高强钢仍然是最经济、最有效的轻量化途径之一。典型的超高强钢应用零件有前、后门左/右防撞杆（梁），前、后保险杠，A柱加强板，B柱加强板，C柱加强板，下边板，地板中通道及车顶加强梁等各种结构件。

图1 高强钢的发展和定义划分

高强钢有不同的定义分类方法。⑴按屈服强度分类：将屈服强度在210～550MPa范围内的钢定义为高强钢（HSS，High Strength Steel），屈服强度在550MPa以上的钢定义为超高强钢（UHSS，Ultra High Strength Steel）；⑵按抗拉强度分类：抗拉强度在340～780MPa范围内的钢定义为高强钢（HSS），抗拉强度在780MPa以上的钢定义为超高强钢（UHSS）；⑶按照强化机理分类：分为传统高强钢和先进高强钢，先进高强钢（AHSS，Advanced High Strength Steel）是指通过适当的热处理工艺控制钢的显微组织以得到高强度、高塑性；⑷按其发展历程分类：第一代、第二代和第三代先进高强钢，如图1所示。

除了钢铁材料之外，铝合金、镁合金、工程塑料、碳纤维及其他轻质材料也加大了在汽车车身上应用研究的力度。曾有人对2030年时车身的轻量化方案做了预测，不同的轻量化方案下对应着不同的车身用材结构，如图2所示。不管是哪一种方案，现行车身上用量较大的软钢（抗拉强度340MPa以下）和高强钢（抗拉强度780MPa以下），都将大幅度减少，而超高强钢（抗拉强度在780MPa及以上）的用量将大幅度增加。

图2 2030年时不同轻量化目标下的车身用材结构预测

超高强钢冷冲压成形面临的挑战

在超高强钢产品开发上，国内外钢厂都进行了大量的工作，日本新日铁、JFE、神户制钢、韩国浦项和瑞典SSAB等钢铁公司已开发出各自的超高强钢产品并在汽车行业得到应用。近年来，第一代先进高强钢不断刷新“强度”记录，如1200MPa级别的双相钢（DP钢：Dual-Phase Steel）、1500MPa级别的马氏体钢等相继实现了批量化生产和供应。

钢板的可成形性能（延伸率）一般随着强度的提高而降低。以第一代高强钢为例，强塑积（强度×延伸率）一般在15GPa%以下，例如：980MPa级的双相钢延伸率为7%～15%，1200MPa以上马氏体钢的延伸率只有3%～8%。这么低的延伸率，给冷冲压成形带来了极高的难度和挑战。

高强钢在国外刚刚开始大批量应用的时候，曾遇到过很多问题。其中，有一个普遍的问题是零件可成形范围较窄和性能不稳定。这是因为高强钢，尤其是先进高强钢通过控制相组织得到高强度的这种强化机理，导致了高强钢的性能波动范围在先天上就比传统的软钢要大。还有一个问题，就是高强钢板表面易拉毛和模具易磨损，这也会带来模具维修费用及零件返修工作量的增加，进而导致生产成本增加。

随着国内汽车车身轻量化的持续进行，超高强钢在国产汽车上的应用越来越广泛。宝钢近年来的超高强钢销售量也说明了这一点。特别是宝钢超高强钢专用生产线于2009年4月投产以后，冷轧超高强钢的销量迅速攀升，从2008年的不到3000t到2013年的86000t，短短的5年时间，增长了几十倍。近两年来，我们对冷轧超高强钢在冷冲压成形过程中发生的主要问题也进行了市场调研，发现主要集中在以下几个方面：开裂、回弹及尺寸超差、边部开裂、起皱、表面拉毛、毛刺等。然而，由于冷冲压成形所特有的高效率、低能耗、低成本等优点，且有着近百年的生产经验和技术积累，生产组织等相对较易进行，因此人们对于冷冲压成形仍然情有独钟，也因此，对于可适用于冷冲压方式进行加工的超高强度钢板的开发一直有着较高的期待。

第二代高强钢，典型代表为孪生诱发塑性钢（TWIP钢：Twinning Induced Plasticity Steel），是以添加Mn等合金元素来提升强度，形成大量的铁素体相来提升延伸率的。然而，大量合金元素的添加，导致了较高的生产成本，且因极高的碳当量而导致焊接困难，因此，第二代高强钢虽然在较早的时期就开发成功，但却尚未得到广泛的应用。

近年来，世界各国研究机构、钢铁企业对第三代超高强钢的研发热情空前高涨，尤其是宝钢率先实现了第三代超高强钢品种中的淬火延性钢（QP钢：Quenching and Partition Steel）的工业化生产，并在汽车零件上实现了成功应用，对钢铁业界和汽车业界的影响都极大，也为采用冷冲压方式进行超高强钢的成形加工注入了活力。

超高强钢冷冲压成形面临的机遇

材料开发

宝钢对超高强钢的研究始于2005年，从工艺技术开发、产品研制到汽车用户使用技术研究完全依靠自身力量，并研究出超高强钢核心生产装备技术，成为我国首家拥有冷轧超高强钢生产技术自主知识产权的企业，为自主集成建设高强钢专用生产线奠定了基础。年产量20万吨的高强钢专用生产线于2009年4月建成投产，主要生产冷轧及热镀纯锌的高强钢及超高强钢，并生产出最高抗拉强度为1500MPa级别的冷轧马氏体钢。2010年全球率先实现了首个第三代高强钢—980MPa级QP钢的工业化试制，并于2012年通过汽车厂材料认证，实现了在汽车上的批量化应用。2013年全球首发第三代热镀锌QP980，2014年全球首发1180MPa级的冷轧QP钢。目前，宝钢已成为世界上唯一能够同时批量生产第一代、第二代及第三代先进高强钢的钢铁企业，实现了超高强钢产品在世界范围内的领先地位。

2009年在科技部973项目的大力支持下，太钢集团与中国钢研科技集团公司合作，成功开发出第三代汽车钢热轧板卷和冷轧板，该产品强塑积超过了30GPa%。目前尚未实现商业化生产。

国际钢铁巨头ArcelorMittal（安赛乐米塔尔）早在2012年6月开始分阶段减持在华菱钢铁的股份，并将所获资金用于增持其与华菱钢铁合资的汽车板项目的股份。该项目于2014年6月全面建成投产，2015年实现商业化生产。该项目初期年产能150万吨，主要生产特殊高强钢。

2011年9月鞍钢与日本株式会社神户制钢所签署了合作意向书，成立合资公司，建设一条年产60万吨新型水冷式冷轧连续退火生产线，主要生产590MPa以上级别的双相冷轧高强汽车用钢，计划于2016年初投产。

材料性能

冷轧超高强钢的品种极为丰富，宝钢已实现大批量稳定生产供应的主要有：双相钢（DP钢），DP780、DP980（有冷轧表面CR，有热镀纯锌表面GI，也有热镀锌铁表面GA），DP1180（CR）；相变诱导塑性钢（TRIP钢），TR780（CR）；淬火延性钢（QP钢），QP980（CR，GI），QP1180（CR）；马氏体钢（MS钢）：MS980（CR），MS1180（CR），MS1300（CR），MS1400（CR），MS1500（CR）。其中，适用于采用冷冲压成形方式进行加工的钢种主要是DP钢、TRIP钢和QP钢。

⑴DP钢。

冷轧双相钢微观组织主要由马氏体和铁素体组成，马氏体组织以岛状弥散分布在铁素体基体上，马氏体是硬质强化相，铁素体是软相，双相钢的强度随着马氏体含量的提高而增加，典型微观金相组织，如图3所示。

马氏体和铁素体复合的双相组织使其具有一定的强度和良好的成形性。DP钢的主要力学性能特点为：连续屈服，应力-应变曲线呈光滑的拱形，无屈服点延伸。这就避免成形零件表面起皱，从而不需要附加的精整工序；高的加工硬化速率，尤其是初始的加工硬化速率，只需5%以下的应变，就可使双相钢的流变应力达到500～550MPa；无屈服延伸，无室温时效；烘烤硬化值35～80MPa；低屈强比0.5～0.65。由于DP钢具有良好的强度和成形性能，可以广泛应用于如A柱、B柱、门槛加强板、车门防撞杆等各种车身安全件、结构件，也可推广应用到外板件零件。

图3 不同强度级别DP钢典型微观组织

不同强度级别DP钢典型准静态拉伸曲线，如图4所示。可以看出各级别双相钢均表现出连续屈服，较高的初始加工硬化，较长的均匀延伸区间。高的初始加工硬化使双相钢发生塑性变形后，变形抗力迅速上升至较高水平，并维持在较宽的均匀应变区间，延迟了塑性颈缩的发生。

图4 不同强度级别DP钢典型准静态拉伸曲线

⑵TRIP钢。

图5 TRIP钢典型金相组织

图6 TRIP钢典型准静态拉伸曲线

相变诱导塑性钢（TRIP钢）的组织为铁素体＋贝氏体＋残余奥氏体。典型微观金相组织，如图5所示。残余奥氏体的含量在7%～15%之间。在冲压成形时，TRIP钢中的残余奥氏体会逐渐转变为硬的马氏体，有利于均匀变形，实现了强度和塑性较好的统一，较好地解决了强度和塑性矛盾。TRIP钢典型准静态拉伸曲线，如图6所示。

加工硬化指数n值是决定板料成形时最大允许延伸的重要参数。在相同板厚的情况下，最终n值决定了板料成形极限的高度。n值的大小实际上反映了板材均匀地分配应变的能力。变形过程中n值越高，应变梯度越小，材料抵抗局部变薄的能力越强。

与DP钢相比，TRIP钢在成形发生大的应变时，能产生新的马氏体岛，这些新的马氏体岛能维持较高的瞬时n值，如图7所示。由于TRIP钢的加工硬化指数在很长的应变范围内仍保持较高，特别适合要求具有高胀形的成形方式。

图7 TRIP和DP钢瞬时n值曲线对比

然而，TRIP钢中残余奥氏体的转变，与应变路径、应变量大小有关。即：不同形状的零件，不同的成形特征，或者是不同的成形工序设计，都会诱发出完全不同的TRIP塑性。这就要求车身设计工程师、模具设计工程师十分了解TRIP钢的变形特性，从而能够充分利用这一特性。

此外，TRIP钢中的贝氏体相是钢过冷奥氏体的中温(350～550℃）转变产物，转变温度介于珠光体转变与马氏体转变之间，实际生产中较为难以控制。正是由于TRIP钢的这种贝氏体相控制困难及对零件和模具设计的较高要求，使其虽然具有高碰撞吸收性能、高强塑积、高n值、成形性好等特点，也仍然难以获得像DP钢这样的广泛应用。

⑶QP钢。

图8 QP钢的碳的配分原理示意图

图9 QP钢典型金相组织

淬火延性钢（QP钢）的组织是钢在奥氏体化后快速淬火获得马氏体＋奥氏体的混合组织，随后加热至配分温度进行碳的配分。配分处理后，碳由马氏体扩散至未转变奥氏体，使奥氏体富碳并稳定化，如图8所示。稳定化的奥氏体在随后的冷却过程中可保留下来，最终形成铁素体+马氏体+少量残余奥氏体组织，如图9所示。

QP钢典型准静态拉伸曲线，如图10所示。QP钢具有超高强度、较高的延伸率和良好的强塑积，特别适合外形相对复杂、强度要求相对高的冲压件。

图10 QP钢典型应力应变曲线

与DP钢相比，除了具备DP钢的优点之外，由于QP钢稳定化残余奥氏体的存在，使得QP钢具有比DP钢更好的成形性能，如图10所示，同样是980MPa级别，QP钢的延伸率远大于DP钢，其均匀延伸率甚至优于强度较低的DP780。与TRIP钢相比，QP钢的马氏体相较之TRIP钢的贝氏体相更容易控制并且具有更高的强度。

典型应用案例

某车型前围横梁，批量生产中一直采用DP590GI冲压。在同一套模具上，在相同的工艺条件下，采用QP980进行试冲，可完成拉延成形，如图11所示。图11中下方零件为采用DP590GI进行批量生产的拉延件，上方零件为采用QP980试冲的拉延件。

图11 QP980与DP590的实冲对比

某车型B柱加强板，采用宝钢QP980进行了试冲。采用网格应变分析（CGA）技术对零件上各区域的应变进行了分析，试验结果表明各区域的安全裕度及减薄率均满足要求。通过各种材料和零件认证试验后，该B柱加强板已实现稳定化批量生产。

结束语

随着汽车轻量化的深入进行，高强钢尤其是超高强钢将会得到越来越广泛的应用。作为在高强度下仍然具有高塑性的第三代高强钢，正逐渐获得各钢铁公司、汽车厂的青睐。足够的塑性，使得超高强钢的冷冲压成形成为可能。因此，随着新一代高强钢的不断开发，冷冲压成形将有可能成为超高强钢的主要加工方式。