淺談先進高強鋼發(fā)展現(xiàn)狀與工程創(chuàng)新

　　摘要介紹了先進高強鋼的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，并簡要論述了中國寶武先進高強鋼開發(fā)歷程以及典型先進高強鋼產(chǎn)線自主集成與工程創(chuàng)新實踐。中國寶武典型先進高強鋼產(chǎn)線的建設(shè)對于提升我國汽車用超高強鋼生產(chǎn)技術(shù)水平和引領(lǐng)我國汽車用超高強鋼生產(chǎn)技術(shù)進步具有重要的戰(zhàn)略意義。

　　關(guān)鍵詞汽車鋼板先進高強鋼創(chuàng)新

　　1前言

　　伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，燃油經(jīng)濟性、低碳排放和更加注重安全性對車身輕量化提出了新的要求和挑戰(zhàn)。輕量化、節(jié)能降耗是未來汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向，而超高強鋼的發(fā)展和應(yīng)用依然是未來汽車用鋼發(fā)展方向和鋼鐵企業(yè)的核心競爭力[1-3]。

　　目前，鋼鐵在國內(nèi)整車重量中的比例約為65%～70%，即使考慮非鋼輕量化材料的替代作用，鋼鐵在今后相當長的時間內(nèi)仍將是我國汽車生產(chǎn)最主要的材料。先進高強鋼兼具高強度和較好的成形性能，已被廣泛應(yīng)用于車身的結(jié)構(gòu)件和安全件，采用先進高強鋼板目標是實現(xiàn)汽車重量更輕、材料更薄、燃油效率更高，同時具備耐碰撞性，最大程度地確保乘客安全[4-5]。先進高強鋼可以使得汽車制造廠商滿足日益嚴格的安全、減排和性能目標，同時具備成本優(yōu)勢。汽車先進高強鋼研制及輕量化應(yīng)用技術(shù)，是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排、提高汽車被動安全的重要途徑，是世界各大鋼鐵和汽車企業(yè)競相開發(fā)的技術(shù)制高點。

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　　2分類與現(xiàn)狀

　　根據(jù)國際上對汽車用鋼的研究[4-6]，用在汽車上的高強鋼(HighStrengthSteel，HSS)是指抗拉強度(Rm)在270MPa～780MPa之間，而其抗拉強度在780MPa以上的鋼稱為超高強鋼(UltraHighStrengthSteel，UHSS)。汽車用先進高強鋼(AdvancedHighStrengthSteel，AHSS)包含了HSS和UHSS的范圍。汽車用AHSS主要包括雙相(Dualphase，DP)鋼、相變誘發(fā)塑性(Transformationinducedplasticity，TRIP)鋼、復(fù)相(Complexphase，CP)鋼、孿晶誘發(fā)塑性(Twinninginducedplasticity，TWIP)鋼、馬氏體(M)鋼及淬火-碳分配鋼(QuenchingandPartitioning，QP)等。

　　AHSS的強化機理與傳統(tǒng)高強鋼相比，AHSS主要通過相變強化鋼種而傳統(tǒng)高強鋼則多以固溶、析出、細化晶粒等方式強化鋼種。AHSS同時具備高強度和優(yōu)良成形性能，從而使強塑積(Rm×A)成為衡量汽車用鋼性能的重要指標。根據(jù)強塑積數(shù)值的不同又將AHSS分為第一代AHSS、第二代AHSS和第三代AHSS。目前第三代AHSS的研發(fā)工作仍在進行當中，部分研發(fā)成果已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)。相比于傳統(tǒng)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)強塑積的不同，先進高強鋼可以分為以DP鋼、TRIP鋼為代表的第一代先進高強鋼、以TWIP鋼為代表的第二代先進高強鋼和以QP鋼為代表的第三代先進高強鋼。

　　其中，第一代先進高強鋼的組織以鐵素體、貝氏體和馬氏體為基體，含有少量奧氏體，強塑積在10～15GPa%之間;第二代高強鋼的組織為100%的奧氏體，合金含量高，強塑積在40GPa%以上;第三代高強鋼的組織以多相、亞穩(wěn)、多尺度為特征，合金含量適中，強塑積在15～40GPa%之間。雙向鋼(DP鋼)的顯微組織為鐵素體和馬氏體，馬氏體組織以島狀彌散分布在鐵素體基體上。

　　雙相鋼具有低的屈強比和較高的加工硬化性能，在同等屈服強度水平下，較高強度低合金鋼具有更高的強度，是結(jié)構(gòu)類零件首選材料之一[7-10]。在已開發(fā)的先進高強度鋼板產(chǎn)品中，高強度雙相鋼板是汽車中應(yīng)用最寬的品種之一。為滿足汽車工業(yè)發(fā)展需求，本著降低汽車自重、減少能源消耗、提高防腐蝕性能、降低生產(chǎn)成本的目的，汽車用雙相鋼正向著高強化、鍍鋅化、細晶化方向發(fā)展。孿生誘發(fā)塑性鋼(TWIP鋼)是一種高錳奧氏體鋼，其錳含量在15%～30%之間，室溫下為奧氏體組織，在塑性變形過程中，通過產(chǎn)生孿晶來細化晶粒，阻礙位錯的運動，從而提高材料的加工硬化率，得到高強度和極高伸長率，同時具有高的能量吸收能力。

　　第二代AHSS的良好成型性能有利于汽車結(jié)構(gòu)件的制作，良好的抗碰撞能力能提高汽車的安全性，即作為汽車用鋼的第二代AHSS能夠滿足輕量化和高安全性的雙重要求，但與第一代AHSS相比，第二代AHSS添加了大量的Cr、Ni、Mn、Si和Al等合金元素，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本較高且冶煉、軋制等生產(chǎn)工藝控制難度加大，不利于工業(yè)化大生產(chǎn)，從而不能廣泛的應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域[7]。由于TWIP鋼的合金含量高、強度大，導(dǎo)致冶煉、連鑄難度大，軋制和板形控制困難，因此如何實現(xiàn)TWIP鋼的工業(yè)化生產(chǎn)是一個難題。但是，TWIP鋼的冶煉、連鑄工藝，鋼材的延遲斷裂、切口敏感性以及可涂鍍性能都是防礙此鋼得到廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)技術(shù)難題。

　　淬火延性鋼(QP鋼)是由TRIP鋼發(fā)展而來，由美國的JSpeer等人[11]在2003年提出，在TRIP開發(fā)基礎(chǔ)上，將高碳和中碳含硅鋼淬火后，再在馬氏體以上的一定溫度進行等溫，使碳由馬氏體分配到殘余奧氏體，從而得到由馬氏體和殘余奧氏體兩相構(gòu)成的室溫組織，這種工藝被稱為淬火-碳分配工藝。

　　也就是說，淬火-碳分配工藝是在鋼發(fā)生部分馬氏體相變后將其進行等溫配分處理，使碳元素從馬氏體中擴散到未轉(zhuǎn)變的奧氏體中，從而提高奧氏體的穩(wěn)定性。淬火延性鋼(QP鋼)的顯微組織為馬氏體+鐵素體+殘余奧氏體等多相復(fù)合組成，利用馬氏體帶來的超高強度和殘余奧氏體的相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)效應(yīng)，可獲得比傳統(tǒng)超高強鋼更優(yōu)越的成形性能。QP鋼具有中等屈強比和較高的加工硬化性能，適合用于外形相對復(fù)雜、強度要求高的車身骨架件和安全件。

　　QP鋼作為第三代的先進高強鋼，相比DP鋼，在強度、延展性、沖壓成形性能方面表現(xiàn)更加優(yōu)異，用作汽車鋼板除可減輕車身自重、降低油耗外，同時還具有較強的能量吸收能力，因而在汽車輕量化領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，逐漸取代DP鋼的地位。但是，當鋼暴露于氫環(huán)境時常會發(fā)生塑性和強度損失，產(chǎn)生氫致延遲斷裂(氫脆)現(xiàn)象。氫致延遲斷裂如在高強鋼中發(fā)生，可導(dǎo)致突然的脆斷[12-13]。有關(guān)氫脆問題已得到各科研院所和企業(yè)重視，并不斷深入研究中。

　　3寶武現(xiàn)狀

　　中國寶武一直將汽車板作為公司最主要的戰(zhàn)略產(chǎn)品之一，在行業(yè)內(nèi)最先批量生產(chǎn)了一代、二代及三代高強鋼，率先通過大眾、通用及日系車企等汽車制造廠的高強汽車板認證，具有成熟的超高強鋼一貫制生產(chǎn)工藝，同時持續(xù)跟蹤和研究世界上最先進的汽車板生產(chǎn)技術(shù)，形成汽車用板產(chǎn)品為核心的專業(yè)生產(chǎn)技術(shù)自主集成能力，使中國寶武在國內(nèi)汽車板應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)保持領(lǐng)先。中國寶武超高強鋼制造技術(shù)研發(fā)始于2002年，至今已有18年的歷史。由于國外技術(shù)封鎖，中國寶武始終立足自主研發(fā)與裝備自主集成，在國內(nèi)率先開發(fā)出超高強鋼成套制造技術(shù)并于2009年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

　　在近些年的自主研發(fā)及生產(chǎn)實踐中，不僅培養(yǎng)了研發(fā)與應(yīng)用經(jīng)驗豐富、技術(shù)水平國際一流的科研隊伍，而且形成了先進、完善的超高強鋼新產(chǎn)品開發(fā)、制造與應(yīng)用新技術(shù)研究、生產(chǎn)管理及用戶服務(wù)的體系與平臺。中國寶武2013年在國際上率先開發(fā)并量產(chǎn)第三代超高強度鋼—QP鋼，即淬火延性鋼。該鋼種不僅具有超高強度，且具備較高延伸率，特別適用于生產(chǎn)外形相對復(fù)雜、強度要求較高的沖壓件。QP高強度鋼充分利用超高強度鋼板的塑性特性、加工硬化特性，可更好地實現(xiàn)減重和車輛性能優(yōu)化。2015年2月，中國寶武QP1180GA先進汽車高強鋼全球首發(fā)，第一卷QP1180GA鋼成功下線。

　　QP1180GA鋼板首次實現(xiàn)了980MPa強度以上級別高強鋼的鋅層合金化，在達到了1200MPa的超高強度的同時，具有15%以上的高延展率，具有更好的焊接性能、涂著性能、耐熱性和耐腐蝕性，為實現(xiàn)汽車的輕量化發(fā)展提供了有力支撐。2015年6月，中國寶武第三代汽車用鋼中錳鋼，實現(xiàn)了材料和零件雙全球首發(fā)。該材料包括了冷軋CR980MPa級、熱鍍鋅GI980MPa級和熱鍍鋅GI1180MPa級等系列鋼種。980MPa級和1180MPa級中錳鋼擁有超高強塑性匹配，屈服強度為760MPa～1100MPa，抗拉強度為980MPa～1250MPa;成型性好:伸長率≥30%;減重能力佳:減重≥15%。

　　其適用范圍比一般超高強鋼更為廣泛，應(yīng)用前景包括汽車A柱、B柱、防撞梁和門檻加強件等眾多車身結(jié)構(gòu)件。2015年11月，中國寶武發(fā)布了自主研發(fā)的超輕型白車身BCB(BaosteelCarBody)，這是國內(nèi)鋼企首次發(fā)布完整的車身產(chǎn)品。BCB用材涵蓋寶鋼第一代、第二代和第三代汽車用鋼，包括最新開發(fā)的1180QP、1500MS、950TWIP等新材料，高強鋼應(yīng)用比例達77.5%，鍍鋅板達75%在成型工藝方面，應(yīng)用了寶鋼熱沖壓成型、液壓成型、輥壓成型、VRB板成型和激光拼焊板成型等先進成型技術(shù)，安全性、舒適性和輕量化達到國際先進水平。

　　2019年，歷時3年的持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，抗拉強度達1500MPa的高性能冷軋淬火延性鋼QP1500在中國寶武成功下線。這是繼2010年全球首發(fā)QP980產(chǎn)品以來，中國寶武在第三代先進高強鋼方面的又一重要突破。QP1500的全球首發(fā)，意味著在助推中國寶武成為全球鋼鐵業(yè)引領(lǐng)者的道路上，中國寶武汽車板又邁出了堅實的一步。采用QP1500后，可實現(xiàn)較為復(fù)雜形狀零部件的冷沖壓制造，與現(xiàn)有冷沖壓超高強鋼相比，可實現(xiàn)減重10%～20%。

　　4產(chǎn)線自主集成與工程創(chuàng)新

　　寶鋼湛江鋼鐵有限公司新建的連退/熱鍍鋅機組是一條超高強鋼專業(yè)生產(chǎn)線，產(chǎn)品目標市場是汽車用冷軋超高強鋼，年產(chǎn)能38萬噸，產(chǎn)品規(guī)格為0.6mm～2.5mm×800mm～1400mm。本工程主要以超高強鋼產(chǎn)品市場為導(dǎo)向，生產(chǎn)適銷于市場的超高強鋼普冷產(chǎn)品和熱鍍鋅產(chǎn)品。充分利用寶武的工藝技術(shù)優(yōu)勢，采用中國寶武和當前世界上的最優(yōu)技術(shù)和設(shè)備，助力湛江鋼鐵打造成為全球最先進、最高效、最具競爭力的百萬噸級超高強鋼生產(chǎn)基地，引領(lǐng)世界超高強鋼制造技術(shù)發(fā)展方向。本工程的建設(shè)對于提升我國汽車用超高強鋼生產(chǎn)技術(shù)水平和引領(lǐng)我國汽車用超高強鋼生產(chǎn)技術(shù)進步具有重要的戰(zhàn)略意義。

　　本工程是一條由中國寶武自主集成設(shè)計的多功能柔性高強度薄帶鋼專用產(chǎn)線，由寶鋼工程技術(shù)集團有限公司承擔(dān)技術(shù)總成、設(shè)備設(shè)計供貨和工廠設(shè)計任務(wù)，貫徹“簡單、高效、低成本、高質(zhì)量”的設(shè)計理念，充分吸收和借鑒湛江一期、二期冷軋的建設(shè)經(jīng)驗以及積累的工藝技術(shù)優(yōu)勢和生產(chǎn)經(jīng)驗，選配合理的工藝裝備，踐行智慧制造理念，推進自動生產(chǎn)，配置自動拆捆、自動取樣、自動撈渣、自動取樣、自動貼標等智能裝備，建設(shè)成裝備水平先進、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，能源消耗低、勞動生產(chǎn)率高、環(huán)境保護好、工程投資合理的精品冷軋工程。

　　本工程建設(shè)周期短，從2017年12月18日開工建設(shè)，于2019年10年9月熱負荷投產(chǎn)試車，是中國寶武同類機組中建設(shè)周期最短的項目。本工程自熱負荷試車投產(chǎn)以來，穩(wěn)定運行后并實現(xiàn)了月“四達”，機組的產(chǎn)量、成材率、能耗、噸鋼成本等關(guān)鍵指標均優(yōu)于設(shè)計值，為湛江鋼鐵創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　本工程在滿足生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品方案的前提下，優(yōu)化配置，做到設(shè)備選型與工藝需求融為一體，優(yōu)化工程投資。在自主集成設(shè)計與工程實踐中形成了以下技術(shù)創(chuàng)新亮點:1)產(chǎn)品定位于汽車用先進高強鋼，是一條連退/熱鍍鋅多功能柔性切換的高強鋼專用生產(chǎn)線。2)工藝設(shè)計和設(shè)備配置合理，采用世界上生產(chǎn)超高強鋼的先進生產(chǎn)工藝，具有較高的前瞻性。3)采用激光焊機，以滿足超高強鋼的焊接要求。

　　4)踐行智慧制造，推進自動生產(chǎn)，配置了自動拆捆、自動取樣、自動撈渣、自動貼標等智能裝備。5)退火爐加熱采用“直火+橫磁感應(yīng)+輻射管”，并配置了爐內(nèi)增濕系統(tǒng)，為實現(xiàn)第三代超高強鋼的生產(chǎn)提供了進一步發(fā)展的空間，同時也為現(xiàn)有已成熟超高強鋼的性能和成材率的提升留有技術(shù)進步的可能。6)爐子廢氣系統(tǒng)中設(shè)置余熱回收裝置，有利于節(jié)能。7)快冷段采用模塊冷卻系統(tǒng)，保證高強鋼所需的冷卻能力。8)快冷之后配備雙感應(yīng)加熱，可以優(yōu)化QP鋼和DP鋼等先進高強鋼性能，實現(xiàn)更加靈活的退火工藝曲線配置。9)在超高強鋼帶溫檢測和控制、爐內(nèi)氣氛檢測和控制方面做綜合改進。10)采用感應(yīng)加熱陶瓷鋅鍋，鋅鍋帶有液面溫度控制和液面探測系統(tǒng)，可根據(jù)液位信號向鋅鍋自動喂入鋅錠。

　　11)采用三輥式鍍輥設(shè)備，邊部擋板、氣刀快速離線裝置和多方位、高精度的定位調(diào)整系統(tǒng)。對帶鋼板型和位置變化適應(yīng)性強，并方便更換操作，可實現(xiàn)高速下生產(chǎn)出均勻的鍍層。12)保證工程裝備水平先進、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，能源消耗低、勞動生產(chǎn)率高、環(huán)境保護好，工程投資合理。13)注重工程投資及運行成本的經(jīng)濟合理性。采用成熟可靠的技術(shù)并注重研究加快建設(shè)進度的措施，以成熟實用的技術(shù)為基礎(chǔ)，采用自主集成設(shè)計的模式，最大程度的降低投資，縮短工程建設(shè)周期。14)重視節(jié)能、環(huán)保和清潔生產(chǎn)，符合節(jié)能和清潔生產(chǎn)要求，力求能耗低、物耗低、綜合利用好，廢棄物少;工藝和設(shè)備選型上重視環(huán)境保護，努力把污染降到最低水平，排放指標不低于國內(nèi)先進水平，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

　　5結(jié)論

　　鋼鐵行業(yè)追求進步的腳步從未停止。在可見的未來，鋼材仍是汽車輕量化的主角。鋼鐵企業(yè)近年取得的顯著進展和先進高強鋼在汽車企業(yè)的應(yīng)用情況也表明，鋼鐵仍然大有潛力可挖，鋼鐵材料的應(yīng)用仍大有可為，尤其先進高強度鋼的應(yīng)用還將有較大的增長空間。

　　參考文獻

　　[1]陸匠心，王利.高強度汽車鋼板的生產(chǎn)與使用[J].汽車工藝與材料，2004(2):1-6.

　　[2]王利，楊雄飛，陸匠心.汽車輕量化用高強度鋼板的發(fā)展[J].鋼鐵，2006，41(9):1-8.

　　作者：王海東①嚴江生

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