浅谈先进高强钢发展现状与工程创新

　　摘要介绍了先进高强钢的发展现状与趋势，并简要论述了中国宝武先进高强钢开发历程以及典型先进高强钢产线自主集成与工程创新实践。中国宝武典型先进高强钢产线的建设对于提升我国汽车用超高强钢生产技术水平和引领我国汽车用超高强钢生产技术进步具有重要的战略意义。

　　关键词汽车钢板先进高强钢创新

　　1前言

　　伴随着汽车工业的发展，燃油经济性、低碳排放和更加注重安全性对车身轻量化提出了新的要求和挑战。轻量化、节能降耗是未来汽车工业发展的主要方向，而超高强钢的发展和应用依然是未来汽车用钢发展方向和钢铁企业的核心竞争力[1-3]。

　　目前，钢铁在国内整车重量中的比例约为65%～70%，即使考虑非钢轻量化材料的替代作用，钢铁在今后相当长的时间内仍将是我国汽车生产最主要的材料。先进高强钢兼具高强度和较好的成形性能，已被广泛应用于车身的结构件和安全件，采用先进高强钢板目标是实现汽车重量更轻、材料更薄、燃油效率更高，同时具备耐碰撞性，最大程度地确保乘客安全[4-5]。先进高强钢可以使得汽车制造厂商满足日益严格的安全、减排和性能目标，同时具备成本优势。汽车先进高强钢研制及轻量化应用技术，是实现汽车节能减排、提高汽车被动安全的重要途径，是世界各大钢铁和汽车企业竞相开发的技术制高点。

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　　2分类与现状

　　根据国际上对汽车用钢的研究[4-6]，用在汽车上的高强钢(HighStrengthSteel，HSS)是指抗拉强度(Rm)在270MPa～780MPa之间，而其抗拉强度在780MPa以上的钢称为超高强钢(UltraHighStrengthSteel，UHSS)。汽车用先进高强钢(AdvancedHighStrengthSteel，AHSS)包含了HSS和UHSS的范围。汽车用AHSS主要包括双相(Dualphase，DP)钢、相变诱发塑性(Transformationinducedplasticity，TRIP)钢、复相(Complexphase，CP)钢、孪晶诱发塑性(Twinninginducedplasticity，TWIP)钢、马氏体(M)钢及淬火-碳分配钢(QuenchingandPartitioning，QP)等。

　　AHSS的强化机理与传统高强钢相比，AHSS主要通过相变强化钢种而传统高强钢则多以固溶、析出、细化晶粒等方式强化钢种。AHSS同时具备高强度和优良成形性能，从而使强塑积(Rm×A)成为衡量汽车用钢性能的重要指标。根据强塑积数值的不同又将AHSS分为第一代AHSS、第二代AHSS和第三代AHSS。目前第三代AHSS的研发工作仍在进行当中，部分研发成果已经工业化生产。相比于传统高强钢，先进高强钢具有更高的强度和更好的成形性能，根据强塑积的不同，先进高强钢可以分为以DP钢、TRIP钢为代表的第一代先进高强钢、以TWIP钢为代表的第二代先进高强钢和以QP钢为代表的第三代先进高强钢。

　　其中，第一代先进高强钢的组织以铁素体、贝氏体和马氏体为基体，含有少量奥氏体，强塑积在10～15GPa%之间;第二代高强钢的组织为100%的奥氏体，合金含量高，强塑积在40GPa%以上;第三代高强钢的组织以多相、亚稳、多尺度为特征，合金含量适中，强塑积在15～40GPa%之间。双向钢(DP钢)的显微组织为铁素体和马氏体，马氏体组织以岛状弥散分布在铁素体基体上。

　　双相钢具有低的屈强比和较高的加工硬化性能，在同等屈服强度水平下，较高强度低合金钢具有更高的强度，是结构类零件首选材料之一[7-10]。在已开发的先进高强度钢板产品中，高强度双相钢板是汽车中应用最宽的品种之一。为满足汽车工业发展需求，本着降低汽车自重、减少能源消耗、提高防腐蚀性能、降低生产成本的目的，汽车用双相钢正向着高强化、镀锌化、细晶化方向发展。孪生诱发塑性钢(TWIP钢)是一种高锰奥氏体钢，其锰含量在15%～30%之间，室温下为奥氏体组织，在塑性变形过程中，通过产生孪晶来细化晶粒，阻碍位错的运动，从而提高材料的加工硬化率，得到高强度和极高伸长率，同时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车结构件的制作，良好的抗碰撞能力能提高汽车的安全性，即作为汽车用钢的第二代AHSS能够满足轻量化和高安全性的双重要求，但与第一代AHSS相比，第二代AHSS添加了大量的Cr、Ni、Mn、Si和Al等合金元素，导致其生产成本较高且冶炼、轧制等生产工艺控制难度加大，不利于工业化大生产，从而不能广泛的应用于汽车制造领域[7]。由于TWIP钢的合金含量高、强度大，导致冶炼、连铸难度大，轧制和板形控制困难，因此如何实现TWIP钢的工业化生产是一个难题。但是，TWIP钢的冶炼、连铸工艺，钢材的延迟断裂、切口敏感性以及可涂镀性能都是防碍此钢得到广泛应用的生产技术难题。

　　淬火延性钢(QP钢)是由TRIP钢发展而来，由美国的JSpeer等人[11]在2003年提出，在TRIP开发基础上，将高碳和中碳含硅钢淬火后，再在马氏体以上的一定温度进行等温，使碳由马氏体分配到残余奥氏体，从而得到由马氏体和残余奥氏体两相构成的室温组织，这种工艺被称为淬火-碳分配工艺。

　　也就是说，淬火-碳分配工艺是在钢发生部分马氏体相变后将其进行等温配分处理，使碳元素从马氏体中扩散到未转变的奥氏体中，从而提高奥氏体的稳定性。淬火延性钢(QP钢)的显微组织为马氏体+铁素体+残余奥氏体等多相复合组成，利用马氏体带来的超高强度和残余奥氏体的相变诱导塑性(TRIP)效应，可获得比传统超高强钢更优越的成形性能。QP钢具有中等屈强比和较高的加工硬化性能，适合用于外形相对复杂、强度要求高的车身骨架件和安全件。

　　QP钢作为第三代的先进高强钢，相比DP钢，在强度、延展性、冲压成形性能方面表现更加优异，用作汽车钢板除可减轻车身自重、降低油耗外，同时还具有较强的能量吸收能力，因而在汽车轻量化领域得到越来越多的应用，逐渐取代DP钢的地位。但是，当钢暴露于氢环境时常会发生塑性和强度损失，产生氢致延迟断裂(氢脆)现象。氢致延迟断裂如在高强钢中发生，可导致突然的脆断[12-13]。有关氢脆问题已得到各科研院所和企业重视，并不断深入研究中。

　　3宝武现状

　　中国宝武一直将汽车板作为公司最主要的战略产品之一，在行业内最先批量生产了一代、二代及三代高强钢，率先通过大众、通用及日系车企等汽车制造厂的高强汽车板认证，具有成熟的超高强钢一贯制生产工艺，同时持续跟踪和研究世界上最先进的汽车板生产技术，形成汽车用板产品为核心的专业生产技术自主集成能力，使中国宝武在国内汽车板应用技术领域持续保持领先。中国宝武超高强钢制造技术研发始于2002年，至今已有18年的历史。由于国外技术封锁，中国宝武始终立足自主研发与装备自主集成，在国内率先开发出超高强钢成套制造技术并于2009年实现产业化。

　　在近些年的自主研发及生产实践中，不仅培养了研发与应用经验丰富、技术水平国际一流的科研队伍，而且形成了先进、完善的超高强钢新产品开发、制造与应用新技术研究、生产管理及用户服务的体系与平台。中国宝武2013年在国际上率先开发并量产第三代超高强度钢—QP钢，即淬火延性钢。该钢种不仅具有超高强度，且具备较高延伸率，特别适用于生产外形相对复杂、强度要求较高的冲压件。QP高强度钢充分利用超高强度钢板的塑性特性、加工硬化特性，可更好地实现减重和车辆性能优化。2015年2月，中国宝武QP1180GA先进汽车高强钢全球首发，第一卷QP1180GA钢成功下线。

　　QP1180GA钢板首次实现了980MPa强度以上级别高强钢的锌层合金化，在达到了1200MPa的超高强度的同时，具有15%以上的高延展率，具有更好的焊接性能、涂着性能、耐热性和耐腐蚀性，为实现汽车的轻量化发展提供了有力支撑。2015年6月，中国宝武第三代汽车用钢中锰钢，实现了材料和零件双全球首发。该材料包括了冷轧CR980MPa级、热镀锌GI980MPa级和热镀锌GI1180MPa级等系列钢种。980MPa级和1180MPa级中锰钢拥有超高强塑性匹配，屈服强度为760MPa～1100MPa，抗拉强度为980MPa～1250MPa;成型性好:伸长率≥30%;减重能力佳:减重≥15%。

　　其适用范围比一般超高强钢更为广泛，应用前景包括汽车A柱、B柱、防撞梁和门槛加强件等众多车身结构件。2015年11月，中国宝武发布了自主研发的超轻型白车身BCB(BaosteelCarBody)，这是国内钢企首次发布完整的车身产品。BCB用材涵盖宝钢第一代、第二代和第三代汽车用钢，包括最新开发的1180QP、1500MS、950TWIP等新材料，高强钢应用比例达77.5%，镀锌板达75%在成型工艺方面，应用了宝钢热冲压成型、液压成型、辊压成型、VRB板成型和激光拼焊板成型等先进成型技术，安全性、舒适性和轻量化达到国际先进水平。

　　2019年，历时3年的持续技术攻关，抗拉强度达1500MPa的高性能冷轧淬火延性钢QP1500在中国宝武成功下线。这是继2010年全球首发QP980产品以来，中国宝武在第三代先进高强钢方面的又一重要突破。QP1500的全球首发，意味着在助推中国宝武成为全球钢铁业引领者的道路上，中国宝武汽车板又迈出了坚实的一步。采用QP1500后，可实现较为复杂形状零部件的冷冲压制造，与现有冷冲压超高强钢相比，可实现减重10%～20%。

　　4产线自主集成与工程创新

　　宝钢湛江钢铁有限公司新建的连退/热镀锌机组是一条超高强钢专业生产线，产品目标市场是汽车用冷轧超高强钢，年产能38万吨，产品规格为0.6mm～2.5mm×800mm～1400mm。本工程主要以超高强钢产品市场为导向，生产适销于市场的超高强钢普冷产品和热镀锌产品。充分利用宝武的工艺技术优势，采用中国宝武和当前世界上的最优技术和设备，助力湛江钢铁打造成为全球最先进、最高效、最具竞争力的百万吨级超高强钢生产基地，引领世界超高强钢制造技术发展方向。本工程的建设对于提升我国汽车用超高强钢生产技术水平和引领我国汽车用超高强钢生产技术进步具有重要的战略意义。

　　本工程是一条由中国宝武自主集成设计的多功能柔性高强度薄带钢专用产线，由宝钢工程技术集团有限公司承担技术总成、设备设计供货和工厂设计任务，贯彻“简单、高效、低成本、高质量”的设计理念，充分吸收和借鉴湛江一期、二期冷轧的建设经验以及积累的工艺技术优势和生产经验，选配合理的工艺装备，践行智慧制造理念，推进自动生产，配置自动拆捆、自动取样、自动捞渣、自动取样、自动贴标等智能装备，建设成装备水平先进、产品质量优良，能源消耗低、劳动生产率高、环境保护好、工程投资合理的精品冷轧工程。

　　本工程建设周期短，从2017年12月18日开工建设，于2019年10年9月热负荷投产试车，是中国宝武同类机组中建设周期最短的项目。本工程自热负荷试车投产以来，稳定运行后并实现了月“四达”，机组的产量、成材率、能耗、吨钢成本等关键指标均优于设计值，为湛江钢铁创造了良好的经济效益和社会效益。

　　本工程在满足生产工艺和产品方案的前提下，优化配置，做到设备选型与工艺需求融为一体，优化工程投资。在自主集成设计与工程实践中形成了以下技术创新亮点:1)产品定位于汽车用先进高强钢，是一条连退/热镀锌多功能柔性切换的高强钢专用生产线。2)工艺设计和设备配置合理，采用世界上生产超高强钢的先进生产工艺，具有较高的前瞻性。3)采用激光焊机，以满足超高强钢的焊接要求。

　　4)践行智慧制造，推进自动生产，配置了自动拆捆、自动取样、自动捞渣、自动贴标等智能装备。5)退火炉加热采用“直火+横磁感应+辐射管”，并配置了炉内增湿系统，为实现第三代超高强钢的生产提供了进一步发展的空间，同时也为现有已成熟超高强钢的性能和成材率的提升留有技术进步的可能。6)炉子废气系统中设置余热回收装置，有利于节能。7)快冷段采用模块冷却系统，保证高强钢所需的冷却能力。8)快冷之后配备双感应加热，可以优化QP钢和DP钢等先进高强钢性能，实现更加灵活的退火工艺曲线配置。9)在超高强钢带温检测和控制、炉内气氛检测和控制方面做综合改进。10)采用感应加热陶瓷锌锅，锌锅带有液面温度控制和液面探测系统，可根据液位信号向锌锅自动喂入锌锭。

　　11)采用三辊式镀辊设备，边部挡板、气刀快速离线装置和多方位、高精度的定位调整系统。对带钢板型和位置变化适应性强，并方便更换操作，可实现高速下生产出均匀的镀层。12)保证工程装备水平先进、产品质量优良，能源消耗低、劳动生产率高、环境保护好，工程投资合理。13)注重工程投资及运行成本的经济合理性。采用成熟可靠的技术并注重研究加快建设进度的措施，以成熟实用的技术为基础，采用自主集成设计的模式，最大程度的降低投资，缩短工程建设周期。14)重视节能、环保和清洁生产，符合节能和清洁生产要求，力求能耗低、物耗低、综合利用好，废弃物少;工艺和设备选型上重视环境保护，努力把污染降到最低水平，排放指标不低于国内先进水平，实现清洁生产。

　　5结论

　　钢铁行业追求进步的脚步从未停止。在可见的未来，钢材仍是汽车轻量化的主角。钢铁企业近年取得的显著进展和先进高强钢在汽车企业的应用情况也表明，钢铁仍然大有潜力可挖，钢铁材料的应用仍大有可为，尤其先进高强度钢的应用还将有较大的增长空间。

　　参考文献

　　[1]陆匠心，王利.高强度汽车钢板的生产与使用[J].汽车工艺与材料，2004(2):1-6.

　　[2]王利，杨雄飞，陆匠心.汽车轻量化用高强度钢板的发展[J].钢铁，2006，41(9):1-8.

　　作者：王海东①严江生

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