基于納米技術(shù)的高強(qiáng)度鋼研發(fā)和應(yīng)用

刊名：Materials Science and Technology（英）

刊期：2013年第10期

作者：K.Seto,H.Matsuda

編譯：張英才

具有最佳沉淀析出相分布的細(xì)晶粒無(wú)間隙原子先進(jìn)高強(qiáng)度鋼無(wú)間隙原子（IF）鋼已廣泛應(yīng)用于汽車外覆蓋件，但當(dāng)IF鋼被固溶強(qiáng)化時(shí)常伴隨屈服強(qiáng)度（Ys）的提高，從而降低表面精度。為此開(kāi)發(fā)了一種新型細(xì)晶粒IF先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）,與傳統(tǒng)超低碳IF HSSs相比，有低的Ys和高的r值。

在新型細(xì)晶粒IF HSS中，碳含量為傳統(tǒng)IF HSSs的3倍，同時(shí)添加超過(guò)C原子當(dāng)量的Nb，不僅保證了鋼中的IF化學(xué)成分，而且獲得較多的納米尺度Nb（C，N）沉淀相。通過(guò)晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化使鋼的拉伸強(qiáng)度（Ts）提高，鋼中總的固溶元素得以降低。對(duì)傳統(tǒng)IF鋼來(lái)說(shuō)，較為粗大的晶粒對(duì)獲得較高平均r值有利，但粗晶粒在沖壓成形之后表面出現(xiàn)“橘皮”狀。新開(kāi)發(fā)的細(xì)晶粒IF HSS顯示，平均r值與晶粒大小有更為良好的關(guān)系，這點(diǎn)與傳統(tǒng)IF鋼不同。已經(jīng)熟知，晶粒細(xì)化與沉淀硬化會(huì)提高屈強(qiáng)比，但新型細(xì)晶粒IF HSS具有比傳統(tǒng)固溶強(qiáng)化IF HSSs更低的屈強(qiáng)比，這可通過(guò)控制納米沉淀相分布的最優(yōu)化獲得。

上述IF HSSs已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)，其拉伸強(qiáng)度級(jí)別分別為340、390、440MPa，與傳統(tǒng)鋼板相比，具有較低的屈服強(qiáng)度和較高的n值，r值為1.7。用440MPa級(jí)鋼板試沖壓了某車型的前翼子板，在較低的壓邊力下就可以防止起皺，在高的壓邊力下也沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂。

利用納米沉淀硬化的單相鐵素體AHSS為滿足汽車懸架和底盤(pán)零件可靠性要求，所用熱軋鋼板的抗拉強(qiáng)度Ts須達(dá)到780MPa。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新型沉淀強(qiáng)化熱軋HSS，其沉淀相被細(xì)化到數(shù)納米，具有高Ys、高擴(kuò)孔性能、高伸長(zhǎng)率。諸如雙相鋼等多相組織鋼可以得到較高的伸長(zhǎng)率，但擴(kuò)孔率低；貝氏體鋼之類的單相鋼的擴(kuò)孔率高，但通常伸長(zhǎng)率低。因此，在新鋼種開(kāi)發(fā)中，注意到鐵素體的高伸長(zhǎng)率和單相組織的高擴(kuò)孔率，但采用傳統(tǒng)技術(shù)很難得到780MPa的強(qiáng)度。因此，采用沉淀強(qiáng)化技術(shù)對(duì)于780MPa級(jí)鋼來(lái)說(shuō)，沉淀相要細(xì)化到3nm，同時(shí)還要求沉淀相的熱穩(wěn)定性。利用三元碳化物系統(tǒng)，適量的Ti與Mo共同添加到基礎(chǔ)鋼中，產(chǎn)生的約3nm的沉淀相顯示了超高的熱穩(wěn)定性。開(kāi)發(fā)鋼的熱軋工藝與原有鋼沒(méi)有差異，在傳統(tǒng)的卷取溫度下能夠容易獲得沉淀強(qiáng)化鐵素體單相組織，這是因?yàn)殚_(kāi)發(fā)鋼中的固溶碳極低且Mo阻止珠光體轉(zhuǎn)變。此外，開(kāi)發(fā)鋼種的強(qiáng)度分散性很小，使沖壓成形時(shí)的回彈分散性小。

780MPa級(jí)新開(kāi)發(fā)鋼的應(yīng)用正在逐步擴(kuò)大，特別是在汽車底盤(pán)和臂類零件應(yīng)用，目前達(dá)到1000t/月的水平。雖然現(xiàn)在應(yīng)用的鋼材是以780MPa級(jí)為主，但此鋼種的強(qiáng)度可以提高到980MPa，還可以擴(kuò)大到鍍層鋼板。

通過(guò)硬化相的分布優(yōu)化提高超高強(qiáng)度鋼的成形性已經(jīng)開(kāi)發(fā)出抗拉強(qiáng)度為980～1470MPa的超高強(qiáng)度鋼（UHSSs），但仍然存在開(kāi)發(fā)先進(jìn)鋼板的需求，特別是Ts超過(guò)1180MPa，可以應(yīng)用于中立柱、橫梁等零件的鋼材。如此高強(qiáng)度的鋼板必須保留大量如貝氏體或馬氏體樣的硬質(zhì)相，其性能在很大程度上依賴于硬質(zhì)相的納米尺度結(jié)構(gòu)，包括碳和位錯(cuò)的狀態(tài)。已經(jīng)通過(guò)幾種新途徑開(kāi)發(fā)新的UHSSs，譬如納米晶貝氏體鋼、淬火配分鋼以及馬氏體時(shí)效轉(zhuǎn)變誘發(fā)塑性鋼。其基本目標(biāo)就是用納米技術(shù)控制組織，即回火馬氏體與帶殘余奧氏體的貝氏體相結(jié)合改善成形性。試驗(yàn)結(jié)果表明，Ts達(dá)到1470MPa的新開(kāi)發(fā)鋼種的伸長(zhǎng)率比TS590MPa級(jí)雙相鋼更高。當(dāng)然，仍然存在許多與高含碳量有關(guān)的問(wèn)題和對(duì)熱處理精準(zhǔn)控制的要求。雖然這些途徑具有改善成形性的潛力，但材料成分和生產(chǎn)工藝還有待進(jìn)一步優(yōu)化。