2014-2018钢铁共性技术协同创新中心工艺与装备研发平台运行周期工作总结与成果回顾

广 告

2011钢铁共性技术协同创新中心

工艺与装备研发平台

2014-2018运行周期工作总结

编者按：“钢铁共性技术协同创新中心”在 2014 年 10 月获得国家批准认定。从那时起，到现在已经过去了 4 年，该中心一直处于运行状态。中心工艺与装备研发平台面向国家重大战略需求，也面向经济社会主战场，还面向世界科技发展前沿。它围绕钢铁行业关键共性工艺与装备技术领域，依据既定的平台顶层设计总体发展架构，并且结合行业发展需求，在选矿、冶炼、连铸、热轧、短流程、冷轧及智能制造等领域，明确了重大任务，汇聚了创新资源，进行协同创新，开发出了系列创新工艺及装备，以此助推钢铁行业资源节约、环境友好，推动高品质钢铁产品的开发生产，最终圆满完成了既定的任务和指标。本报针对工艺与装备研发平台建设所取得的成效以及最新的研发成果，特地组织了相关报道，目的是为了让读者能够了解和欣赏这些内容。

新一代汽车钢有“高强、减重”的重大需求。东北大学“先进冷轧、热处理和涂镀工艺及装备技术”团队在高性能冷轧汽车钢工艺与产品研发方面取得重要进展：其一，开发出纳米析出的 2GPa 高韧性热成形钢，且将其应用于北汽新能源纯电动两座车型“LITE”的侧防撞区；其二，在低碳低锰以及现有产线能力等多种约束条件下，开发出系列化超级淬火配分钢（Super-Q&P）工业化原型技术，其中全球首创的基于一步过时效处理的 980MPa 级 Q&P 钢已实现批量化生产，其强塑积可达 27GPa·%；其三，提出热轧 - 冷轧 - 连续退火一体化控制的技术思路，提升了产品组织的均匀性，确保了高强钢强塑性和成形性能的良好匹配。上述研究成果打破了高性能钢强韧化的经典理论，突破了关键技术瓶颈。这有助于推动我国在汽车轻量化钢铁材料研发与应用方面达到国际领先水平。

引言

近年来，我国汽车工业发展得很快，这给钢铁行业带来了很大的发展空间。不过，在面临环保、节能以及安全等多方面的挑战时，汽车用钢的超高强化以及汽车零部件的轻量化，已经成为钢铁制造商和汽车制造商争相追求的重要目标。2011 钢铁共性技术协同创新中心“先进冷轧、热处理和涂镀工艺及装备技术”方向聚焦“高性能冷轧汽车用钢工艺与产品研发”这一重大需求。目的是借助物理冶金原理及调控技术研究，在 2GPa 热成形钢、1000 - 1500MPa 高强塑积冷成形钢、热轧 - 冷轧 - 连续退火一体化工艺等领域取得突破性成果，构建起拥有自主知识产权的系列化专有工艺技术，在若干关键领域达成全球首次或批量化工业应用，助推我国超高强汽车用钢研发迈向世界顶尖水平。

研究进展及成果

2.1纳米析出2GPa高韧性热成形钢

的开发及工业应用

目前，全球汽车广泛采用的安全构件以 22MnB5 钢为主。对 22MnB5 钢进行热冲压成形并涂装后，构件的强度能够达到 1.5GPa。然而，其延伸率仅仅约为 7%。汽车轻量化在发展，汽车碰撞安全性要求也更为苛刻。提高强度至 2GPa 能让材料厚度减薄 20%，从而进一步实现轻量化。但这里存在瓶颈，那就是在现有的热冲压条件下，如何做到不增加额外工艺，还能确保 2GPa 级热成形钢达到 22MnB5 钢同等的延伸率和韧性，以实现更优异的碰撞吸能效果。冷冲压成形钢由钢铁厂的连续退火线进行生产，能够在其具有柔性且几乎任意的热工曲线作用下，实现相变以及强韧化的组织调控。热冲压工艺过程的热工曲线是固定的，板材在高温下成形后，会直接在模具内进行淬火，在 3 到 8 秒内快速冷却至马氏体相变结束温度，对该工艺条件进行的任何改变，都会导致制造成本的增加或者构件形状出现变形等问题。仅通过提高碳含量来提高热成形钢的抗拉强度，会使它的延伸率和韧性降低。要让 1.8 - 2.0GPa 级的热成形钢具备 22MnB5 那样良好的韧性，这是一个很大的工程难题。

东北大学易红亮教授带领技术团队。他们针对汽车用 1.8GPa 以上超高强钢存在强度与韧性、延伸率间的矛盾这一难题。团队积极进行探索，大胆开展创新。他们提出将钒微合金与热冲压工艺条件耦合，以此实现热冲压钢的晶粒细化。并且通过纳米碳化钒析出，降低马氏体中的碳含量。从物理层面抑制 1.8GPa 以上超高强钢脆性马氏体的生成。这样就能从根本上改善材料的韧性。接着以马氏体强化、晶粒细化、纳米碳化钒析出复合强化机制，实现强度突破 2GPa。避免因单一强化机制过高而使热冲压成形用钢的韧性和延伸率恶化。

通用汽车的评价结果显示，这种材料与目前在工业中应用的热成形钢 22MnB5 相比，性能提升了 20%以上；并且比全球各大钢铁巨头所开发的 1.8GPa 级热冲压钢的性能也提高了 10%以上。纳米析出 2GPa 钢在模具淬火状态时，能够达到 2121MPa 的超高强度，同时其延伸率为 8%；在进行涂装回火之后，延伸率提升到了 9%左右。

纳米析出 2GPa 热成形钢通过帽型件三点弯曲试验测试发现，其性能比 22MnB5 提高约 20%；与国际前沿 1.8GPa 级以上热成形钢相比，性能提高约 10%以上。同时，在国际范围内，首次达成了 2GPa 级热冲压钢必须通过回火来改善韧性这一技术突破。纳米析出 2GPa 钢在实验室研发成功后，进行了北汽新能源“LITE”车型车门防撞钢梁热冲压件的工业试制，经测试分析，其性能达到了 2GPa 超高强度，8%以上的延伸率。同时也进行了长安汽车 B 柱加强件等汽车车身零部件的工业试制，经测试分析，其性能也达到了 2GPa 超高强度，8%以上的延伸率。

2016 年，纳米析出的 2GPa 热成形钢车门防撞钢梁热冲压件被成功焊接并装车。同时，还进行了实车碰撞性能测试（如图 1 所示）。在测试中，该部件溃缩了 10mm 且弯曲变形，但未发生断裂，这验证了该材料具有高强韧性。2017 年，本钢集团成功完成了该 2GPa 钢的批量生产。此钢商业化应用于北汽新能源纯电动两座车型“LITE”的侧防撞区。在该应用中，成功实现了车身相关零部件减重 10%-15%。这是 2GPa 级超高强钢在全球范围内首次投入批量化工业应用。该钢板在工艺设计方面，基于创新的材料设计，无需借助回火这一方式来提升韧性，从而减少了汽车零部件的制造工艺环节，给汽车企业大幅度降低了生产成本，其经济效益相当可观。

2.2新一代高强韧高成形性汽车用钢

的研究与开发

为应对节能减排方面的巨大压力，需要开发汽车用钢；为应对绿色环保方面的巨大压力，也需要开发汽车用钢；为提高安全性能的巨大压力，同样需要开发汽车用钢。开发高强度的汽车用钢已成为迫切任务，开发高韧塑性的汽车用钢已成为迫切任务，开发轻质低密度的汽车用钢已成为迫切任务，这些都关乎钢铁和汽车行业。先进高强钢的研究和开发经历了三个阶段。第一代主要有以下这些钢种：无间隙原子钢、高强度低合金钢、C-Mn 钢、烘烤硬化钢、双相钢、应变诱导塑性钢、复相钢、马氏体钢。这些钢种目前是主流的商业化汽车钢品种。然而，由于其较低的合金含量，强塑性能无法兼顾，强塑积通常在 10-20GPa·%的范围内。人们对强度及韧塑性的要求不断提高。第二代钢以轻质诱导塑性钢、微观带诱导塑性钢以及孪晶诱导塑性钢为代表。这类钢凭借奥氏体内部微观带、孪生等主导的特殊变形机制，大幅度提高了强塑性能。强塑积能达到 50 - 70GPa·%。然而，该类合金钢添加了大量的锰、硅、镍和铝等合金元素。这使得其成本较高。也导致其工艺性能较差。并且冶炼及生产难度极大。为了同时达成低成本、高性能以及易于工业化这些要求，第三代汽车钢随之诞生了，其中以淬火配分钢（Q&P）、中锰钢、纳米晶钢（Nano-Steel）为代表。这些钢凭借着比第一代钢更高的性能优势，同时又具有比第二代钢更低的成本优势，所以备受青睐。当前面临的“卡脖子”问题在于工业化制造难度较大。与技术成熟的商业化（第一代）汽车钢相比，因为合金元素（C、Mn、Al、Si 等）含量有所增加，这给传统的冶炼、连铸、轧制、热处理等装备与工艺带来了极大的挑战，甚至可以说存在难以跨越的技术瓶颈。

其次，存在轧制开裂以及冷轧机负荷极限的问题。常规流程里，热轧过程冗长，容易使 Mn-Al 钢的带状组织界面析出大量薄膜状碳化物，从而造成相界面间隙以及热轧开裂；中锰钢的热轧板一般要经历大压缩比的冷轧，然而马氏体冷轧的平均流变应力超过 2000MPa，显然全马氏体冷轧是难以实现的；即便经过中间罩式退火处理形成了α+γ组织，在大压缩比冷轧的后期仍然会出现大量马氏体，并且罩式退火容易生成渗碳体，进而导致分层开裂，轧制的难度依然非常大。冷轧高强中锰钢退火产品通常有较长的吕德斯带应变，这对冲压过程中钢件的表面质量产生了严重影响。目前，这是在中锰钢成形应用过程中遇到的最为棘手的问题之一。此外，锰配分过程要与连续退火工艺相匹配。高合金含量时，中高锰钢的焊接技术存在问题。延伸凸缘成形过程存在裂纹敏感性问题。这些都是目前主要依赖锰配分实现强韧化的第三代钢工业化过程所面临的技术瓶颈。

上述原因导致第三代钢工业化技术进展较为缓慢。只有在现有的生产流程、工艺装备和合金体系的框架之内，去开发高强韧高塑性高成形性的钢铁材料，并且解决像长吕德斯带缺陷以及其他成形焊接方面的问题，才能够从根本上突破第三代钢制造过程中的技术瓶颈，让其真正成为适合工业化的新一代先进汽车钢商业化产品。为此，东北大学的许云波教授对基于传统合金以及受工业条件约束的先进钢铁材料的典型微结构演化进行了研究，还研究了其增强、增塑和增韧的机理。这为破解第三代钢的工业化难题提供了新的解决方案，其研究成果具有重要的科学意义，同时也具有广阔的应用潜力。

在低成本且减量化的成分体系基础之上，把多尺度组织进行细化，对残余应变进行控制，将贝氏体碳配分与奥氏体稳定性相互关联，进而提出了一种在非等温（连续冷却）过程中能够实现碳原子“动态配分（DQ&P）”的工艺理念，通过热轧 - 动态配分以及大应变冷轧 - 快速退火等方式，促使 TRIP 效应达到最大化。系统对新型中锰钢形变热处理过程特征微结构的演变与调控机理进行了研究，分析了奥氏体稳定性的主要影响因素及其物理本质，揭示了“多峰值”加工硬化行为与不连续 TRIP 效应之间的关系，阐明了在静载荷和动态载荷下特殊的塑性变形机制以及其增强、增塑、增韧的机理。在此基础上，提出了新颖的“双尺度+双结构”组织设计思想。这种思想有效提升了溶质原子的配分效率。同时，实现了奥氏体晶粒尺寸、形貌特征、体积分数和稳定性的最佳匹配。并且优化了材料的塑性流动和变形协调行为。进而进一步提高了钢的强韧性能。

分析 Fe-3wt%Mn 钢在不同热处理工艺下，其组织结构、铁素体状态、奥氏体含量、锰元素配分行为、TRIP 效应以及加工硬化行为之间的关联机理。重点在于剖析不同退火工艺下逆转变奥氏体的形成情况以及富锰化机制。研究结果表明，优化退火工艺能够促进锰元素的配分动力学。这种促进作用为后续奥氏体的保留提供了较高的锰浓度梯度。同时，优化退火工艺还改变了奥氏体的形貌结构。这些改变有效提高了成品组织中残余奥氏体的含量，并且细化了奥氏体晶粒。多形态奥氏体在拉伸变形期间持续给予 TRIP 效应，极大地改善了实验钢的加工硬化行为。这样一来，在抗拉强度达到 1040MPa 的同时，断后延伸率能达到 40%以上，起到了显著的增强增塑效果。通过采用多阶段轧制及温轧退火工艺，对显微组织结构以及残余奥氏体的含量和稳定性进行调控，明确了亚稳残余奥氏体的增韧机理。在此基础上，运用层状结构增韧设计，去挑战钢铁材料的韧性极限。开发出了抗拉强度在 1150MPa 以上，并且在-60℃以上冲击功大于 450J 的超高强韧钢板原型技术，该技术拥有广阔的应用前景。

在多种约束条件下，包括低碳、低锰、低合金以及现有产线能力等。国际上首次运用了一种协同调控机制，即碳锰配分和应变配分协同调控机制。通过这个机制开发出了系列化的超级淬火配分钢（Super-Q&P）的工业化原型技术。这些技术中，1000MPa 级的延伸率在 25%-40%之间，1200MPa 级的延伸率在 18%-24%之间，1400MPa 级的延伸率为 20%（如图 2 所示）。新开发的钢种，其力学性能达到了中锰钢的水平，甚至超过了中锰钢的水平。同时，合金成本大幅度降低，生产难度也大幅降低。尤其值得一提的是，Mn 含量降低到 3wt%以下。在这种情况下，该钢种的塑性比现有的 Q&P 钢提高了一倍。这是一种全新的第三代汽车钢品种，非常适合现有产线及工艺，具有广阔的应用前景。此外，针对冷轧高强中锰钢中普遍存在的世界性难题“较长吕德斯带”。在系统研究其形成机制后，提出了“微纳米双相结构与高加工硬化能力”的组织控制思路。通过优化应变配分以及调控塑性变形机制，开发出了能够消除吕德斯带的微结构精细控制技术。最终获得了无吕德斯带且强度在 1000 - 1200MPa 级的高性能 Mn - TRIP 原型钢。

现有 Q&P 钢存在成形性较低、工艺成本高以及依赖专用退火线等局限性。依托国内某传统连续退火生产线，该生产线拥有世界首创的基于一步过时效处理的高延伸 Q&P 钢生产技术（如图 3 所示）。工业成品板的屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥980MPa，断后延伸率能达到 25%以上，其综合性能表现十分优异。同级别“两步配分”商业化钢种与之相比，新技术的温控路径较为简单，配分窗口比较灵活，生产衔接既顺畅又高效，工艺成本有所降低，仅把“感应提温”这一项取消掉，就能够节约 50 到 100 元/吨的电费。新产品的典型组织表现优异，力学性能也很出色。通卷性能波动较小，抗回火稳定性较强。显微组织中残奥的体积分数提高了 2%-6%，断后延伸率增加了 2%-4%，强塑积能够达到 27GPa·%以上。电阻点焊及成形性能与“两步配分”产品的典型值大致相同。在这些性能中，折弯性能和回弹性能更为优秀。1.6mm 板的临界相对弯曲半径降低到了 1.5mm 左右，90°折弯的回弹角能够达到大约 14°。此外，同级别冷轧双相钢（DP）和相变诱发塑性钢（TRIP）与之相比，Cr、Mo 以及 Nb、V、Ti 等合金的成本降低幅度很大。钢材的韧塑性、成形性和延伸凸缘性等都有显著提升，尤其是延伸率，达到了同级别 DP 钢的两倍多。新型 Q&P 钢能用于汽车的横梁、纵梁、车窗框架、保险杠及地板加强件等结构件（如图 4 所示）。它可以通过减薄零件的厚度，来减少燃油的损耗，从而有效实现节能降耗。比如，用 QP980 去替代 DP600 时，工件的厚度从 1.2mm 减薄到 1.0mm，重量减轻了 10%-20%。与此同时，汽车的安全性有了显著的提高，在正常碰撞情况下，人员的死亡率大幅度下降。

2.3冷轧高强钢的

热轧-冷轧-退火一体化控制工艺研究

汽车制造时，汽车的前后纵梁以及侧梁等属于受力的结构件和加强件，这些部件需要具备良好的抗变形能力，也就是说需要拥有较高的屈服强度以及较高的屈强比。因为对微合金元素有严格的用量限制，并且在连退过程中控制微合金元素析出存在难度，所以在实际生产和使用过程中常常会出现以下几方面的问题：一是会出现屈服强度偏低或者强度与延伸之间呈现跷跷板效应的情况；二是会出现折弯开裂等成形方面的问题；三是钢板的横纵向力学性能差异较大，这会对使用产生影响。为解决上述难题，东北大学蓝慧芳副教授采用了热轧 - 冷轧 - 退火一体化的工艺控制思路。她通过控制热轧冷却过程中的相变以及析出行为，同时结合冷轧及冷轧后连退过程中的铁素体再结晶、奥氏体相变和微合金元素析出行为进行调控，以此来提高最终产品的组织均匀性。并且，她还通过控制连退过程中微合金元素的析出行为，以获得良好的析出强化效果，进而保证强度、塑性和成形性能能够良好匹配。

可以看出，在常规工艺条件下，再结晶完成所需的时间明显延长。计算显示，新工艺条件下再结晶激活能大概只是常规条件的一半。这为铁素体再结晶和析出的顺序控制提供了依据。另外，通过一体化控制，能够在铁素体完成完全再结晶的前提下，获得优良的析出强化效果。基于一体化控制的组织控制思路，已经进行了工业推广应用。结果表明，在该工艺条件下能够做到：一是实现强度升级，进而节约合金成本；二是降低均热温度，以此降低加热能耗；三是提高力学稳定性。

高强度冷轧双相钢一般被用于冲压像汽车 B 柱、座椅框架等形状较为复杂的部件。但是在像小半径弯曲、延伸凸缘这类局部成形的过程里，高强度双相钢常常会出现“难以预料”的开裂情况。所以，高强度双相钢在成形过程中遭遇到了很大的挑战。双相钢折弯会出现开裂，原因是在变形过程中马氏体带发生断裂，这为成形开裂提供了裂纹源，进而使局部成形性能明显降低。研究者明确了组织分布对力学性能和折弯性能的影响规律。在连续退火加热过程中，铁素体的再结晶对后续奥氏体相变的形核以及长大都有着重要的影响。基于此，通过进行对比研究，把一体化控制工艺条件下的铁素体再结晶规律给弄清楚了，这为后续马氏体的形态和分布控制提供了依据。对比常规工艺和新工艺条件下铁素体的再结晶动力学曲线可以得知，在新工艺条件下，铁素体完成完全再结晶所需要的时间显著缩短了。经回归分析，得到新工艺下铁素体再结晶激活能显著降低。

在连续加热过程中，奥氏体的相变动力学会直接对后续冷却过程中的马氏体分数产生影响，进而对性能有着重要的作用。基于此，将相变过程中的相界面移动以及元素扩散这两方面因素综合起来进行考虑，开展了相变动力学模拟以及实验验证的工作，达成了在不同组织条件下对奥氏体相变动力学的精确预测。与此同时，还研究了铁素体再结晶对组织均匀性所产生的影响规律。发现，铁素体再结晶分数提高后，奥氏体的形核位置会变得更加均匀，这对最终马氏体分布均匀性的提高是有利的。通过一体化控制工艺，成功获得了强塑性匹配良好的 DP780 。从组织及局部成形性能评估能够看出，一体化控制工艺能够显著提升组织的均匀性，所开发的高成形性双相钢在局部成形性能方面优势较为明显，如图 5 所示。

结语

上述研究成果涵盖新一代高强韧汽车用钢的设计、研发、生产与应用等各个环节。它以深度挖掘现有装备和工艺能力为基础，突破了高性能钢强韧化的经典理论以及关键技术瓶颈，使合金成本和工业制造难度大幅降低，这有助于推动我国汽车轻量化钢铁材料的研发与应用达到国际领先水平。

之前报道