汽车钢的迭代发展与生产工艺：探究汽车钢的前世今生

汽车自发明以来就与钢铁结下了不解之缘，从第一辆蒸汽汽车到如今广泛应用于社会经济生活各个领域的各种类型、规格的运输车辆，汽车的发展史也是一部汽车用钢的发展史。更高的强度、更好的塑性、更低的成本、更轻的重量，汽车用钢至今经历了多次迭代发展，其优异可控的性能也为汽车制造提供了更多的可能性。本文将介绍汽车用钢的迭代发展以及目前汽车用钢应用较为广泛的冷成型和热成型生产工艺，让大家对汽车用钢的前世今生有一个更为详细的了解。

截至2021年9月底，我国汽车保有量已达2.97亿辆，持有汽车驾驶证的人数已达4.39亿人[1]。随着我国城镇化水平的不断提高，汽车已进入千家万户，成为日常交通工具之一。一辆汽车的用钢量占总材料量的80%至90%。在铝合金、碳纤维等新兴材料快速发展的今天，钢铁仍然是汽车制造的主要原材料。对汽车更高安全性和驾驶性能的需求也为汽车用钢的发展提供了方向。

汽车用钢的开发与应用

将一辆汽车解剖后发现，车身是由各种汽车钢材零件焊接而成的，如图1（a）所示。车身就像人体的骨架，提供基本的支撑和防撞功能；覆盖在车身外部的一系列覆盖钢板就像人体的皮肤，提供保护和装饰。汽车的“骨架”和“皮肤”的组合被称为“白车身”，这也是汽车钢材在汽车制造中使用的主要阵地，如图1（b）所示。

图1 汽车用钢主要应用领域

第一代汽车用钢与第二代汽车用钢

目前，高强度汽车用钢的发展经历了三次迭代，三代高强度汽车用钢的力学性能分布如图2所示。第一代先进高强度汽车用钢的代表产品包括双相钢（DP钢）、复相钢（CP钢）、马氏体钢（MART钢）、相变诱导塑性钢（TRIP钢）和无间隙原子钢（IF钢）[2]。第一代汽车用钢的基体为铁素体，奥氏体含量较低（小于15%），强塑性积为5～15GPa·%。例如DP钢的组织为铁素体+马氏体（快速淬火下产生的是奥氏体的热稳定性，而非奥氏体在变形过程中的力学稳定性），TRIP钢的组织为铁素体+贝氏体+残余奥氏体（RA）。

图2 三代高强度汽车用钢性能分布

第二代先进汽车用钢的特点是采用大量合金元素[3]，通过微合金化提高钢材的综合力学性能，代表产品有孪生诱导塑性钢（TWIP钢）和轻量化诱导塑性钢（L-IP钢）。第二代汽车用钢是通过在钢中添加大量合金元素（主要是Mn），从而在室温下获得大量稳定的奥氏体，在随后的变形过程中，在应变诱导下产生有利于塑性变形的机械孪生，从而获得更高的应变硬化率和优异的力学性能，强度-塑性积可达60GPa·%。但大量合金元素的加入增加了生产成本，并且在后续加工过程中会出现一系列工艺问题，如屈服强度低、易产生延迟开裂等。

第三代汽车用钢

随着人们对汽车轻量化、防撞安全性要求的提高，汽车用钢不断向高强度、高塑性方向发展，强塑积成为衡量汽车用钢性能的重要指标。第一代汽车薄板钢强塑积一般为15GPa·%，轻量化、安全性指标较低；第二代汽车用钢强塑积虽然已达到50GPa·%，但由于合金元素含量高、工艺复杂、生产成本高，不易被市场接受。在经历了强韧性较差的第一代汽车用钢和生产难度更大的第二代汽车用钢的发展后，美国的Krupitzer和Heimbuch首先提出了以高强韧性、低成本、轻量化为特征的第三代汽车用钢的概念。第三代汽车用钢是指轻量化、安全性指标比第一代汽车用钢高、生产成本比第二代汽车用钢低的高强度、高塑性钢。 相关学者在成分体系、工艺设计等方面进行了大量的探索工作，在不增加成本的情况下实现了材料成形加工能力的提高，并获得了良好的综合力学性能，从而吸引了广泛的研究。目前主要包括中锰钢、淬火配分（Q&P）钢、热冲压钢（HF）等。

第三代汽车用钢充分利用了第一代（BCC硬相马氏体基体提供强度）和第二代（FCC软相奥氏体基体提供塑性）的组织特点[4-5]，即采用高强度硬质相（如马氏体、贝氏体、超细晶粒铁素体和第二相粒子等）与大量高塑性软相（如奥氏体、亚稳态奥氏体和残余奥氏体等）的多相复合组织，通过相变强化、位错强化、细化晶粒等多种强化方式综合提高其强度，利用TRIP、TWIP等多种塑性机制提高其塑性。 分析表明，第三代汽车用钢主要通过在马氏体或超细晶粒铁素体基体中引入大量亚稳态奥氏体，提高汽车用钢的强度和塑性，从而大幅度提高钢材的综合力学性能，强塑积可达30~40GPa·%，最高达70GPa·%。第三代汽车用钢研发成本与第一代汽车用钢相近、性能接近第二代，具有突出的竞争优势和广阔的发展前景。随着第三代高强钢研究的不断深入，部分钢种特别是能够用于工业生产的钢种仍然存在强度过大、塑性不足的问题。 如图3所示，以980 MPa级汽车用钢为例，普通DP钢断后伸长率可达10%左右，Q&P钢断后伸长率可达24%左右，中锰钢（6Mn以上）断后伸长率可达3​​0%以上，但Mn含量较高难以实现工业化生产，QP1180在工业化生产中能达到的断后伸长率不足15%。

图3 不同汽车用钢在980 MPa拉伸强度下的断后伸长率

汽车钢板冲压工艺

冲压是汽车钢板制造中常见的制造工艺，依靠压力机和模具对汽车钢板原材料施加外力，使其产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件。通过冲压工艺生产出车身的零部件，再经过焊接或其他连接工艺，形成整个车身。这就是“白车身”的生产过程。

冷冲压工艺

冷冲压工艺是将原材料板料在常温下进行冲压以获得成形零件的生产工艺。冲压模具用于在压力机上对板料或热料施加压力，使其发生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的零件[6]。在冷冲压过程中，冷冲压模具是用于冲压的工艺设备。没有先进的冷冲压模具，就不可能实现先进的冲压工艺。一般来说，冷冲压工艺由三大要素组成：①冲压机：利用模具产生加工压力的设备；②冲压模具：使产品形状按规定的尺寸精度成形的工具，分为上模和下模；③加工材料：产品的原材料，如汽车钢板。图4是实际生产中的冷冲压工艺及冷冲压设备示意图。

图4 冷冲压工艺流程示意图及实际生产设备

冷冲压技术具有冲压件质量稳定、尺寸精度高；整体工艺节能、低耗、高效，因而冲压件成本低；生产率高，操作简单，易于实现机械化和自动化等优点。采用普通压力机进行冲压加工，每分钟可生产几十件，采用高速压力机每分钟可生产几百件或几千件。

目前汽车用钢冷冲压工艺主要用来生产汽车覆盖件，该类钢板强度较低，但塑性较好，成形性能良好，如DP钢，因此在室温下对原料板进行冲压，不仅能获得尺寸精度较高的成形件，而且可以提高生产效率，降低成本。

烫印工艺

热冲压又称热成型，是一种将钢板在高温下成型，然后在模具中淬火以获得高强度成型件的成型工艺[7]。随着汽车工业的不断发展，对汽车钢板的要求也越来越高，高强度薄板成为汽车生产的一大需求。高强度钢板由于强度高、厚度小，在使用传统冷冲压工艺时，容易发生回弹变形、起皱开裂、尺寸精度差、成形阻力大、模具寿命低等问题。热冲压技术利用材料在高温下良好的成形性，可以有效减少回弹，保证模具寿命。成形淬火后的部件具有超高的强度，且价格合理。因此，热冲压技术是实现汽车轻量化、安全性的先进成形技术。近年来，热冲压用钢得到了广泛的应用，主要在汽车A柱、B柱、C柱、防撞梁等关键碰撞部件上[8]。 以22MnB5为代表，现阶段最常用的热成形件为1500MPa级。为了进一步满足汽车轻量化的需求，强度等级更高的热成形钢材，如1800、2000MPa级热成形钢的应用也将成为趋势。图5所示为采用热成形工艺生产的汽车钢件。

图5 超高强度钢板热成形件

热冲压工艺过程包括奥氏体化处理、从加热炉转移到压力机、热成形和淬火、以及边缘修整[8]，见图6。

图6 热冲压工艺流程

奥氏体化处理是在有保护气氛的加热炉中进行的。当板材加热到高于Ac3的温度(通常为900-950℃)时，保温3-10分钟，保温时间取决于板材的厚度。在完全奥氏体化后，材料从加热炉转移到热成形压力机中。此过程在空气中进行，必须尽快完成。如果在成形前材料温度降到780℃以下，就可能形成铁素体，从而恶化热成形件的力学性能。材料在模具中成形，在此成形温度下，材料具有足够的延展性，易于成形复杂形状的零件。热成形钢一般采用Al-Si镀层、Zn或Zn合金镀层等方法，避免成形过程中表面氧化。 零件高温成形后在模具内快速冷却（水冷）至马氏体终了温度（Mf~200℃）以下，然后在空气中自然冷却至80℃左右出模，以保证后续空冷不发生变形。冷却速度一般为40~100℃/s，以保证零件的淬硬性。因此一套热成形设备的产出率为每分钟2~3个零件。出模后用常规方法修整边缘、清理表面，最后将热成形后的零件通过点焊组装到车身上。

根据工艺步骤的不同，热成形工艺分为直接热成形和间接热成形，如图7所示。直接热成形时，板材不经预成形而直接加热奥氏体化，然后放入模具中高速成形。一旦冲压深度达到预定值，零件立即淬火硬化。间接热成形时，先在常规冷成形模具中将材料成形至最终形状的90%～95%，然后对预成形后的零件进行加热奥氏体化，再进行热成形和淬火。间接热成形工艺中，零件的预成形可以减少材料与模具之间的相对位移，从而减少模具表面在高温下的磨损。

图7 直接热成型和间接热成型工艺

热冲压技术在国外应用较早，瑞典Plannja公司于1977年提出热冲压技术[9]，最初目的是为了降低成形厚度大于8 mm的板料所需的变形抗力。随着汽车技术的发展，热冲压技术得到广泛应用，用于获得更薄、强度更高的汽车零部件高强度钢板。1984年，瑞典萨博汽车公司开发了热冲压用硼钢[5]。随后，瑞典吕勒奥理工大学利用Gleeble 1500热模拟机对超高强度可淬硬钢22MnB5进行高温压缩试验和热膨胀试验，获得材料热力学性能数据[10]。伊朗Amirkabir大学的Naderi M等人[11]建立了22MnB5在高温下不同应变速率下的本构方程。 德国纽伦堡大学系统研究了轧制方向、温度、应变速率等对硼钢在奥氏体化阶段流变性能的影响。研究表明，轧制方向与奥氏体化关系不大。温度越高，真应力越低，应变速率越高，真应力越高[12]。如今，热冲压成形技术已受到世界各国钢铁、汽车制造企业的高度重视和广泛应用。目前，全球共有热冲压生产线400多条，我国共有热冲压生产线及试模生产线130多条[知识提示]（数据统计截至2018年）。

汽车用钢的未来前景

随着碳纤维、铝合金、镁合金等新材料的出现，汽车用钢也迎来了新的挑战。但从发展历史和行业成熟度来看，汽车用钢仍是车身材料的主要选择，因此汽车用钢未来发展的困难主要来自于其本身。如何生产出兼具高强度、高塑性和轻量化的汽车用钢部件，仍是汽车用钢的重要发展方向，并在提升性能的同时控制成本，实现量产。同时，我国作为制造大国，伴随着“去产能”的发展方向和“十四五”总体规划，绿色低碳也将成为汽车用钢生产的重要目标。即在不断提高汽车用钢强度、减轻车身重量的同时，需要关注从材料设计、生产、制造、加工、使用到回收再利用等各个环节的成本、能耗和排放，“绿色发展”对汽车用钢生产技术提出了更高的要求。 此外，随着计算机技术的快速发展，基于仿真软件指导汽车用钢生产工艺得到广泛应用，未来或将可以构建更加符合实际生产的数值模型，从而缩短汽车用钢的研发周期，提高开发速度。

知识提示

试模生产线是一些企业为了确认生产线具体工作参数，进行小规模试验而采用的小型生产线。

参考