【专访】首钢首席专家高永生博士:汽车用高强高延伸DH钢的开发

放大  缩小 日期:2020-03-26     作者:中国汽车材料网    评论:0       [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:  【中国汽车材料网】近两年,随着汽车销售市场的低迷,无论是主机厂还是下游材料和零部件供应商都面临着较大的压力。提质、增效、降本成为企业产品和服务升级
  【中国汽车材料网】近两年,随着汽车销售市场的低迷,无论是主机厂还是下游材料和零部件供应商都面临着较大的压力。提质、增效、降本成为企业产品和服务升级的重要方面。此前,首钢针对汽车先进高强钢用量最高的DP钢进行产品升级,成功推出具有更高强度和延伸性的DH钢。中国汽车材料网有幸邀请到首钢股份首席技术专家高永生老师,与我们一起谈谈:首钢高强高延伸DH钢的开发。
  

首钢股份首席技术专家高永生
  
  1. 请您简述下近几年国内高强度钢的发展状况及应用现状。
  
  钢铁材料具有其优异的机械加工特性、经济性、以及可再循环利用等特点,在汽车制造过程中仍占用材的主导地位,轻量化、高强度的钢板依然是各国汽车钢板研究的重点。经过20多年的研发,国内主要钢铁公司以及科研院所在钢种开发与应用方面取得了很多成果。主要表现在先进高强度钢种类越来越多,除了以传统DP、TRIP等超高强度钢为主的第一代超高强汽车板以外,又陆续发展了以奥氏体钢以及TWIP钢等为代表的第二代超高强钢汽车板。近年来开发出以锰含量为5%~7%和微观组织中含有高体积分数的亚稳残留奥氏体为主要特征的超细晶TRIP钢、QP钢等具有TRIP效应的钢种,称之为第三代汽车用钢。
  
  目前已经开发出的先进汽车用钢机械性能覆盖面较广,第一代先进汽车用钢抗拉强度范围600~2000MPA,强塑积10~20GPa%;第二代先进汽车用钢抗拉强度范围600~1000 MPa,强塑积达到60Gpa%;第三代先进汽车用钢强塑积达到30~40Gpa%。
  
  国内钢厂已经具备DP、CP、TRIP、TWIP、QP、MS等先进高强钢的生产能力,分别用于内外覆盖件、各种结构件和梁类等汽车零部件。其力学性能覆盖面非常宽,既能满足汽车对强度、刚度和碰撞吸能安全性,也能满足舒适性与可加工性的要求,给汽车用材与选材提供了更多的选择。
  
  2. 近几年,首钢DH钢产品多次实现国内首发,能简单谈谈该钢种的性能优势吗?
  
  DH钢是首钢首发的高强度高延伸汽车用钢。说到DH钢,不能不提及汽车先进高强钢用量最大的双相钢(DP)钢。DP钢的基本金相组织是铁素体和马氏体,其中马氏体对材料强度的提高,以及铁素体对于延伸性能的贡献,构成了DP钢高强和高延伸两种性能的完美组合。同时,以其低合金含量、良好稳定的可制造性、工艺低成本和优良的成形与焊接性能,是钢企产量最高以及汽车企业应用最多的先进高强钢。但是,随着汽车结构设计的日益复杂,对材料的延伸性能要求越来越高,或者说要求材料拉延成形安全裕度越来越大,以满足一些复杂零件的成形要求和提高零件的成品率。因此高强、高延伸汽车用钢的开发也就成为钢铁企业的重要任务,DH钢也就应运而生。
  
  DH钢的基本金相构成有铁素体、马氏体和少量残余奥氏体三部分,是在DP钢高强高延伸性能的基础上,利用少量的残余奥氏体,通过相变诱导塑性的TRIP相应,引入相变强化和塑性增长机制,提高了钢板的强度和韧性,是DP钢的升级版。
  
  以DP590与DH590两个相同级别的高强钢性能进行对比,屈服强度与抗拉强度等力学性能相差不大,断裂延伸率提高了8%左右,硬化指数n值提高10%,这就为已经采用DP钢,而冲压成形安全裕度不高的零件提供了一个提高冲压成品率,降低零件工艺成本的解决方案。另一方面,具有高延伸性能的DH钢也为汽车企业的车身设计工程师提供了一个重新审视车身总成和零部件的设计方案,充分发挥材料高延伸的性能,进行零件合并,进而减少车身零件数量、冲压成形模具套数和工艺制造成本的可能方案。
  
  同时,DH钢的焊接、涂装、高速拉伸以及疲劳性能也都有良好的体现,可以满足用户的标准和要求。
  
  目前对于590MPa和780MPa两个级别的DH钢,首钢可以提供连退、GI和GA要求的产品。对于980MPa级别DH钢,也可以提供低屈服和高屈服两种的要求CR产品。
 
  
  3. DH钢目前可以取代大部分通用高强度钢,那如何合理控制合金含量,确保钢种品质?
  
  DH钢是DP钢的升级版,其合金含量是在DP钢的化学成分基础上演变而来的,除了基本金相构成的铁素体和马氏体外,少量残余奥氏体是DH钢化学成分的重要部分,起到了画龙点睛、锦上添花的作用。
  
  奥氏体含量对DH钢性能控制至关重要,为形成稳定的奥氏体,DH钢需添加一定量的Al元素,这会导致钢水粘度增加,给板坯铸造环节增加难度,因此确定合理的连铸工艺,是保证炼钢环节顺利进行的关键。其次,除了成分之外,退火工艺也显著影响奥氏体含量,分析退火工艺对奥氏体含量和带钢性能的影响,才能确定最优化的工艺参数。
  
  在DP钢化学成分的基础上,进行合金含量的微调,即不会大幅度改变DP钢已经被认知和广泛接受的高强高延伸完美组合的材料特性,也不会引起因为化学成分的变化而对其生产工艺进行大幅度的调整,进而影响钢板产品的制造成本,这也应该是DH钢的另一个显著特点吧。
  
  当然,冶炼过程对合金成分的精确控制是各个钢企的基本技能和产品性能控制水平的具体体现。因此严格控制合金含量以及轧钢过程的工艺参数是确保DH钢产品品质和性能稳定的重要保障。
  
  4. 首钢在研究DH钢系列产品时,遇到哪些棘手问题,如何解决的?
  
  研发高强、高延伸的先进高强钢产品,是首钢针对各个车企的新材料发展和应用趋势密切关注及深度合作所制定的技术研发策略。双相钢(DP)的优良品质和特性已经被广大车企所接受和认可,如何尽量不改变用户的选材习惯和零部件制造工作流程,也是首钢技术人员首要考虑的因素之一。因此,选定DP钢作为突破口,对其材料配方和工艺技术进行全方位解剖和优化是首钢研发DH钢的基本工作思路。
  
  材料成分的变化是第一步,首先要考虑的是在不增加材料成本和尽量选择普通合金元素的前提下,进行各种成分的配比、冶金热力学的特性分析以及冶炼过程中的缺陷预估。
  
  轧制工艺条件的设定也是重要一环。合金成分的改变必然会影响到带钢在高温下的表面活性以及由此带来的色差等缺陷。同时,也会影响钢板的镀层工艺中的表面质量和性能。
  
  DH钢含有一定量的残余奥氏体,提高了材料的延伸率。但是,也会在冲压过程中增加钢板的回弹量。针对于一些梁型件或者形状复杂的零件,如何控制好零件的回弹,是对比于DP钢的应用所必须多加注意的问题。因此,在零件的材料升级替代和新零件的模具设计时,进行板料的成形过程计算机仿真是必须的,以便进行必要的模具调整和回弹补偿。
  
  5. DH钢未来主要推广方向是什么,目前在与下游客户推广方面开展了哪些工作?
  
  分析汽车轻量化的发展趋势、新能源汽车技术的发展、以及汽车电子技术的发展和应用对汽车车身用材发展的影响等因素,可以看出未来冷轧先进汽车用钢的常用品种主要集中在590MPa、780MPa和980MPa几个级别。DH钢的主要应用领域是汽车工业,开发和推广将都会集中在这些品种级别。
  
  目前首钢除了集中精力完善上面讲的几个品种的使用性能,主要的工作集中在与用户一起梳理那些成形裕度不大,冲压过程中易开裂等缺陷频发的“问题”零件,充分利用DH钢高延伸的优点,进行零件冲压和模具相关的冲压工艺技术的优化和调整,典型零件的材料替代和升级可行性研究,为用户提供增加冲压成形合格率、材料和工艺模具优化、降本和提升材料利用率等为目标导向的解决方案。目前已向自主品牌和合资车企批量供货。
  
  对比来看,DH钢的优点是显而易见的,也正好符合车企工艺与材料降本的需要,用户对DH具有普遍兴趣,对进行DH钢的应用均表现出较高的热情。
  
  附图是DH钢的典型应用案例。
  
  
专家信息:
  
  高永生博士1991年获北京科技大学机械工程学院工学博士学位,1991-1993年北京科技大学材料工程学院博士后。1992年获副教授职称。2000年获加拿大注册工程师资格,2002年起任Magna发动机与变速箱集团PFC研发部经理。2008-2009年参加Magna委托加拿大多伦多大学主办的“创新与管理”专职培训,并获得硕士学位。
  
  2011年始,任宝钢研究院首席研究员;2017年始任广汽研究院汽车材料及工艺专业总师,2018年9月,任北京首钢股份有限公司首席技术专家,负责把握汽车材料技术发展趋势,制定新材料及汽车零部件材料应用中长期发展规划,建立完善的EVI体系建立和技术服务支撑体系。
 
 
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