科技新进展:增强成形性双相钢制造关键技术及应用

一、研究的背景与问题

首钢于2009年开始生产冷轧汽车板，经过不到一年的时间，成功开发了具有屈强比低、成形性好、性价比高的冷轧双相钢（DP）系列产品并投放市场。然而，与其他钢铁企业的DP钢一样，采用DP钢制备诸如B柱加强板、前纵梁等典型复杂零件时开裂率高达30-50%。为此首钢于2011年联合北京科技大学，在国家自然科学基金的支持下开展了提高DP钢断后伸长率的研发工作，在改善DP钢的成形性能方面做了大量的基础研究和探索。

与此同时，一体化成形技术逐渐成为汽车行业高效制造技术的发展方向。该技术具有制造成本低、生产效率高、绿色减碳以及零件疲劳、耐撞性能好等优点。但是一体化成形技术（零件合并）造成零件成形难度大幅增加，对材料性能及零件设计均提出了更高要求。热冲压成形技术是重要的一体化成形技术，具有成形性好、耐撞性能优等优点，已经实现了门环等复杂零件的商业化制造及应用。但热冲压成形技术存在能耗排放大、制造成本高等问题，且不适用于制备有吸能需求的零件。为了满足一体化成形对材料的更高要求，国内外先进钢企，如日本制铁、神户制钢、韩国浦项、我国宝钢等陆续开发了具有优异成形性能的TBF、TWIP、QP等冷成形先进高强钢，但此类钢种不是需要专门的产线、装备进行生产，就是生产过程控制难度大、成材率低，此外材料的性价比距离汽车企业的新要求还有差距。

2014年，德国汽车工业学会（VDA）提出希望获得一种综合成形性好且成本明显优于PHS、TWIP和TBF等产品的新材料，并命名为增强成形性双相钢（DH钢）。同年，德国奔驰牵头修订VDA冷成形汽车用钢标准，其核心内容便是引入DH钢系列产品。因为首钢在与德国奔驰的技术交流中，多次介绍首钢储备了高延伸率的DP钢产品，因此，首钢与SAE、欧洲其他车企、欧洲钢企一起成为标准修订工作组首批成员。2015年，首钢联合冶标院，与VDA组建了CMISI-VDA工作组。在标准工作组的推动下，首钢与奥钢联、安赛乐等先进钢企率先在全球范围内启动了DH钢的同步研制。

经过几年的研发，欧洲先进钢企采用不同的设计思路均成功开发了部分DH钢，但在使用过程中还存在一系列问题没有有效解决：

1、国外某先进钢企A采用中碳高硅成分设计，获得了铁素体+马氏体+贝氏体型铁素体+残余奥氏体（3%左右）组织，断后伸长率较DP钢提升20%左右；国外某先进钢企B采用高碳高硅成分设计，获得了铁素体+马氏体+残余奥氏体（3-4%）组织，断后伸长率较DP钢提高25-30%；然而他们生产的DH钢在制备一些典型大变形零件的开裂率仍高达5-10%。

2、先进钢企A采用传统产线实现了连退（CR）、热镀锌（GI）和合金化镀锌（GA）等产品的生产，但其生产的热镀锌DH钢表面存在明显的色差缺陷；

3、因高碳高硅等成分设计带来的带状组织，国外先进钢企开发的DH钢普遍扩孔率低，在带有小圆角设计的典型零件制备时折弯开裂率高达100%。

4、因缺乏与DH钢特性相匹配的高精度预测模型，国外先进钢企在使用传统模型（S-H-S模型）对DH钢一体化成形零件设计时预测精度仅有80%，造成实际零件开裂严重。

5、点焊作为最常见的焊接工艺，焊点质量对焊接性能具有重要的意义，为改善DH钢焊接质量，先进钢企A采用了焊后热处理的方式，但存在点焊后静载性能下降10%的问题；先进钢企B采用了多脉冲焊接的方式，但存在疲劳耐久性能无改善甚至降低的问题。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目的研究思路如下图所示，我们以增强成形性双相钢的使用需求为出发点，在DH钢原型钢研制阶段，通过解决材料增塑机理、扩孔性能提升机理以及焊核生长模型这些科学问题，提出了DH钢的目标组织、成分和工艺路径设计；在工业生产阶段，通过解决镀层工艺控制、组织均匀性控制、微观结构控制、电阻点焊工艺优化等工程问题，不仅实现了钢板的大批量生产，还解决了焊点静载性能和疲劳耐久性能下降的问题；在大批量应用阶段，通过提出应力应变曲线外推模型、开发成形极限曲线修正方法、解决复杂零件开裂预测方法等方法问题，达到大应变复杂变形零件冲压开裂可预测，从而形成了增强成形性双相钢制造与应用成套技术。

基于上述思路，形成了如下关键技术方案：

1、DH钢的组织设计及全局成形性能控制技术；

2、复杂“多合一”零件一体化成形制备技术；

3、DH钢局部成形能力提升技术；

4、DH钢电阻点焊焊点性能提升技术；

三、主要创新性成果

1、揭示了Si、Al元素对残余奥氏体精准调控的影响规律，开发了满足不同镀层产品的生产工艺，国内首发了590-1180MPa级别DH钢系列产品，断后伸长率较同强度级别DP钢均提高35%以上；通过方法创新，解决了复杂零件冲压开裂预测精度低、复杂零件及常规零件“多合一”一体化成形制备开裂的难题。

2、通过微观组织调控，实现了DH钢系列产品扩孔率提高50%以上，解决了带有小圆角设计的零件开裂率高的难题。

3、首创DH钢电阻点焊技术，实现了DH钢焊点静载力增加20%以上，碰撞吸能提高20%以上，焊点疲劳耐久性能提升40%以上。

四、应用情况与效果

本项目的技术成果，在首钢集团下属的北京首钢股份公司、首钢京唐钢铁联合有限责任公司和北京首钢冷轧薄板有限公司多个生产基地的工业化实践过程中不断完善成型，并得到全面应用。项目开发的增强成形性双相钢产品近三年产量累计近15万吨，目前市场占有率超过60%。其它实施效果如下：

项目开发的热镀锌DH590、DH780产品国内率先通过多家国际知名车企全球材料认证，应用于其旗下多款车型，并实现部分零件独家供货。解决了进口产品供货能力不足、冲压开裂率高的难题。

项目开发冷轧DH590、DH780、DH980、DH1180系列产品批量应用于国内多家自主品牌多款车型上，实现了10%以上的减重效果，并解决了传统双相钢成形能力不足、冲压开裂率高的难题，同时实现了复杂零件多合一而不发生冲压开裂问题，为车身安全性提升提供了有力支撑。

信息来源：首钢集团有限公司