各国生产的双相钢板大体分为两类:热轧双相钢和热处理双相钢。所谓热轧双相钢是指钢锭或板坯(或连铸板坯)经高温粗轧后,在临界区温度精轧(控制终轧温度和压下量),然后急冷到钢的马氏体转变点以后或高干于马氏体转变的温度(如盘卷窗口)进行盘卷,从而得到所要求的双相钢组织和性能。热处理双相钢是将热轧板或冷轧板重新加热到临界区温度,保温一定时间,以一定的速率冷却,得到所希望的双相组织。这种工艺可在周期退火炉中(仪称批量退火炉),亦可在连续退火炉(如自动化的连续退火生产线或改造的镀锌生产线)中进行。
日本在双相钢的生产方面曾处于领先地位,这不仅与日本汽车制造厂为了减轻自重,提高燃料效率,要求供应强度高、质量轻的材料和构件有关,而且与日本拥有先进的轧制和热处理设备,特别是大型连续退火生产线有关。起初日本以生产热处理双相钢为主,其钢种多系低碳钢或低碳锰钢,在连续退火生产线上生产热处理双相钢为主,其钢种多系低碳钢锰钢,在连续退火生产线上生产。后来开始研制低合金热轧双相钢,以满足汽车工业对一些厚规格双相钢板的要求。
北美(美国和加拿大)生产的热处理双相钢含有一定的合金元素,多以周期退火炉生产,较成熟的系列为VAN-QN系列(低C-Mn-V钢)。这些国家生产的热轧双相钢有代表性的牌号为美国克里斯钼公司研制的ARDP(Mn-Si-Cr-Mo钢),这类双相钢制成的车轮和保险杠加强体等构件已在汽车上试用。
在双相钢研制和生产方面,欧洲各国次于日本和美国,但不少钢厂和汽车厂已进行了双相钢的生产,其钢种和工艺与北美类似。
我国从1979年开始双相钢的研制工作。1985年至1990年,一些钢厂已试制出了双相钢板,提供了有关汽车厂进行部分汽车零件的冲压成形性试验。近期一些钢厂关于双相钢生产和应用的具体情况在11.5节中有论述。
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双相钢的工业性试验、生产和应用概括
日本
日本在双相钢的商品生产方面领先于其他国家,20世纪90年代已有一些钢铁公司生产双相钢,如川崎制铁(株)、神户制铁(株)、日本钢管(株)、住友金属(株)和新日铁(株)。这些公司生产的双相钢的主要牌号、化学成分和性能列于表11-1。
川崎制铁(珠)已经研制和生产了一系列冷轧连续退火的热处理双相钢(定名为CHLY,即冷轧高强度、低屈服点双相钢)和热轧双相钢(定名为HHLY,即热轧高强度、低屈服点双相钢)。CHLY系列的双相钢用于较薄规格(0.8mm),制作车外门部面板、车顶内半、行李盖板、车身面板和保险杠;HHLY系列用于较厚规格(2.9mm以上),主要用于冲制保险杠加强体、车轮的轮辐和轮盘等零件。
日本钢管(株)供应的一系列的热轧双相钢板,定名为NKHA(表示日本钢管热轧合金),其抗拉强度在500~800MPa。该公司生产的冷轧双相钢定名为NKCA(表示日本钢管冷轧合金),其抗拉强度在400~1000MPa。采用特殊的淬火回火工艺生产的烘烤硬化双相钢定名为NKCA-H。在连续退火生产线上生产的热轧和冷轧双相钢分别定名为NKCA-L和NKHA-L。在这些钢中,强度级别较高的钢用于门撞击横梁、保险杠加强体,以减薄规格;强度级别较低的钢用于车身外边面板、车盖板、门外部面板等,以改善冲压成形性和压痕抗力。
新日铁(株)成批供应热轧(SAFH和EGSAFH)和冷轧(SAFC和EGSAFC)双相钢,这些钢提高了汽车零件的压痕抗力,降低了路面噪声和汽车总量,从而降低了油耗。该公司供应的双相钢有三个强度级别,强度较低的双相钢(σb=340~440MPa)用于制造车门外和内板、车身面板、车身后盖板等。强度中的双相钢(σb=490~590MPa)用于制造车身各种框架和其他结构零件。强度较高的双相钢(σb=780~980MPa)用于制造汽车中各类安全零件,如框架、抗撞击梁、弹簧支架、座位方框架、车体装配支架等。
住友金属(株)生产供应一系列热轧(SHXD)和冷轧热处理双相钢(SCXD)。该公司通过改变合金中的碳、硅、锰含量和工艺过程获得了各种强度水平的双相钢板。热处理工艺一般在连续退火生产线上进行,生产的双相钢供给一些汽车厂进行成形、车轮制造及疲劳寿命试验。
北美
1975年美国通用汽车公司开始研究和实制双相钢,经过5年左右在一些钢厂和汽车厂试验之后,制定了用双相钢制造汽车零件(如保险杠、控制臂、轮辋、轮辐等)的技术规范。早期北美试制或生产的双相钢的牌号、化学成分和力学性能见表11-2。
起初,北美生产的双相钢都含有Cr、Mn、Si、V和Mo等提高淬透性的元素。临界区热处理是连续热处理生产线(如不锈钢退火生产线,改造的镀锌、镀锡生产线)或批量退火炉中进行的。美国钢公司、麦克劳斯钢公司、詹斯拉古林钢公司等就采用这些生产方法,其典型牌号为VAN-QN50、80、100或GM980X。
美国克里马克斯钼公司研究和发展了一种不需要热处理的双相钢(即通过控制终轧温度、终轧至盘卷的冷却速度及盘卷温度获得所需的双相组织),取名为ARDP,其性能和普通热处理双相钢相当,但钢中含有较高的Mn、Si、Ce、Mo等合金元素。美国克里马克斯钼公司与美国的其他一些钢厂(如底特律钢公司、克里特莱克钢公司和福特汽车公司炼钢部)以及加拿大的底法斯科公司已生产了ARDP。
1978年,通用汽车公司开始用双相钢制造某汽车零件,如“凯特勒克”牌汽车的前保险杠,“塞奇那”转向齿轮的轴向轴节加强体,尤其是联轴节加强体采用双相钢后,不仅改善了成形性,而且不再需要热处理来提高强度。同时通用汽车公司研究得出,弯曲和拉延成形操作可使双相钢零件产生最大的强度增量,因此质量可大大减小。例如,用双相钢GM980X制造保险杠时,弯角处的屈服强度达到550MPa,质量减轻30%。用GM980X制造轮盘、轮辐时,成形工艺很方便,扩孔和焊接工艺未引起开裂。而普通低合金高强度钢制造这类零件,很难通过焊接和扩孔操作工序。
通用汽车公司和福特汽车公司用双相钢制造的轮盘,除质量减少了14%外,疲劳寿命为普通碳钢的2倍。由双相钢制造的客车轮辐,在超过整车试验载荷50%以上的负载下进行疲劳试验,寿命完全合格。
通用汽车公司和福特汽车公司用双相钢制造小汽车发动机罩壳,使板厚从原来的1.8mm减少到0.7mm,并保证了刚度要求。
由双相钢制造的小汽车车轮、底盘支架的实物照片见图11-1。
欧洲
在双相钢的工业生产方面,欧洲一些主要国家落后于日本和美国。由于受钢厂的设备条件限制,这些国家对热轧双相钢饿兴趣高于热处理双相钢。欧洲试制或生产的双相钢牌号、化学成分和力学性能见表11-3。意大利的特柯赛德、法国的尤西诺、德国的霍斯奇,英国的BSC和GKN等公司在双相钢的研究、发展和生产方面都已取得进展,并试制和生产了一些板材供许多汽车尝进行零件成形试验。
意大利的热柯赛德钢公司已试制和生产了Mn-Si-Cr-Mo热轧双相钢和Mn-V热处理双相钢,其牌号分别为HS55-25Dual和HF500Dual,并且已用热轧双相钢制成菲亚特(Fiat)131汽车车轮(板后3.5mm),用1mm厚的热处理双相钢制成AI-FA汽车的挡风板和加强体构件。其车轮实物疲劳试验由普通碳钢的循环次数65000次提高到双相钢HS55-25Dual的420000次,即疲劳寿命提高可将近7倍。热普通低合金高强度钢HS40-30VAD制造的车轮,其实物疲劳强度仅为280000次,远低于双相钢。
索可科公司生产的各种规格的热轧Si-Cr-Mo双相钢,已在欧洲个汽车厂进行成形性评价和试验。该公司在热轧Si-Cr-Mo双相钢中加入少量稀土或锆,以控制夹杂物的形状;其具体成分依据轧制工艺、零件的厚度、形状和用途而定。
法国尤西诺钢公司研究了化学成分(Mn、Si、Mo、Cr、Al和B等)以及工艺参数(终轧温度、冷却速率、盘卷温度等)对双相钢性能的影响,确定了热轧双相钢的合理成分和工艺参数,并试制了定名为Usilinght80的热轧双相钢。现已用这种热轧双相钢板制造汽车车轮和其他各种复杂形状的冲压构件。
前联邦德国霍斯奇公司试制了类似于克里马克斯钼公司的ARDP双相钢,并用于制造汽车车轮,其成形性和疲劳寿命试验都令人满意。
英国不仅对双相钢的变形和加工硬化特性、缩颈和断裂抗力、延性断裂机制以及改善延性断裂抗力的途径等基础理论进行了研究,而且对双相钢的生产工艺、合金成分和性能进行了各种试验。例如,Anelli等人进行了各种钼含量的热轧双相钢的工艺和性能试验,测定了各种合金含量的Mn-Si-Cr-Mo-B系的未变形奥氏体的转变特性,完成了实验室模拟试验,找出了适合于工业生产的不含钼的热轧双相钢的成分和工艺,降低了热轧双相钢的价格。BSC公司在宽、窄轧机上试制了热轧双相钢,并对合金元素对热轧和热处理双相钢性能的影响进行了研究,选定了两种更经济和更有效的合金成分进行工业试制。
瑞典在进行双相钢性能研究的同时,引进了日本的连续退火生产线,进行热处理双相钢的试制和生产。目前瑞典SSAB公司高强度双相钢的生产和应用在世界上颇具特色。
总之,欧洲大多数钢厂和汽车厂都积极参加了双相钢的研究、试制和性能评价。目前,双相钢在欧洲的生产和应用亦将迅速增长。尤其是米特尔-阿塞罗公司和蒂森公司生产的双相钢已在欧洲一些著名汽车厂中的名牌汽车上广泛应用。
前苏联
前苏联对双相钢的研制和生产的报道较少,仅在1980年以后才发表了一些研究结果和评论文章。1980年,苏联中央黑色冶金研究院与伏尔特加纲管厂共同研究了厚截面(14mm厚)双相钢16гфр,其合金成分为0.16%C、1.35%Mn、0.3%Si、0.065%V、0.002%~0.005%B,经760~800℃加热后,以30~50C/s的冷却速度冷却,从钢板上取样测得的性能为:σ0.2=430MPa,σb=760MPa,et=24.5%。
中国
中国从20世纪70年代后期,开始研究双相钢,除进行了双相钢的组织、性能、变形特性、断裂特性、强化机制等应用的基础研究外,一些钢厂如鞍钢、武钢等已试制了一些热轧和热处理双相钢板,供有关汽车厂进行成形性能试验和冲压构件的使用。