日本汽车用冷轧高强度钢板的开发
（一）汽车用冷轧高强度钢板在快速发展
随着人们环保意识的加强，兼具轻型化和安全性要求的高强度钢板的应用亦在快速发展，目前在车体上的应用比已达30%。冷轧高强度钢板的品种亦快速增加，由于连续退火（CAL）技术的普及，如IP高强度钢板、复合（双相）组织钢板、残留奥氏体钢板等一批延伸性比过去优良的高强度钢板和拉抗强度高达1400MPa的超级高强度钢板均已开发成功。
关于冷轧高强度钢板的适用部件、应用现状和开发方向详见表1。
表1
冷轧高强度钢板的现用情况及开发方向
适用部件 | 要求性能 | 现用材料 | 强度水平（MPa） | 开发方向及材料课题 |
外板类（门、挡泥板和侧板） | 表面品质张力刚性抗凹痕性耐腐蚀性 | 烘烤硬化型钢板IF高强度钢板 | -340 | 镀层表面品质（Si、P） 成形性（延伸、r值、η值） 表面变形、形状稳定性（YS） |
结构材料（构件、支柱） | 耐冲击强度耐疲劳强度刚性 | 固溶强化型钢板析出强化型钢板复合组织钢板 | 440-590 | 成形性（延伸、η值、弯曲性） 镀层适合性（Si） 点焊性（C、P、S） |
补强部件（门支柱梁、缓冲加固支柱） | 耐冲击强度耐疲劳强度 | 复合组织钢板马氏体钢板 | 780-1470 | 成形性（延伸性、扩孔性、弯曲性） 点焊性（C、P、S） |
由此可知，对汽车门、挡泥板和侧板等处板类使用强度340MPa以下，r值1.5-2较高的深冲性优良的烘烤硬化型钢板和IF高强度钢板，为抑制r值降低并提高强度，有效地增加了Mn、Si、P等固溶元素的加入量。但是外板类从耐腐蚀的观点出发多采用镀锌板，而上述元素因对镀层表面质量不利而使加人量受到一定制约。还有在强度提高的同时屈服强度（YS）亦相应上升，致产生表面变形易出现的问题。在构件、支柱等结构部件用的强度为440-590MPa级的钢板，由于靠提高含碳量以保强度，故r值处于1.0左右的低水平，如何靠延伸性以保成形性成为关键，另含碳量增加的同时还将使点焊性劣化，故在化学成分设计时应充分注意。还有从耐腐蚀性的观点看对使用热镀锌板的部位，对镀层表面质量的要求虽不必像外板类那样严格，但应考虑底层的紧密性和防止镀不上等问题。汽车门支柱梁和缓冲器加固支柱等补强部件用强度为780-1470MPa级的超级高强度钢，成形主采取弯曲加工，由于超高强度化带来的切断处和穿孔处对裂纹的敏感性较高，故应根据部件形状提高扩孔性，设计时应考虑采用延伸性和扩孔性具佳且两者平衡的钢板。本文将分类介绍最近的开发事例和相关技术。
（二）440MPa外板用微细晶粒高强度钢
（1）利用晶粒的微细化。过去的IF钢中加入Si、Mn、P等元素使强度提高到440MPa的钢板虽开发成功，但如上述的由于镀层表面质量和深冲性能兼备较难，加上YS上升带来的表面变形问题，致未能用于外板类。对此，最近通过利用固溶强化的同时加上析出物弥散强化和晶粒微细化强化解决了上述问题，终于开发成功新型的微细粒型高强度钢，它的含碳量为过去的3倍，同时加入适当的Nb，使之形成微细的铌碳氮化物，对固溶强化的一部分以碳氮化物的弥散强化和铁素体粒微细化强化代替。由此，固溶强化所必要的Si、Mn、P的加入量得到削减，在确保镀层表面质量的同时，强度亦达到440MPa级。它和过去的IF高强度钢的力学性能对比如表2。
表2
440MPa级微细粒高强度镀层用钢的力学性能
品种钢号 | YS/MPa | TS/MPa | El/% | r值 |
新产品（SFG440GA） | 285 | 442 | 35.0 | 1.70 |
老产品（JAC440P） | 300 | 445 | 35.0 | 1.50 |
由上可看出在深冲性r值改善的同时，由于细粒组织使YS值下降，从而有利于供外板用。
（2）提高深冲性能。r值和再结晶集合组织关系密切，当板面与平行的{111}面的集聚度愈高则r值亦高。通过CAL和CGL（连续热镀锌生产线）的连续退火时，当提高退火温度使结晶粒更快成长时，{111}的集聚度更高便可得到高r值。为此，对于抑制晶粒成长的微细粒高强度钢曾担心其特性劣化，但实际上虽退火后粒径很小，而仍得到了高r值，这主由热轧板的晶粒微细化，在退火时以上述{111}面的粒界优先性核的生成频率加大所致。由于细粒才实现了高r值，对防止晶粒粗大造成的表面粗糙亦十分有利。
（3）通过PFZ降低YS。从过去即知，随着晶粒的微细化YS将按Hall-Petch法则而上升。这次相反的微细晶粒高强度钢却得到了低YS，乃由于微细碳氮化物的分布形态所致。经用复制试样法用电子显微镜对Nb碳氮化物的分布形态观察的结果，发现沿晶界有lμm宽的无碳化物区（PFZ）存在，在PFZ区由于碳氮化物的密度低，致此结晶粒内的YS低，当变形时此区首先发生微观的屈服，故使YS降低，进一步变形时则由碳氮化物分散存在的粒内变形，故得到和老产品同等的抗拉强度。这种微细粒型高强度钢板已在一部分侧板和结构部件上应用，今后将对轻型化作出贡献。
（三）结构部件用热镀锌复合组织高强度钢
（1）考虑点焊性的化学成分设计。如前所知，随着高强度化焊接性的问题亦明显化，随着590MPa级高强度钢的实用化，这一问题更受到人们重视。经对各种强度水平的高强度钢进行了点焊接头的剪断拉伸和十字拉伸试验（按JIS规定）评价结果，剪断拉伸强度随高强度钢的强度上升而增大，而十字拉伸强度则和高强度钢的强度变化无关，且因多在焊区内破断致偏低，为此有采取对策的必要。经多次研究后知它和碳、硫、磷的含量有关，即C+2/3P+0.153%时则在焊区内破断，若小于上值则多在母材上破断，为此对上述成分应严格控制。又发现高强度钢的主要强化元素Si、Mn、Nb则不受影响，这主由于板厚很薄的冷轧钢板，其焊接部的冷却速度很大，不管Si、Mn等淬火性元素的有无，基本上完全进入了淬火状态所致。为此，在化学成分的设计思想上应抑制不纯成分的硫、磷外，并在尽可能控制碳的低含量下以提高强度，这对下述的复合组织钢板的实用化亦有关系。
（2）热镀锌用复合组织高强度钢。强度为590-780MPa级并利用TRIP效果具有卓越延伸性的残留奥氏体钢板已开发成功，但从镀层性的观点看，由于对组织稳定化和提高延伸性有效的Si受到制约，加上在CGL的热循环中等温淬火难以完全进行，致作为热镀锌用板尚未实用化，只能用于不要求耐蚀性的部件。对此，由铁素体和马氏体形成的复合组织钢板，尽管延伸性比残留奥氏体钢板差，但YS低且形状稳定性好，近年开发成功的590MPa级热镀锌用钢板已在多种部件上应用。由铁素体和奥氏体组成的双相钢在退火后急冷时，奥氏体即变态为马氏体形成复合组织，而在热镀锌过程中经在镀液中合金化热处理后只冷却速度略慢，其温度曲线和上述连续退火相仿，加上Mn、Cr、Mo等奥氏体稳定化元素的作用，更有利于形成稳定的复合组织。现已开发成功强度达780MPa级的热镀锌用复合组织钢板，并接近实用化。
（四）980MPa极板框用超高强度钢
超高强度钢过去主用于车门支柱梁和缓冲器加固支柱等补强材料，最近开发研究用于车的内装部件，并已在超轻型板框上试用。板框用部件由压力机成形制造，要求延伸性和扩孔性保持平衡，有些部件还需采取特殊的机械方式结合，现适应上述要求的超高强度钢已开发成功。
（1）延伸性和扩孔性平衡技术。从压力机成形的观点要求延伸性和扩孔性保持适当的平衡，一般对具有铁素体+马氏体复合组织的低屈服比型高强度钢改善其扩孔性后应用。评价扩孔性采用扩孔试验法，即对钢板冲孔后，以尖角60°的冲头加力进行扩孔，直到裂纹贯通板厚为止。由于复合组织钢板的扩孔成形部受软质铁素体和硬质马氏体变形能之差的影响而使相界面开裂，故通过降低铁素体和马氏体的硬度比可明显提高扩孔率，具体见表3。
表3
铁素体和马氏体硬度比对扩孔度的影响
硬度比 | 1.3 | 1.4 | 1.5 | 1.7 | 1.9 | 2.1 |
扩孔度λ/% | 70 | 58 | 42 | 32 | 25 | 20 |
板框用高强度钢即根据这一原理，将马氏体积比较过去扩大而将其中的含碳量下降，从而降低了铁素体的硬度差，使扩孔率由原来的30%提高到50%左右。
（2）适合机械结合的超高扩孔性钢板。超轻板框的一部分部件采取用成形模具将复数钢压合（TOX法）的机械结合法，它比焊接法简单而成本低，但在高强度钢的压合部易产生裂纹，故过去多用于软钢和铝材。经试验用上述改善扩孔性的双相钢用TOX法加工时，发现在铁素体和马氏体界面的疏松处易产生裂纹产生的几率亦会降低，但改善毕竟有一定限度，为确保质量于是开发成功马氏体单相组的高强度钢。由于马氏体单相化，扩孔率猛升至100%左右，用TOX法压合时完全消除了裂纹。具体对比如表4。
表4
板框用超高强度钢的扩孔性变化
用途 | 深冲用YR型钢 | 板框用扩孔、延伸平衡钢 | TOX用超扩孔性钢 |
扩孔率λ/% | 30 | 50 | 100 |
延伸率El/% | 18 | 15 | 8 |
（五）小结
由世界上33家钢铁企业组织的超轻型汽车试验认为：基本全部采用高强度钢后在确保安全性的同时，车重可减轻19%-32%，现冷轧高强度钢的开发和推广工作仍在继续进行中。
