含铌钢在汽车制造业中的应用Dr. E.J. Drewes E.F. Walker(德国蒂森·克虏伯钢铁公司) (英国克鲁斯集团)摘要：本篇论文回顾了含铌钢在汽车制造业和运输业上的应用，面对未来将大量需要高强度钢的情况，提出了未来钢铁工业能否继续使用铌的问题。
探讨了含铌超低碳无间隙（ULC IF）钢及铌微合金钢和含铌超高强度钢的应用。
论述了钢铁汽车业联盟所面临的挑战。
介绍了高级钢产品，尤其是性能优良的高强度钢产品，如新型多相钢，此类产品会越来越重要。
讨论了微合金元素，如铌在这些钢种中的作用，并从中得出，在未来的钢产品开发过程中，微合金元素将扮演重要的角色。
1引言十多年来，世界钢铁工业一直开展与汽车设计专家和材料专家的合作，共同面对由汽车市场需求变化产生的挑战。
由于产品防腐性能对汽车制造业所采用的传统工艺过程会产生巨大影响，所以竞争的压力使产品质量保证不仅注重防腐对带钢生产所具有的重大影响，而且更加注重防腐对表面处理及其它相关结构的影响。
对高质量、连续镀覆及深冲钢产品的需求开始于20世纪90年代初期。
最初的竞争压力主要来自于铝制品业生产的产品质量轻。
由此导致了钢铁企业联合开发轻型车体结构钢的计划。
最早开发的目标是超轻型钢制车身（ULSAB）用钢。
钢铁企业管理者和材料专家相信，在使用高强度钢的同时，改变设计方案，并采用现代制造工艺，可以达到汽车制造商所提出的轻便和性能要求。
在不断地提高产品质量和使用性能而同时仍然控制成本的今天，人们关注的重点是乘员安全、驾驶性能、尾气排放控制及相关的环保问题。
这些新的挑战已经成为合作的内容—超轻型钢制车体钢/高级车理念（ULSAB-A VC）。
本次国际会议前面的报告已经深入地论述了含铌钢的加工工艺。
本文主要是介绍这些产品的应用，并预测在未来将毫无疑问地大量需要更高强度钢的情况下，钢铁工业继续使用铌合金钢所面临的挑战。
下面论述含铌超低碳无间隙（ULC IF）钢的用途，以及在微合金钢和高强度钢中加入铌的作用，同时论述钢铁/汽车业联合未来所面临的挑战。
2超低碳钢（ULC）的开发和应用汽车车体使用的超低碳钢（ULC）的开发和应用的快速发展是适应市场需求变化的一个最好例子。
由于铝镇静钢和罩式炉退火钢的性能不稳定，所以如何使其达到用户所要求的镀锌钢或镀锌合金钢的质量，如防腐性、表面光洁和成形性将是钢铁业面临的挑战。
电镀锌带钢主要用于表面要求高的领域，但存在加工成本高的问题，在加工或使用过程中，人们关心的是使用Zn镀层还是使用Zn/Ni镀层。
根据市场需求，经热浸镀锌钢生产线生产出的钢需具有优良成形性，好的表面光洁度、无焊接问题，同时具有抗腐蚀性。
为此，汽车用钢的主要带钢供应商不得不投入大量的资金，改造炼钢、轧钢及镀锌厂，从而实现规模供应高成形性的超低碳钢。
对现有产品的在合理成本范围内的规模化生产所采用的炼钢和带钢加工方法的深入了解基础上，才可能实现超低碳钢的成功开发与广泛应用，并用于汽车制造。
关于冶金基础知识，大家都已知道，本文主要是较详细地阐述钛、铌对稳定超低碳钢中氮和碳的作用。
尤为重要的是，当生产合金化镀锌、烘烤硬化或高强度超低碳钢时，优先使用双稳定方案。
大部分超低碳IF钢的生产厂家提供的产品都具有较高的成形性和强度，采用Ti和Ti/Nb 稳定，此外，添加Mn、P、Si、B等固溶强化元素，使带材的屈服强度σ0.2达到或超过300MPa （1）。
有关强化元素对产品力学性能的影响已由Engl和Gerber（2）论述过，表1做了总结。
目前生产烘烤硬化型Ti/Nb超低碳钢的厂家越来越多，其产品的屈服强度达到260MPa。
Carless（3）研究了连续镀锌层扩散处理过程中Ti和Ti/Nb ULC带钢的冷轧织构对FeZn 相的发展的影响，得出Ti/Nb IF钢的具有明显的优势。
发现织构对FeZn相的发展没有或几乎没有影响，同时证实在镀锌层扩散处理过程中，基板的化学特性控制了锌槽中的初期反应，而且对合金化镀锌生产过程中FeZe相的最终情况有很大的影响。
通过使用Rhesca热浸入式模拟器，他们发现对Ti钢，锌槽中初相的生长受δ相的生成而产生的“爆裂”的控制。
相反，Ti/Nb稳定带钢几乎对“爆裂”行为不敏感，生成一层薄的连续晶层（ζ和δ）。
如图1所示，这也与钛稳定带钢中稍微较快的合金化反应相联系，这反而促进产生厚（Γ）相层。
表1 主要元素对IF钢固溶强化的影响回归计算结果(Engl和Gerber（2）)元素单位屈服强度（MPa）抗拉强度（MPa）均匀延伸%总延伸%C 0.001wt% 2.3 1.9 -0.25 -0.26 Si 0.1wt% 9.7 13.3 -0.52 -0.85 Mn 0.1wt% 2.7 3.4 -0.28 -0.34 P 0.01wt% 3.5 7.1 -0.38 -1.2 B 0.001wt% 8.0 4.2 -4.42 -图1均热时间对Ti和Ti/Nb ULC IF钢中合金化反应动力学的影响合金化镀锌处理后，两种钢的表面粗糙度均增加，而且Ti/Nb钢要比单Ti稳定钢粗糙得多。
作者认为这与Ti/Nb钢中“坑”（Crater）浓度的增大有关，而这又是晶体学差异和大量的有利取向{111}产生的结果，此外，由搭接剪切实验测得的涂层对基板的附着力可以看出，Ti/Nb产品具有较高的界面剪切强度，如图2所示。
图2 均热时间对界面剪切强度的影响Ti/Nb带钢在实验后，表面附着大量的FeZn相。
我们认为这是由于界面脆性（L）相的减少所造成或与以前提到的织构有关。
总之，最终的结果是Ti/Nb钢的涂层的粉化敏感性有显著的降低，如图3所示。
无需质疑，钢铁工业能生产出高成形性的ULC钢来满足汽车面板对质量的严格需求，在这种情况下，屈服强度和拉伸强度相对而言并不重要，尽管尽量少用材料的想法促使人们开发薄规格、高强度的钢，但需要人们解决的问题是在减少材料规格厚度的同时，还需材料具有耐油浸蚀和抗冲击，要在两者间寻找一个平衡点。
目前的焦点是开发烘烤硬化ULC钢。
图3 Ti和Ti/Nb ULC 带钢抗粉化能力三年来，钢铁业的重点已经转向未来产品的开发，满足2004开始的汽车十年设计规划的需要。
这就需要解决一系列的问题，以便未来能够保护我们今天所享有的个人自由。
总之，A VC计划制定的未来汽车用钢的基本理念是：（1） 达到或超过未来的安全要求；（2） 保持目前的费用水平；（3） 燃料效率高且CO2排放量达标；（4） 钢铁产品保持环境友好材料的形象。
A VC计划的最终方案将在2002公布，据已透露的信息看，该计划的重点是革新设计和结构效果（4-9）。
该篇论文涉及的两个重要内容是使用计算机辅助设计和性能模拟，同时建议增加正在开发的高强度钢的用量。
下面介绍有关这方面内容，并对以前的一些观点做进一步完善。
我们认为高应变比能提高钢的强度。
使用计算机对最初的ULSAB的原始的车身结构的模拟完成动力参数分析，体现了真正的优势。
经计算机分析得出的合适的动力参数可以使钢的耐冲击力比常规钢要高（10）。
发挥钢的加工硬化特性的优势的设计将使钢铁业与汽车制造业未来的合作前景广阔。
A VC计划的最终目标是成为钢铁与汽车业合作的典范。
目前，最关心的一个或二个主要方面是选择未来汽车冲撞灵敏元件用钢。
Marsh（11）在其文章中清楚地叙述了使用ULC IF钢的潜力。
同时阐述了由于这些产品具有低强度和高硬化能力，所以在汽车冲撞时，汽车结构破坏后，能在某一固定位置弯曲，这种方式可吸收大量的冲击能量。
当理论静态强度提高时，应变引起硬化率的范围并不太大。
显然，研究和开发车体结构钢不但不能回答所有的问题，而且还需考虑一些新的问题！在ULSAB A VC计划（9）中开发的双相高强度钢拥有显著的强度特性，即使Ti/Nb ULC钢也很难与其相比。
3微合金高强度含Nb钢的开发和应用3.1 热轧微合金钢图4为近年热轧和冷轧钢的开发情况（12）。
早在20年前，就已经开发了微合金钢（13）。
在热轧过程中，通过控制温度并在钢中加入微合金元素Nb、V、Ti的方法，可以获得性能优于目前结构钢强度的高强度钢。
首先采用晶粒细化和沉淀强化的机理来提高这些钢材的强度。
通常碳含量要低于0.12%，以便对焊接有重要影响的碳当量能保持低水平，使屈服强度超过355MPa。
与热机械轧制相配合，可以获得最小屈服强度达700MPa的钢。
正常情况下，上述提到的微合金元素也有助于提高钢的质量。
目前钢的最小屈服强度可达到420MPa。
图4 钢的发展过程PM—部分马氏体；CP—多相；MS—马氏体；RA—残余奥氏体；TRIP—相变诱导塑性；IF—无间隙这类产品可通过控温轧制来实现，而不需要热处理。
通过避免热处理工艺使产品表面质量变得更好。
正火退火或热加工并不能改变这些钢的机械性能，由于热处理过程使产品强度大幅度降低，所以在热机械轧制过程中不可能采用热处理工艺。
不久以后，微合金钢也采用了冷轧工艺。
由于再结晶退火过程使钢的硬化能力大幅度降低，所以达到420和460MPa的屈服强度的能力比热轧钢低。
随后的几年中，提高钢的强度的同时改善钢的成形性，成为钢的开发目标，这使近期开发的多相钢扮演了一个重要角色，这在后面详细论述。
Nb对这些钢也有很大的作用。
随着微合金钢成为汽车工业的一种重要材料，在汽车工业中得到了大量的应用，在应用过程中也证实了它们的优良性能（图5）。
图5 热轧微合金钢应用实例虽然这种理念在25年前就提出了，但直到目前人们仍在不断地开发这些钢种并研究其化学成分。
最初，为了放宽加工条件，人们注重减少机械性能的分散程度。
例如，通过改变合金设计，将QStE500TM钢中的Nb/Ti合金元素变为Nb/V，可使该钢的机械性能分散程度减少一半。
这是由于与Ti元素相比，V对轧制温度变化几乎没有敏感性（14-15）（图6）。
图6 降低StE500TM钢中Y.S.分布Nb能延迟再结晶，因此，可采用热机械轧制工艺，使该工艺处理的钢生成细晶组织。
而且，在奥氏体化过程中，Nb也能延迟晶粒长大。
对于热处理钢而言，也可以使用这种方法来改善钢的机械性能。
3.2 调质细晶粒钢由于细晶粒钢具有良好的成形性能，使得它在现代通用汽车和汽车起重机结构中被广泛地应用。
在不同领域使用的汽车，如卡车、槽车、汽车起重机及槽式翻斗车，它的材料处理技术和运输装置必需满足它们特殊的业务需要。
细晶粒钢常被用在汽车的一些关键部位，如卡车的侧面和横梁，齿轮轴箱，框架，支撑，结构管，油箱，并可作为汽车起重机的元件，如底架，伸缩式悬臂。
通过挖掘高强度并具有良好加工性能钢的潜力，使其具有高负载能力并具有适宜的负载与自身重量比。
为了满足最高强度和韧性的要求，如生产宽厚板时，需要采用调质细晶粒钢。
