一、研究的背景與問題
國家工信部發(fā)布的《汽車產(chǎn)品生產(chǎn)者責任延伸試點實施方案》明確加強綠色產(chǎn)品研發(fā)和技術創(chuàng)新，要求提升低油耗、低排放及新能源汽車生產(chǎn)比例。與此同時，汽車制造業(yè)對鋼鐵材料的強度、韌性以及加工性能及綠色鋼鐵屬性等的要求不斷升高，鋼企新鋼種的研發(fā)和更新?lián)Q代速度面臨著巨大挑戰(zhàn)。
汽車用鋼不僅承載著提升汽車性能、減輕車重、降低能耗的重要使命，還是推動汽車產(chǎn)業(yè)高端化、智能化、綠色化轉型的關鍵力量，對贏得國際競爭優(yōu)勢和推動產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展意義重大。鋼鐵材料需要具備高強度確保車輛安全性，良好的韌性和加工性能滿足汽車零部件的各種復雜形狀和尺寸要求，綠色低碳和低成本的屬性促進汽車行業(yè)綠色發(fā)展。低合金高強鋼具有較高的屈強比、良好的成形性和焊接性等優(yōu)點，以其綜合優(yōu)勢在汽車輕量化選材上占有率達20%以上，汽車關鍵部件制造所采用的低合金高強度鋼朝著綠色化和經(jīng)濟適用性方向發(fā)展。然而高強度級別的低合金高強鋼工業(yè)生產(chǎn)過程中，仍存在不同強度級別牌號分別采用不同成分體系設計與組織生產(chǎn)，導致連鑄銜接坯改判率高、產(chǎn)品穩(wěn)定性差及制造成本和能耗高等技術瓶頸，影響了該系列產(chǎn)品在汽車行業(yè)的產(chǎn)品認證與批量應用，解決制約低合金高強度鋼生產(chǎn)難點及滿足下游行業(yè)需求勢在必行。
二、解決問題的思路與技術方案
圖1 項目的技術方案
為了解決產(chǎn)品通卷性能波動大、鍍層附著力差、成形性不足以及厚度為0.50mm超薄規(guī)格難以生產(chǎn)、700MPa級別無法穩(wěn)定生產(chǎn)等難題。項目采用跨學科聯(lián)合研發(fā)體（研究院-高校-鋼廠-客戶），采用“成分帶寬設計+增加廢鋼比+工藝柔性控制”策略，通過“一鋼多級”高通量產(chǎn)品設計開發(fā)路徑，實現(xiàn)工業(yè)化綠色低成本制造、批量化穩(wěn)定生產(chǎn)及應用。本項目的研究內(nèi)容包括系列低合金高強鋼的質(zhì)量優(yōu)化和服役應用兩大部分，提出了“一鋼多級”高通量控制技術，力學性能穩(wěn)定性控制技術、多節(jié)點溫度工藝和帶速協(xié)調(diào)控制的鍍鋅技術和高成形合格率的應用技術。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、研發(fā)了基于綠色低碳目標的系列低合金高通量汽車用鋼
項目在低合金高強鋼領域首個提出“一鋼多級”高通量的產(chǎn)品開發(fā)理念，相比于國內(nèi)外同類產(chǎn)品不同強度均采用不同化學成分體系，本項目僅3種化學成分體系，優(yōu)化煉鋼工藝、終軋溫度、卷取溫度、退火時間和溫度、緩冷溫度和速度、時效溫度和時間等批量生產(chǎn)強度級別從260MPa到700MPa的9個級別產(chǎn)品，采用30%以上廢鋼比的降碳方式鋼包爐預熱與連鑄工藝協(xié)調(diào)兼顧，顯著降低了連鑄工序中頭、尾坯與混澆坯數(shù)量，鑄坯利用率達到國際先進水平。500~700MPa級別產(chǎn)品的Nb合金元素加入量≤0.03%，以合金元素Si、Mn的固溶強化效果彌補Nb元素的細晶強化效果，采用高溫卷取+不同退火工藝獲得不同強度等級的產(chǎn)品，噸鋼降低成本60元以上，合金成本控制均達到國際先進水平。0.5mm極薄規(guī)格產(chǎn)品采用高溫卷取降低酸軋軋制力并保證了板形，使企業(yè)可供貨厚度規(guī)格范圍拓展至0.50~3.0mm。
圖2 系列低合金高通量高強鋼的成分-工藝-性能綜合調(diào)控
圖3 700MPa級產(chǎn)品滿足成形指標要求
2、開發(fā)了系列低合金高通量汽車用鋼的力學性能穩(wěn)定性控制技術
基于LOMAS自動化煉鋼的高品質(zhì)潔凈鋼冶煉平臺，合金成分碳目標值±0.005%的窄成分控制，熱軋卷取溫度目標值±10℃、穩(wěn)定化退火溫度目標值±5℃的窄溫度波動控制，通過精軋過程中的變形抗力模型保證熱軋階段基體組織的均勻性，利用熱軋U型卷取及連續(xù)退火階段不同規(guī)格采用不同工藝等控制手段，最終實現(xiàn)了同卷鋼頭、中、尾強度波動≤15MPa的高質(zhì)量穩(wěn)定化生產(chǎn)。
表1 系列低合金高通量高強鋼的實物性能控制范圍
3、集成開發(fā)了系列低合金高通量汽車用鋼柔性鍍鋅技術
合理利用Si元素抑制滲碳體形成，通過退火爐內(nèi)露點控制鋼板內(nèi)氧化，避免基板表面形成Mn2SiO4對鍍鋅性能產(chǎn)生不利影響，形成完整的Fe2Al5和δ鍍層相結構提升鋅層附著力。
圖4 輝光測試鍍層元素分布結果
根據(jù)不同厚度規(guī)格采用不同的鋼板出爐溫度，同一內(nèi)部鋼種成分體系結合爐內(nèi)多節(jié)點溫度與帶速協(xié)同調(diào)控相變及析出過程，降低力學性能波動和殘余應力，熱鍍鋅產(chǎn)品表面質(zhì)量可達FC級，綜合質(zhì)量大幅度提升及產(chǎn)品改判率降低23%。
4、開發(fā)了高成形合格率的低合金高通量汽車用鋼應用關鍵技術
通過建立包含材料平面各向異性特征的產(chǎn)品加工硬化模型，依靠成形工藝的優(yōu)化實現(xiàn)了地板總成、車身橫梁、擋泥板等多個典型零件高成形合格率達到99.9%以上，并在10款以上高端車型上產(chǎn)業(yè)化應用。利用高溫卷取降低酸軋軋制力，在酸軋階段60%以上大壓下量酸軋，合理分配各道次壓下量，經(jīng)過連續(xù)退火和鍍鋅工藝段，使得材料縱向{111}織構和橫向{111}織構強度接近，增強法向有利織構<111>//ND取向即{111}，減少不利織構{001}，保證了鋼板沖壓零部件過程中的成形性能。
圖5 加工硬化模型和織構分析
本項目授權國家發(fā)明專利12件、實用新型4件，形成企業(yè)標準4項，發(fā)表學術論文17篇，獲2023年河北省金屬學會冶金科學技術進步獎一等獎、中信鈮鋼技術進步獎創(chuàng)新獎。2024年8月，河北省金屬學會組織科技鑒定，評價咨詢專家認為該成果是一項重大成果，總體技術達到國際先進水平。
四、應用情況與效果
項目高通量設計的低合金高強度鋼形成了獨有的從研發(fā)、生產(chǎn)到應用的全套技術，進一步提升了產(chǎn)品質(zhì)量和降低了制造成本，項目全套核心技術在專業(yè)化汽板全流程產(chǎn)線實施，包括轉爐煉鋼、連鑄、七機架熱連軋、酸軋產(chǎn)線、連續(xù)退火產(chǎn)線、熱鍍鋅產(chǎn)線，近三年使用該技術研發(fā)生產(chǎn)的汽車用系列低合金高強鋼新增銷售額37.7億元。
相比于國內(nèi)外同類產(chǎn)品技術，本項目成果實現(xiàn)連鑄銜接坯改判率降低30%以上、成品合格率提高3%以上，“一鋼多級”調(diào)控成本及能耗低，出廠價格較國外同類產(chǎn)品降低50%。相比進口國外產(chǎn)品，供貨周期具有明顯優(yōu)勢，能夠有效緩解資金壓力。產(chǎn)品廣泛應用到合資品牌、自主品牌車企的車型制造中，部分產(chǎn)品出口到歐洲，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)鏈引領。
圖6 座椅滑軌零部件（厚度由2.0mm減薄到1.5mm）
項目所涉及的鋼種通過數(shù)據(jù)庫與用戶共享，配合用戶沖壓工藝優(yōu)化與模具調(diào)試分析及點焊工藝技術支撐，應變分析給予用戶以協(xié)助支持。在汽車設計中提供選材支持，滿足用戶合理設計需求。通過產(chǎn)品質(zhì)量的提高與穩(wěn)定和用戶的前期介入與服務，市場占有率不斷提高，推動了汽車輕量化和綠色化轉型發(fā)展，為鋼鐵企業(yè)和汽車行業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
信息來源：河北河鋼材料技術研究院有限公司
