1.2.2 高强度马氏体钢

随着汽车工业的发展，普通高强钢已不能完全满足汽车生产的需要，近年来高强度马氏体钢的开发和应用成为钢铁业和汽车工业关注的焦点。马氏体钢的显微组织几乎全部为马氏体组织，主要是通过高温奥氏体组织快速淬火转变为板条马氏体组织，可通过热轧、冷轧来实现，马氏体钢具有较高的抗拉强度，需进行回火处理以改善其塑性，使其在如此高的强度下，仍具有足够的成形性能，是商业化高强度钢板中强度级别最高的钢种。目前，基于全新冷冲压成形（非辊压成形）技术，可采用1500MPa马氏体钢设计制造非等截面几何形状零件，甚至可以取代一些热成形钢（PHS）和高强度双相钢（DP）应用。汽车轻量化极大地刺激了高强度马氏体钢的市场需求，继1500MPa之后，1700～1900MPa的超高强度马氏体钢也在研发之中。高强度马氏体钢的竞争力在于采用冷成形工艺，与冷成形钢相比，热成形钢要获得较高的强度，其制造工艺更复杂且更昂贵。

1.2.2.1 高强度马氏体钢简介

马氏体钢的抗拉强度为800～1700MPa，按照强度级别分为980MPa级、1180MPa级、1300MPa级、1500MPa级和1700MPa级。其中，1300MPa级和1500MPa已经获得较多应用。马氏体钢的生产是通过高温的奥氏体组织迅速淬火转变为板条状马氏体组织，可以通过热轧、冷轧连续退火或成形后退火实现。目前，马氏体钢以冷轧态为主，是商业化高强度钢板中强度级别最高的钢种。

马氏体钢中含有较高的C、Mn、Si、Ti、Cr、B、V、Nb等化学元素，可通过热轧、冷轧连续退火或成形后退火获得马氏体组织。钢经高温奥氏体化后采取快速冷却的形式，抑制过冷奥氏体发生珠光体和贝氏体等扩散性转变，在Ms点以下发生马氏体转变，这一热处理工艺为“淬火”，淬火是使得钢获得强韧化的重要手段。淬火钢的基本组织主要是马氏体，而获得马氏体组织是使得钢具有良好的强韧性的先决条件。图1-30所示为板条状马氏体钢的SEM形貌图。

综合考虑钢材的成本和工艺性能等因素，如何从源头上解决单相马氏体钢的强度及韧性关系，提高马氏体组织本身的韧性，是马氏体钢向高强度、高韧性钢发展的方向。

1.2.2.2 材料制备工艺及关键技术

1.钢的强化原理

低碳马氏体钢常见的强化方法主要有固溶强化、位错强化、第二相粒子析出强化及细晶强化等，各种强化机制的实质是溶质原子、第二相粒子、晶界与位错发生交互作用，阻碍位错运动，产生加工硬化，从而提高马氏体钢的强度。固溶强化分为间隙固溶强化与置换固溶强化，两种方式均是通过固溶原子与基体金属产生晶格畸变，制造点缺陷，产生的弹性应力场与位错周围的弹性应力场相互作用，形成气团，增加位错运动阻力来提高材料的强度。第二相粒子析出强化也是钢中较为常用的一种强化方式。基体中析出相会造成应力场，应力场与运动位错的交互作用强化了基体，产生了析出强化（沉淀强化）。晶界强化是强化方式中唯一既可以提高强度同时又改善韧性的方法，在阻隔位错滑移和裂纹拓展方面均有明显成效，因此对于马氏体钢的强化有着重要的作用。

2.钢的韧化原理

韧性是指材料在变形乃至断裂过程中吸收塑性变形功和断裂功的能力，以及材料抵抗微裂纹产生和扩展的能力。通常，马氏体钢中韧性与强度的提高通常是矛盾的，强度的提高意味着一定程度上会损失部分韧性。钢的洁净度对性能有着重要的影响。夹杂物类型、数量、尺寸、形状和分布，对钢的韧性都有损害。

通过真空自耗、电渣重熔等方法提高钢洁净度可以有效提高其冲击吸收功。另外，钢中各种强化方式对韧性也有着不同的作用：间隙固溶显著损害韧性；置换固溶对韧性影响不明显；位错增殖，可动位错数量减少，材料韧性也会下降；第二相粒子的数量、尺寸、形状对韧性也有较大影响，增大其体积分数、尺寸，具有尖锐棱角，沿晶界分布等均会损害韧性；细晶是各种强化方式中可以同时提高强度及韧性的强化方式，晶粒细化增加了可以阻碍裂纹扩展的晶界的面积，增大了裂纹扩展阻力，因此在钢的强韧化中具有重要的作用。

马氏体时效钢为超低碳马氏体钢在500～600℃时效4～6h，组织为板条马氏体+时效析出相，基体强度为300～550MPa，主要强化方式为时效强化；二次硬化钢为淬火回火马氏体组织+部分弥散MC+少量M₂₃C₆，基体强度为700～800MPa，中碳低合金马氏体钢主要为淬火低中温回火马氏体组织+碳化物，基体强度为1200～1300MPa。由时效强化代替固溶或位错强化的马氏体时效钢具有最佳的冲击功，而主要由固溶或位错提供强化的中碳低合金马氏体钢韧性最差，这说明强化方式的改变或许可以成为提高马氏体钢强韧性的重要手段；另外，通过晶粒细化对韧性的作用，在改变强化方式的基础上进一步细化马氏体组织，也是马氏体强韧化的一个有效途径。

3.控制轧制技术

热机械控制工艺（Thermo Mechanical Control Process，TMCP）即控制轧制技术，是指在有目的地控制工艺参数的条件下，在奥氏体相区或在奥氏体与铁素体两相区进行轧制，然后控制冷却速度以得到理想组织的轧制工艺，即对从轧前的加热到最终轧制道次结束为止的整个轧制过程实行最佳控制，以使钢材获得预期良好性能的轧制方法。通过充分细化晶粒和获得均匀分布的第二相粒子来控制轧制以提高钢的综合性能。

对于马氏体钢来讲，通常采用的控制冷却方式为直接淬火或间断式直接淬火，其目的是在轧制结束后加速冷却，使奥氏体快速进入马氏体转变区域而获得马氏体组织，以得到高强度，但是通常需要回火来消除淬火内应力，以保证一定的韧性。在间断式直接淬火工艺中，热轧后的钢板以一定的冷却速率（大于发生马氏体相变的临界冷却速率）快速冷却到某一温度，然后空冷，此终冷温度必须低于马氏体转变起始温度。在随后的空冷过程中，已生成的马氏体发生自回火，而未转变的奥氏体则在随后的冷却过程中逐步转变成马氏体。

4.微合金化技术

微合金化技术是在普通C-Mn钢中添加微量强碳氮化物元素（如Nb、V、Ti、Cr）来进行微合金化，利用微合金元素析出的碳氮化物第二相纳米颗粒对晶粒进行钉扎，从而细化晶粒，并产生细晶强化和析出强化效果。控制轧制技术的应用通常与微合金化技术紧密联系，二者相辅相成，通过合理的工艺调控，可以更进一步地优化钢的组织性能。

5.1500MPa级马氏体钢

1500MPa级马氏体超高强钢屈强比高、抗拉强度高、伸长率相对较低，具有高碰撞吸收能、高强度塑性积和高n值（加工硬化指数）的特点，主要用于简单零件的冷冲压和截面相对单一的辊压成形零件，如保险杠、门槛加强板和侧门内的防撞杆等。在化学成分设计上，主要考虑使用低成本的C-Si-Mn成分体系，降低合金成本，发挥连退产线高氢快冷的特点，以利于快冷过程中马氏体的形成，提高吨钢利润。

热轧主要考虑到热轧组织遗传的影响，热轧组织过分粗化，将导致连退过程中得到粗大的组织，导致成品强度偏低；热轧组织过分细化将导致连退过程中组织细化，导致成品强度偏高，应设计适当的卷取温度得到平衡态组织，获得铁素体+珠光体组织，降低热轧卷板强度，从而有利于冷轧轧制。

冷轧后需要进行退火，必须将钢加热到临界点A_c1以上获得奥氏体组织，其后的冷却速率必须大于临界冷却速率才能得到马氏体组织。一般冷却速率越快，就越容易获得马氏体组织。为保证材料获得超高强度，组织应尽可能多地转变成马氏体，这可以通过提高冷却速率来实现。通常快速冷却至温度低于马氏体相变温度，通过低温时效对淬硬的马氏体岛组织进行低温回火以改善其内部畸变，最终获得性能良好的马氏体钢。为准确得出连续退火过程的均热温度、均热时间工艺窗口，在Gleeble上针对不同均热温度和不同保温时间，研究时间对超高强马氏体钢性能的影响。

超高强钢汽车板产品的技术特点是：成分控制，热轧力学性能均匀，高强度，可以冲压延伸不高的简单零件以及辊压成形。CR1200/1500MS的化学成分见表1-12。在低C-Si-Mn体系基础上，通过控制合金元素含量，添加一定量的Cr、Ti元素，可以提高超高强钢淬透性，利用控轧控冷手段，最终使得马氏体钢的强度和韧性得到较好的匹配。CR1200/1500MS的力学性能要求见表1-13。

汽车板交付表面要求质量等级为FB，表面允许有少量不影响成形性及涂镀附着的缺陷，如轻微划伤、压痕、麻点、辊印及氧化色等。表面结构为麻面时，粗糙度目标值为0.6μm<Ra≤1.9μm。表面结构为光亮表面时，粗糙度目标值为Ra≤0.9μm。

产品工艺路线：转炉→RH→连铸机→加热→除鳞→粗轧→飞剪切头尾→精轧除鳞→精轧→层流冷却→卷取→开卷、焊接→酸洗→冷轧→卷取→开卷、焊接→碱液清洗→烘干→退火→平整（光整）→表面检查→卷取→包装入库。

1）转炉冶炼。采用顶底复吹冶炼、脱碳升温。通过采用合理造渣工艺技术、低氮吹炼技术、温度控制技术、终点控制技术、出钢挡渣及顶渣改质技术等，能使转炉冶炼终点钢水碳含量稳定在0.03%～0.05%，磷含量降至0.012%或更低，钢中氧控制在0.065%以内；出钢前期加铝脱氧并初始合金化，出钢伴随钢包底吹氩气搅拌，进行预造渣和均匀成分，为钢包精炼炉（LF）精炼处理提供良好条件。

2）LF精炼。LF精炼的目的是造还原渣，实现渣、钢完全脱氧，白渣精炼脱硫至0.005%内，降低钢中硫对钢质的恶化倾向。因高强钢合金元素含量高，依靠LF钢包底吹搅拌功能对合金成分进行调整，实现合金成分均匀化。发挥LF电极升温功能，实现钢水温度提升，促进合金熔化和溶解，同时为后续RH无氧化真空处理创造良好的温度条件。

3）RH真空处理。RH真空循环进入真空室内的钢水，利用合金计算模型，在合金化过程中实现碳、锰、铬、硅等合金元素的窄成分精确调整，其中碳含量控制在±0.01%的偏差，锰、硅、铬元素控制在±0.05%偏差内。同时，在真空作用下实现钢水中的氢等气体元素净化处理，实现钢中ω_H（H的质量分数）≤0.00015%；控制RH真空纯脱气时间实现钢液搅拌，促进了夹杂物的碰撞、聚合、上浮，充分净化钢液。

4）连铸。板坯连铸过程中，采用保护浇注控制技术，预防中间包钢液二次氧化。根据超高强钢连铸结晶器冷却过程容易发生包晶反应等相变特点，经过技术分析制定了高碱度包晶钢专用保护渣，实施合理的结晶器冷却制度、拉速控制制度、低过热度控制制度等，同时采用动态轻压下技术和铸坯缓冷制度，保障铸坯质量。

5）热轧工艺控制。为了保证在冷轧前获得理想的析出物形态，制定相应热轧工艺。较高的终轧温度有利于保证热轧在奥氏体区进行，避免在非再结晶区轧制，以获得良好的热轧组织，有利于提高后续冷轧产品的质量。高中温卷取有利于得到铁素体、珠光体组织，降低热轧卷板强度，从而有利于冷轧轧制。冷却制度为采用后段1/2冷却控制。后段1/2冷却有利于获得较低的冷速，促进铁素体生成，有利于后续冷轧工序生产。热轧态组织均为铁素体、珠光体和马氏体，且马氏体含量较高，如图1-31所示。

6）冷轧与连续退火工艺控制。为了保证成品质量，需清除带钢表面氧化铁皮。满足表面质量的同时为了使带钢表面获取一定粗糙度与良好的清洁度，须保证轧辊粗糙度转印率与润滑效果，故采用以下酸轧工艺。

严格按照工艺技术规程，控制各项酸洗工艺参数，严格控制切边精度，保证轧机出口产品宽度正公差控制；F5工作辊上线时表面粗糙度为3.0～3.5μm，表面不得有影响使用的缺陷；冷轧压下率根据厚度规格不同，控制范围为40%～65%；第一～四机架乳化液浓度保持在1.5%～3.0%；第五机架乳化液浓度保持在0.3%～1.0%，皂化值≥160mg KOH/g；冷轧成品板面必须保持清洁，不得有黄斑，避免大量轧制乳化液和灰尘的残留。

对于双相钢，首先将冷轧硬板连续加热到铁素体奥氏体两相区的某个温度，在加热过程中，冷变形组织首先产生回复再结晶。在两相区保温过程中，钢板产生部分奥氏体化。两相区保温后，首先通过缓慢冷却使少量奥氏体重新分解转化为铁素体，在这个过程中，合金元素进一步向残留奥氏体中转移，从而进一步提高奥氏体的稳定性。在快速冷却过程中，这部分残留奥氏体转化成马氏体而使钢板具有双相组织。快冷后的等温过时效不仅可以对淬硬的马氏体组织进行低温回火以改善其内部畸变，而且可以改善铁素体内元素的固溶状态。对于马氏体钢，将带钢加热至完全奥氏体化，然后缓冷至某一温度，再以80～100℃/s的速度快速冷却至马氏体转变温度以下，使奥氏体转变成马氏体，然后通过再加热升温进行时效处理，碳原子活动能力较强，能进行长距离扩散，析出碳化物，降低内部应力，提高马氏体韧性。为研究退火工艺与组织、性能关系，进行热模拟试验方案。得出以下结论：马氏体含量随缓冷温度升高而升高，导致屈服抗拉强度也随之升高；马氏体含量随均热温度升高而升高，强度也有随之升高的趋势。

1.2.2.3 国内外技术及产业发展情况

马氏体高强钢在汽车领域主要应用于成形性要求不高的零件部分，如汽车前后左右门的防撞杆，A、B、C柱加强板，下边地板通道，车顶加强梁等。低碳马氏体钢具有良好的强度、塑性、韧性以及低的疲劳倾向，同时还具有较低的缺口敏感性，过热敏感性、优良的冷加工性、良好的可焊性而且热处理变形较小等一系列的优点，在实际生产使用中，可以代替中碳钢或者中碳合金结构钢的某些零件（图1-32）。

我国汽车钢板的生产正处于快速发展阶段，但仍满足不了我国汽车行业的高速发展，仍有35%～40%冷轧汽车板依赖进口。我国目前有四家主要汽车用钢板生产厂家：宝武、首钢、河钢以及鞍钢。虽然这几年依托国家科技支撑计划，各钢企在先进高强度钢研发方面有了突飞猛进的发展，其中宝武马氏体钢最高可达1700MPa，代表国内先进水平，但在先进超高强度钢板的生产上与国外仍有一些差距，比如高强度冷轧薄钢板快速连续热处理机组的设计、快速连续热处理关键技术的建立等。

随着我国技术装备的更新换代，直接淬火技术有着很好的应用前景。虽然国内已实现1500MPa级马氏体钢的生产，但是对1500MPa级及以上马氏体钢的研究不够深入。随着钢铁材料向高强高韧的方向发展，以及汽车行业的需求量增加，有必要对1500MPa级及以上马氏体钢的强化机制及生产工艺优化进行深入的研究，如钢坯再加热制度、热变形行为、冷却工艺及重新奥氏体化对直接淬火钢微观组织及力学性能的影响。

现阶段国内外马氏体高强钢的生产方式为：获得传统马氏体钢的热处理通常是采用热轧+缓冷，随后退火处理；然后，离线进行再加热奥氏体化+淬火+回火处理。这种工艺造成生产工艺流程长，以及获得较为单一的马氏体组织，所制备的钢材无法获得最佳的强度和韧性，在轧后冷却过程中易产生变形或开裂。作为能源消耗较大的钢铁领域，节能减排大势所趋，迫切需要开发出新一代节能高效的热处理技术。冷轧薄板（包括冷轧马氏体薄板）的快速加热和快速冷却作为一种高效的热处理技术，即快速连退技术，在我国正处于研究、开发阶段。

日本钢铁企业在这方面起步较早，其著名的钢铁企业——新日铁（NSC）在快速连退领域取得了一些显著的进展，新日铁冷轧钢板连续退火技术一直保持世界领先地位。20世纪80年代，新日铁开发出气水冷却的新冷却方法（ACC），分别从水集管上的水喷嘴和气集管上的气喷嘴喷射出水和气体，形成气水混合流，喷吹到钢板上，冷却速度可达到100℃/s。并且通过对喷射水量和气体量以及集管开启数的控制，可对冷却终点温度和冷却速度进行控制。采用这种冷却方法，既可缩短过时效处理时间，又能保证钢板的性能。1982年，名古屋制铁所、广烟制铁所相继投入生产，利用ACC的高冷却速度和对冷却温度的控制，可以生产出固溶强化型高强钢板、析出强化型高强钢板以及最高强度可达1180MPa以上的相变组织强化型高强钢板。ACC成为新日铁连续退火的核心技术。1999年泰国SUS、2000年巴西Usiminas、2005年中国BNA（生产汽车用钢板的合资工厂宝钢-新日铁/安赛乐汽车钢板公司）相继引进新日铁的连续退火生产线，实现了连续退火生产线在全世界的推广应用。2017年4月，河钢邯钢MS1500实现量产，其产品性能指标达到国内外先进水平。河钢邯钢高强连退产线是继SSAB和安赛乐米塔尔之后世界第三条采用高速喷水冷却的生产线。

随着高强度钢板的需求量越来越多，以快速加热与快速冷却技术为核心的连续退火技术正在成为高强度钢板研发、生产的新方向。围绕快速连续退火技术开发的连退设备，也必将受到钢铁生产企业的青睐。表1-14给出了国内外超高强马氏体钢工业化生产概况。

1.2.2.4 小结

提高汽车用钢强度、降低钢板厚度是汽车轻量化的主要途径之一。研究数据显示：轿车的用材中，强度高于500MPa的材料占84.65%，强度高于800MPa的材料已占到61.68%，采用高强度马氏体钢可使汽车轻量化并降低汽车摩擦噪声、降低排放、提高车身安全系数。抗拉强度1000MPa以上的超高强马氏体钢由于其很高的强度和相对较低的价格，近年来在汽车上得到广泛应用，常用于制造保险杠、车门防撞梁、B柱等零部件。1500MPa马氏体钢具有良好的塑韧性、优异的疲劳性能和抗应力腐蚀性能，是应用范围很广的产品。普通高强钢已不能满足汽车工业的发展需求，近年来，高强度马氏体钢的开发和应用成为钢铁业和汽车工业关注的焦点。但是随着强度的升高，钢的氢脆敏感性也随之增大，由此带来的氢致延迟断裂敏感性也会升高。氢致延迟断裂是一种滞后断裂，它是材料或零件在应力和氢共同作用一段时间后突然发生的一种脆性断裂，是材料-环境-应力共同作用的结果。延迟断裂的发生一般没有先兆，并且可以在远低于屈服强度的应力下发生，一旦发生便很有可能造成严重的危害，因此先进超高强钢的氢致延迟断裂将是材料制造商和汽车制造商的重点研究方向。