1 概述
为应对汽车工业发展带来的石油能源消耗压力及尾气排放污染问题，我国于2016年10月发布了《节能与新能源汽车技术路线图》[1]，规定：乘用车新车平均油耗，2020年5.0 L/100 km，2025年4.0 L/100 km，2030年3.2 L/100 km；商用车平均油耗相较于2015年降低，2020年减少10%，2025年减少15%，2030年减少20%。汽车轻量化是提高燃油经济性、降低汽车排放的有效措施之一，乘用车每减重10%，油耗可降低7%，二氧化碳排放可降低5%～7%。预计2030年车辆整备质量比2015年减重35%。汽车轻量化技术可通过轻量化材料、先进工艺和结构优化实现，其中采用轻量化材料是当前主流[2-3]。高强度钢材具有更高的屈服强度和抗拉强度，采用高强度钢能减小构件尺寸和结构质量，节约钢材用量，降低钢结构的加工制作、运输和安装成本。另外，高强度钢的整体稳定性要比普通强度钢材高，相比于铝、镁、碳纤维等材料，高强度钢的制造技术比较成熟、工艺成本低，更能兼顾轻量化和安全性的需求[4]。根据《节能与新能源汽车技术路线图》要求，近期将重点发展超高强度钢和先进高强度钢技术，实现高强度钢在汽车的应用比例达到50%以上。
我国的客车销量已连续16年居于世界首位。2014年至2016年的客车销量分别为52.95万辆、52.24万辆和48.84万辆，2017年预计48万辆。数量如此庞大的客车会对环境和燃油消耗造成巨大的压力。目前普遍认为，机动车的尾气是雾霾的主要来源之一，尤其对主要使用柴油的客车而言，排放的细小颗粒物是最主要的污染成分。客车质量远比乘用车质量大，普通50座客车整备质量达到12 t，油耗和尾气排放远比乘用车要高。尽管客车的保有量占整个汽车保有量的比例很小，但客车的使用率高，消耗的能源也多。客车车身骨架是客车的主要承载结构，客车车身骨架的质量占客车总质量的20%～40%。目前客车行业车身骨架绝大部分使用的是冷弯型钢方矩形管，少量高端出口车使用高强度钢。在保证客车安全性能的前提下，采用超高强度方矩形钢管，可显著减轻整个客车的质量，减少油耗[5-6]。以超高强度钢替代普碳钢是未来精品级客车的发展趋势[7]。
2 超高强度钢管在客车骨架上的应用
轻量化客车车身主要采用经辊弯成型的方矩形管，目前使用的高强度钢材为冷轧HC700/980MS和热轧QStE700TM，厚度分为1.25 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm和3.0 mm五个规格。由于热轧钢带比冷轧钢带的价格更低、成型更方便，所以热轧超高强度钢带成为生产客车骨架钢管的主要材料。以某轻量化客车的车身骨架及其构件所用的方矩形管为例，制造用原材料和替代材料的性能参数对比见表1。
表1 车身骨架原材料和替代材料性能参数对比
式中：t1i— 第i（i=1、2、…、n，n为结构零件总数）种替代材料的壁厚，mm；
（σs）0i— 第 i种原材料的屈服应力，MPa；
t0i—第i种原材料的壁厚，mm；
（σs）1i— 第i种替代材料的屈服应力，MPa。
由于车身骨架主要选用的是薄壁矩形钢管，材料体积可近似由公式（2）计算。
式中：L—管长，mm；
S—截面周长，mm；
t—壁厚，mm。
每根薄壁矩形管的体积与厚度成正比，即V∝t，则对同种材料来说有Ve∝te。这里，Ve为所用材料总体积，te为材料等效壁厚。在不改变结构外廓尺寸的情况下，可得
在不改变车身结构的前提下，以高强度钢取代低强度钢进行轻量化分析时，必须满足等强度和刚度要求，这就需要通过改变材料的厚度来实现。
车身骨架中每根矩形管主要受轴向拉压和弯曲应力，当采用高强度钢替换普通钢进行等强度替代设计时，因材料的弹性模量不变，其结构刚度保持不变，假设替代结构的安全系数与原结构相同，则用高强度钢板替代后零件壁厚可按公式（1）计算[8-9]。
式中：V1i—第i种替代材料的体积，mm3；
V0i—第i种原材料的体积，mm3。
根据上述分析，某轻量化车型，采用材料QStE 700TM替换后车辆减重效果计算结果见表2。
由表2可见，采用QStE700TM材料后，车身骨架减重32.5%，客车整体减重约7%。
表2 QStE700TM替换后车辆减重效果
3 QStE700TM钢管性能指标
QStE700TM钢管的化学成分和力学性能要求见表3和表4。
表3QStE700TM钢管的化学成分 %
表4 QStE700TM钢管的力学性能
相同原料分别采用“圆成方”和“直接成方”成型工艺制管后，其力学性能会有所不同。以规格为50 mm×50 mm×2 mm矩形管为例，力学性能对比见表5[10]。
表5 “圆成方”和“直接成方”成型工艺制管后的力学性能对比
由表5可见，“圆成方”工艺制管强度提升较高，断后伸长率降低明显，“直接成方”工艺制管，强度提升较低，断后伸长率变化不大[11]。由此可见，不同制管工艺对原料钢带力学性能的要求有所不同，具体见表6。
对比表4和表6可以看出，“直接成方”制管工艺对热轧钢带断后伸长率要求较钢管要高5%，比较容易实现。而“圆成方”制管工艺对热轧钢带断后伸长率要求较钢管要高10%，强塑积大于16 GPa%。对于低合金高强度钢强塑积一般不超过15 GPa%，超过15 GPa%控制较难。根据宝钢电子商务网站公布的屈服强度650～700 MPa高强度钢典型性能断后伸长率为20%～22%。为实现高延伸率需要对热轧工艺进行优化。
表6 不同制管工艺对热轧钢带的性能要求
4 高延伸率热轧超高强度钢带的开发
4.1 优化思路
为提高延伸率，首先要保证钢质纯净，通过采用铁水预处理脱硫，转炉自动化炼钢、滑板挡渣出钢、LF钙处理，连铸动态轻压下等技术，提高铸坯质量；然后通过优化热轧TMCP控轧后采用多段冷却控制调控铁素体转化比例、铁素体晶粒尺寸和分布，形成良好的铁素体基体，提高断后伸长率。
成分设计时，将w（C）控制在较低的范围，减少碳化物颗粒的尺寸，降低变形中碳化物与铁素体界面处裂纹诱发敏感性，提高延伸率；Si能降低C在奥氏体的溶解度，降低过冷奥氏体的稳定性，加速相变过程。特别是Si能够抑制碳化物的析出，Si能够促进铁素体相转变，改善钢的延伸率；Mn虽可以提高淬透性并提高材料的强度，但由于Mn是结晶正偏析元素，容易产生带状组织，因此Mn含量不宜过高，应该通过添加Ti/Nb等微合金强化元素，来达到提高强度的目标；S在高强度钢中是有害元素，容易产生MnS偏析和硫化物夹杂，因此需要控制S含量。一方面减少硫化物夹杂数量和尺寸，同时对硫化物（主要是MnS）形态进行改性，避免长条硫化物，提高钢板延伸率；P在高强度钢中也是有害元素，P溶于铁素体，在提高钢的强度和硬度的同时，最大的害处是偏析严重，增加回火脆性，显著降低钢的塑性和韧性，致使钢在冷加工时容易脆裂，而且磷对焊接性也存在不良影响；N可固溶于铁，形成间隙式的固溶体，可以和Al、V、Ti等化合成极稳定的氮化物，实现析出强化效果。但N在提高钢的强度和硬度的同时，也降低了钢的韧性，增加了钢的脆性，导致缺口敏感性增加，疲劳性能降低，同时残留N量过高会导致宏观组织疏松或气孔；Ti/Nb是典型的析出强化元素，通过在钢中形成C（Ti/Nb）化合物颗粒，阻止位错移动，可以提高材料的强度。同时Ti/Nb能抑制晶粒长大，实现晶粒阻止的细晶强化的效果[12]。
通过对钢的奥氏体连续冷却转变CCT曲线的研究显示，接近铁素体开始转变温度的终轧温度有利于增加铁素体相转变比例，同时细化铁素体晶粒尺寸；轧后采用前段水冷快速达到铁素体转变所需的奥氏体过冷度，在珠光体开始转变温度之上采用较长时间较低冷速的空冷可增加铁素体转变比例；之后在接近珠光体转变温度开始后段水冷，减少珠光体层片间距，促进粒状贝氏体形成，形成F+P+B的多相组织，提高钢的延伸率和强塑积。
4.2 生产实践
经过转炉冶炼、LF炉精炼工序，热轧超高强度钢带的化学成分控制见表7。
表7 高延伸率热轧超高强度钢带的化学成分 %
对200 mm厚铸坯经过步进式加热炉加热，钢坯加热温度1 230～1 280℃，加热时间180～240 min。经过5道次粗轧，粗轧后中间坯厚32～38 mm，经热卷箱卷取头尾颠倒后达到降低头尾温度差的目的。再经过7道次精轧轧制成厚度为1.5～3.5 mm的钢带。通过优化热轧TMCP控轧后采用多段冷却控制，具体优化工艺如图1所示。调控铁素体转化比例、铁素体晶粒尺寸和分布后所得金相组织如图2所示。最后得到高延伸率热轧超高强度钢带，其力学性能见表8。
图1 钢的CCT曲线和优化后冷却路径
该钢带经 “圆变方”成型工艺制成方矩形焊管，检测其力学性能，结果见表9。由表9可见，试制方矩形管的力学性能达到了客车骨架QStE700TM的性能要求。
图2 金相组织
表8 高延伸率热轧超高强度钢带的力学性能
表9 高延伸率热轧超高强度方矩形管的力学性能
5 结束语
采用TMCP控轧+多段冷却控冷工艺，开发了高延伸率超高强度热轧钢带，将该钢带经“圆变方”成型工艺制成方矩形焊管，并对其力学性能进行了检测。检测结果表明，设计的钢带轧制工艺可靠，生产的钢带质量稳定，方矩形管的力学性能达到了客车骨架QStE700TM的性能要求。开发的高延伸率热轧超高强度方矩形管用于客车骨架后车身骨架可减重32.5%，整体总重可减重7%左右，减轻整个客车的质量和降低油耗效果显著。可见，开发的高延伸率超高强度热轧钢带具有良好的推广使用前景。
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