1.2.5 短流程CSP钢板

传统长流程生产汽车车身用高强钢主要采用冷轧、热镀钢板，其制造流程长、工序复杂、能耗和排放高、交货周期长。汽车零部件产品制造流程的长短关系到生产成本和能量损耗，集中体现企业的核心竞争力。经过测算，短流程制造工艺较长流程制造工艺的生产成本降低接近10%。因此，短流程制造工艺较长流程制造工艺有突出优势。

薄板坯连铸连轧，也叫短流程CSP钢板，流程绿色、生态、低成本，产品高强度、薄规格、高精度，与汽车白车身及底盘用钢具有显著的适应性。薄板坯连铸连轧材料当前可部分用于车身结构件（图1-54和图1-55）和底盘典型结构件（图1-56）。

1.2.5.1 薄板坯连铸连轧材料组织

薄板坯连铸连轧产线与传统冷轧热成形钢组织对比如图1-57所示。CSP热成形钢是热轧轧制后经过层流冷却，获得的组织为先共析铁素体和珠光体（图1-57a）；热冲压成形前，冷轧热成形钢为退火再结晶组织，即热轧钢卷冷连轧轧制后，在连续退火炉或罩式退火炉进行再结晶退火处理，获得的组织为铁素体和渗碳体（图1-57c）。热冲压成形奥氏体化过程中，由于短流程热成形钢的原始组织中有碳含量较高的珠光体，奥氏体首先在其周围形核，然后迅速长大、碳化物溶解，以及奥氏体组织与成分均匀化，在随后的模压淬火过程中获得尺寸均匀的板条马氏体组织（图1-57b）；而冷轧热成形钢的原始组织为铁素体和渗碳体，局部区域的碳含量低，成分浓度梯度小，需要更大的温度梯度才能满足奥氏体形成的动力学条件，其模压淬火后的组织也为板条马氏体（图1-57d）。

采用钛元素和铌元素微合金化是短流程钢的组织控制的重要手段之一。

1）钛微合金化原理。钛的化学性质较为活泼，在钢中主要以固溶态或含钛析出相形式存在，被广泛用作微合金化元素。TiN或富氮Ti（C，N）具有良好的高温稳定性，在铁中的固溶度小，在高温下有足够体积分数的TiN或富氮的Ti（C，N）相析出。微合金钢中TiN或富氮的Ti（C，N）阻止晶粒长大的作用可持续到1300℃以上，能有效控制高温状态下晶粒尺寸的大小，起到细化晶粒的作用。采用薄板坯连铸连轧流程生产钛微合金化高强钢，在铸坯均热阶段完成TiN析出有效细化轧制前奥氏体晶粒，进而得到组织细小的高强钢产品。

2）铌微合金化原理。铌在钢中可以细化晶粒，提高钢的强度和韧性。在元素周期表中，铌属于过渡族金属元素，也是强碳、氮化物形成元素，并具有更强的析出强化作用。与传统流程一样，在薄板坯连铸连轧流程中，铌在连铸、均热、控轧控冷过程中都会析出，根据Nb（C，N）的固溶度积，铌的全固溶温度在1250℃左右，薄板坯连铸连轧条件下铸坯的均热温度一般低于1250℃，在连铸出坯后有部分铌析出，析出物的尺寸大小不一，小的尺寸为5～10nm，能够强烈抑制后续热连轧过程中奥氏体的再结晶过程。热轧过程中铌的析出数量、尺寸与析出位置密切相关。研究表明，传统流程中，含铌析出相主要在位错线析出，随变形量提高，位错密度增加，尤其是在未再结晶区变形，累积作用更明显。薄板坯连铸连轧流程轧制道次内，铌微合金钢组织的位错密度随着变形温度降低、变形量提高而增加，位错密度的增加为含铌析出相提供了形核位置，同时在位错线上均匀析出。细小的含铌碳氮化物析出充分钉扎位错运动，进而有效抑制奥氏体再结晶。尤其，在低温区抑制奥氏体再结晶，在较大的温度区间内实现变形，促使晶粒内部产生大量的变形带，为铁素体形核提供有利条件，最终得到均匀细小的铁素体组织。

1.2.5.2 薄板坯连铸连轧材料性能

1.材料力学性能

表1-27列出了薄板坯连铸连轧流程与传统冷轧流程汽车用钢材料力学性能。对于相同的冷轧钢板，短流程与传统流程相比，短流程制备的薄板力学性能显著优于传统流程制备的薄板材料。

2.零件力学性能

热成形钢广泛应用于车身的A柱、B柱、纵梁、保险杠、门内防撞杆等安全件。薄板坯连铸连轧产线与传统产线相比具有不同的轧制及热处理等工艺，其生产出的钢板组织与性能具有明显优势。薄板坯连铸连轧（CSP）产线热成形零件与传统冷轧产线的热成形零件力学性能见表1-28，两条产线的热成形零件力学性能均达到了使用要求。

3.弯曲性能

对薄板坯连铸连轧流程与传统冷轧流程热成形钢板采用平板模淬火后进行三点弯曲性能评价，测试方法按VDA-238-100标准执行，测试结果如图1-58所示。短流程热成形钢的弯曲角度为66°～68°，传统冷轧流程热成形钢的弯曲角度为65°～67°，两种流程产品的弯曲性能相当。

4.热冲压成形性能

利用某车型热成形零件B柱模具，分别对1500MPa级薄板坯连铸连轧热成形钢和传统冷轧热成形钢22MnB5进行对比研究。热冲压工艺参数见表1-29，经过冲压成形后的零件如图1-59所示。与传统冷轧热成形零件相比，薄板坯连铸连轧热成形钢冲压后的零件无起皱、开裂等明显缺陷，零件精度也符合车企要求。

5.焊接性能

分别取1500MPa级薄板坯连铸连轧流程和传统冷轧流程热成形钢在实验室进行电阻点焊窗口试验评估，试验设备为DBZ-160中频逆变直流点焊机，电极采用的是φ8.0mm铬锆铜，试验参数：电极压力4.5kN，3个脉冲，焊接时间140ms，间隔时间40ms，保持时间40ms。图1-60给出了1500MPa级薄板坯连铸连轧流程和传统冷轧流程热成形钢的电阻点焊窗口。薄板坯连铸连轧热成形钢的焊接电流范围为9～13kA，焊接工艺窗口为4kA；冷轧热成形钢的焊接电流范围为8.6～12.6kA，焊接工艺窗口为4kA。两种流程产品的焊接性能相当，焊接电流窗口一致。

6.涂装防腐性能

利用国内某汽车厂涂装生产车间，根据汽车钢板涂装工艺流程，对1500MPa薄板坯连铸连轧热成形钢进行处理，如图1-61所示。对表面处理后的钢板进行测试，包括外观、膜厚、附着力、铅笔硬度、耐酸、耐碱、耐汽油、耐机油和中性盐雾试验，测试结果见表1-30。1500MPa薄板坯连铸连轧热成形钢表面电泳漆膜各项测试结果均满足车企应用需求。

7.抗氢致延迟开裂性能

根据标准ASTM G30《U型弯头应力腐蚀试件的制备和使用的标准实施规程》采用恒载荷的方法分别测定了两种流程1500MPa级热成形钢在不同充氢电流下的门槛应力值，恒载荷试样尺寸如图1-62所示。试验环境为0.2mol/L NaOH溶液+0.22g/L硫脲，分别在三个不同的充氢电流下测定两种流程热成形钢的门槛应力值（表1-31）。薄板坯连铸连轧流程热成形钢的抗氢致延迟开裂性能优于同级别传统冷轧热成形钢产品。

8.碰撞性能

薄板坯连铸连轧热成形钢主要用在汽车碰撞关键零部件，用来抵抗碰撞变形，保护乘客安全。1500MPa薄板坯连铸连轧热成形钢（WHF1500）与传统冷轧热成形钢（22MnB5）工程应力-应变曲线如图1-63所示。

选择状态相同的两辆车进行40%偏置碰撞对比试验，其A柱上边梁分别采用1500MPa薄板坯连铸连轧热成形钢和传统冷轧热成形钢，碰撞试验后乘员舱相对完整，前围板区域、A柱区域、中央通道区域及前纵梁区域变形基本一致，车身速度和加速度变化基本一致，车身速度曲线和加速度曲线分别如图1-64和图1-65所示。

1.2.5.3 薄板坯连铸连轧工艺

薄板坯连铸连轧工艺可以显著降低能耗与排放。薄板坯连铸连轧流程与传统热连轧流程相比，其铸坯厚度薄，连铸坯出铸机后直接进入均热炉，入炉温度一般在800℃以上；而传统铸坯厚度较厚，一般为210～250mm，连铸坯出铸机后有一个冷却过程，在轧制之前需要长时间高温加热。另外，传统流程的厚铸坯需要粗轧多道次可逆式往复轧制后才能进入精轧。这些制造过程的不同，导致了生产过程中能耗与排放的显著差异，具体数据见表1-32，相比于传统热轧流程，薄板坯连铸连轧流程综合能耗约降低45%，二氧化碳排放约降低13%。

1.2.5.4 薄板坯连铸连轧材料在汽车上的应用

自1989年全球第一条薄板坯连铸连轧产线在美国纽柯钢铁公司建成投产以来，薄板坯连铸连轧工艺技术得到了迅猛发展，先后经历了单坯轧制、半无头轧制和无头轧制三代连铸连轧技术。

第一代单坯轧制和第二代半无头轧制技术是以CSP为代表的薄板坯连铸连轧产线，半无头轧制技术与单坯轧制技术的差别在于，半无头轧制工艺的铸坯长度是单坯轧制长度的4～6倍，可以实现连续轧制，并且在卷取机前进行钢卷分切的轧制工艺。第三代无头轧制技术是新一代薄板坯连铸连轧工艺技术，以无头带钢连铸连轧技术（Endless Stripe Production，ESP）产线为代表，以及近几年首钢京唐建成的多模式全连续铸轧生产线（Multi-mode Continuous Casting&Rolling，MCCR）等，其主要是通过连铸高拉速与轧机轧制速度匹配，实现铸坯连续轧制，在卷取前由高速飞剪按要求进行分切卷取。截至目前，第三代无头轧制技术在全球建成投产的薄板坯连铸连轧产线72条，年生产能力超过了1.2亿t，其中中国已建成投产18条产线，年产能超过4300万t。相较于传统流程，薄板坯连铸连轧流程具有铸坯薄、钢水凝固快、铸态组织均匀、中心偏析小、析出物细小弥散、性能均匀和厚度精度高等特点。其可生产的钢种范围不断扩大，由最初的普通碳钢，逐渐扩大到低碳钢、中碳钢、高强钢、IF钢、管线钢、先进高强钢和电工钢等品种，如图1-66所示。

1.2.5.5 小结

绿色制造、生态发展已成为我国的重要发展战略。钢铁材料制造正朝着绿色化、生态化、连续化和智能化方向发展。薄板坯连铸连轧流程简约高效，制造过程能耗和排放低，符合当前“双碳”发展战略方向。

从整车全生命周期的角度来看，随着整车热成形零件的使用数量越来越多，节能减排的效果将越来越显著。随着未来汽车环保和轻量化要求的提高，热成形钢的用量将会越来越高。薄板坯连铸连轧汽车用热成形钢作为一种既拥有良好的应用性能又兼具环保性的优秀钢种，将在未来汽车高强钢的使用和汽车轻量化方面发挥重要的作用。 KLI1PfzC825ffTBub3jZzlsALXGGLfV+4k7R/5m+0e4M9liwkscsm56CBJS4+MLl