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钢铁/粉末冶金 |
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汽车用高强钢板的发展现状和趋势 |
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作者：奇瑞汽车股份有限公司 孟祥新 来源：AI汽车制造业 |
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汽车工业要求冷轧钢板重量轻、成形性好、寿命长、安全性好和环境友好。为此，DP钢、TRIP钢等既能满足成型要求又能提高强度水平的钢板得到逐步运用。同时，对应的新型工艺方法也得到广泛应用。
汽车工业对冷轧钢板性能的要求
1.汽车轻量化
提高燃料效率、减少CO2排放造成环境污染是极为重要的。为达到此目的，汽车需在保持原来的强度水平的情况下满足轻量化。DP钢、TRIP钢就是为此目的而开发的。
2.钢板的成形性
一般说来，随着钢板材料强度的提高，其成形性恶化。为满足零件成型的需要，DP钢、TRIP钢等既能提高强度又能满足成型要求的新型钢板将得到大量应用。
3.钢板的抗凹性
汽车外板有可能遭受外力冲击，若材料强度过低，容易发生凹陷变形。BH钢在成形后进行烤漆的过程中可以进一步提高其强度，汽车在使用时得到了更高的强度，具有良好的抗凹陷性。因此，近年对BH钢的需求不断增长。
4.钢板的耐腐蚀性
在北美等特殊市场，为除去积雪，大量使用对钢有强烈腐蚀作用的氯化钙，对汽车耐腐蚀性提出了更高的要求。应对腐蚀问题的重要措施是对钢板进行各种表面处理，例如镀锌。
5.钢板的安全性
为保证乘用者的安全，目前已经开发出既具有高强度，又具有良好耐冲撞性能的高强钢板，用于汽车的结构件和底盘等部件。
6.钢板与环境友好
汽车用冷轧钢板需要与环境友好。国际上已经制定了一系列法规和制度，强化环境保护，明令禁止使用对人类有毒害的物质（镀层物质）。
依据钢板的强化机制、强度水平和组织特点可划分为不同的钢种类型（见表）。钢板类型
 （1）低强度钢：抗拉强度低于270MPa的钢板，主要是用作面板的IF钢（IF钢，全称Interstitial-Free Steel）和低碳钢，规定其为低强度钢。
（2）高强度钢：抗拉强度在270～700MPa的属于高强度钢，包括高强度的IF钢、BH钢、C-Mn钢、HSLA钢以及一部分DP钢和TRIP钢。
（3）超高强度钢板：
超过700MPa的钢板为超高强度钢板，包括高强度级别的TRIP钢、DP钢以及马氏体钢和新开发的TWIP钢。
汽车用冷轧钢板的应用
一般将汽车零件分为面板、结构件、加强件和底盘。根据各种材料所经受的不同的成形方式，而选用不同类型的材料（见图1）。
图1 材料类型及对应延伸率、屈服强度
1. IF钢板（Interstitial-Free Steel）
低强度软钢和高强IF钢板，特点是延伸和深冲性能好，广泛用于制造汽车面板。IF钢采用低碳或超低碳和Nb、Ti微合金化的成分设计，使钢中的C、N以碳氮化物的型式，而非固溶的形式存在，因而得到了极高的r值（平均r=2.5）和加工硬化系数（n=0.27）。
2. BH钢板（烘烤硬化钢 ）：
外板不仅要求有良好的刚性（由杨氏模量、厚度和集合形状等决定），还要求在受到压力或冲击时，具有良好的抗凹陷性。BH钢在成形加工中强度低，材料成形后发生加工硬化，强度得到提高。经过烘烤涂漆，强度进一步提高。
3.高强钢板（HSS）
结构件和加强件是重要的安全防护件，因此希望它具有高的冲击吸收能力。当然，它必须具有良好的成形性能，特别是鼓胀成形性能，以便冲制成形状复杂的零件。DP钢和TRIP钢等兼有高的强度和良好的延伸（见图2），因而广泛应用于汽车的结构件和加强件，如B柱加强板等。
图2 各种钢的一般强效机理
4.耐腐蚀涂镀钢板
热浸镀的钢板表现出良好的抗腐蚀能力，但是涂漆性能、成形性能和焊接性能不能满足要求。为此，将纯锌层变为一层锌铁金属间化合物。由于镀锌层是由Zn-Fe化合物组成，性质极脆，可能在成形过程中发生粉化，即剥落现象。控制Zn-Fe化合物的组成，可以抑制粉化现象。Zn-Fe化合物可以依据化合物的成分分类为ζ相、δ1相和Г相。通过减少ζ相和减少Г相，使组织非常硬，不容易发生变形。
汽车用冷轧钢板的发展趋势
1.TWIP钢
为解决环保和节能（减轻车重）及安全和舒适（增加车重）的矛盾，需同时提高材料的成形性和强度，实现强度和延展性的平衡。近年开发TWIP钢就是为解决此问题而进行的。所谓TWIP，意即孪晶诱导塑性（Twinning Induced Plasticity）。TWIP钢的塑性变形的主要机制是位错滑移。在变形过程中，非常细的孪晶在晶内发生，孪晶界和晶粒边界均成为位错滑移的壁垒，这会导致非常剧烈的加工硬化，其瞬时硬化率能保持较高的水平（>0.45）。这会抑制细颈的发生，从而导致TWIP钢非常强的加工硬化能力和非常大的延伸率。这种性能即使在高应变速率下仍然保持着，因而在撞击等高应变过程中，可以保证汽车非常高的安全性。这是TWIP钢受到青睐的一个非常重要的原因。
2.热冲钢板（热成型）
随着强度的提高，钢板成形性能总体上呈下降趋势，形状冻结性变差，成形难度加大。同时材料成形力也增加，造成成形负荷增大，工具、模具的磨损和损坏严重，所以，近年正在开发热冲钢板（见图3）。例如含B钢板，将其加热到900℃左右进行冲压变形，大幅度降低成形力，提高材料的成形能力，冲成零件后，立即利用余热进行淬火处理。目前处理后的抗拉强度可以达到1500～2 000MPa。处理完的零件要经过喷丸处理，以消除氧化铁皮，改善表面质量。
图3 热冲压板
3.激光拼焊
汽车的一些零件各个部位可能有不同的负荷和不同的受力条件，成形方式也会有差异。为了节省材料、减轻车体的重量，希望零件的不同部位可以制成不同厚度和采用不同的材质。基于这样的想法，利用焊接技术的最新成果，开发出激光拼焊技术（TWB，Taylored Welding Blank）。一个零件可以依据其不同部位的负荷、受力条件、成形方式和难易程度，采用不同厚度、材质的材料，将其焊接起来（见图4），达到物尽其用，从而提高材料的利用效率，实现车辆的轻量化。 
图4 激光拼焊
4.液压管成形
一些汽车零件是先用钢板冲压成两个半片，然后焊接在一起，形成中空的管状结构件。由于焊接而成，工序复杂，强度和刚度均不理想。德国Thyssen-Krupp长期致力于发展液压管成形技术，通过焊接钢管技术、管件液压成形技术、管件激光拼焊技术和卷管技术等系列关键技术的开发，已经形成成套技术，并已经开发出概念车。通过液压管成形技术的应用，可以改善零件的受力条件，提高构件的承载能力，降低车体重量20％～30％，成本稍稍高于传统车，目前已经在众多车辆上推广应用。汽车零件内高压成型技术见图5。国内目前哈尔滨工业大学在液压管成型方面具有较高研究水平。
图5 汽车零件内高压成型技术
5.耐腐蚀钢板
由于高强钢板成分设计和变形规律有自己的特点，所以其涂镀过程有特殊的难度。首先，高强钢板采用一定含量的Mn和Si，也经常使用各种合金元素，由于不同元素与基本材料Fe氧化特性不同，一些元素发生选择性氧化，常常会在钢材表面形成氧化物，这些氧化物会造成漏镀点，直接恶化材料的涂镀质量和抗腐蚀能力。其次由于高强钢板，如DP或TRIP，热处理的温度制度，特别是等温时效处理的温度与涂镀的温度不一致，需要调整高强钢板连续退火和热浸镀的温度制度。此外，如何调整和控制高强钢板热处理的温度制度，实现需要的高冷却速率和柔性化的退火与热处理制度，也是迫切需要解决的问题。
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(2/20/2009) |
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