|
钢铁/粉末冶金 |
|
| 按行业筛选 |
|
|
| 按产品筛选 |
|
|
| |
|
查看本类全部文章 |
| |
|
|
|
|
高强度钢板在松花江赛马车上的应用 |
|
|
作者：哈飞汽车股份有限公司 张钧 |
|
[摘要] 本文从高强度钢板的强度性能和工艺性方面入手，着重阐述了高强度钢板在赛马车上的应用，以及在冲压、焊接等方面应注意的问题。
关键词：高强度钢板 赛马 强度性能 工艺性
1 前言
在汽车制造业中，节约能源一直是研究人员解决的主要问题之一。影响汽车燃料经济性的因素很多，如汽车自重。发动机功率、传动效率以及各种摩擦阻力等。采用钢板制造汽车壳体具有很大的减轻质量潜力。材料专家认为，我们正面临开发包括塑料、轻质合金、高强度钢板在内的轻质材料的挑战。从材料角度出发，使用高强度钢板可减轻质量5%，如果配合加工制造和设计的减轻质量潜力（分别可达15%和25%），则减轻质量效果会十分显著。日本从20 世纪80 年代开始，高强度钢板使用率增长20%，结果导致单位车辆投影面积的白车体质量由34kg/m2 降至26 kg/m2。
汽车用高强度钢的开发始于20 世纪70 年代石油危机前后，先是微合金钢，含磷合金钢，20 世纪80年代是DP(双相)钢和烘烤硬化钢、IF（无间隙原子）钢，1990 年又开发出了强度更高的微合金钢-各相同性钢，接着又开发了TRIP(相变诱发塑性)钢，多相超高强度钢，抗拉强度已达到1000MPa，最高的甚至已达到1200 MPa 以上。实际应用于汽车上的各种零件，收到了降低重量、节约能源、提高燃油经济性以及降低成本的效果。
松花江赛马车是与日本三菱公司合作开发的一款家庭多功能轿车，其优良的性能已是有目共睹，这里介绍的是她鲜为人知的另一面——绝对坚固可靠的车身结构。无论是正碰、侧碰、还是后碰，赛马都会给您提供一个安全的乘坐空间，这源于她在车身上大量使用的高强度钢板。高强度钢板的使用不仅减轻了车重，还使车体的扭转刚性得到显著提高，同时，车体的弯曲刚性也得到提高，因而保证了整车的抗冲击安全性。
2 高强度钢板在汽车减重方面的应用
降低汽车自重，既可以降低生产成本，又可以节约燃料，是国内外汽车生产厂家共同追求的目标。对汽车零件材料减薄，必须首先提高材料的强度，保证零件的可靠性。高强度钢板所以得到应用和发展，主要是能减薄板厚，降低重量，这是其基本优越性所在。高强度钢板的应用及其在汽车各类构件中的作用见表1。表1 高强度钢板的应用和作用
 表中Ps 为压溃强度，AE为压溃吸能，Pt 为压痕抗力，P 为微量变形抗力，σw 为疲劳强度，σb 为抗拉强度，t 为板厚，σp 为成形构件应变下的流变应力，ED 为动负荷设计弹性模量，n 为常数。
由表1 中各类关系方程可以看出，除疲劳强度外，其它各性能均正比于板厚和相应的材料性能（抗拉强度、流变应力、动负荷设计弹性模量）n 次方的乘积。如果材料的性能提高，在所要求的性能不变或略有提高的前提下，则板材构件的厚度可以减薄。
汽车构件和外覆盖件的变形程度及变形所需的能量则与钢板强度、板厚、断面形状等有着复杂的关系。一般来说，钢板强度与板厚乘积的关系，大体上根据变形的方式来决定。采用高强度钢板代替普通碳素钢板时板厚减少的程度根据其受力方式的不同而不同。当构件承受拉压变形时，减少板厚的有效率最高达40%～62.5%；当构件承受存剪或存弯应力时，其有效率最低，为22.5%～38.8%。
高强度钢板用于汽车车身，除能够减薄零件、降低汽车自重外，还能够达到以下目的：a）用于汽车表面件，以提高抗凹陷性；b）用于汽车易碰撞部位以提高抗毁坏能力。高强度钢板用于生产中也有其不利的一面：a）降低疲劳强度和焊接性能；b）降低钢板的塑性成形性能。为了提高抗腐蚀能力，有些表面件则使用表面质量很高的钢板。
3 高强度钢板在赛马车中的应用
3.1 高强度钢板的性能
对于高强度钢板和超高强度钢板，并无统一的定义，有人认为抗拉强度超过340MPa 的称为高强度钢。按照ULSAB 所采用的术语，将屈服强度为210～550MPa 的钢定义为高强度钢，屈服强度超过550 MPa的钢定义为超高强度钢。
3.1.1 成型性能
在车身外覆盖件的选材方面，对n 值和r 值要求较高。n 值大，表示材料的变形抗力随变形的进展而增大的速度高。因此，在同样的条件下，n 值大的材料在成形中不易出现局部的集中变形和破坏，能扩展变形区，使变形均匀稳定；r 值大的材料，厚度变薄量小，起皱的趋向降低。采用高强度钢板后，由于钢板本身的化学成分、组织、材料的变化，因而对冲压成形和其他制造技术有不利影响。随着强度的提高，n 值、r 值、延伸率等特性在很多情况下都低于低碳钢。
表面翘曲度θ即回弹，也是反映钢板成形性能的重要指标之一，屈服强度越高，回弹越大，n 值低，不产生应变扩散，易于产生形状不良，所以车身外覆盖件用屈服强度高的钢板，易于产生回弹胁变现象。烘烤硬化高强度钢板在冲压成形之前屈服强度不变，经冲压成形后的烤漆工艺，可提高屈服强度30～40MPa。
3.1.2 焊接性能
高强度钢板因其强度提高，焊接能力下降。钢板经点焊后，焊接处的抗拉强度受电流和时间因素的影响很大，此处化学成分对钢的可焊性也有显著的影响。首先是碳当量的影响，碳当量对各种不同高强度钢的可焊性的影响比较大，经试验分析碳当量应低于规定限度。降低高强度钢中C 、S 和 Mn 的含量，使其接近于低碳钢的水平，可在原有的点焊规范下提高点焊质量。
3.1.3 抗腐蚀性
一般说来，高强度钢的抗腐蚀性与低碳钢相当。但是由于采用了高强度钢板，减薄了厚度，因此必须重视腐蚀问题。因为薄板与厚板相比更容易生锈，当薄钢板腐蚀入表面时，大大降低板材强度，很快就降低了截面上载荷能力，所以用高强度的薄钢板要采用保护涂层。现在采用的单面镀锌板或锌铬镀层或其他合金镀层，如Zn中加入镁或铅，也有用Zn-10%-20%Fe， Zn-13%Ni 合金镀层以增加抗腐蚀性。近年来又发展了双面镀锌钢板。
高强度钢板的表面质量对抗腐蚀性非常重要，必须清除退火过程中表面残余碳层，涂漆前，经磷化处理后的钢板其磷酸盐也要很好清理，以保证钢板的表面清洁度。
3.2 高强度钢板在赛马车中的应用
图1 为赛马车上使用高强度钢板的零件。表2 列出了赛马车一些零件采用高强度钢板的例子。
图1 赛马车上使用高强度钢板的零件
表2 某些零件用高强度钢板的例子
 汽车上采用高强度钢板的零件可分为三大类：外板件、内板件和结构件，这三类零件对强度的要求如表3。表3 车身零件所要求的强度
注：x－与此性能有关，xx－紧密有关的性能，xxx－非常紧密有关的性能，H－高强度钢具有的特殊效应。 在松花江赛马车上，车门外板等零件采用了高强度钢板，下面分述如下：
1) 外板件：外板件对高强度钢板的性能要求是：①低的屈强比，高的n 值和r 值；②抗压痕性；冲压和烘烤后有高的屈服强度；③无常温时效；④优良的点焊性和抗腐蚀性。
门外板是延展式的冲压件，典型的缺陷是在突出部位断裂，并在四周有波纹，与模具间相接触的部位易断裂，这种缺陷可以选材料的屈服强度和抗拉强度的适当配合来避免。冲压件重要的是其表面质量与刚度。对于门外板，选择板中心得到2%形变时可得到最佳形状，因为其变形总量最小。为了得到某一形变，必须将屈服强度降低至某一定值，此值小于260MPa，面板用强度一般为350～400MPa。根据门外板的上述特点，赛马车选用上海宝钢公司生产的H180BD+ZF 合金化热浸镀锌高强度钢板，其屈服强度为180～240MPa，抗拉强度为300～360MPa，在保证表面质量及刚度的同时，也使冲压达到最满意的效果，基本避免了断裂、皱纹、回弹及波纹等缺陷。
发动机罩不像外板那样易于发生波纹，它易于冲压，但是发动机罩比门板平，材料的变形量小，因而必须提高材料的屈服强度加以补偿，因此我们在赛马车上采用宝钢生产的H340D+ZF，其屈服强度为340～420MPa。
2) 内板件：由于大部分零件成形深度小，且表面质量没有外板要求高，且可允许少量皱纹存在，所以采用450 MPa 以下的钢板是没有问题的。材料的n 值和r 值对这类零件成形具有较大的影响。考虑到价格、成本因素，在赛马车上，内板件多采用普通冷连轧碳素钢板，如侧围内板选用宝钢一期工程的SPCE-ZF。
3) 结构件：结构件包括金属保险杠、大梁、车门防撞梁等。
汽车的安全可靠性是汽车生产和使用中的重要问题。美国联邦法规规定轿车的保险杠必须保证车速在8km/h 的冲撞试验中，只许保险杠本身有轻微撞痕，汽车不许损坏。要提高耐撞性就得提高保险杠系统吸收撞车能量的能力。除了设计上采用减震器等增加能量吸收外，还必须提高材料吸收能量的能力。而与能量吸收最有关系的是材料的抗拉强度，随着材料抗拉强度的提高，其能量吸收提高，因此，金属保险杠的材料逐步采用高强度钢。
目前，各公司都用超高强度钢M160（强度为1000Mpa）和M–190（1175MPa），钢板厚2.18mm，滚轧成形，成形比较缓慢，逐渐轧成保险杠。
大梁的强度和刚度对整车的强度和刚度是至关重要的，在赛马车中，大梁采用抗拉强度为370 Mpa 的高强度钢板。
另外，前、后门的车门防撞杠亦采用了抗拉强度为370MPa 和440MPa 的高强度钢板来满足侧碰要求。
4 结束语
国外汽车生产中应用高强度钢板已相当普遍，一般说来，汽车外覆盖件采用强度为350～450MPa 的高强度钢板，以提高抗凹陷性；内板件则采用450～600MPa 的钢板。汽车减震器、保险杠等易受到冲击的部位采用600～800MPa 级别的钢板。
国内高强度钢板也已开始使用，但比例较小。高强度钢板在满足汽车轻量化的同时，对汽车安全性也有很大提高。另外，冶金行业也正致力于开发包括成形性能和焊接性能在内的高质量高强度钢板。相信在不久的将来，高强度钢板能广泛应用于中国的汽车工业。
参考文献
1 史美堂编. 金属材料及热处理. 上海工业大学
2 日本钢铁学会编. 钢铁的性能与试验(end)
|
|
| 文章内容仅供参考
(投稿)
(如果您是本文作者，请点击此处)
(5/12/2005) |
对 钢铁/粉末冶金 有何见解？请到 钢铁/粉末冶金论坛 畅所欲言吧！
|
