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钢铁/粉末冶金 |
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汽车用薄钢板工艺及特性 |
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作者：中信微合金化技术中心 孟繁茂 |
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1 前言
环境保护要求汽车降低CO2排放量尽可能的减小，要求减轻车体重量。在确保安全的条件下减重，必然要发展高强度钢板。车体的刚度只靠钢的强度是不行的，还需要改进车体部件结构设计，采用补强材料。乘用四门车要求安全而且美观，因而对钢的成型性、耐撞击抗变形性、吸收撞击功能要高。众所周知，强度提高则加工困难。以上种种因素促成汽车用板材的发展，并且使其取得很大进步。
表1和表2分别列出日本JIS标准的冷轧带钢和热轧带钢，强度从270MPa到1180MPa。大体上说汽车内外板用钢有如下几种：（1）普通低碳铝镇静钢；（2）以Nb、Ti为碳氮化物形成元素的细化晶粒钢和沉淀强化钢；（3）铁素体基上弥散分布的马氏体复相组织强化的双相钢；（4）利用残余奥氏体产生高延性的TRIP钢（相变诱导）；（5）Nb、Ti固定超低碳（C<20ppm）的IF钢，是具有高r值的强化型IF钢。表1 冷轧带钢
 用热轧板代替冷轧板时，板厚精度和材质的均匀性是重要因素。例如评价成型性因素之一的反弹性，它受板厚度、屈服强度、抗拉强度等的影响，它们的均匀性对控制反弹性是有利的。表2 热轧带钢
 表3列出镀锌钢带的强度级别牌号以及特性。表3 镀锌钢带
 2 汽车内外板的特性及其工艺方法
2.1 成型性
钢材成型性方式大致分为深冲、卷边、形状匹配以及压延性等，每种成型性都有其相应的特性要求，它们与屈服强度，抗拉强度，延伸率， n值，r值的密切相关，如r值对深冲，卷边性有效，屈服强度对形状匹配特别有效。各种成型性和材料特性的关系如表4。表4 机械性能同成型性的关系
（有效 ←◎○△→ 无效） 2.2抗起皱性
对汽车外面板，成型后“起皱”是非常讨厌的。抗“起皱”成为外板的极重要特性，它与冲压件的原板厚度和屈服强度有依从关系。维持冲压件表面圆滑，钢板的高强度而壁的减薄需要高的屈强比，这样的钢板才能在冲压成型时减少起皱缺陷的发生。作为技术措施，开发了具有应变时效硬化现象的烘烤硬化型IF钢，也称BH钢。
塑性各向异性高度发展的IF钢，经过在强度方面的研发成为BH钢。典型IF钢冲压成形性极好，但屈服强度极低，容易产生“皱纹”。BH钢采用较高温度（例830℃），低于Ac3点，稍高于NbC→Nb+C溶解反应的温度进行退火使NbC部分溶解，这样的钢既具备高深冲性，又有适量的固溶C提供烘烤时效硬化。固溶C、N量太少时不足以产生应变时效硬化和烘烤硬化，太多时会降低r值。因此控制得当是关键。热轧母板时，NbC已完全固定了固溶C。在冷轧后连续退火时既使｛111｝织构组织高度发展，又有部分NbC溶解，产生一定量的残余C、N。这是340MPa级IF兼BH性钢板的生产工艺要点。
最新研究报告采用较高C，过量Nb/C比（化学比）生产高强度IF钢。利用过剩Nb强化晶界而提高钢的强韧性。
2.3 焊接性能
车体装配多采用高效率点焊，不仅要求焊缝强度而且要求不发生点内断裂。决定因素之一是按钢中P、S、C、Si、Mn等计算的Ceq。特别是S，必须尽量降低。其它元素是钢成分设计实行周密调控。
极低碳的钢应用广泛，特别是IF钢。焊缝疲劳性能和化学成分、机械性能见表5。表5 实用钢的化学成分和机械性能
 Ti-Nb-B钢的疲劳强度最好，不论是交变应力还是扭转应力都高于其它3种钢。其次是Nb-Ti钢，只加Ti的钢明显不好，HAZ组织显著粗大，强度低。
电阻焊时由于C量高，会引起焊缝区淬硬而性能劣化。特别是M+F双相钢，相变产生的残余应力会降低疲劳性能。
不同厚度不同强度钢板接合的部件在冲压成形前广泛使用激光焊，它对HAZ影响较少，可以达到高精度。
此外，也使用机械接合法。诸多的连接法也促进了钢板的多样性的发展。
2.4 涂镀性
高强度的应用主要是为减少厚度，这意味着还要提高抗腐蚀性。在严重腐蚀的环境下，提高耐蚀性也是重要课题。极低碳钢加P、Cu可提高耐蚀性。更高要求的部件要使用镀锌板。镀锌板分电镀锌和合金化镀锌两种。
镀锌过程是连续的，在约550℃停留一定时间，这就要求钢的性能对此不敏感才好，所以极低碳钢对此有利。另外钢中Si、Mn比铁容易氧化成氧化物，它有害于Fe-Zn反应，产生缺陷，钢中P推迟Zn的合金化，有碍镀层质量。
2.5 强化机制
（1） 固溶强化
由于合金化镀锌板对Si、Mn、P有上限要求，所以固溶强化Si、Mn、P的使用有上限限制。
（2）析出强化
作为析出强化元素Nb、Ti、V，它们的最佳使用量的绝对值很小，对镀锌层的质量无影响。析出强化钢的弯曲加工，卷边性都很优越，可以说是该类钢特长。
（3）相变组织强化
所谓相变组织强化在汽车板中就是复合组织强化。母相是柔软的铁素体，硬相是马氏体或贝茵体以及残余奥氏体。
以马氏体为主的第二相，马氏体-铁素体双相钢，从微观上看马氏体是应变不均匀的起因，因而导致良好的延伸特性，特别是均匀延伸性能更好。这是双相钢的超塑性在常温下的行为。如果含有残奥会更好。会产生PRIP现象。马氏体的存在降低屈服强度，对弯曲半径大的成形，对形状固定有利，即反弹性小。贝茵体含量多时，局部延伸性好，对卷边性的加工有改善作用。
总之，适当控制软相基体中弥散分布的第二相、第三相，就会取得各种特性。
（4）烤漆硬化
此即为应变时效硬化，极低碳钢对加热曲线不敏感，对烤漆硬化有利。
表6该出440MPa以内的内外板的性能。表6 成形用钢板样品的机械性能
BH(烘烤硬化) : 2%预应变170°C×20min时效 3、超高r值钢板生产技术与成形性
用以往的方法生产的用于深冲成形的冷轧板，r值最高达到2.4。调整成分的Ti-Nb复合IF钢冷轧退火后{111}再结晶织构组织发达，r值达到3.0。其生产工艺要点是在γ区下部温度初轧，在α区上部温度精轧，为防止垂直板面方向的不均匀变形，热轧时加强润滑，这样热轧母板的再结晶{111}织构组织发达。
直角筒状深冲成形高r值是有效。防止深冲件侧面裂纹，Δr值越大越好。
以上主要叙述日本汽车内外板用薄钢板情况。
3.1 高强度薄钢板的特征
（1）高强度及其强化机理
表7列出了TS440MPa级到1180MPa级各类钢标准牌号及强化机理。
作为高强化的强化方法有：①Si Mn P的固溶强化；②Ti Nb等的碳氮化物的析出强化；③细化晶粒强化；④钢中硬质相马氏体或贝茵体相变强化；⑤加工位错强化。其中铌的应用受到广泛重视，铌是沉淀强化、细化晶粒强化、相变强化高强度高韧性汽车薄板不可缺少的元素。
作为冲压成形性的典型指标之一是拉伸试验的总延伸率，它与不同强化机制的高强钢的强度之间存在关系。总体上是随强度的提高总延伸率下降。双相钢的强度高，总延伸率也高；均匀组织钢强度较低，总延伸率高。百分之几的残余贝氏体引起PRIP现象导致总延伸率的提高，最适于胀型成形，已得到应用。
另一个典型的加工性能指标是拉伸卷边性，它用扩孔率表示。590MPa级钢的扩孔率λ×TS和总延伸El×TS之间的关系表明：不同组织的钢加工性能是不同的，细晶粒钢的加工性能最好。
（2）组织与加工性
一般来说，同一硬度的组织（单相组织）对提高卷边性能最有效，若是双相钢，两相硬度差小的卷边性能好。相反，沉淀硬化型的双相钢中软质的铁素体相由TiC强化后拉伸卷边性得到提高。特别780MPa级析出硬化型双相钢，具有高疲劳性能、优越的卷边性和高扩孔率，用作超高强度轻量化的车轮。
局部变形和均匀变形性都优越的理想的高加工性能钢，宏观上均匀的硬化组织而微观上不均匀的硬化组织是所希望的，其硬质相（马、贝、残奥）不被析出硬化而且最好是弥散分布。利用动态再结晶获得的微细化晶粒组织，均匀延伸率不下降，卷边性能显著提高。
利用应变时效硬化，开发了440MPa级热轧板，涂漆烘烤硬化后其抗撞击性与590MPa钢相当。
3.2 高速变形特性与撞击功吸收特性
帽形抗冲击试验指出变形速度越高，高强度钢吸收撞击能越大。反之，撞击速度越小，低强度钢吸收撞击能量越大。拉伸试验指出变形时，钢的TS和YS都随变形速度的增高而增高。双相钢晶界和相界都是吸收功的“地方”，所以双相钢具有更好的抗撞击能力。
3.3 高强度钢的成形性表7 日本钢铁协会标准和川歧公司生产的各类高强度钢的强化机理
 高强度钢板的冲压成形存在很多问题。由于屈服点的升高，对表面起皱、面变形等表面质量和尺寸精度带来很大的不利影响；由于延伸率的下降引起鼓胀成形性、拉伸卷边性、弯曲性能下降。因此，高强度钢板的裂纹、微小的表面性状不良、冲压件反弹、翘曲、形状固定性不良等都是高强度成形时的大问题。
关于形状稳定性（Fixabilities）预先评定是用直角圆柱形冲压件底部反弹角α和立壁翘曲率ρ表示。两者的值越大成形性越不好。它们与钢的YS和TS有关。对极低碳IF钢，TS 440 MPa级固溶强化钢，TS 590 MPa级固溶强化钢，TS 590 MPa级双相钢，TS 780 MPa级析出强化钢共5个强度水平的钢种，研究了强度和弯曲半径对成形稳定性的影响，结果显示用与弯曲半径相当的塑性变形对评价变形固定性有很好的一致性，其准确性在0.999以上。
以上叙述了440-1180MPa级各种类型的汽车高强度薄钢板应用现状及抗冲击功吸收特性和冷成型的形状固定性。
以上基本概括汽车钢板应用生产现状，钢板各种特性要求各种不同的物理冶金性能。我国汽车钢板生产水平还是相对落后，需要不断研制开发出新的高强度汽车钢新产品。(end)
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(6/21/2005) |
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