汽車高強(qiáng)板的發(fā)展

1、汽車高強(qiáng)板的發(fā)展1概述 在汽車輕量化的推動(dòng)下，汽車中轉(zhuǎn)而采用鋁合金、鎂合金和塑料的零部件越來(lái)越多。隨著輕質(zhì)材料在汽車上應(yīng)用比例的逐年增加，鋼鐵材料在汽車材料中的主導(dǎo)地位受到了威脅。為應(yīng)對(duì)來(lái)自輕質(zhì)材料的挑戰(zhàn)，鋼鐵企業(yè)將開發(fā)的重點(diǎn)放在了高強(qiáng)度鋼上。如今，高強(qiáng)度鋼已成為頗具競(jìng)爭(zhēng)力的汽車新材料，圖1和圖2為各類高強(qiáng)度鋼在不同的承載條件下的減重潛力其比較對(duì)象為USlSTAMP 04軟鋼板。同時(shí)高強(qiáng)度鋼在抗碰撞性能、耐蝕性能和成本方面較其他材料仍具有較大的優(yōu)勢(shì)，尤其是用于車身結(jié)構(gòu)件與覆蓋件、懸架件、車輪等零部件。本文是根據(jù)最近公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料編寫的，旨在反映國(guó)外汽車高強(qiáng)度鋼材料技術(shù)的最新進(jìn)展及

2、未來(lái)發(fā)展動(dòng)向，供國(guó)內(nèi)有關(guān)行業(yè)和部門參考。文中所述的高強(qiáng)度鋼包括高強(qiáng)度鋼(屈服強(qiáng)度大于210 MPa)，超高強(qiáng)度鋼(屈服強(qiáng)度大于550 MPa)和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)。2主要技術(shù)進(jìn)展 超輕車身(ULSAB)、超輕覆蓋件(ULSAC)、超輕懸架系統(tǒng)(ULSAS)和新概念超輕車身(ULSAB-AVC)等項(xiàng)目的成功實(shí)施，驗(yàn)證了高強(qiáng)度鋼在減輕汽車自重和改善車輛性能中的有效性。為了將這些項(xiàng)目所取得的技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)力，近期的高強(qiáng)度鋼技術(shù)研究，主要集中在支撐技術(shù)(Enabling Technologies)上。 21若干高強(qiáng)度鋼的開發(fā) 當(dāng)前正處于新一代高強(qiáng)度鋼開發(fā)的

3、前夜。從冶金學(xué)的角度看，近幾年高強(qiáng)度鋼材料的開發(fā)，大多只是對(duì)原有鋼種牌號(hào)的補(bǔ)充或性能改善，厚度進(jìn)一步減薄，材料本身并未取得突破性進(jìn)展。開發(fā)的難點(diǎn)是要針對(duì)不同的零件，力求在產(chǎn)品的強(qiáng)度、塑性和成本之間取得平衡。 SFGHITEN、NANOHITEN、ERW和HISTORY是日本JFE公司最近開發(fā)出的幾種高強(qiáng)度鋼。其中SFGHITEN為含Nb系列高強(qiáng)度IF鋼板，主要應(yīng)用對(duì)象是汽車車身外板，研究用鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。SFGHITEN利用析出的Nb(C，N)微粒和細(xì)化晶粒得到強(qiáng)化，其獨(dú)特之處在于晶界附近存在所謂“無(wú)沉淀區(qū)”，它降低了材料的屈服強(qiáng)度。與普通深沖鋼板相比，SFGHITEN具有高的r

4、值和二次脆性抗力，以及優(yōu)良的表面質(zhì)量。2004年已有TS340MPa、TS390 MPa和TS440 MPa 3種牌號(hào)進(jìn)入商品化，表2列出了它們的力學(xué)性能。圖3為采用SFG440試制的轎車翼子板這是一個(gè)對(duì)成形性要求很高的零件。成形性分析表明，該材料滿足轎車翼子板的成形性要求。NANOHITEN是強(qiáng)度級(jí)別為780MPa的熱軋鋼板，其特點(diǎn)是塑性好、擴(kuò)孔率高，具有優(yōu)良的翻邊成形性能和穩(wěn)定的力學(xué)性能，其典型的力學(xué)性能如表3。NAN0780可應(yīng)用于車身和底盤中的各類加強(qiáng)件、臂類與梁類零件，以及車架零件等。圖4為該材料在懸架系統(tǒng)中應(yīng)用的實(shí)例。ERW和HISTORY是JFE針對(duì)汽車懸架系零部件開發(fā)的高強(qiáng)度鋼

5、管，強(qiáng)度級(jí)別也是780 MPa。該材料具有良好的液壓成形性能其彎曲半徑小于2D(D為鋼管外徑) ，較高的疲勞強(qiáng)度和韌性，以及較好的涂裝性能。新鋼管已開始應(yīng)用于懸架系統(tǒng)的臂類零件。 SteIco公司最近開發(fā)出了一種代號(hào)為SteIR MM的高強(qiáng)度微合金，并已投放市場(chǎng)。表4列出了新鋼種和兩個(gè)傳統(tǒng)彈簧鋼的化學(xué)成分。試驗(yàn)表明，SteIR MM的斷裂韌性較傳統(tǒng)彈簧鋼SAE5106和SAE9259約高22%，這種提高得益于微量合金元素添加所帶來(lái)的材料顯微組織、晶粒尺寸、夾雜物形態(tài)的改善，以及化學(xué)強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化作用的加強(qiáng)。利用SteIR MM制造SUV后簧，其工作壓力提高了11%，質(zhì)量從5.6 kg

6、降至4.6kQ，減重幅度為18%。22新版高強(qiáng)度鋼應(yīng)用指南發(fā)布 2005年3月，國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)發(fā)布了先進(jìn)高強(qiáng)度鋼應(yīng)用指南(2.3版)，該指南集中了先進(jìn)高強(qiáng)度鋼已成熟的技術(shù)新成果和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，主要是白車身的成形技術(shù)和連接技術(shù)，旨在進(jìn)一步推動(dòng)高強(qiáng)度鋼在汽車中的應(yīng)用。手冊(cè)主要內(nèi)容如下。 第一部分簡(jiǎn)單介紹雙相鋼(DP)、相變誘導(dǎo)塑性鋼(TRIP)、復(fù)相鋼(CP)和馬氏體鋼(Mart)等先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，以及它們與普通高強(qiáng)度鋼的區(qū)別。   第二部分板材成形與管材成形，主要有材料力學(xué)性能的影響、材料的成形性能、模具設(shè)計(jì)與設(shè)備選用、回彈預(yù)測(cè)、分步成形等。  

7、0;第三部分連接技術(shù)，包括焊接工藝(電阻焊、高頻感應(yīng)焊接、激光焊接和電弧焊，以及焊接接頭性能試驗(yàn)與評(píng)價(jià))、銅焊、粘結(jié)、混合連接(點(diǎn)焊加粘結(jié))等。 歐盟于2004年也發(fā)表了類似的高強(qiáng)度鋼應(yīng)用指南。 23成形技術(shù) (1)液壓成形 高強(qiáng)度鋼的液壓成形技術(shù)仍處于發(fā)展階段。研究的重點(diǎn)包括：降低材料在成形過(guò)程中的加工硬化傾向；開發(fā)適用于液壓成形工藝的材料；改善潤(rùn)滑條件；提高生產(chǎn)效率；用于白車身結(jié)構(gòu)的薄壁、拼焊。錐形鋼管的成形性。彎曲性能和連接性能，生產(chǎn)大型零部件的液壓成形設(shè)備、高壓液壓源等。 (2)輥壓成形 輥壓成形本不是一種新工藝。最近由于降成

8、本的需要，利用輥壓成形(包括熱輥壓成形)工藝和高強(qiáng)度鋼制造車身防撞構(gòu)件引起了廣泛興趣。對(duì)傳統(tǒng)的輥壓成形工藝進(jìn)行改進(jìn)，可以生產(chǎn)變截面、封閉截面以及長(zhǎng)度方向發(fā)生曲線變化的構(gòu)件。最近的一項(xiàng)研究表明，超高強(qiáng)度鋼B柱、車頂橫梁與縱梁、地板橫梁與側(cè)梁等零件，最適于采用輥壓成形工藝制造。 (3)氣體熱成形(Hot Metal Gas Forming) 氣體熱成形是正在研究的一項(xiàng)高強(qiáng)度鋼成形新技術(shù)它適用于鋼、鋁合金。鎂合金等金屬管材、板材，尤其是高強(qiáng)度鋼管件的成形。實(shí)際上氣體熱成形是由通常的超塑性成形和航空工業(yè)中鋁、鈦合金的吹氣熱成形演變來(lái)的。下面借助圖5，簡(jiǎn)要介紹金屬管件成形過(guò)程。

9、60;首先根據(jù)零件的尺寸截取一定長(zhǎng)度金屬管(如圖5a)，并按照零件的形狀將它彎曲預(yù)成形(如圖5b)，然后放入用陶瓷材料制成的模具中(如圖5c)；安裝在模具內(nèi)的感應(yīng)器通過(guò)電磁感應(yīng)，對(duì)工件進(jìn)行加熱，當(dāng)達(dá)到一定的溫度(通常情況下鋼為1093，鋁為482)后，在管內(nèi)通以低壓氣體(最高氣壓不超過(guò)70kPa)，使工件成形為凈尺寸的零件(如圖5d)；零件成形后，在另一副模具中進(jìn)行淬火處理。成形設(shè)備可采用圖6所示的壓力機(jī)。為提高生產(chǎn)效率，在同一臺(tái)壓力機(jī)上安裝了兩套可獨(dú)立控制模具，一套用于成形，一套用于淬火。同液壓成形相比，氣體熱成形具有以下優(yōu)點(diǎn)。 所需的成形壓力低，液壓成形的壓力通常在2100kPa

10、以上，而氣體熱成形最高氣壓不超過(guò)70kPa，僅為它的1/30。 改善了材料成形性能，突破了材料常溫成形性能的局限，材料的伸長(zhǎng)率可超過(guò)100%，從而可生產(chǎn)形狀更為復(fù)雜的零件。 生產(chǎn)效率高，加熱時(shí)間512s，成形時(shí)間3s。 成本低，設(shè)備投資和能源消耗遠(yuǎn)低于液壓成形。 上述優(yōu)點(diǎn)使氣體熱成形有望超越常規(guī)金屬成形工藝，成為用于車身、底盤構(gòu)件的新一代成形工藝。 24連接技術(shù) 圖7為各種連接工藝在2005款A(yù)udiA6白車身中的應(yīng)用情況，它與以前車型詳細(xì)的對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。不難看出，當(dāng)前鋼車身的連接仍以電阻點(diǎn)焊為主，但所占的比例呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；其他的

11、連接新方法，如激光焊接、鉚接、粘結(jié)以及點(diǎn)焊加粘結(jié)等也已得到實(shí)際應(yīng)用，而且其應(yīng)用將不斷增加。摩擦點(diǎn)焊是一項(xiàng)高強(qiáng)度鋼焊接新技術(shù)，其原理如圖8。焊接也是靠焊頭與工件緊密接觸時(shí)，焊頭高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱能使焊點(diǎn)區(qū)域的金屬達(dá)到熱塑性狀態(tài)，在焊頭的壓力下結(jié)合形成焊點(diǎn)。不同之處在于，摩擦點(diǎn)焊中焊接時(shí)焊頭不像普通摩擦焊那樣，需要邊旋轉(zhuǎn)邊移動(dòng)。摩擦點(diǎn)焊已于2003年成功地用于鋁合金的焊接，其優(yōu)點(diǎn)是焊點(diǎn)質(zhì)量穩(wěn)定、性能好，設(shè)備投資小，節(jié)能成本低。利用圖9所示的焊接設(shè)備，選用厚度為1.5mm的DP780和DP600鋼板進(jìn)行了初步試驗(yàn)，典型的焊點(diǎn)形態(tài)如圖10。圖10中a、b、c分別為金屬基體、熱影響區(qū)和接合區(qū)。25零部件

12、應(yīng)用的進(jìn)展 (1)鋼板的柔性軋制技術(shù)(Flexible Rolling) 在“Great design in steel 2006”年會(huì)上，Mubea公司介紹了他們發(fā)明的一項(xiàng)新技術(shù)鋼板的柔性軋制技術(shù)。利用該技術(shù)可生產(chǎn)截面厚度可變的鋼板卷料(簡(jiǎn)稱TRW)，以取代應(yīng)用日益廣泛的激光拼焊板。圖11為鋼板柔性軋制原理圖，軋制過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制。首先將截面厚度變化規(guī)律輸入計(jì)算機(jī)，工作過(guò)程中，軋輥間隙在計(jì)算機(jī)的控制下自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整使鋼板的厚度按預(yù)定的要求呈周期性變化。用TRW生產(chǎn)汽車零部件主要工藝流程見(jiàn)圖12，先將TRW卷料退火后鍍鋅，再在；中壓車間開卷校平、剪切，最后沖壓成形。例如采用T

13、RW生產(chǎn)的賽車駕駛室橫粱，其板坯截面厚度變化為10161816101410(均為mm)，材料是HSLA420，較原零件減重30%。TRW在車身、底盤中的其他應(yīng)用實(shí)例參見(jiàn)圖13。同現(xiàn)有的技術(shù)相比,TRW在零部件的質(zhì)量、性能成本和復(fù)雜程度方面更具優(yōu)勢(shì)。 (2)新型鋼車身項(xiàng)目(New Steel Body，簡(jiǎn)稱NSB) 繼超輕汽車系列項(xiàng)目之后，Thyssen公司完成了新型鋼車身項(xiàng)目NSB。該項(xiàng)目采用新的設(shè)計(jì)理念、材料和制造技術(shù)，使白車身減重77kg(減重幅度為24%)，車輛的剛度和安全性能完全滿足法規(guī)要求，而生產(chǎn)成本僅增加2%。 NSB白車身材料構(gòu)成比如圖14，它使用了

14、大量的雙相鋼、復(fù)相鋼等高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度在120-220 MPa的深；中軟鋼板只占16%。同時(shí)在NSB的制造中也引入了許多新技術(shù)。車身構(gòu)件有46%為封閉截面的高強(qiáng)度鋼薄壁異型鋼管，由于沒(méi)有折邊或凸緣，單此一項(xiàng)可使零件減重14%。主要構(gòu)件采用液壓成形和輥壓成形工藝其中液壓成形的管狀截面構(gòu)件有前后側(cè)梁和車頂縱粱(如圖15a)，加上B柱、C柱和D柱等其他零件，液壓成形零件所占比例(按質(zhì)量計(jì))達(dá)24%；采用輥壓成形零件的比例為20%，它包括直線輥壓成形和彎曲輥壓成形，直線輥壓成形的超高強(qiáng)度鋼構(gòu)件(如圖15b)主要有擺梁、前座椅橫梁、鉸接粱和儀表板橫梁等。零部件的連接以激光焊接為主，其焊縫長(zhǎng)度幾乎占去了

15、接縫總長(zhǎng)度的70%。圖16為NSB白車身采用的制造技術(shù)明細(xì)圖。NSB項(xiàng)目從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的角度，進(jìn)一步驗(yàn)證了高強(qiáng)度鋼在汽車輕量化中應(yīng)用的可行性。 Arcelor公司最近也完成了代號(hào)為ABC(Arcelor Body Concept)的類似研究，取得了在確保性能滿足要求的前提下，白車身減重20%、成本增加9%的結(jié)果。目前，還有許多高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用研究項(xiàng)目尚在進(jìn)行中。例如，USAMP旗下的輕量化前部構(gòu)件(針對(duì)保險(xiǎn)杠、各種槽形構(gòu)件)、輕量化的覆蓋件(對(duì)象為車門外板等)和新一代車架在皮卡、SUV中的應(yīng)用等。 3典型應(yīng)用實(shí)例 31車身 目前，許多新款轎車車身中高強(qiáng)度鋼所

16、占的比例已超過(guò)40%。以Mercedes-Benz幾款新車為例，圖17a為2006M級(jí)SUV車身結(jié)構(gòu)，它的保險(xiǎn)杠支架、空氣彈簧座為雙相鋼，B柱、座椅橫檔和車門防側(cè)撞橫梁采用的是BTR鋼(Benteler集團(tuán)生產(chǎn)的一種超高強(qiáng)度鋼)。與老款車相比，車身高強(qiáng)度鋼的用量增加了5倍，達(dá)到了62%。由于采用了大量的高強(qiáng)度鋼，盡管其長(zhǎng)度與寬度比老款車分別加大了150 mm和71 mm，軸距也加長(zhǎng)了95 mm新款ML350的自重比2005款反而降低了90kg。 另一款Mercedes A級(jí)轎車車身結(jié)構(gòu)如圖17b所示，其高強(qiáng)度鋼所占比例達(dá)到了67%。由圖可以看出，車身骨架、底板框架以及前、后保險(xiǎn)杠均使

17、用了高強(qiáng)度鋼，使車輛的抗碰撞能力大幅度提高。 新款Mercedes S級(jí)轎車車身高強(qiáng)度鋼的用量稍低接近50%。高強(qiáng)度鋼的采用使其在減重的同時(shí)，扭轉(zhuǎn)剛度大約提高了12%。 其他如本田2006 Ridgeline、本田2005 Odyssey、本田Civic、福特2005 Freestyle和500、2005Chrysler 300、雪弗蘭2004 Malibu等車型使用的高強(qiáng)度鋼均有較大的增長(zhǎng)。 高強(qiáng)度鋼在車上應(yīng)用不斷增長(zhǎng)的另一標(biāo)志是激光拼焊板的用量逐年增加。歐洲2001年激光拼焊板的用量約607件，而2005年達(dá)到130多萬(wàn)件，4年時(shí)間翻了一番多。 32

18、車輪 鋼曾經(jīng)是車輪材料的主要選擇，1980年鋼車輪的市場(chǎng)份額達(dá)到90%。此后，鋁車輪以其質(zhì)量輕、圓度和平衡性能好、外表美觀和更具個(gè)性化等優(yōu)點(diǎn)，受到市場(chǎng)喜愛(ài)，其用量扶搖直上，1999年開始超過(guò)鋼車輪，2001年達(dá)到了最大值(接近60%)。 為了奪回失去的市場(chǎng)，鋼車輪的技術(shù)進(jìn)步一直在進(jìn)行。這些技術(shù)包括高強(qiáng)度車輪鋼的開發(fā)，使車輪用鋼的強(qiáng)度水平已由20世紀(jì)80年代初的240MPa，提高到目前的600MPa(下一步強(qiáng)度目標(biāo)為860MPa)；模擬軟件與CAD/CAM系統(tǒng)的改進(jìn)以及鋼車輪結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，可以設(shè)計(jì)出尺寸精度高、外形同樣美觀的鋼車輪。圖18為福特F-250鍍鉻鋼車輪，其質(zhì)量、性能

19、與外觀同鋁車輪相比毫不遜色，而單件成本要低50美元。由此可以看出，在鋼、鋁車輪之爭(zhēng)中，鋼又逐漸占據(jù)上風(fēng)。其結(jié)果是自2001年以來(lái)鋼車輪的比例開始回升，現(xiàn)已升高到47%。33其他零部件 高強(qiáng)度鋼應(yīng)用于其它零部件的若干實(shí)例見(jiàn)圖19，其中有發(fā)動(dòng)機(jī)托架、散熱器支架等發(fā)動(dòng)機(jī)零部件儀表板橫粱、輕型車車架、控制臂等底盤零部件，以及座椅骨架、儀表板橫梁等。這些零部件大多采用液壓成形工藝制造。4未來(lái)技術(shù)發(fā)展動(dòng)向 為了在與其他材料競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)地位，擴(kuò)大鋼鐵材料在汽車上的應(yīng)用范圍，鞏固在汽車用材中的主導(dǎo)地位，未來(lái)高強(qiáng)度鋼的技術(shù)開發(fā)將緊密圍繞汽車工業(yè)降低成本、減輕自重的需求來(lái)展開。今后擬重點(diǎn)發(fā)展

20、的技術(shù)有以下幾方面。 (1)新一代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼  (板、管材)開發(fā) 通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的重大改進(jìn)與技術(shù)創(chuàng)新，以及精心的微觀組織設(shè)計(jì)，開發(fā)新一代高強(qiáng)度鋼如圖20。新一代高強(qiáng)度鋼不但具有很高的強(qiáng)度，而且具有超級(jí)延性和極高的沖擊能量吸收率。目前的高強(qiáng)度鋼(如低合金高強(qiáng)度鋼、雙相鋼、復(fù)相鋼和TRIP鋼等)的強(qiáng)度在400-1200MPa。近中期的目標(biāo)是，通過(guò)冶煉技術(shù)的改進(jìn)和新穎的化學(xué)成分設(shè)計(jì)，減少或取消貴重合金元素用量，開發(fā)出強(qiáng)度更高、其他性能(塑性、成形性、韌性)優(yōu)良的高強(qiáng)度鋼如高成形性的品種，高彈性模量的品種，成形后強(qiáng)化(非烘烤硬化)新品種等。遠(yuǎn)期目標(biāo)是開發(fā)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、

21、韌性好的復(fù)合材料(鋼其他金屬材料或鋼非金屬材料)低密度鋼，以及近凈尺寸零件用材(如車身骨架用的高強(qiáng)度無(wú)縫鋼管)。 高強(qiáng)度棒材的開發(fā)包括雙相鋼、超塑性高碳鋼和微合金貝氏體鋼等。 (2)制造技術(shù) 成形技術(shù)。未來(lái)要大力發(fā)展的成形技術(shù)有管件液壓成形、板件液壓成形、輥壓成形、電磁成形、氣體熱成形等。 連接技術(shù)。主要有先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的焊接。薄鍍層板的焊接、鍍層板的激光焊接、總成的激光焊接、鋼與其他合金的連接、車身外板的激光拼焊，以及開發(fā)新的連接技術(shù)等。 (3)提高計(jì)算機(jī)模擬精度輕量化材料的研究與應(yīng)用將越來(lái)越依賴計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，模擬精度的提高意味著降低風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有模擬分析技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以提高其結(jié)果的準(zhǔn)確性。需要改進(jìn)的分析方法包括動(dòng)態(tài)碰撞模型，有限元成形模擬用的成形極限圖，板材成形模擬，沖壓件疲勞壽命預(yù)測(cè)，高強(qiáng)