有助于輕量化的汽車用鋼板的開發(fā)現(xiàn)狀與未來(lái)展望

1、有助于輕量化的汽車用鋼板的開發(fā)現(xiàn)狀與未來(lái)展望1 前言21世紀(jì)可以說(shuō)是可以開發(fā)與環(huán)境共生技術(shù)的世紀(jì)。在環(huán)境問(wèn)題當(dāng)中最引人注目之一的是CO2的排放。貫穿汽車生涯的CO2的排放，有89成是在汽車行駛當(dāng)中所排放出來(lái)的，降低燃耗可以對(duì)減少CO2排放量做出較大的貢獻(xiàn)，這一點(diǎn)是眾所周知的。為了減少CO2，在開發(fā)像混合動(dòng)力車和燃料電池車那樣的新動(dòng)力和開發(fā)改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率技術(shù)等同時(shí)，車身輕量化也依然是一個(gè)重要的目標(biāo)。本文中，在介紹目的在于輕量化汽車用鋼板的研究開發(fā)現(xiàn)狀的同時(shí)，也提及到對(duì)未來(lái)的展望。2 車用鋼板有關(guān)車身板的開發(fā)是在二個(gè)大的方面所被推進(jìn)的。一個(gè)是滿足外板板上所見的耐壓痕性和耐面應(yīng)變性兩特性的鋼板開

2、發(fā)。再一個(gè)是為了確?？臻g，可以進(jìn)行嚴(yán)格形狀成形的超成形性鋼板的開發(fā)。超成形性鋼板在從輕量化的角度來(lái)看，寄予的希望較小，因此，在此不與涉及，請(qǐng)參考即報(bào)。滿足耐壓痕性和耐面應(yīng)變性兩特點(diǎn)鋼板的代表是BH（Bake Hardening）。BH鋼板在沖壓加工時(shí)，YP低，容易進(jìn)行沖壓加工，根據(jù)成形后的涂裝固化處理，成為YP變高的、合理的鋼板。鋼板的BH原理是，固溶C、N根據(jù)BH處理，轉(zhuǎn)位固定，在轉(zhuǎn)位動(dòng)態(tài)中抵抗，提高屈服應(yīng)力的現(xiàn)象。但是，該現(xiàn)象由于是即使在接近室溫的較低溫度下，如果經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后也會(huì)發(fā)生，因此，需要限定固溶C、N的上限，使其到進(jìn)行沖壓為止，不會(huì)明顯產(chǎn)生該自然時(shí)效現(xiàn)象。如果產(chǎn)生自然時(shí)效的話，那

3、么在沖壓時(shí)就會(huì)出現(xiàn)在屈服點(diǎn)延伸（YP-El）中引起的被稱之為拉伸應(yīng)變（St-St）的條狀表面缺陷，就不能保證作為汽車外板用的表面質(zhì)量。原來(lái)的BH鋼板，BH處理后的BH量的下限為30MPa，但是，在不出現(xiàn)St-St的條件下，將BH量的下限提高到什么程度為好，這是現(xiàn)在所存在的課題。在最近，開發(fā)了靈活利用了在常溫下，Mo控制C的動(dòng)態(tài)、在BH溫度下其相互作用減弱、可以保證高BH量這種C與Mo相互作用的溫度依賴性的新型BH鋼板。圖1所示的就是這種鋼板，它控制了YP-El的發(fā)生，獲得了較高的BH，并獲得了成功。將來(lái)的BH鋼板目標(biāo)是將下限提高到60MPa，比現(xiàn)有的BH鋼板再降一半。圖1 涉及BH量-YP-E

4、l鋼型的影響但是，St-St的發(fā)生由于是在常溫下，C運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)位固定所造成的，因此，如果在沖壓之前，由表皮光軋引入可動(dòng)轉(zhuǎn)位，就可以避免St-St。如果將來(lái)能夠確立為了獲得較高的BH，將含有大量固溶C的鋼板，在表皮光軋之后，以短時(shí)間進(jìn)行沖壓加工SCM（Supply Chain Management）的話，那么就可以認(rèn)為下限60MPa的BH量是可以比較容易實(shí)現(xiàn)的。3 在中、高強(qiáng)度區(qū)域成形性好的構(gòu)造用高強(qiáng)度鋼在選擇材料時(shí)，根據(jù)部位的成形樣式，如圖2所示的那樣來(lái)決定是應(yīng)該適用于重視延伸性型、重視擴(kuò)孔性型還是作為折衷的延伸-擴(kuò)孔性平衡型的材料。這些特性如圖3所示，根據(jù)材料的組織會(huì)受到很大的影響，因此，為了

5、獲得必要的特性，組織的控制是很重要的。圖2 延伸-擴(kuò)孔平衡的模式圖重視延伸性型的代表是，殘留奧氏體鋼（TRIP鋼），在加工當(dāng)中，鋼板中殘留著的奧氏體在加工誘發(fā)馬氏體中變態(tài)（TRIP現(xiàn)象），變態(tài)部位被強(qiáng)化，變態(tài)不集中地推進(jìn)鄰接部分的變形，因此，提高了均勻延伸性，它是一種可以獲得高延展性的鋼。作為薄板所使用的TRIP鋼，考慮到焊接性，以C量在0.2%以下的低炭素鋼為基礎(chǔ)，但是，在室溫條件下使奧氏體殘留的話，需要在奧氏體當(dāng)中，使1%左右的C量濃化。為此，就需要在伴隨鐵素體、貝氏體變態(tài)的進(jìn)行，將未變態(tài)的奧氏體中濃化了的C作為滲碳體而不被析出上下功夫，添加提高滲碳體自由能量的Si、Al等元素，以此來(lái)抑制

6、滲碳體的析出。延展性是根據(jù)殘留奧氏體量于其中所含有的C濃度的增加來(lái)提高的，但是，添加的C量是一定的，如果奧氏體量多的話，其中的C濃度就下降，因此，奧氏體的量要適當(dāng)，一般調(diào)整在從百分之幾到百分之十幾。圖3 涉及強(qiáng)度-延伸性平衡以及強(qiáng)度-擴(kuò)孔性平衡的組織影響TRIP現(xiàn)象造成的變態(tài)量根據(jù)變形方式而有所不同，如圖4所示，與承受收縮法蘭成形的法蘭部位相比，承受等2軸成形的壁部更容易引起加工誘發(fā)變態(tài)，因此，法蘭部位的材料比較容易流入，壁部硬化的結(jié)果是TRIP鋼不僅值低而且顯示出出色的深拉深性。另外，TRIP現(xiàn)象在沖撞時(shí)的能量吸收和抑制疲勞時(shí)的龜裂傳遞方面也具有良好的效果，它被確認(rèn)具有良好的沖撞安全性和疲勞

7、特性，是一種有希望成為汽車構(gòu)造用材料的鋼板。但是，TRIP鋼是為了抑制前面所述那樣滲碳體的析出，添加了Si，因此，退火時(shí)在表面生成Si系列的氧化物，造成熱滲鍍鋅的浸濕性以及合金化的延遲，它作為電鍍鋼板的實(shí)用化較晚。但是，最近，用新的成分設(shè)計(jì)，控制鋼板表面界面反應(yīng)，解決浸濕性以及合金化問(wèn)題，并且，在此基礎(chǔ)上確保了在熱滲電鍍工藝中難于保證的殘余奧氏體量以及其中的C濃度這一方面獲得了成功，開發(fā)出了在耐腐蝕方面具有良好表現(xiàn)的合金化鍍鋅TRIP鋼。圖4 涉及由變形造成殘留奧氏體量減少的成形樣式的影響超過(guò)TRIP鋼，作為高延伸性高強(qiáng)度鋼的開發(fā)，對(duì)TWIP鋼進(jìn)行了研究。所謂的TWIP就是伴隨加工誘發(fā)雙晶的變

8、形，原理是添加25%左右的Mn，使組織成為奧氏體的鋼板在變形時(shí)，伴隨雙晶變形，加工硬化，與TRIP同樣地提高均勻性。該鋼板作為強(qiáng)度-延伸性平衡TS：900MPa-El：70%，可以期待它具有以前所沒(méi)有的出色特性，但是，在制造性、成本、作為構(gòu)造用材料的性能特性上還存在問(wèn)題，這一點(diǎn)將會(huì)成為今后所需要解決的一個(gè)課題。另外，在重視擴(kuò)孔性的情況時(shí)，使用單相組織鋼。在擴(kuò)孔加工上所具有代表性的延伸法蘭加工部位，大多是端面沖孔之后就進(jìn)行加工。在沖孔破斷面上產(chǎn)生有顯微裂紋。一般來(lái)說(shuō)，所謂的對(duì)延伸法蘭加工性具有良好特性的材料就是破斷面顯微裂紋較淺的材料，較深顯微裂紋的，會(huì)招致擴(kuò)孔性顯著的惡化。抑制較深顯微裂紋生成

9、的手段就是組織的均勻化。關(guān)于顯微裂紋的生成部位，要多觀察硬的相與軟的相之間界面的軟的一側(cè)。也就是說(shuō)，應(yīng)該考慮到，如果硬的相與軟的相的硬度差大的話，就會(huì)在軟的一側(cè)的界面附近引起應(yīng)變的集中，容易發(fā)生較深的顯微裂紋。硬相與軟相相混，其硬度差較大的材料可以舉出鐵素體+珠光體鋼、DP鋼、殘留奧氏體鋼等，這些鋼的擴(kuò)孔性較差。另外，作為組織不均勻性小的鋼，可以舉出鐵素體單相鋼、貝氏體單相鋼。這也就是說(shuō)，在高強(qiáng)度鋼板當(dāng)中，貝氏體鋼（包括貝尼迪克鐵素體）具有優(yōu)良的強(qiáng)度-延伸法蘭加工性平衡。作為延伸-擴(kuò)孔性平衡型的鋼板，開發(fā)了將母相作為延伸性優(yōu)良的鐵素體單相或者是貝尼迪克鐵素體單相，根據(jù)由不容易引起強(qiáng)度不均勻性的

10、微細(xì)析出物強(qiáng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度化的鋼板。例如，開發(fā)出了在熱軋冷卻時(shí)以及卷取時(shí)使TiC或（TiMo）C大量析出的貝尼迪克鐵素體組織的780MPa級(jí)的熱軋鋼板和以IF鋼為基礎(chǔ)使Cu析出的590級(jí)的鋼板。再有，還開發(fā)了對(duì)屬于延伸重視型的DP鋼和TRIP鋼進(jìn)行了改良的平衡型鋼板。關(guān)于DP鋼板，根據(jù)在上述熱軋冷卻時(shí)，將鐵素體部分進(jìn)行細(xì)微析出的析出物進(jìn)行強(qiáng)化，以此來(lái)降低與第2相的硬度差，開發(fā)了提高延伸-擴(kuò)孔平衡的鋼板。另外，關(guān)于TRIP鋼，它與原來(lái)不同，不是鐵素體、貝氏體、殘留奧氏體3相組織，而是將貝氏體作為母相，膜狀地23%分散殘留奧氏體的組織鋼板，據(jù)報(bào)告，它具有出色的延伸-擴(kuò)孔性平衡的特點(diǎn)。擴(kuò)孔性出色的T

11、RIP鋼的構(gòu)思是，根據(jù)以貝氏體為主相，使組織均勻化，根據(jù)減少奧氏體的殘留量來(lái)增加奧氏體的穩(wěn)定性，在沖壓加工時(shí)，不太引起加工誘發(fā)變態(tài)地、不增加母相與第2相硬度差地抑制顯微裂紋的生成，在其之后的延伸法蘭加工時(shí)，發(fā)現(xiàn)TRIP效果，抑制龜裂的發(fā)生和傳播，提高延伸法蘭加工性。關(guān)于高炭素鋼，根據(jù)將貝氏體組織的鋼板進(jìn)行球狀處理，使?jié)B碳體均勻地細(xì)微分散，以此來(lái)達(dá)到提高延伸-擴(kuò)孔性平衡的目的。但是，關(guān)于擴(kuò)孔性我們知道，根據(jù)在沖孔面進(jìn)行機(jī)械加工，減少?zèng)_孔加工的余隙，可以明顯地提高擴(kuò)孔性。也就是說(shuō)，在更加高強(qiáng)度鋼化的進(jìn)程當(dāng)中，為了確保擴(kuò)孔性，在進(jìn)行材料特性改善的同時(shí)，也希望對(duì)擴(kuò)孔部分的加工技術(shù)進(jìn)行革新。4 超高強(qiáng)度

12、區(qū)域輔助加強(qiáng)部位材料用高強(qiáng)度鋼與熱沖制造部件的超高強(qiáng)度化在此所說(shuō)的輔助加強(qiáng)部位材料的意思是，像保險(xiǎn)杠、緩沖梁、車門柱的加強(qiáng)那樣部件，普通在很大的應(yīng)力狀態(tài)無(wú)用，當(dāng)發(fā)生沖撞時(shí)，不使其產(chǎn)生很大的變形和破損斷裂，以抑制對(duì)方物體突入的部件。在這樣的部件當(dāng)中不斷地采用1000MPa超高強(qiáng)度鋼，但是，它在成形能和形狀凍結(jié)性上還存在問(wèn)題。在這當(dāng)中，開始引人注目的技術(shù)是熱沖。一般來(lái)說(shuō)，在日本被稱之為熱沖，在其他國(guó)家被稱之為Hot Stamping.圖5表示的是其制造工藝。它是將鋼板加熱到變態(tài)點(diǎn)以上，在沖壓加工工序根據(jù)模具的脫熱進(jìn)行淬火，以此來(lái)獲得高強(qiáng)度的技術(shù)，它的特點(diǎn)是可以獲得極其出色的形狀凍結(jié)性。圖6表示的是

13、用熱沖所成形的部件與冷成形部件的形狀凍結(jié)性的比較。熱成形部件完全沒(méi)有回彈，可以認(rèn)為其原因在于是在模具內(nèi)，在加壓狀態(tài)下發(fā)生變態(tài)的結(jié)果。另外，由于是在高溫狀態(tài)下的成形，因此呈現(xiàn)出良好的成形能，可以容易地制造出像中間柱的加強(qiáng)那樣形狀復(fù)雜的部件。如圖7以及圖8所示那樣，熱沖技術(shù)，滿足了最終材料開發(fā)的目標(biāo)特性。也就是說(shuō)，這些圖表現(xiàn)出根據(jù)材料與其加工方法的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了靈活運(yùn)用了出色特性的部件設(shè)計(jì)制作。圖5 熱沖部件的制造工藝圖6 熱沖部件與普通沖壓部件的形狀凍結(jié)性比較圖7 強(qiáng)度-延伸性平衡的模式圖與熱沖材料的位置圖8 強(qiáng)度-形狀凍結(jié)性延伸性平衡的模式圖與熱沖材料的位置由于奧氏體區(qū)域的值一般大多下降1，

14、也不能高效率地進(jìn)行潤(rùn)滑，因此，熱沖成形在深拉深成形方面還存在問(wèn)題。所以，特別是對(duì)有關(guān)要求深拉深成形的部件，也采用將在冷沖當(dāng)中進(jìn)行深拉深成形的部件，加熱到奧氏體溫度區(qū)域，熱沖成最終形狀的方法。另外，作為對(duì)熱沖部件附加耐腐蝕性的方法是使用鍍鋁鋼板。純鋁的溶點(diǎn)是660oC，以淬火強(qiáng)化作為前提的熱沖，由于必須加熱到Ae3變態(tài)點(diǎn)以上，因此認(rèn)為是不可能適用鍍鋁鋼板。但是，根據(jù)控制加熱速度，鋼板的Fe與電鍍的Al進(jìn)行合金化，抑制電鍍的熔融，在沖壓時(shí)，電鍍大致可以以固相狀態(tài)成形，這一點(diǎn)已經(jīng)得到了確認(rèn)。在這時(shí)，根據(jù)適當(dāng)?shù)乜刂票怀尚蔚?、多層?gòu)造的Fe-Al合金相，就可以獲得出色的耐腐蝕性，這也是明確的。另外，鍍鋁

15、鋼板沒(méi)有氧化皮剝離，因此，它也具有節(jié)省了除銹工序的優(yōu)點(diǎn)。為了使用熔融鍍鋅鋼板確保耐腐蝕性，將溫度加熱到變態(tài)點(diǎn)之上十分困難，因此，對(duì)將被稱之為Semi Hot Stamping的加熱溫度控制在500700oC的沖壓技術(shù)進(jìn)行了研究。在這種情況下，形狀凍結(jié)不及熱沖，但是，與普通沖壓相比得到了明顯地改善。但是，根據(jù)報(bào)告表明，由于不能用淬火來(lái)強(qiáng)化，因此，強(qiáng)度為8001000MPa的水平，將來(lái)也許能夠達(dá)到1200MPa。但是最近，也有報(bào)告說(shuō)，鋼板也有可能具有出色的耐腐蝕性?，F(xiàn)在，熱沖用于具有1500MPa級(jí)強(qiáng)度的輔助加強(qiáng)部件的制造上，今后將擴(kuò)展應(yīng)用范圍，將對(duì)應(yīng)用部件的展開將能達(dá)到什么樣的范圍進(jìn)行估計(jì)。另外

16、，為了促進(jìn)熱沖技術(shù)的普及，實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)性的的目的，將繼續(xù)進(jìn)行有關(guān)的開發(fā)研究。5 特殊鋼板作為實(shí)現(xiàn)輕量化有效的鋼板，可以例舉出低比重鋼板。該鋼板與文字的表述一樣，就是能夠直接減輕重量的材料，與其它低比重材料的不同之處在于，它的本質(zhì)特性就是以鐵為基礎(chǔ)，因此，它在焊接性和成形性上有著很大的不同優(yōu)點(diǎn)。低比重鋼板的研究是由Max Planck的鋼鐵研究所所致力開展的，在添加6.5%的Al，將比重降低了9%的極低炭素鋼中添加Ti、Nb、B等，由此來(lái)提高延伸性，在440MPa獲得了36%的全伸展率。但是，如果添加超過(guò)這以上的Al的話，將會(huì)生成規(guī)則相和Fe-Al的金屬間化合物，招致明顯的成形性惡化，因此，它的輕量化是有限度的。另外，還開發(fā)了在上述TWIP鋼中分別添加3%左右的Al、Si，以圖實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的鋼板。在這種情況下，它的延伸性呈現(xiàn)出了高達(dá)60%以上的出色的成形性，但是，在鋼板的制造性上還存在著問(wèn)題，它需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行大幅度地改善，為了輕量化，它的成本增加是否能夠接受，這將決定實(shí)用化成否。6 結(jié)束語(yǔ)為了實(shí)現(xiàn)輕量化，進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大薄鋼板的使用，與在此所介紹的材料開發(fā)并行的成形技術(shù)和接合技術(shù)等利用技術(shù)的開發(fā)是必不可缺的。特別是針對(duì)有關(guān)妨礙高強(qiáng)度化的焊接強(qiáng)度問(wèn)題，需要貫穿技術(shù)。如果能夠根據(jù)機(jī)械接合