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武鋼高強(qiáng)汽車用鋼板開發(fā)研究論文
隨著排放和碰撞安全法規(guī)的日益嚴(yán)格，以及消費(fèi)理念的變化，對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求也越來(lái)越高，在汽車輕量化制造的同時(shí)提高安全性成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。國(guó)際鋼協(xié)“世界汽車用鋼聯(lián)盟”項(xiàng)目未來(lái)鋼制汽車FSV計(jì)劃的研究結(jié)果表明，在不增加生產(chǎn)成本的前提下，通過(guò)大量使用先進(jìn)高強(qiáng)鋼(97%的HSS和AHSS應(yīng)用比例)和先進(jìn)制造技術(shù)，可以在滿足碰撞安全要求的同時(shí)，較標(biāo)桿車實(shí)現(xiàn)35%的白車身減重。FSV項(xiàng)目體現(xiàn)了鋼鐵產(chǎn)品持續(xù)不斷的輕量化潛力。鋼鐵材料占汽車質(zhì)量的70 %~80 %開發(fā)高強(qiáng)度鋼板，提高高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例，可以有效減輕車身質(zhì)量。
武鋼是國(guó)內(nèi)的主要汽車用鋼板供應(yīng)商，根據(jù)汽車各部位零件的特點(diǎn)，開發(fā)出系列高強(qiáng)度汽車鋼板，可滿足汽車整車制造需要。同時(shí)，武鋼近年著力開發(fā)先進(jìn)制造技術(shù)，加強(qiáng)先期介入EVI技術(shù)服務(wù)能力建設(shè)，強(qiáng)化與用戶的技術(shù)溝通與技術(shù)支持，促進(jìn)汽車和鋼鐵工業(yè)的共同進(jìn)步。
高強(qiáng)度IF鋼和烘烤硬化BH鋼主要用于制造車身覆蓋件。這2個(gè)鋼種兼具高強(qiáng)度和高深沖性能的優(yōu)點(diǎn)，可以沖壓成復(fù)雜的汽車覆蓋零件。用于替代傳統(tǒng)深沖IF鋼時(shí)，可以減薄零件厚度，減輕零件質(zhì)量;同時(shí)，由于其屈服強(qiáng)度較高，特別是BH鋼，在零件烘烤硬化后屈服強(qiáng)度可以增加40 MPa左右，提高了外板件的抗凹陷性。
BH鋼控制和利用鐵素體基體的自由碳原子，在烘烤過(guò)程碳原子重新固定在沖壓塑性變形過(guò)程產(chǎn)生的位錯(cuò)里，從而提高屈服強(qiáng)度。因此，BH鋼具有時(shí)效性，需要在出廠后的3個(gè)月內(nèi)使用，這對(duì)汽車廠的物流和沖壓生產(chǎn)控制能力提出較高要求。目前國(guó)內(nèi)BH鋼主要用于高檔轎車的面板，以180 MPa和220 MPa級(jí)熱鍍鋅鋼板為主。
2車身安全結(jié)構(gòu)件用高強(qiáng)鋼
車身碰撞安全設(shè)計(jì)的基本思想是，前倉(cāng)和后倉(cāng)部分相對(duì)于乘員區(qū)較軟，在發(fā)生碰撞時(shí)盡可能地在前后倉(cāng)產(chǎn)生塑性變形以吸收撞擊能量;為保證乘員安全，乘員區(qū)應(yīng)盡可能地減少變形，確保有效生存空間。從材料的角度，體現(xiàn)在提高材料屈服強(qiáng)度、增加零件的剛度;低的屈強(qiáng)比(高應(yīng)變強(qiáng)化能力)和高的伸長(zhǎng)率則有利于提高材料拉伸曲線的下陰影面積，從而提高能量吸收能力。
2. 1普通梁桿類結(jié)構(gòu)件用高強(qiáng)鋼
高強(qiáng)度低合金HSLA鋼成分設(shè)計(jì)時(shí)加入了微量的強(qiáng)碳化物形成元素如Nb, V , Ti，組織由鐵素體和珠光體組成，第二相析出物彌散分布，主要依靠析出強(qiáng)化阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高屈服強(qiáng)度。
由于HSLA鋼的成分與組織特點(diǎn)，這類鋼種對(duì)生產(chǎn)工藝敏感性不高，生產(chǎn)性能穩(wěn)定，成本相對(duì)較低。HSLA鋼以控制屈服強(qiáng)度為主，屈強(qiáng)比高，相對(duì)而言，加工硬化性能較差，疲勞性能好，適合制造對(duì)剛度要求較高的結(jié)構(gòu)件和支撐件。在沖壓成形時(shí)，回彈量較小，容易控制成形零件精度。用HSLA制造的典型零件包括前后縱梁、門內(nèi)加強(qiáng)梁、地板橫梁、B柱加強(qiáng)板、頂蓋橫梁、底盤懸掛件等。
2. 2壓潰吸能區(qū)用高強(qiáng)鋼
對(duì)于壓潰吸能區(qū)，要求零件在發(fā)生碰撞時(shí)，在一定的距離內(nèi)有比較高的能量吸收能力，因此希望材料曲線下部面積越大越好。體現(xiàn)在材料性能上，要求提高材料強(qiáng)度、加工硬化能力以及伸長(zhǎng)率。壓潰區(qū)使用的材料通常以抗拉強(qiáng)度表征，強(qiáng)度級(jí)別一般不超過(guò)780 MPa，典型的鋼種有雙鋼DP鋼、復(fù)相鋼、形變誘導(dǎo)塑性TRIP鋼和孿晶誘導(dǎo)塑性TW IP鋼等，這些鋼種稱為先進(jìn)高強(qiáng)鋼。
2. 3乘員區(qū)用超高強(qiáng)鋼
為保證乘員安全，防撞安全零件要求材料具有超高強(qiáng)度(1 000 MPa以上)，以減少侵入位移量。采用超高強(qiáng)度零件可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)2個(gè)目標(biāo)，即減輕零件質(zhì)量(輕量化)，提高車身安全性能。熱沖壓成形是1種有效的超高強(qiáng)度零件成形工藝，成形零件材料強(qiáng)度可以達(dá)到1 300 MPa以上。
熱成形的工藝特點(diǎn)要求熱成形用鋼板在加熱到Ac3溫度以上時(shí)，形成奧氏體單相，并在隨后的金屬模具冷卻淬火過(guò)程(冷卻速度30℃ /s以上)中，獲得馬氏體單相。因此，熱成形鋼板成分設(shè)計(jì)時(shí)，要求有較高的碳含量，提高馬氏體硬度;同時(shí)，碳元素有利于提高淬火性能。為進(jìn)一步保證保壓淬火時(shí)較低冷速下獲得全馬氏體組織，鋼板成分中添加了Mn, Cr, B等元素。微量B元素可替代其它合金元素，大幅提高淬透性，從而減少其它合金含量，在高溫塑性變形時(shí)降低材料變形抗力。
武鋼開發(fā)的1 300 MPa和1 500 MPa級(jí)熱成形鋼，碳含量為0. 20%一0. 23%，室溫下組織為鐵素體滲碳體，抗拉強(qiáng)度約為500MPa，伸長(zhǎng)率約26 %。熱成形后獲得全馬氏體組織，實(shí)物零件強(qiáng)度達(dá)到1 350 MPa以上，同時(shí)可獲得4. 5%以上的伸長(zhǎng)率。
3武鋼汽車板應(yīng)用技術(shù)研究
車身零件高強(qiáng)化(輕量化)是零件設(shè)計(jì)、鋼板選材和制造工藝的結(jié)合。武鋼在開發(fā)生產(chǎn)高品質(zhì)汽車鋼板的同時(shí)，開展汽車用鋼應(yīng)用技術(shù)研究，采用先期介入EVI工作方式，為用戶提供系統(tǒng)的技術(shù)支持。
3. 1武鋼汽車板應(yīng)用數(shù)據(jù)支持
鋼板性能數(shù)據(jù)是車身設(shè)計(jì)過(guò)程的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是零件選材和零件性能評(píng)估的基礎(chǔ)。武鋼為滿足用戶需求，形成了從拉伸力學(xué)性能、成形極限FLC、高速拉伸曲線、疲勞性能到焊接性能的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，為車身剛度、成形性、安全性、疲勞耐久性等CAE評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。HC340 /590DP鋼板的高速拉伸曲線和疲勞曲線。高應(yīng)變速率下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能是車身安全評(píng)估的重要依據(jù)，武鋼引進(jìn)了德國(guó)Zwick高速拉伸試驗(yàn)機(jī)，采用高速攝像系統(tǒng)測(cè)試動(dòng)態(tài)應(yīng)變，最高測(cè)試應(yīng)變速率可達(dá)到1 000 / s，滿足用戶CAE仿真數(shù)據(jù)需求。
3. 2熱沖壓成形技術(shù)
武鋼采用國(guó)外引進(jìn)與自主開發(fā)相結(jié)合的方法，形成了熱成形鋼板開發(fā)、沖壓設(shè)備、模具設(shè)計(jì)等整套技術(shù)。武鋼試生產(chǎn)的B柱加強(qiáng)板、保險(xiǎn)杠等零件，實(shí)物抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 500 MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到6%以上，尺寸精度符合裝車要求。
3柔性輥壓成形技術(shù)
高強(qiáng)鋼材料強(qiáng)度提高后，沖壓成形性能降低，強(qiáng)度越高越容易開裂。鋼板強(qiáng)度超過(guò)1 000 MPa時(shí)，傳統(tǒng)的冷沖壓成形方法很難成形，存在鋼板開裂、回彈大、尺寸精度差、模具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題。柔性輥壓成形(Flexible Roll Forming)工藝可以生產(chǎn)可變截面的先進(jìn)高強(qiáng)鋼零件，是目前輥壓成形技術(shù)的發(fā)展方向。
柔性輥壓成形技術(shù)可以成形的超高強(qiáng)鋼典型零件形狀示。柔性輥壓成形機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制，機(jī)架驅(qū)動(dòng)電機(jī)可進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件在深度方向或?qū)挾确较虻慕孛孀兓�。武鋼正和澳大利亞迪肯大學(xué)(Deakin University)、德國(guó)DataM公司等合作開發(fā)高強(qiáng)鋼的柔性輥壓成形技術(shù)。
4結(jié)語(yǔ)
武鋼己經(jīng)開發(fā)了車身覆蓋件用高強(qiáng)鋼、車身結(jié)構(gòu)件用高強(qiáng)鋼的產(chǎn)品體系，這些產(chǎn)品基本能夠滿足目前我國(guó)汽車工業(yè)制造的需求，通過(guò)了國(guó)內(nèi)各主流汽車公司的材料認(rèn)證。2013年，武鋼冷軋深沖和高強(qiáng)汽車用鋼產(chǎn)銷量達(dá)到140萬(wàn)t，創(chuàng)下歷史新高。車身輕量化制造和安全性要求提高的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)高強(qiáng)汽車用鋼提出了更高的要求。武鋼正通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)生產(chǎn)新的高強(qiáng)度汽車用鋼產(chǎn)品。同時(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)先進(jìn)高強(qiáng)鋼應(yīng)用技術(shù)的研究，通過(guò)先期介入工作模式，為車身輕量化選材與零件先進(jìn)制造提供支持。
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