高强度钢在汽车轻量化中的应用

目前,全球中型乘用车平均质量约为1200~1400kg,发达国家力争在2015年将中型乘用车整车质量减轻到1000 kg以下。实现汽车轻量化主要有以下几种途径:一是采用轻质材料,如使用低密度的铝及铝合金、镁及镁合金、工程塑料或碳纤维复合材料等;二是使用高强度钢替代普通钢材,降低钢板厚度规格;三是采用先进的制造工艺,如激光拼焊、液压成形、铝合金低压铸造及半固态成型技术;四是优化结构设计,即对汽车车身、底盘、发动机等零部件进行结构优化,采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等。1.2 汽车材料的应用趋势近年来,轻质材料的应用逐渐增多,汽车内饰件业已塑料化;铝、镁合金主要以铸件或锻件的形式应用于汽车发动机、变速器等零部件上,以及豪华车和特种车辆的车身制造中。由于成本高、成型工艺复杂及焊接性差等原因,铝、镁合金在车身制造中尚未大规模应用。

高强度钢在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面较铝、镁合金具有明显的优势,能够满足减轻汽车质量和提高碰撞安全性能的双重需要,从成本与性能角度来看,是满足车身轻量化、提高碰撞安全性的最佳材料。除了疲劳强度外,高强度钢在应用中的各个性能指标均正比于板厚和相应的材料性能的n 次方的乘积。如压溃强度Ps∝tσb2n、撞击吸能AE =t 2σb2n 等。

因此,高强度钢板能够大幅度增加零件的抗变形能力,提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。高强度钢应用于汽车零件上,可以通过减薄零件厚度来减轻车身质量;当钢板厚度分别减少0.05、0.10、0.15 mm时车身可减重6%、12%、18%。车身用钢向高强度化发展已经成为趋势。2高强度钢的强化机理与分类2.1 高强度钢的强化机理高强度钢的强化机制主要有固溶强化、析出强化、组织强化、烘烤硬化、细晶强化。

高强度钢的主要种类

根据强度分类,屈服强度在210~550 MPa和抗拉强度在270~700 MPa的钢为高强钢(HSS),而屈服强度大于550 MPa和抗拉强度大于700 MPa的钢为超高强钢(UHSS)。如果根据冶金学特征进行分类,分为普通高强度钢(C-Mn钢、高强度IF钢、BH钢、IS钢、HSLA钢)和先进高强度钢(DP、CP、TRIP、M、HF)。

(1)高强度钢(IF)高强度IF钢属于固溶强化钢,在超低碳、铝镇静钢中添加P、Mn和Si等固溶强化元素来提高强度,抗拉强度可达450 MPa。高强度IF钢具有良好的机械性能和抗二次加工脆性、化学处理性和合金化镀锌适应性。广泛应用在车身结构件、开启件上。

(2)烘烤硬化钢(BH)BH钢金相组织以铁素体为基体,主要以固溶强化来提高强度。其特点是添加的磷元素在钢的冶炼过程中可以与碳、氮形成固溶强化。在钢板冲压过程中,基体(铁素体)内“位错”密度增加,碳、氮原子向“位错”扩散的距离缩短,当BH钢车身进入涂装在烘烤炉中受热时,便赋予了固溶体中碳、氮原子扩散的能量,使碳、氮原子在“位错”处析出,从而提高了工件的屈服强度,故称此类钢为烘烤硬化钢。

(3)低合金高强度钢(HSLA)在冶炼过程中添加一些微量元素,使钢能析出一些细小的碳化物并使晶粒细化而提高钢材的强度。

(4)双相钢(DP)

双相钢是以相变为基础的新型高强度钢,在微观组织上,双相钢是以较软的铁素体加硬相马氏体所构成。在力学性能上,同时具有高的强度和加工硬化指数、低屈强比的特点。双相钢由低碳钢或低碳微合金钢经两相区热处理或控轧控冷而得到,马氏体以岛状分布于铁素体基体中(见图1、图2 ),含量在5%-20%之间,钢的强度随马氏体含量的增加不断提高,强度范围为500-1200 MPa。DP钢具有较高的伸长率以及较高的加工硬化率,抗疲劳性能好。目前,DP钢的主要类型有DP450/DP600/DP780/DP980,主要用于汽车的结构件和安全件,如前内纵梁、后内纵梁、中支柱里板、座椅横梁等零件。 法国阿塞洛、瑞典SSAB、日本新日铁、神户制钢等钢厂可以生产多种规格的双相钢。国内宝钢、武钢、鞍钢可以提供一些等级的DP双相钢。

(5)相变诱导塑性钢(TRIP)相变诱导塑性钢其金相组织为铁素体、贝氏体、残余奥氏体,见图3、图4。在变形过程中,残余奥氏体会发生诱导相变转化为马氏体,引起相变强化和塑性增长。这类钢兼顾了较高的抗拉强度和良好的成形性(见图5),比双相钢成形性更好,同样具有BH钢性能,拥有更好的扩孔性(见图6)。目前,此类钢板的主要牌号有TRIP590、TRIP690、TRIP780和TRIP780HR等,在汽车行业尚没有得到大规模应用。

(6)多相钢(CP)多相钢组织与TRIP钢类似,基本上是在Mn-Cr-Si合金成分体系的基础上,依靠钛、铌、钒元素微合金化产生的晶粒细化效应和析出强化效应,结合适当的卷取工艺而生产的,主要组织为细小的铁素体和高比例的硬质相(马氏体、贝氏体),含有铌、钛等元素。通过马氏体和贝氏体以及析出强化的复合作用,CP钢强度可达800- 1 000 MPa,具有较高的吸收性能与扩孔性能,特别适合于汽车的车门防撞杆、保险杠和中立柱等安全件。(7)热成形钢(HF)热成形钢是通过热成形技术获得的超高强度的马氏体钢。

首先把常温下强度为500-600 MPa的高强度硼合金钢板加热到880-950 ℃,使之均匀奥氏体化;然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成形;之后保压快速冷却淬火,使奥氏体变成马氏体,因而成形件得到强度硬化。冲压件冷却淬火后,强度可达1 500 MPa,见图7。

热成形钢具有如下优点。a.零件成形后强度指标大幅度提高。b.高温下材料塑性好,成形能力强,可用于冷冲压无法成形的复杂零件,也可将冷冲压需要多道工序、多套模具成形的零件一次成形。c.高温下零件成形没有回弹,可以实现高精度成形。d.如果使用Al-Si涂层板,可以防止在热冲压过程中的脱碳等氧化现象,并可以省略后期的抛丸处理,零件拥有更好的抗腐蚀能力。热成形钢板主要用于车门防撞杆、前后保险杠、A/B/C柱等安全件,见图8。热成形钢技术在国外汽车行业已成为热门技术,其发展迅速。法国阿赛洛公司、德国蒂森-克虏伯、本特勒、麦格纳以及海斯坦普等公司均拥有热成形技术及成套生产线。

3高强度钢在国内外的应用情况为了达到汽车轻量化、安全化的目的,应对铝镁行业的竞争,20世纪90年代,国际钢铁协会的35家主要钢铁公司开展了超轻钢制车身(Ultra Light Steel Auto Body)ULSAB项目。其内容是通过大量采用高强度钢板,并应用液压成形、激光拼焊板等技术使汽车减重25%。2004年项目取得成功,整车减轻质量25%,车身静态扭转刚度提高了80%,静态弯曲刚度提高了52%,汽车安全等级达到了欧洲NCAP五星级碰撞标准。ULSAB车体上高强度钢板使用率为90%,其中DP双相钢超过70%,另外还采用了4%左右的抗拉强度为1 200 MPa的超高强度马氏体钢。最近几年,欧美汽车公司在开发新款汽车时都部分或全部采用了ULSAB项目技术,高强度钢大量使用在汽车车身、底盘、悬架和转向的零部件上。国内汽车合资企业的技术直接来源于国外母公司,高强度钢应用水平与国外汽车企业保持了相近的水平。自主品牌汽车企业在高强度钢的应用方面整体落后于国外汽车公司,正在快速追赶。

最近两年,国内自主品牌汽车开发的有些新车型,高强度钢质量占白车身质量的比例已经达到45%以上。近年来,国内钢铁企业积极开展了汽车用高强度纲的开发工作,目前宝钢、武钢、鞍钢等可以生产一些等级的高强度IF钢、DP双相钢、TRIP相变诱导塑性钢、BH烘烤硬化钢。国内钢铁企业已能提供多种规格的高强度钢板,不过从品种与质量来看,与国外的先进水平相比还有较大的差距。4高强度钢的发展趋势高强度钢在汽车减重、降耗、安全性方面有着显著优势,但在应用时还存在一些问题,即随着强度的增加,冲压性能变差、回弹量大、尺寸难以控制、容易起皱开裂,这给冲压成形工艺带来新课题。

另外,高强度钢的可焊性比普通低碳钢要差,焊接工艺参数存在较大差异。为了开发性能更好的高强度钢,阿塞洛等钢铁公司正在研究开发孪晶诱导塑性钢(TWIP)、具有诱导塑性的轻量化钢(LIP)。这些钢种具有非常优异的力学性能、高的应变硬化率及极高的塑性,被称为第二代高强度汽车用钢。目前,美国钢铁企业正在积极发展第三代高强度汽车用钢(见图9),具有第一、第二代高强度钢的微观组织特点,充分利用晶粒细化、固溶强化、析出强化及位错强化等手段来提高强度,通过应变诱导塑性、剪切带诱导塑性及孪晶诱导塑性来提高材料的塑性和成形性能。

强度钢是汽车轻量化的关键材料之一,近年来随着先进成形工艺与计算仿真技术的发展,高强度IF钢、DP双相钢、TRIP钢、热成形钢等在汽车部件中的用量越来越多。目前,国内钢铁企业的生产制造水平与国外的先进水平还有不小的差距,不少品种的高强度钢尚需要进口,国内钢铁企业应加大研发力度,早日赶上国外先进水平,为国内汽车行业的轻量化做更多的贡献。

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