汽車(chē)輕量化材料的應(yīng)用

汽車(chē)輕量化材料的應(yīng)用

為了滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)、節(jié)能和安全等強(qiáng)制性法律法規(guī)的要求，世界上的汽車(chē)工業(yè)及其上級(jí)鋼鐵工業(yè)應(yīng)努力通過(guò)促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步來(lái)滿(mǎn)足上述要求，并在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)和諧可持續(xù)發(fā)展。汽車(chē)作為日常的交通工具在給人們帶來(lái)便捷的同時(shí),也成為產(chǎn)生NOX、CO和噪聲的主要污染源。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前全世界擁有汽車(chē)6.25億輛,預(yù)計(jì)在30年內(nèi),這一數(shù)字會(huì)上升到10億輛。因此,研制環(huán)境友好型的汽車(chē)將成為今后汽車(chē)發(fā)展的主要方向。在降低油耗、減少排放的諸多措施當(dāng)中,降低汽車(chē)的重量已越來(lái)越得到汽車(chē)行業(yè)和相關(guān)上游行業(yè)的重視,資料表明,車(chē)重減輕10%可節(jié)省燃油3%~7%。然而,在過(guò)去的10多年當(dāng)中,舒適、安全似乎與汽車(chē)輕量化構(gòu)成了相互對(duì)立的兩個(gè)方面,汽車(chē)的自重卻有逐年上升之勢(shì)。圖1為豐田汽車(chē)1975~2000年,汽車(chē)整車(chē)的單位投影面積上車(chē)身質(zhì)量的變化情況(包括整車(chē)高強(qiáng)度鋼板使用量比例變化情況)。為降低汽車(chē)自重、實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果,世界各大汽車(chē)廠都在嘗試和實(shí)施鋼鐵材料的替代計(jì)劃,轉(zhuǎn)而越來(lái)越多地采用鋁合金或非金屬等材料,如美國(guó)的PNGV項(xiàng)目就把開(kāi)發(fā)輕質(zhì)材料作為一個(gè)重要的子項(xiàng)進(jìn)行。這對(duì)一直作為汽車(chē)首選材料的鋼鐵構(gòu)成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始,世界范圍內(nèi)的鋼鐵企業(yè)也紛紛聯(lián)手應(yīng)對(duì),其中以ULSAB系列項(xiàng)目最為著名。該項(xiàng)目的試驗(yàn)成功,充分發(fā)揮了鋼鐵工業(yè)作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì),通過(guò)材料開(kāi)發(fā)及相關(guān)工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,使鋼鐵材料在汽車(chē)工業(yè)中的龍頭地位得以穩(wěn)固。過(guò)去十幾年的事實(shí)表明,充分有序的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng),促進(jìn)了汽車(chē)整個(gè)原材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,也給汽車(chē)工業(yè)帶來(lái)了生機(jī)和前進(jìn)動(dòng)力。國(guó)內(nèi)外的汽車(chē)企業(yè)也正以自己獨(dú)特的視角選擇著令人眼花繚亂的輕量化金屬材料。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì),按照汽車(chē)車(chē)型的不同,鋼板的用量約占汽車(chē)鋼材用量的55%~80%。在轎車(chē)中,白車(chē)身的重量約占整車(chē)重量的1/3。因此,鋼板材料的輕量化理所當(dāng)然的成為汽車(chē)用鋼輕量化乃至汽車(chē)輕量化的主力軍。汽車(chē)材料的比例與汽車(chē)重量的變化有關(guān)1.近年來(lái)，主要車(chē)輛材料的比例發(fā)生了變化以轎車(chē)為例,說(shuō)明近年來(lái)汽車(chē)用金屬材料及其他材料應(yīng)用重量比例的變化,如表1所示。2.近年來(lái)，白色車(chē)身biw的重量發(fā)生了變化表2列出了1980~1999年不同品牌轎車(chē)白車(chē)身結(jié)構(gòu)、材料和重量的變化情況。高強(qiáng)度鋼板對(duì)于高強(qiáng)度鋼板,目前尚無(wú)統(tǒng)一的定義和分類(lèi)方法,國(guó)內(nèi)習(xí)慣上把抗拉強(qiáng)度高于軟鋼(340MPa)的鋼板稱(chēng)為高強(qiáng)度鋼板,如烘烤硬化鋼板、高強(qiáng)度IF鋼板等。以下是部分國(guó)家和組織對(duì)于高強(qiáng)度鋼板的定義和分類(lèi):1.中國(guó)根據(jù)筆者掌握的情況,國(guó)內(nèi)對(duì)汽車(chē)用高強(qiáng)度鋼板傾向于分為兩類(lèi):2.日本將抗拉強(qiáng)度不低于340MPa的冷軋鋼板和抗拉強(qiáng)度不低于490MPa的熱軋鋼板通稱(chēng)為高強(qiáng)度鋼板(HSS)。3.瑞典瑞典將鋼板的強(qiáng)度級(jí)別分為以下三種:普通強(qiáng)度鋼板(MS)、高強(qiáng)度鋼板(HS)和特高強(qiáng)度鋼板(EHS)。4.意大利意大利6.超高強(qiáng)度鋼板uhssULSAB組織將高強(qiáng)度鋼板分為兩類(lèi):屈服強(qiáng)度為210~550MPa的鋼板定義為高強(qiáng)度鋼板(HSS);屈服強(qiáng)度大于550MPa的鋼板定義為超高強(qiáng)度鋼板(UHSS)。該組織對(duì)鋼板牌號(hào)的表示方法也值得國(guó)內(nèi)借鑒。具體表示方法為:鋼種類(lèi)別代號(hào)+最低屈服強(qiáng)度/最低抗拉強(qiáng)度,如DP500/800,表示屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下限值分別為500MPa和800MPa的雙相鋼。7.國(guó)際鋼鐵公司iii試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及對(duì)策1999年1月,全球34家鋼鐵企業(yè)又組成了新的聯(lián)合體,共同出資啟動(dòng)了超輕鋼制汽車(chē)車(chē)身的研究項(xiàng)目ULSAB-AVC(即UltraLightSteelAutoBody–AdvancedVehicleConcept),目標(biāo)是通過(guò)車(chē)輛的整體設(shè)計(jì),釋放出鋼能給汽車(chē)輕量化帶來(lái)的最大潛能。ULSAB-AVC項(xiàng)目的目標(biāo)以安全、環(huán)保、價(jià)格為中心,在滿(mǎn)足2004年出臺(tái)的更為嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)的前提下,減輕車(chē)體重量,同時(shí)提高動(dòng)力系統(tǒng)的效率、降低油耗、減少排放,并通過(guò)制造技術(shù)的創(chuàng)新,降低批量生產(chǎn)的制造費(fèi)用和汽車(chē)的維護(hù)費(fèi)用。表3為ULSAB-AVC和PNGV項(xiàng)目的減重目標(biāo)。為達(dá)到上述目標(biāo)的主要應(yīng)對(duì)辦法是發(fā)展新型高強(qiáng)度汽車(chē)鋼板。以下是ULSAB-AVC的選材情況:在新一代轎車(chē)的用材中抗拉強(qiáng)度高于500MPa的材料占82.35%,抗拉強(qiáng)度高于800MPa的材料已占到61.68%。表4為ULSAB-AVC車(chē)身結(jié)構(gòu)用的鋼板牌號(hào)及力學(xué)性能指標(biāo)。圖2和圖3分別為ULSAB-AVC車(chē)身結(jié)構(gòu)所選用鋼種的強(qiáng)度級(jí)別、重量及重量比例和ULSAB-AVC應(yīng)用的高強(qiáng)度鋼板零件。高強(qiáng)度鋼的類(lèi)型國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)和ULSAB組織定義的高強(qiáng)度鋼板的鋼板品種和力學(xué)性能水平,如圖4所示。1.普通高強(qiáng)度鋼2.加工硬化指數(shù)TRIP鋼具有高延伸率的本質(zhì)是應(yīng)變誘發(fā)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,同時(shí)相變引起的體積膨脹伴隨著局部加工硬化指數(shù)增加,使得變形很難集中在局部區(qū)域。同DP鋼相比,TRIP鋼的起始加工硬化指數(shù)小于DP鋼,但是TRIP鋼的加工硬化指數(shù)在很長(zhǎng)的應(yīng)變范圍內(nèi)仍保持較高,特別適合要求具有高脹形性能的情況。3.fe-al-si合金化層近年來(lái)生產(chǎn)上普遍采用的是帶有Al-Si預(yù)涂層的鋼板,可以在熱沖壓前的加熱過(guò)程中避免氧化,熱沖壓后表面形成Fe-Al-Si合金化層,零件無(wú)須噴丸清理,可直接涂裝,并且零件的形狀精度較好。典型牌號(hào)有Arcelor的Usibor1500P和預(yù)涂層的22MnB5等。(2)twip鋼的塑性變形TWIP鋼的最大特點(diǎn)是強(qiáng)塑積高,可以達(dá)到50000MPa%,為T(mén)RIP鋼的兩倍以上。TWIP鋼可以象DDQ級(jí)沖壓板一樣,沖壓出復(fù)雜形狀的零件,但強(qiáng)度卻要高出2~5倍;其抗拉強(qiáng)度與熱處理鋼相當(dāng),而塑性卻較熱處理鋼高10倍以上。TWIP鋼的塑性變形的主要機(jī)制是位錯(cuò)滑移。在變形過(guò)程中,非常細(xì)的孿晶在晶內(nèi)發(fā)生,孿晶界和晶粒邊界均成為位錯(cuò)滑移的壁壘,這會(huì)導(dǎo)致非常劇烈的加工硬化,其瞬時(shí)硬化率能保持較高的水平(大于0.45)。這會(huì)抑制縮頸的發(fā)生,從而導(dǎo)致TWIP鋼非常強(qiáng)的加工硬化能力和非常大的延伸率。這種性能即使在高應(yīng)變速率下仍然保持著,因而在撞擊等高應(yīng)變過(guò)程中,可以保證汽車(chē)非常高的安全性。(1)高強(qiáng)度鋼板抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度相對(duì)較低,或采用傳統(tǒng)工藝或傳統(tǒng)工藝少許改進(jìn)即能生產(chǎn)出來(lái)高強(qiáng)度鋼板,如烘烤硬化鋼板、含磷鋼板、高強(qiáng)度IF鋼板以及HSLA鋼板等。(2)鋼板的制作需要采用先進(jìn)設(shè)備及工藝方法才能生產(chǎn)出來(lái)的鋼板。這種鋼板生產(chǎn)難度較大,強(qiáng)度也較高,如雙相鋼板(DP鋼板)、復(fù)相鋼板(CP鋼板)、相變誘發(fā)塑性鋼板(TRIP鋼板)和馬氏體鋼板(M鋼板或Mart鋼板)等。(1)高強(qiáng)度鋼板hss烘烤硬化鋼、含磷鋼和低合金高強(qiáng)度鋼等。(2)厚鋼板uhss雙相鋼、鐵素體-貝氏體鋼和TRIP鋼等。5.德國(guó)模塊(1)高強(qiáng)度鋼板hss屈服強(qiáng)度高于180MPa(包括180MPa),低于300MPa的鋼板。(2)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板ahss屈服強(qiáng)度高于300MPa(包括300MPa),低于600MPa的鋼板。(3)厚鋼板uhss屈服強(qiáng)度高于600MPa(包括600MPa)的鋼板。(1)高強(qiáng)度鋼屈服強(qiáng)度210~550MP,或抗拉強(qiáng)度270~700MPa的鋼板。(1)厚鋼板屈服強(qiáng)度大于550MPa,或抗拉強(qiáng)度大于700MPa的鋼板。8.其他(1)高強(qiáng)度鋼屈服強(qiáng)度210~550MPa,或抗拉強(qiáng)度270~700MPa的鋼板。(2)厚鋼板屈服強(qiáng)度大于550MPa,或抗拉強(qiáng)度大于700MPa的鋼板。(1)充壓件沖壓件焊接工藝控制策略是在IF鋼的基礎(chǔ)上,添加不同類(lèi)型的強(qiáng)化元素(如固溶強(qiáng)化元素P、Mn、Si)和適當(dāng)?shù)能堉乒に嚳刂?使鋼材在保證良好塑性和沖壓性能的同時(shí),擁有較高的強(qiáng)度,滿(mǎn)足復(fù)雜形狀轎車(chē)沖壓件性能要求。IF鋼的生產(chǎn)工藝是:通過(guò)低溫大壓下量的熱軋過(guò)程和軋后立即進(jìn)行加速冷卻,得到細(xì)晶的鐵素體,以及大壓下率冷軋和高溫退火,得到需要的織構(gòu)和高成形性能。(2)通過(guò)涂漆烘烤工藝包括IF鋼烘烤硬化鋼板和低碳烘烤硬化鋼板兩種,主要側(cè)重于IF烘烤硬化板。特點(diǎn)是鋼板沖壓成形前具有較低的屈服強(qiáng)度,通過(guò)沖壓成形后的涂漆烘烤工藝使鋼板的屈服強(qiáng)度增加。BH鋼可在不影響成形件形狀穩(wěn)定性的同時(shí),提高鋼板的抗凹陷性,因此很適用于生產(chǎn)汽車(chē)外覆蓋件。BH鋼在具有良好的烘烤硬化性的同時(shí),還必須保證在一定時(shí)間內(nèi)具有常溫非時(shí)效性,通常用時(shí)效指數(shù)AI表示,如果AI值小于30MPa,可認(rèn)為鋼板在3個(gè)月內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)自然失效。(3)錳為10倍,硅的7倍利用磷在鋼中的固溶強(qiáng)化作用進(jìn)行強(qiáng)化。磷的固溶強(qiáng)化作用很突出,相當(dāng)于錳的10倍,硅的7倍。磷在增加強(qiáng)度的同時(shí),延伸率降低很少,而且還具有較高的塑性應(yīng)變比r值,因此含磷鋼板可以用來(lái)沖制一些形狀比較復(fù)雜的汽車(chē)沖壓件。(4)固溶強(qiáng)化，鋼質(zhì)純度其化學(xué)成分特點(diǎn)是:超低碳,微合金化,固溶強(qiáng)化,鋼質(zhì)純凈。以上特點(diǎn)決定了該鋼具有良好的深沖性、塑性和韌性,P、Mn、Si等元素的固溶強(qiáng)化作用保證了其強(qiáng)度。(5)產(chǎn)品的平面各向性和強(qiáng)度級(jí)別及尺寸、一般應(yīng)以5.冷軋各向同性鋼屬于低碳微合金鋼,主要用于汽車(chē)外板,目前在歐洲已商品化,該鋼特點(diǎn)為具有很低的平面各向性即Δr趨于零(一般在-0.15~+0.15之間)、高強(qiáng)度、高n值和成形性能好等。強(qiáng)度級(jí)別按照屈服強(qiáng)度可分為220、250、260、280和300MPa。產(chǎn)品大類(lèi)分為冷軋普板、電鍍鋅、熱鍍鋅和熱鍍鋅合金化產(chǎn)品。這類(lèi)產(chǎn)品主要在歐洲系列車(chē)型上使用較多,日系汽車(chē)很少使用。(6)添加/復(fù)合添加微量元素汽車(chē)用熱軋低合金高強(qiáng)度鋼板,也稱(chēng)為F-P型低合金高強(qiáng)度鋼板,是在C-Mn基礎(chǔ)上添加或復(fù)合添加微量鈮、鈦、釩等合金元素,通過(guò)控制軋制工藝參數(shù)及軋后的冷卻速度,獲得良好的綜合性能。在現(xiàn)代熱軋低合金高強(qiáng)度鋼板中,藉助添加合金元素而使鋼得以強(qiáng)化的主要機(jī)制有晶粒細(xì)化、析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化甚至相變強(qiáng)化等。(1)雙相鋼dp鋼DP鋼板的商業(yè)化開(kāi)發(fā)已近30年,包括熱軋、冷軋、電鍍和熱鍍鋅產(chǎn)品。DP鋼是以Si、Mn為主要合金成分的低成本鋼材。在連續(xù)退火過(guò)程中,首先加熱到760~830℃的鐵素體+奧氏體兩相區(qū),使其組織為一定比例的鐵素體和奧氏體。此時(shí)令鋼材淬火到馬氏體點(diǎn)以下,則奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,導(dǎo)致所謂的“雙相組織”。DP鋼基體為軟的鐵素體,在其上分布硬質(zhì)的馬氏體,兩者分別確定材料的低的屈服強(qiáng)度和高的抗拉強(qiáng)度。DP鋼比傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋼有更高的初始加工硬化率,所以有很低的屈強(qiáng)比,可以得到很大的延伸。DP鋼中固溶較多的C,所以也是一種烘烤硬化鋼,在經(jīng)過(guò)烘烤涂漆后,屈服強(qiáng)度提高約100MPa。DP鋼在車(chē)輛沖撞這樣的高速變形(正面沖撞變形速率可達(dá)1000/s)中,表現(xiàn)出比普通高強(qiáng)鋼更高的強(qiáng)度,所以具有更大的沖擊能吸收能力,有利于提高車(chē)輛的安全性。主要組織是鐵素體和馬氏體,其中馬氏體的含量在5%~20%,隨著馬氏體含量的增加強(qiáng)度線性增加,強(qiáng)度范圍為500~1200MPa。除了AHSS鋼的共性特點(diǎn)外,雙相鋼還具有低的屈強(qiáng)比、高的加工硬化指數(shù)、高的烘烤硬化性能、沒(méi)有屈服延伸和室溫時(shí)效等特點(diǎn)。一般用于需高強(qiáng)度、高的抗碰撞吸收能且成形要求也較嚴(yán)格的汽車(chē)零件,如車(chē)輪、保險(xiǎn)杠、懸掛系統(tǒng)及其加強(qiáng)件等。隨著鋼種性能和成形技術(shù)的進(jìn)步,DP鋼也大量用于汽車(chē)的內(nèi)外板零件。(2)添加元素的范圍熱軋貝氏體鋼有貝氏體雙相鋼(F+B)和貝氏體鋼(B),其主要添加元素為Si、Mn、Nb、Cr。其重要特性是具有優(yōu)良的翻邊性能,很適合沖壓汽車(chē)支撐部件類(lèi)要求厚度較大、尤其是翻邊性能良好的部件。(3)c、si和mnTRIP鋼是近10多年才商業(yè)化開(kāi)發(fā)的鋼種,主要成分是C、Si和Mn,包括熱軋、冷軋、電鍍和熱鍍鋅產(chǎn)品。主要組織是鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體,其中殘余奧氏體的含量在5%~15%,強(qiáng)度范圍為600~800MPa。(4)出相:及強(qiáng)度復(fù)相鋼同TRIP鋼的冷卻模式類(lèi)似,但是需要對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)整以形成強(qiáng)化馬氏體和貝氏體的析出相,強(qiáng)度范圍為800~1000MPa。其組織特點(diǎn)是細(xì)小的鐵素體和高比例的硬相(馬氏體、貝氏體),而且通過(guò)析出強(qiáng)化而得到進(jìn)一步的強(qiáng)化,含有Nb、Ti等元素,具有高的沖擊能量吸收能力和好的擴(kuò)孔性能,特別適合于車(chē)門(mén)防撞桿、保險(xiǎn)杠和B立柱等安全零件。(5)高強(qiáng)度鋼板mpa馬氏體鋼的生產(chǎn)是通過(guò)高溫的奧氏體組織快速淬火轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l馬氏體組織,其最高強(qiáng)度可達(dá)1500MPa,是目前商業(yè)化高強(qiáng)度鋼板中強(qiáng)度級(jí)別最高的鋼種。主要用于成形要求不高的車(chē)門(mén)防撞桿等零件代替管狀零件,減少制造成本。其成分含有較高的C、Mn、Si、Cr、Mo、B、V、Ni等合金元素。(1)零件沖后處理隨著強(qiáng)度的提高,鋼板成形性能總體上呈下降趨勢(shì),形狀凍結(jié)性變差,成形難度加大。同時(shí)材料成形力也增加,造成成形負(fù)荷增大,工具、模具的磨損和損壞嚴(yán)重。所以,近年開(kāi)發(fā)了材料的熱沖后進(jìn)行熱處理的新技術(shù),以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)進(jìn)一步提高強(qiáng)度的迫切要求。這種技術(shù)應(yīng)用于可以熱處理強(qiáng)化的鋼板,例如含B鋼板,將其加熱到900℃左右進(jìn)行沖壓成形,大幅度降低了成形抗力,提高了材料的成形能力。沖成零件后,立即利用余熱進(jìn)行淬火處理。目前處理后的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)