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汽車用高強(qiáng)鋼板的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

  • 2006/12/6 15:27:49
  • 來(lái)源:中國(guó)鋼鐵新聞網(wǎng)

    汽車工業(yè)對(duì)冷軋鋼板性能的要求及冷軋高強(qiáng)鋼板的分類

    1 汽車工業(yè)對(duì)鋼板的要求

    汽車工業(yè)要求冷軋鋼板重量輕,成形性好,壽命長(zhǎng),安全性好,環(huán)境友好。

    首先,汽車輕量化對(duì)于提高燃料效率、防止CO2排放所造成的環(huán)境污染是極為重要的。為了解決這個(gè)問(wèn)題,需要提高汽車用鋼板的強(qiáng)度。這樣的話,即使鋼板厚度減薄,仍然可以保持原來(lái)的強(qiáng)度水平。所謂DP鋼、TRIP鋼就是為此目的而開(kāi)發(fā)的。

    其次,是鋼板的成形性,因?yàn)樗鼪Q定了汽車成形過(guò)程的生產(chǎn)效率。一般說(shuō)來(lái),隨著強(qiáng)度的提高,鋼鐵材料的成形性惡化。目前,汽車盡管設(shè)計(jì)多種多樣,但是大的趨勢(shì)是采用流線型,以減少空氣的阻力。具有高塑性的鋼板即使經(jīng)過(guò)多階段的加工仍然可以不發(fā)生裂紋。近年開(kāi)發(fā)的所謂自潤(rùn)滑鋼板由于改進(jìn)了鋼板涂層的潤(rùn)滑性能而提高了成形加工的效率。

    汽車的外板有可能遭受沖擊,如果材料強(qiáng)度過(guò)低,很容易發(fā)生凹陷變形。BH鋼在成形之后進(jìn)行烤漆的過(guò)程中可以進(jìn)一步提高其強(qiáng)度,這實(shí)際上等于汽車在使用過(guò)程中得到了更高的強(qiáng)度,因而具有良好的抗凹陷性。因此,近年對(duì)BH鋼的需求不斷增強(qiáng)。

    汽車需要的另一個(gè)重要因素是壽命,即耐腐蝕性,特別在北美為了除去積雪,大量使用對(duì)鋼有強(qiáng)烈腐蝕作用的氯化鈣,對(duì)耐腐蝕性提出了更高的要求。應(yīng)對(duì)腐蝕問(wèn)題的重要措施是對(duì)鋼板進(jìn)行各種表面處理,例如鍍鋅。所以,近年表面處理鋼板的用量持續(xù)增長(zhǎng),盡管其價(jià)格比普通鋼板要高。另外,低成本的耐腐蝕鋼板也在不斷開(kāi)發(fā)出來(lái)。

    還有一個(gè)問(wèn)題是安全性,特別是與沖撞有關(guān)的安全性。為了保證乘用者的安全,目前正在開(kāi)發(fā)既具有高強(qiáng)度,又具有良好耐沖撞性能的高強(qiáng)鋼板,用于汽車的結(jié)構(gòu)件和底盤(pán)等部件。

    最后,需要開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)汽車用冷軋鋼板與環(huán)境友好。國(guó)際上已經(jīng)制定了一系列法規(guī)和制度,強(qiáng)化環(huán)境保護(hù),明令禁止使用對(duì)人類有毒害的物質(zhì)。近年開(kāi)發(fā)的無(wú)3價(jià)鉻、無(wú)鉛的涂鍍層板,就是順應(yīng)這種趨勢(shì)。

    2 汽車用冷軋鋼板的成形性能

    由于汽車用冷軋鋼板需要經(jīng)過(guò)成形加工,才能成為需要的零件,所以不僅要求鋼板有需要的力學(xué)性能,而且要求鋼板有良好的成形性能。這些鋼板通常經(jīng)過(guò)圖1所示幾種變形方式或者它們的組合而成形為零件。

    1) 拉深成形(Deep drawing, shrink flanging)。它的特點(diǎn)是工件在沖頭和沖模之間變形過(guò)程中,在坯料上施加一定的壓邊力,使坯料在一個(gè)方向上獲得大的拉延變形(例如在沖杯過(guò)程中沿著杯的直徑方向),在另一個(gè)方向上發(fā)生收縮變形(例如沖杯過(guò)程中的圓周方向),所以需要材料有高的r值。

    2) 鼓脹成形(Stretching)。它的特點(diǎn)是施加非常強(qiáng)的壓邊力,沖壓工具帶有凸凹槽,即使在沖頭的作用下,材料邊緣也不能滑動(dòng),中間部分材料受到雙向等軸拉深,像氣球一樣膨脹變薄。因此要求材料具有良好的塑性和各個(gè)方向均勻延展變形和連續(xù)強(qiáng)化的能力。

    3) 卷邊成形(stretch flanging)。材料的切口邊緣經(jīng)歷大的拉伸變形,例如在沖制的圓孔用錐形沖頭擴(kuò)孔屬于典型的卷邊成形過(guò)程。由于切口邊緣收到極大的拉伸變形,要求材料的組織必須性能均勻,組織中沒(méi)有明顯的硬相顆粒。所以應(yīng)當(dāng)盡量避免出現(xiàn)大顆粒的碳化物或氧化物,使它們均勻、細(xì)小、分散。

    4) 彎曲成形(bending)。彎曲成形發(fā)生的問(wèn)題與卷邊成形相似,也是由于局部變形引起。改進(jìn)方法也是相似的,可以通過(guò)硬度的均勻、分散而得到實(shí)現(xiàn)。

    汽車用冷軋鋼板的類型性能

    由于采用不同的強(qiáng)化機(jī)制,汽車用鋼板有不同的組織,因而有不同的強(qiáng)度水平,依據(jù)鋼板的強(qiáng)化機(jī)制、強(qiáng)度水平、組織特點(diǎn)可劃分為不同的鋼種類型。其中抗拉強(qiáng)度低于270MPa的鋼板,主要是用作面板的IF鋼和低碳鋼,規(guī)定其為低強(qiáng)度鋼。抗拉強(qiáng)度在270-700MPa的屬于高強(qiáng)度鋼,包括高強(qiáng)度的IF鋼、BH鋼、C-Mn鋼、HSLA鋼以及一部分DP鋼和TRIP鋼。超過(guò)700MPa的鋼板為超高強(qiáng)度鋼板,包括高強(qiáng)度級(jí)別的TRIP鋼、DP鋼以及馬氏體鋼和新開(kāi)發(fā)的TWIP鋼。其中TWIP鋼由于其獨(dú)特的高延伸、高強(qiáng)度而受到人們的重視。表1所示為汽車用高強(qiáng)度鋼板的強(qiáng)化機(jī)制、化學(xué)成分設(shè)計(jì)、強(qiáng)度水平、應(yīng)用舉例。

    表1 高強(qiáng)度鋼板的成分設(shè)計(jì)與汽車部件的應(yīng)用舉例

    
強(qiáng)化機(jī)制 成分設(shè)計(jì)舉例 強(qiáng)度水平 特性 應(yīng)用舉例
固溶強(qiáng)化 (低碳)P, Mn-P, Si-Mn系 ~490 深拉,一般加工 外板、內(nèi)板、結(jié)構(gòu)件
固溶強(qiáng)化 (極低碳)Si,Mn,P+Ti, (Nb), (B)等 ~490 深拉 外板、內(nèi)板、結(jié)構(gòu)件
析出強(qiáng)化 (低、中碳)Mn-Nb, Si-Mn-Nb等 ~590 一般加工 內(nèi)板、結(jié)構(gòu)件
組織強(qiáng)化(馬氏體系) (低、中碳)Si-Mn, Si-Mn-P等 590~980 DP鋼(低屈強(qiáng)比型) 結(jié)構(gòu)件
組織強(qiáng)化(殘余奧氏體系) (低、中碳)Si-Mn等 590~980 殘余奧氏體(TRIP)鋼 結(jié)構(gòu)件
析出+組織強(qiáng)化 (低、中碳)Si-Mn- Ti-(Mo)等 ~1470 超高強(qiáng)度鋼 結(jié)構(gòu)件
      

    不同的汽車零件,將經(jīng)歷不同特征的變形過(guò)程,因而要求使用不同類型的鋼板。考慮到需要的材料特性和強(qiáng)度水平,一般將汽車零件分為面板、結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)件、底盤(pán)。根據(jù)各種材料所經(jīng)受的不同的成形方式,而選用不同類型的材料。

    1 汽車面板用高強(qiáng)鋼板及其生產(chǎn)工藝

    IF鋼板,含低強(qiáng)度的軟鋼和高強(qiáng)IF鋼板,特點(diǎn)是非常大的延伸和良好的深沖性能,因而廣泛用于制造汽車面板。通常汽車面板需要良好的塑性和拉深成形性能,因而無(wú)間隙原子鋼(IF鋼)得到了廣泛的應(yīng)用。IF鋼采用低碳或超低碳和Nb、Ti微合金化的成分設(shè)計(jì),使鋼中的C、N以碳氮化物的型式,而非固溶的形式存在,因而得到了極高的r值(平均r=2.5)和加工硬化系數(shù)(n=0.27)。

    IF鋼的生產(chǎn)工藝是,通過(guò)低溫大壓下的熱軋過(guò)程和軋后立即進(jìn)行加速冷卻,得到細(xì)晶的鐵素體,以及大壓下冷軋和高溫退火,得到需要的冷軋組織和高成形性能。

    外板不僅要求有良好的剛性(由楊氏模量、厚度、集合形狀等決定),還要求在受到壓力或沖擊時(shí),具有良好的抗凹陷性。盡管提高屈服強(qiáng)度可以提高抗凹陷性,但是為了防止沖壓過(guò)程中鋼板表面發(fā)生畸變,還是限制屈服強(qiáng)度不要超過(guò)240MPa。為了解決成形性和抗凹陷性的矛盾,開(kāi)發(fā)了烘烤硬化鋼(BH鋼)。BH鋼在成形加工中強(qiáng)度低,成形后材料發(fā)生加工硬化,強(qiáng)度有所提高。經(jīng)過(guò)烘烤涂漆后的使用過(guò)程中,強(qiáng)度進(jìn)一步提高,較好的解決了上述成形性和抗凹陷性的矛盾。

    BH鋼板的強(qiáng)化機(jī)制和生產(chǎn)工藝為:BH鋼在經(jīng)過(guò)170℃下20min的烘烤,固溶在鐵素體中的殘余C、N向成形過(guò)程中產(chǎn)生的位錯(cuò)擴(kuò)散,它們將位錯(cuò)釘扎并提高了屈服強(qiáng)度。因此,固溶的C、N量越多,則烘烤效應(yīng)越高。不過(guò),殘存固溶的C、N原子可能會(huì)引起時(shí)效,因而引起屈服點(diǎn)延伸的缺陷。當(dāng)經(jīng)過(guò)100℃下1小時(shí)的加速時(shí)效熱處理后,屈服點(diǎn)延伸可以小于0.2%,實(shí)際上觀察不到,這種情況下的實(shí)際可達(dá)的烘烤硬化量是大約30-50MPa。

    有兩種利用超低碳鋼制造BH鋼的方法,一種方法添加的C、N量超過(guò)與Nb、Ti的化學(xué)計(jì)量比,另一種方法添加的C、N量低于與Nb、Ti的化學(xué)計(jì)量比。在前一種情況下,由于存在固溶的C、N原子,會(huì)妨礙具有高r值的有利織構(gòu)。而后一種情況下,必須在后續(xù)的高溫退火中考慮溶解一部分碳化物,以維持最終的產(chǎn)品中有必要的含碳量。通過(guò)控制固溶的C、N量,以及進(jìn)行適量的Nb、Ti微合金化,不經(jīng)過(guò)高溫退火,也可以得到270和340MPa的BH鋼。BH鋼用作容易受到外載荷的零件,例如頂蓋、側(cè)圍等590MPa級(jí)的Ti-IF鋼。

    2 結(jié)構(gòu)件和加強(qiáng)件用高強(qiáng)鋼

    結(jié)構(gòu)件和加強(qiáng)件是重要的安全防護(hù)件,因此希望它具有高的沖擊吸收能力。當(dāng)然,它必須具有良好的成形性能,特別是鼓脹成形性能,以便沖制成形狀復(fù)雜的零件。鼓脹成形性能與材料的延伸率有關(guān),在高強(qiáng)鋼的沖壓成形中具有重要的作用。對(duì)于高強(qiáng)鋼來(lái)說(shuō),一般隨著鋼板強(qiáng)度的增加,其延伸率降低。DP鋼和TRIP鋼兼有高的強(qiáng)度和良好的延伸,因而廣泛應(yīng)用于汽車的結(jié)構(gòu)件和加強(qiáng)件,如車門、后背箱蓋等。過(guò)去20年BH鋼的應(yīng)用增長(zhǎng)迅速。

    更高強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼板應(yīng)用于轎車外板,已經(jīng)付諸實(shí)現(xiàn)。一種Nb、Ti微合金化、超低碳并含有P、Mn、Si的440MPa級(jí)的固溶強(qiáng)化高強(qiáng)鋼板已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái),總延伸38.3%,n值為0.24,r值為1.95。采用隨后600℃熱處理的Cu沉淀強(qiáng)化機(jī)制,開(kāi)發(fā)了另一種r=1.9,強(qiáng)度達(dá)到590MPa級(jí)的汽車外板用鋼。

    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,有利于提高車輛的安全性。

    目前,最常用的DP鋼的強(qiáng)度水平為490~780MPa,高達(dá)1170MPa的DP鋼也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)。

    TRIP鋼是一種由鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體組成的多相鋼,殘余奧氏體的量可以達(dá)到20%。由于變形過(guò)程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,即所謂的TRIP效應(yīng),會(huì)促進(jìn)變形均勻分布,所以TRIP鋼有很高的強(qiáng)度,又可以得到很大的延伸。DP鋼和TRIP鋼是制造結(jié)構(gòu)件和加強(qiáng)件的重要高強(qiáng)鋼。為了生產(chǎn)TRIP鋼需要特殊的熱處理裝置和技術(shù)。

    利用連續(xù)退火設(shè)備可以制造TRIP鋼。在加熱到高溫退火過(guò)程中,顯微組織分解為鐵素體和奧氏體。將鋼板迅速冷卻到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍,在隨后幾秒的熱處理中,硬的貝氏體形成,碳在剩余的奧氏體中富集,添加一些元素可以幫助碳的富集。最終的室溫組織是由鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體組成。

    還有一類汽車結(jié)構(gòu)件和加強(qiáng)件,由于要經(jīng)過(guò)卷邊成形和彎曲成形,所以要求具有性能均一、硬度均勻的組織,不希望有明顯的硬相。這一類零件經(jīng)常使用卷邊成形性能優(yōu)良的貝氏體鋼。

    3 車體下部零件用高強(qiáng)鋼板

    對(duì)于車體下部的結(jié)構(gòu)件,過(guò)去以沉淀硬化鋼為主。但是,近年兼有強(qiáng)度和優(yōu)良成形性能的DP鋼和TRIP鋼的應(yīng)用已呈上升的趨勢(shì)。780MPa 超強(qiáng)鋼板用于懸掛件和車輪等車體下部零件。超強(qiáng)的沉淀硬化鋼和馬氏體鋼用于高剛性的零件,像緩沖器和沖擊梁。1470MPa級(jí)的超強(qiáng)鋼板用于震動(dòng)吸收裝置,如安裝在緩沖器和車門上的防震沖擊梁。

    4 耐腐蝕涂鍍鋼板

    為了提高鋼板的耐腐蝕性能,70-80%的汽車板采用涂鍍鋼板。在連續(xù)熱浸鍍生產(chǎn)線上,鋼板首先經(jīng)過(guò)連續(xù)退火,以獲得需要的力學(xué)性能。然后經(jīng)過(guò)鋅鍋,在鋼板表面鍍鋅(或鋅的合金),利用噴吹空氣或氮?dú)獾臍獾犊刂其\層的厚度。最后,涂鍍的鋼板要通過(guò)平整機(jī)進(jìn)行平整。

    盡管通過(guò)熱浸鍍的鋼板表現(xiàn)出良好的抗腐蝕能力,但是涂漆性能、成形性能、焊接性能尚不能滿足要求,原因在于涂層是純鋅。為此,將純鋅層再加熱到一定溫度,將純鋅層變?yōu)橐粚愉\鐵金屬間化合物。這就是所謂的合金化鍍鋅板(GA)。 但是,由于鍍鋅層是由Zn-Fe化合物組成,性質(zhì)極脆,可能在成形過(guò)程中發(fā)生粉化,即剝落現(xiàn)象。控制Zn-Fe化合物的組成,可以抑制粉化現(xiàn)象。Zn-Fe化合物可以依據(jù)化合物的成分分類為ζ相、δ1相和Г相。涂層的性能受到這些相成分比的顯著影響。希望減少ζ相,因?yàn)檫@種相會(huì)增加摩擦阻力。同時(shí)也希望減少Г相,因?yàn)檫@種組織非常硬,不容易發(fā)生變形。

    汽車用冷軋高強(qiáng)鋼板的生產(chǎn)工藝

    高強(qiáng)冷軋鋼板要經(jīng)過(guò)酸洗、冷軋、退火、平整等工序,才能成為供用戶使用的冷軋產(chǎn)品。其中退火工序是決定冷軋板性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。退火主要有兩種方式,一種是罩式退火工藝,另一種是連續(xù)退火工藝。罩式退火工藝主要用于生產(chǎn)深沖鋼板,包括IF鋼和BH鋼。它的特點(diǎn)是處理時(shí)間長(zhǎng)(20-30hr),冷卻速度緩慢,但是由于可以對(duì)各個(gè)爐單獨(dú)控制,所以靈活性較強(qiáng);連續(xù)退火工藝處理時(shí)間段(幾分鐘),可以控制得到很高的冷卻速度,由于冷卻條件的控制受到爐體結(jié)構(gòu)的限制,所以生產(chǎn)的靈活性較差。一般,需要相變強(qiáng)化的鋼種,例如DP鋼、TRIP鋼只能通過(guò)連續(xù)退火進(jìn)行處理。

    1 罩式退火工藝(略)

    2 連續(xù)退火工藝

    連續(xù)退火生產(chǎn)線分為加熱區(qū)、一次冷卻區(qū)、過(guò)時(shí)效區(qū)、最終冷卻區(qū)。

    加熱區(qū)又分為預(yù)熱段、加熱段、均熱段。預(yù)熱段通常使用輻射管加熱的加熱段排出的廢氣對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱有3種方式,1)使用加熱段的廢氣直接預(yù)熱鋼板,效率高,但是有鋼板氧化問(wèn)題;2)利用廢氣通過(guò)熱交換器加熱空氣,用空氣預(yù)熱鋼板,效率不高,也有鋼板氧化的問(wèn)題;3)用通過(guò)熱交換器的循環(huán)氣體進(jìn)行預(yù)熱,效率最低,但是無(wú)板面氧化的問(wèn)題。帶鋼在加熱段加熱到需要的溫度,加熱段帶鋼通過(guò)導(dǎo)向輥垂直布置,約20m高,折返幾次,在帶鋼之間有輻射管進(jìn)行加熱。該段允許的最高加熱溫度約950℃,平均的運(yùn)行溫度在800-900℃之間。達(dá)到退火溫度的帶鋼,在均熱段保持在該溫度下至少20 s,完成再結(jié)晶過(guò)程。在均熱段折返的次數(shù)依據(jù)以最大速度通過(guò)時(shí)達(dá)到最小保持時(shí)間所必須的帶鋼長(zhǎng)度確定。

    一次冷卻區(qū)分為慢冷段和快冷段。慢冷段帶鋼以低于10℃/s的冷卻速度冷卻到650-670℃。它是快冷段的準(zhǔn)備階段,在此階段碳在奧氏體中遷移,改變奧氏體各部分的濃度。帶鋼部分是由于輻射冷卻,部分是由于氮?dú)浠旌蠚怏w的軟噴射冷卻。快速冷卻段對(duì)于退火過(guò)程是非常重要的。盡管嘗試過(guò)多種冷卻方式,目前主流的冷卻方式是氣體噴射冷卻。有兩種氣體在使用,一種是成分可控的氮?dú)浠旌蠚怏w,另一種是氫氣。

    在使用氮?dú)浠旌蠚怏w時(shí),經(jīng)過(guò)水/氣體熱交換器進(jìn)行循環(huán)的高速氣體直接噴射到帶鋼表面,通常這種系統(tǒng)可以達(dá)到70-80℃/s的冷卻速度,但是循環(huán)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行需要較高的能源成本(12kW/t)。使用氫含量50-60%的氣體進(jìn)行冷卻時(shí),由于氫的高導(dǎo)熱性,可以將冷卻速率提高到100℃/s/mm,由于氫單重較低,風(fēng)機(jī)能源消耗可以大幅降低(4kW/t)。使用氫氣必須具有良好的安全措施,冷卻段必須與上、下游隔離開(kāi)來(lái),以便將氫氣控制在冷卻段內(nèi)。

    帶鋼與水冷的導(dǎo)向輥接觸實(shí)現(xiàn)的輥淬冷卻能量消耗低,是一種可供選擇的方案,不過(guò)這個(gè)系統(tǒng)通常不太穩(wěn)定。目前,Kawasaki開(kāi)發(fā)了輥淬與氮?dú)浠旌蠚怏w噴射混合使用的系統(tǒng);而NSC和NKK則開(kāi)發(fā)了輥淬系統(tǒng)。

    還有其他3種系統(tǒng)具有相當(dāng)高的冷卻速率,主要用于特殊的目的,不過(guò)它們需要隨后進(jìn)行酸洗。這3種系統(tǒng)是,1)水淬;2)熱水淬火;3)水霧冷卻。水淬法可以實(shí)現(xiàn)非常高的冷卻速率(500-1000℃/s),通常用于處理非常高強(qiáng)度的鋼板。熱水淬是將帶鋼進(jìn)入熱水中進(jìn)行淬火,這種方法可以得到板形非常好的鋼板,冷卻速率可以達(dá)到150℃/s,但是在500℃以下效果不好。NSC開(kāi)發(fā)了水霧冷卻系統(tǒng),使用感應(yīng)加熱方式加熱帶鋼。它適應(yīng)于TRIP鋼這樣的帶有加熱的快速、終冷溫度低的冷卻過(guò)程。

    過(guò)時(shí)效段。在快速冷卻之后,晶粒尺寸固定了,但是脫溶的碳化物殘存下來(lái),應(yīng)當(dāng)盡量減少脫溶的碳化物。在過(guò)時(shí)效的過(guò)程中,這些碳化物將遷移到晶粒邊界。最優(yōu)的溫度是350-400℃。在更高的溫度下,碳化物將再一次溶解;在更低的溫度下,沒(méi)有足夠的能量來(lái)完成遷移。因此,過(guò)時(shí)效段是由一個(gè)或幾個(gè)段構(gòu)成,要配以足夠的折返數(shù),以利用最短的過(guò)時(shí)效時(shí)間使脫溶碳含量達(dá)到最小。

    過(guò)時(shí)效過(guò)程應(yīng)用于CQ級(jí)和DQ級(jí)的低碳鋼板材。對(duì)于高強(qiáng)鋼,在快冷區(qū)之后得到了需要的金屬結(jié)構(gòu),目標(biāo)溫度低于300℃,以便防止任何“過(guò)時(shí)效”發(fā)生,這個(gè)區(qū)通常是使用電加熱。

    最終冷卻區(qū)。在帶鋼離開(kāi)密閉的爐子和保護(hù)性氣氛之前,必須將鋼板的溫度降低到氧化極限之下,即低于200℃。如果平整機(jī)安裝在退火過(guò)程的下游,必須將帶鋼在低于40℃的溫度下,送進(jìn)軋機(jī)。帶鋼通常使用氣體噴射系統(tǒng)冷卻到80-150℃,再進(jìn)一步用水箱冷卻到40℃。

    DP鋼和TRIP鋼必須通過(guò)連續(xù)式退火進(jìn)行熱處理,以獲得需要的組織和性能。

    快冷段的冷卻速度對(duì)于高強(qiáng)鋼的性能有重要的影響。目前我國(guó)大多數(shù)連續(xù)退火線冷卻速度偏低,影響高強(qiáng)鋼板的研發(fā)和生產(chǎn)。在高強(qiáng)鋼的制造過(guò)程中,有時(shí)需要將鋼板以150℃/s的速度冷卻。此時(shí)要求非常大的冷卻能力。例如,厚度0.5mm的鋼板,如果以150℃/s的速度從700℃冷卻到300℃,熱交換系數(shù)必須達(dá)到500W/m2K。利用以氮?dú)鉃橹鞯牡獨(dú)浠旌蠚怏w噴射冷卻達(dá)不到這樣的熱交換系數(shù),利用水霧或浸水冷卻又有板變形和表面氧化的問(wèn)題。為此,正在研究開(kāi)發(fā)噴射氫氣的快速冷卻方式。與以氮?dú)鉃橹鞯牡獨(dú)浠旌蠚怏w相比,全氫噴射冷卻熱交換系數(shù)非常大,在同樣的噴射情況下,可以得到2倍的冷卻能力。如果能夠優(yōu)化噴嘴的配置和噴射的速度,熱交換系數(shù)有可能超過(guò)500W/m2K。噴射純氫的問(wèn)題是需要開(kāi)發(fā)氣封技術(shù),以便將冷卻區(qū)與加熱區(qū)隔離開(kāi)來(lái)。另外需要確保氫氣循環(huán)系統(tǒng)的安全。這都是今后研究的課題。

    汽車用高強(qiáng)冷軋鋼板的發(fā)展趨勢(shì)

    1 TWIP鋼

    由于環(huán)保和節(jié)能,需要減輕車體重量;為了安全和舒適,又會(huì)引起車重增加。為了解決這一對(duì)矛盾,需要同時(shí)提高材料的成形性和材料的強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)度和延展性的平衡。

    近年開(kāi)發(fā)的所謂TWIP鋼就是在這個(gè)方向上的一個(gè)重要進(jìn)展。所謂TWIP,意即孿晶誘導(dǎo)塑性(TWinning Induced Plasticity)。TWIP鋼是以Fe、Mn為主的純奧氏體碳鋼,采用Mn可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū),添加C不僅可以穩(wěn)定奧氏體,而且可以利用C的固溶強(qiáng)化奧氏體。通過(guò)控制Mn(17-24%)和C(0.5-0.7%)的含量,可以得到最好的力學(xué)性能。與DDQ級(jí)沖壓板相比,同樣可以沖制各種形狀復(fù)雜的零件,強(qiáng)度卻要高出2-5倍;其抗拉強(qiáng)度與熱處理鋼相當(dāng),延展性卻比熱處理鋼強(qiáng)10倍。

    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(>0.45)。這會(huì)抑制細(xì)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,可以保證汽車非常高的安全性。這是TWIP受到青睞的一個(gè)非常重要的原因。

    2 熱沖鋼板

    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+隨后熱處理的新技術(shù),以滿足用戶對(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)行沖壓變形,大幅度降低成形力,提高材料的成形能力,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)到1500-2000MPa。處理完的零件要經(jīng)過(guò)噴丸處理,以消除氧化鐵皮,改善表面質(zhì)量。2006年初,POSCO的熱沖零件廠投入生產(chǎn),年產(chǎn)熱處理零件300萬(wàn)件。

    也有的熱沖后,對(duì)零件的關(guān)鍵部位進(jìn)行局部熱處理,制成所謂性能TAYLORED坯料。

    3 激光拼焊

    汽車的一些零件各個(gè)部位可能有不同的負(fù)荷和不同的受力條件,成形方式也會(huì)有差異。為了節(jié)省材料、減輕車體的重量,希望零件的不同部位可以制成不同厚度和采用不同的材質(zhì)。基于這樣的想法,利用焊接技術(shù)的最新成果,開(kāi)發(fā)出激光拼焊技術(shù)(TWB-Taylored Welding Blank),一個(gè)零件,可以依據(jù)其不同部位的負(fù)荷、受力條件、成形方式和難易程度,采用不同厚度、材質(zhì)的材料,將其焊接起來(lái),達(dá)到物盡其用,從而提高材料的利用效率,實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化。

    4 液壓管成形

    汽車一些零件是先用鋼板沖壓成兩個(gè)半片,然后焊接在一起,形成中空的管狀結(jié)構(gòu)件。由于焊接而成,工序復(fù)雜,強(qiáng)度和剛度均不理想。德國(guó)Thyssen-Krupp長(zhǎng)期致力于發(fā)展液壓管成形技術(shù),通過(guò)焊接鋼管技術(shù)、管件液壓成形技術(shù)、管件激光拼焊技術(shù)、卷管技術(shù)等系列關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā),已經(jīng)形成成套技術(shù),并已經(jīng)開(kāi)發(fā)出概念車。通過(guò)應(yīng)用液壓管成形技術(shù)的應(yīng)用,可以改善零件的受力條件,提高構(gòu)件的承載能力,降低車體重量20-30%,成本稍稍高于傳統(tǒng)車。目前已經(jīng)在眾多車輛上推廣應(yīng)用。

    5 耐腐蝕鋼板

    由于高強(qiáng)鋼板成分設(shè)計(jì)和變形規(guī)律有自己的特點(diǎn),所以其涂鍍過(guò)程有特殊的難度。首先,高強(qiáng)鋼板采用一定含量的Mn和Si,也經(jīng)常使用各種合金元素,由于不同元素與基本材料Fe氧化特性不同,一些元素發(fā)生選擇性氧化,常常會(huì)在鋼材表面形成氧化物,這些氧化物會(huì)造成漏鍍點(diǎn),直接惡化材料的涂鍍質(zhì)量和抗腐蝕能力。其次由于高強(qiáng)鋼板,如DP或TRIP,熱處理的溫度制度,特別是等溫時(shí)效處理的溫度,與涂鍍的溫度不一致,需要調(diào)整高強(qiáng)鋼板連續(xù)退火和熱浸鍍的溫度制度。此外,如何調(diào)整和控制高強(qiáng)鋼板熱處理的溫度制度,實(shí)現(xiàn)需要的高冷卻速率和柔性化的退火與熱處理制度,也是迫切需要解決的問(wèn)題。

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