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武鋼高強汽車用鋼板開發(fā)研究論文
隨著排放和碰撞安全法規(guī)的日益嚴格，以及消費理念的變化，對汽車燃油經(jīng)濟性和安全性的要求也越來越高，在汽車輕量化制造的同時提高安全性成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。國際鋼協(xié)“世界汽車用鋼聯(lián)盟”項目未來鋼制汽車FSV計劃的研究結(jié)果表明，在不增加生產(chǎn)成本的前提下，通過大量使用先進高強鋼(97%的HSS和AHSS應(yīng)用比例)和先進制造技術(shù)，可以在滿足碰撞安全要求的同時，較標桿車實現(xiàn)35%的白車身減重。FSV項目體現(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)高強度鋼板，提高高強鋼應(yīng)用比例，可以有效減輕車身質(zhì)量。
武鋼是國內(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，開發(fā)出系列高強度汽車鋼板，可滿足汽車整車制造需要。同時，武鋼近年著力開發(fā)先進制造技術(shù)，加強先期介入EVI技術(shù)服務(wù)能力建設(shè)，強化與用戶的技術(shù)溝通與技術(shù)支持，促進汽車和鋼鐵工業(yè)的共同進步。
高強度IF鋼和烘烤硬化BH鋼主要用于制造車身覆蓋件。這2個鋼種兼具高強度和高深沖性能的優(yōu)點，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，可以減薄零件厚度，減輕零件質(zhì)量;同時，由于其屈服強度較高，特別是BH鋼，在零件烘烤硬化后屈服強度可以增加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，在烘烤過程碳原子重新固定在沖壓塑性變形過程產(chǎn)生的位錯里，從而提高屈服強度。因此，BH鋼具有時效性，需要在出廠后的3個月內(nèi)使用，這對汽車廠的物流和沖壓生產(chǎn)控制能力提出較高要求。目前國內(nèi)BH鋼主要用于高檔轎車的面板，以180 MPa和220 MPa級熱鍍鋅鋼板為主。
2車身安全結(jié)構(gòu)件用高強鋼
車身碰撞安全設(shè)計的基本思想是，前倉和后倉部分相對于乘員區(qū)較軟，在發(fā)生碰撞時盡可能地在前后倉產(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)在提高材料屈服強度、增加零件的剛度;低的屈強比(高應(yīng)變強化能力)和高的伸長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)件用高強鋼
高強度低合金HSLA鋼成分設(shè)計時加入了微量的強碳化物形成元素如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，主要依靠析出強化阻礙位錯運動，提高屈服強度。
由于HSLA鋼的成分與組織特點，這類鋼種對生產(chǎn)工藝敏感性不高，生產(chǎn)性能穩(wěn)定，成本相對較低。HSLA鋼以控制屈服強度為主，屈強比高，相對而言，加工硬化性能較差，疲勞性能好，適合制造對剛度要求較高的結(jié)構(gòu)件和支撐件。在沖壓成形時，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)加強梁、地板橫梁、B柱加強板、頂蓋橫梁、底盤懸掛件等。
2. 2壓潰吸能區(qū)用高強鋼
對于壓潰吸能區(qū)，要求零件在發(fā)生碰撞時，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，要求提高材料強度、加工硬化能力以及伸長率。壓潰區(qū)使用的材料通常以抗拉強度表征，強度級別一般不超過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，這些鋼種稱為先進高強鋼。
2. 3乘員區(qū)用超高強鋼
為保證乘員安全，防撞安全零件要求材料具有超高強度(1 000 MPa以上)，以減少侵入位移量。采用超高強度零件可以同時實現(xiàn)2個目標，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種有效的超高強度零件成形工藝，成形零件材料強度可以達到1 300 MPa以上。
熱成形的工藝特點要求熱成形用鋼板在加熱到Ac3溫度以上時，形成奧氏體單相，并在隨后的金屬模具冷卻淬火過程(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)計時，要求有較高的碳含量，提高馬氏體硬度;同時，碳元素有利于提高淬火性能。為進一步保證保壓淬火時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，在高溫塑性變形時降低材料變形抗力。
武鋼開發(fā)的1 300 MPa和1 500 MPa級熱成形鋼，碳含量為0. 20%一0. 23%，室溫下組織為鐵素體滲碳體，抗拉強度約為500MPa，伸長率約26 %。熱成形后獲得全馬氏體組織，實物零件強度達到1 350 MPa以上，同時可獲得4. 5%以上的伸長率。
3武鋼汽車板應(yīng)用技術(shù)研究
車身零件高強化(輕量化)是零件設(shè)計、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，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)計過程的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是零件選材和零件性能評估的基礎(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)庫系統(tǒng)，為車身剛度、成形性、安全性、疲勞耐久性等CAE評估提供數(shù)據(jù)支持。HC340 /590DP鋼板的高速拉伸曲線和疲勞曲線。高應(yīng)變速率下的動態(tài)響應(yīng)性能是車身安全評估的重要依據(jù)，武鋼引進了德國Zwick高速拉伸試驗機，采用高速攝像系統(tǒng)測試動態(tài)應(yīng)變，最高測試應(yīng)變速率可達到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)
武鋼采用國外引進與自主開發(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)計等整套技術(shù)。武鋼試生產(chǎn)的B柱加強板、保險杠等零件，實物抗拉強度達到1 500 MPa，伸長率達到6%以上，尺寸精度符合裝車要求。
3柔性輥壓成形技術(shù)
高強鋼材料強度提高后，沖壓成形性能降低，強度越高越容易開裂。鋼板強度超過1 000 MPa時，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、模具磨損嚴重等問題。柔性輥壓成形(Flexible Roll Forming)工藝可以生產(chǎn)可變截面的先進高強鋼零件，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)可以成形的超高強鋼典型零件形狀示。柔性輥壓成形機采用計算機控制，機架驅(qū)動電機可進行獨立運動，實現(xiàn)零件在深度方向或?qū)挾确较虻慕孛孀兓Ｎ滗撜桶拇罄麃喌峡洗髮W(xué)(Deakin University)、德國DataM公司等合作開發(fā)高強鋼的柔性輥壓成形技術(shù)。
4結(jié)語
武鋼己經(jīng)開發(fā)了車身覆蓋件用高強鋼、車身結(jié)構(gòu)件用高強鋼的產(chǎn)品體系，這些產(chǎn)品基本能夠滿足目前我國汽車工業(yè)制造的需求，通過了國內(nèi)各主流汽車公司的材料認證。2013年，武鋼冷軋深沖和高強汽車用鋼產(chǎn)銷量達到140萬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，對高強汽車用鋼提出了更高的要求。武鋼正通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)生產(chǎn)新的高強度汽車用鋼產(chǎn)品。同時，進一步加強先進高強鋼應(yīng)用技術(shù)的研究，通過先期介入工作模式，為車身輕量化選材與零件先進制造提供支持。
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