汽车轻量化材料的应用

汽车轻量化材料的应用

为了满足环境保护、节能和安全等强制性法律法规的要求，世界上的汽车工业及其上级钢铁工业应努力通过促进技术进步来满足上述要求，并在世界范围内实现和谐可持续发展。汽车作为日常的交通工具在给人们带来便捷的同时,也成为产生NOX、CO和噪声的主要污染源。据统计,目前全世界拥有汽车6.25亿辆,预计在30年内,这一数字会上升到10亿辆。因此,研制环境友好型的汽车将成为今后汽车发展的主要方向。在降低油耗、减少排放的诸多措施当中,降低汽车的重量已越来越得到汽车行业和相关上游行业的重视,资料表明,车重减轻10%可节省燃油3%~7%。然而,在过去的10多年当中,舒适、安全似乎与汽车轻量化构成了相互对立的两个方面,汽车的自重却有逐年上升之势。图1为丰田汽车1975~2000年,汽车整车的单位投影面积上车身质量的变化情况(包括整车高强度钢板使用量比例变化情况)。为降低汽车自重、实现节能效果,世界各大汽车厂都在尝试和实施钢铁材料的替代计划,转而越来越多地采用铝合金或非金属等材料,如美国的PNGV项目就把开发轻质材料作为一个重要的子项进行。这对一直作为汽车首选材料的钢铁构成了严峻的挑战,从20世纪90年代中期开始,世界范围内的钢铁企业也纷纷联手应对,其中以ULSAB系列项目最为著名。该项目的试验成功,充分发挥了钢铁工业作为传统产业的优势和成本优势,通过材料开发及相关工艺技术的开发应用,使钢铁材料在汽车工业中的龙头地位得以稳固。过去十几年的事实表明,充分有序的行业竞争,促进了汽车整个原材料产业的技术进步,也给汽车工业带来了生机和前进动力。国内外的汽车企业也正以自己独特的视角选择着令人眼花缭乱的轻量化金属材料。据粗略统计,按照汽车车型的不同,钢板的用量约占汽车钢材用量的55%~80%。在轿车中,白车身的重量约占整车重量的1/3。因此,钢板材料的轻量化理所当然的成为汽车用钢轻量化乃至汽车轻量化的主力军。汽车材料的比例与汽车重量的变化有关1.近年来，主要车辆材料的比例发生了变化以轿车为例,说明近年来汽车用金属材料及其他材料应用重量比例的变化,如表1所示。2.近年来，白色车身biw的重量发生了变化表2列出了1980~1999年不同品牌轿车白车身结构、材料和重量的变化情况。高强度钢板对于高强度钢板,目前尚无统一的定义和分类方法,国内习惯上把抗拉强度高于软钢(340MPa)的钢板称为高强度钢板,如烘烤硬化钢板、高强度IF钢板等。以下是部分国家和组织对于高强度钢板的定义和分类:1.中国根据笔者掌握的情况,国内对汽车用高强度钢板倾向于分为两类:2.日本将抗拉强度不低于340MPa的冷轧钢板和抗拉强度不低于490MPa的热轧钢板通称为高强度钢板(HSS)。3.瑞典瑞典将钢板的强度级别分为以下三种:普通强度钢板(MS)、高强度钢板(HS)和特高强度钢板(EHS)。4.意大利意大利6.超高强度钢板uhssULSAB组织将高强度钢板分为两类:屈服强度为210~550MPa的钢板定义为高强度钢板(HSS);屈服强度大于550MPa的钢板定义为超高强度钢板(UHSS)。该组织对钢板牌号的表示方法也值得国内借鉴。具体表示方法为:钢种类别代号+最低屈服强度/最低抗拉强度,如DP500/800,表示屈服强度和抗拉强度下限值分别为500MPa和800MPa的双相钢。7.国际钢铁公司iii试验目标及对策1999年1月,全球34家钢铁企业又组成了新的联合体,共同出资启动了超轻钢制汽车车身的研究项目ULSAB-AVC(即UltraLightSteelAutoBody–AdvancedVehicleConcept),目标是通过车辆的整体设计,释放出钢能给汽车轻量化带来的最大潜能。ULSAB-AVC项目的目标以安全、环保、价格为中心,在满足2004年出台的更为严格的安全标准的前提下,减轻车体重量,同时提高动力系统的效率、降低油耗、减少排放,并通过制造技术的创新,降低批量生产的制造费用和汽车的维护费用。表3为ULSAB-AVC和PNGV项目的减重目标。为达到上述目标的主要应对办法是发展新型高强度汽车钢板。以下是ULSAB-AVC的选材情况:在新一代轿车的用材中抗拉强度高于500MPa的材料占82.35%,抗拉强度高于800MPa的材料已占到61.68%。表4为ULSAB-AVC车身结构用的钢板牌号及力学性能指标。图2和图3分别为ULSAB-AVC车身结构所选用钢种的强度级别、重量及重量比例和ULSAB-AVC应用的高强度钢板零件。高强度钢的类型国际钢铁协会和ULSAB组织定义的高强度钢板的钢板品种和力学性能水平,如图4所示。1.普通高强度钢2.加工硬化指数TRIP钢具有高延伸率的本质是应变诱发残余奥氏体转变为马氏体,同时相变引起的体积膨胀伴随着局部加工硬化指数增加,使得变形很难集中在局部区域。同DP钢相比,TRIP钢的起始加工硬化指数小于DP钢,但是TRIP钢的加工硬化指数在很长的应变范围内仍保持较高,特别适合要求具有高胀形性能的情况。3.fe-al-si合金化层近年来生产上普遍采用的是带有Al-Si预涂层的钢板,可以在热冲压前的加热过程中避免氧化,热冲压后表面形成Fe-Al-Si合金化层,零件无须喷丸清理,可直接涂装,并且零件的形状精度较好。典型牌号有Arcelor的Usibor1500P和预涂层的22MnB5等。(2)twip钢的塑性变形TWIP钢的最大特点是强塑积高,可以达到50000MPa%,为TRIP钢的两倍以上。TWIP钢可以象DDQ级冲压板一样,冲压出复杂形状的零件,但强度却要高出2~5倍;其抗拉强度与热处理钢相当,而塑性却较热处理钢高10倍以上。TWIP钢的塑性变形的主要机制是位错滑移。在变形过程中,非常细的孪晶在晶内发生,孪晶界和晶粒边界均成为位错滑移的壁垒,这会导致非常剧烈的加工硬化,其瞬时硬化率能保持较高的水平(大于0.45)。这会抑制缩颈的发生,从而导致TWIP钢非常强的加工硬化能力和非常大的延伸率。这种性能即使在高应变速率下仍然保持着,因而在撞击等高应变过程中,可以保证汽车非常高的安全性。(1)高强度钢板抗拉强度或屈服强度相对较低,或采用传统工艺或传统工艺少许改进即能生产出来高强度钢板,如烘烤硬化钢板、含磷钢板、高强度IF钢板以及HSLA钢板等。(2)钢板的制作需要采用先进设备及工艺方法才能生产出来的钢板。这种钢板生产难度较大,强度也较高,如双相钢板(DP钢板)、复相钢板(CP钢板)、相变诱发塑性钢板(TRIP钢板)和马氏体钢板(M钢板或Mart钢板)等。(1)高强度钢板hss烘烤硬化钢、含磷钢和低合金高强度钢等。(2)厚钢板uhss双相钢、铁素体-贝氏体钢和TRIP钢等。5.德国模块(1)高强度钢板hss屈服强度高于180MPa(包括180MPa),低于300MPa的钢板。(2)先进高强度钢板ahss屈服强度高于300MPa(包括300MPa),低于600MPa的钢板。(3)厚钢板uhss屈服强度高于600MPa(包括600MPa)的钢板。(1)高强度钢屈服强度210~550MP,或抗拉强度270~700MPa的钢板。(1)厚钢板屈服强度大于550MPa,或抗拉强度大于700MPa的钢板。8.其他(1)高强度钢屈服强度210~550MPa,或抗拉强度270~700MPa的钢板。(2)厚钢板屈服强度大于550MPa,或抗拉强度大于700MPa的钢板。(1)充压件冲压件焊接工艺控制策略是在IF钢的基础上,添加不同类型的强化元素(如固溶强化元素P、Mn、Si)和适当的轧制工艺控制,使钢材在保证良好塑性和冲压性能的同时,拥有较高的强度,满足复杂形状轿车冲压件性能要求。IF钢的生产工艺是:通过低温大压下量的热轧过程和轧后立即进行加速冷却,得到细晶的铁素体,以及大压下率冷轧和高温退火,得到需要的织构和高成形性能。(2)通过涂漆烘烤工艺包括IF钢烘烤硬化钢板和低碳烘烤硬化钢板两种,主要侧重于IF烘烤硬化板。特点是钢板冲压成形前具有较低的屈服强度,通过冲压成形后的涂漆烘烤工艺使钢板的屈服强度增加。BH钢可在不影响成形件形状稳定性的同时,提高钢板的抗凹陷性,因此很适用于生产汽车外覆盖件。BH钢在具有良好的烘烤硬化性的同时,还必须保证在一定时间内具有常温非时效性,通常用时效指数AI表示,如果AI值小于30MPa,可认为钢板在3个月内不会出现自然失效。(3)锰为10倍,硅的7倍利用磷在钢中的固溶强化作用进行强化。磷的固溶强化作用很突出,相当于锰的10倍,硅的7倍。磷在增加强度的同时,延伸率降低很少,而且还具有较高的塑性应变比r值,因此含磷钢板可以用来冲制一些形状比较复杂的汽车冲压件。(4)固溶强化，钢质纯度其化学成分特点是:超低碳,微合金化,固溶强化,钢质纯净。以上特点决定了该钢具有良好的深冲性、塑性和韧性,P、Mn、Si等元素的固溶强化作用保证了其强度。(5)产品的平面各向性和强度级别及尺寸、一般应以5.冷轧各向同性钢属于低碳微合金钢,主要用于汽车外板,目前在欧洲已商品化,该钢特点为具有很低的平面各向性即Δr趋于零(一般在-0.15~+0.15之间)、高强度、高n值和成形性能好等。强度级别按照屈服强度可分为220、250、260、280和300MPa。产品大类分为冷轧普板、电镀锌、热镀锌和热镀锌合金化产品。这类产品主要在欧洲系列车型上使用较多,日系汽车很少使用。(6)添加/复合添加微量元素汽车用热轧低合金高强度钢板,也称为F-P型低合金高强度钢板,是在C-Mn基础上添加或复合添加微量铌、钛、钒等合金元素,通过控制轧制工艺参数及轧后的冷却速度,获得良好的综合性能。在现代热轧低合金高强度钢板中,藉助添加合金元素而使钢得以强化的主要机制有晶粒细化、析出强化、固溶强化甚至相变强化等。(1)双相钢dp钢DP钢板的商业化开发已近30年,包括热轧、冷轧、电镀和热镀锌产品。DP钢是以Si、Mn为主要合金成分的低成本钢材。在连续退火过程中,首先加热到760~830℃的铁素体+奥氏体两相区,使其组织为一定比例的铁素体和奥氏体。此时令钢材淬火到马氏体点以下,则奥氏体转变为马氏体,导致所谓的“双相组织”。DP钢基体为软的铁素体,在其上分布硬质的马氏体,两者分别确定材料的低的屈服强度和高的抗拉强度。DP钢比传统的高强钢有更高的初始加工硬化率,所以有很低的屈强比,可以得到很大的延伸。DP钢中固溶较多的C,所以也是一种烘烤硬化钢,在经过烘烤涂漆后,屈服强度提高约100MPa。DP钢在车辆冲撞这样的高速变形(正面冲撞变形速率可达1000/s)中,表现出比普通高强钢更高的强度,所以具有更大的冲击能吸收能力,有利于提高车辆的安全性。主要组织是铁素体和马氏体,其中马氏体的含量在5%~20%,随着马氏体含量的增加强度线性增加,强度范围为500~1200MPa。除了AHSS钢的共性特点外,双相钢还具有低的屈强比、高的加工硬化指数、高的烘烤硬化性能、没有屈服延伸和室温时效等特点。一般用于需高强度、高的抗碰撞吸收能且成形要求也较严格的汽车零件,如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等。随着钢种性能和成形技术的进步,DP钢也大量用于汽车的内外板零件。(2)添加元素的范围热轧贝氏体钢有贝氏体双相钢(F+B)和贝氏体钢(B),其主要添加元素为Si、Mn、Nb、Cr。其重要特性是具有优良的翻边性能,很适合冲压汽车支撑部件类要求厚度较大、尤其是翻边性能良好的部件。(3)c、si和mnTRIP钢是近10多年才商业化开发的钢种,主要成分是C、Si和Mn,包括热轧、冷轧、电镀和热镀锌产品。主要组织是铁素体、贝氏体和残余奥氏体,其中残余奥氏体的含量在5%~15%,强度范围为600~800MPa。(4)出相:及强度复相钢同TRIP钢的冷却模式类似,但是需要对化学成分进行调整以形成强化马氏体和贝氏体的析出相,强度范围为800~1000MPa。其组织特点是细小的铁素体和高比例的硬相(马氏体、贝氏体),而且通过析出强化而得到进一步的强化,含有Nb、Ti等元素,具有高的冲击能量吸收能力和好的扩孔性能,特别适合于车门防撞杆、保险杠和B立柱等安全零件。(5)高强度钢板mpa马氏体钢的生产是通过高温的奥氏体组织快速淬火转变为板条马氏体组织,其最高强度可达1500MPa,是目前商业化高强度钢板中强度级别最高的钢种。主要用于成形要求不高的车门防撞杆等零件代替管状零件,减少制造成本。其成分含有较高的C、Mn、Si、Cr、Mo、B、V、Ni等合金元素。(1)零件冲后处理随着强度的提高,钢板成形性能总体上呈下降趋势,形状冻结性变差,成形难度加大。同时材料成形力也增加,造成成形负荷增大,工具、模具的磨损和损坏严重。所以,近年开发了材料的热冲后进行热处理的新技术,以满足用户对进一步提高强度的迫切要求。这种技术应用于可以热处理强化的钢板,例如含B钢板,将其加热到900℃左右进行冲压成形,大幅度降低了成形抗力,提高了材料的成形能力。冲成零件后,立即利用余热进行淬火处理。目前处理后的抗拉强度可以达