高强if钢在汽车工业中的应用

高强if钢在汽车工业中的应用

1高强度汽车用深冲材料20世纪90年代以来，随着冶金生产技术的进步和汽车工业的发展，高强度钢的应用迅速发展。近年来,宝钢汽车板的产量也得到了迅速的增长,高强钢的开发已取得了明显的成就(见图1)。宝钢五冷轧建成投产后,将能够供应汽车工业所需的几乎全部高强度钢和超高强钢。以IF钢为基础发展起来的深冲热镀锌IF钢板、深冲高强度烘烤硬化板等系列产品已成为第三代汽车冲压钢板的标志。高强度IF钢属固溶强化钢,主要通过在无间隙原子钢中添加P、Mn、Si等固溶强化元素来提高强度,同时由于C、N原子被完全固定,没有间隙原子存在,有利织构在退火过程中优先发展,因此其又具有良好的深冲性能。由于高强度无间隙原子钢兼具高强度和深冲性能,可以加工成复杂形状的零件并提高汽车的抗凹陷性、减轻汽车重量,符合汽车安全、减重、节能环保的要求。研究表明:使用高强度钢板,厚度为1.0～1.2mm,车身板可减薄至0.7～0.8mm,车身重量减轻15%～20%,节油8%～15%。因此大力发展高强IF钢对汽车的减重节能降低汽车的生产成本有利。2强度和伸长率的高强度钢板高强度钢板的主要强化机制有:①固溶强化;②析出强化;③组织强化(相变强化);④细晶强化;⑤形变强化。采用不同的冶金工艺和强化机制可得到具有不同抗拉强度和伸长率的高强度钢板,见图2。高强度IF钢是通过添加Mn、P和Si等元素的合金化达到固溶强化,强度得到提高而又不影响延展性和r值。Nb-Ti合金化的IF钢添加磷、硅、锰和硼,用以控制冷加工脆化。与普通铝镇静钢或钛合金化IF钢相比,这种钢的缺点是再结晶延迟,所以要获得要求的织构和延性,就要有足够高的再结晶退火温度。高强度IF钢有很高的r值和n值,在抗拉强度中等的钢中,以高强度IF钢为最好,高强度IF钢板主要是镀锌后用于制作汽车内板。3硼对样品中总磷含量和总冷加工脆冷加工脆性是IF钢的缺陷之一,也是高强IF钢所必须考虑的问题。这是因为高强度IF钢多用P来进行固溶强化。当IF钢中的C、N被Ti、Nb固定后,晶界清洁,磷有发生晶界偏析的倾向。研究发现:晶界处磷含量可比基体中的磷含量高出10倍。由于IF钢的晶界上没有固定的碳和氮,因而晶界强度低,极易发生断裂。尤其在初始冷加工后这种趋势愈加强烈,这是引起二次加工脆性的主要原因。由于铌在钢的基体中固溶度较钛大,因而Nb-IF钢阻止冷加工脆性较Ti-IF钢具有更好的抵抗能力。有研究表明:加入少量硼(≤0.002%)能够显著降低IF钢的冷脆转变温度,因为硼元素可在晶界处快速析出而强化晶界,同时硼还可抑制磷在晶界处的偏析。硼的添加对改善高强度IF钢的冷加工脆性非常有效。也有研究表明:卷取温度对IF钢的脆性转变温度有一定的影响。高温卷取脆断主要沿晶界发生,而低温卷取则呈现解理断裂,其主要原因是第二相析出减少了固溶碳量,促使磷在晶界偏析脆化了晶界。4if钢冲压下率IF钢板作为第三代冲压用钢已被广泛应用于汽车工业。IF钢的成分和生产工艺特点是超低C和N(40×10-6以下)和大的冷轧压下率等,宝钢的IF钢C和N的控制已经达到了国际先进水平(20×10-6),冲压性能从CQ到SEDDQ均可批量生产。高强度IF钢是在IF钢的基体上添加Mn、P和Si的含量,其r值可增至2.0,抗拉强度可达400MPa,而加入Ti、Nb和B的高强IF钢的抗拉强度可达400～450MPa。4.1高强if钢的本构特点当高强IF钢只采用固溶强化时,由于缺乏晶界强化而易产生二次加工脆性。研究发现加入微量硼可阻止晶界脆性。固溶强化元素中,特别是Si严重损害深冲性能和涂层的表面质量,不适用于复杂成形的外板零件。NKK报道了一种新开发的外板用高强度钢IF-SFGHITEN,新钢种与传统IF钢的冶金学特征比较见图3,这是利用晶粒细化、析出强化结合固溶强化形成钢的强化机制。在新型的高强IF钢中,碳含量是传统高强IF钢的三倍,W(C)=60×10-6,形成更多细小的铌的碳氮化合物Nb(C,N)并弥散分布,这些细小的沉淀物有助于获得细小的铁素体晶粒,通过细化晶粒强化和Nb(C,N)的弥散析出来获得高强度,但由于组织中包含独特的无析出物区域,使得屈服强度几乎不增加。在热轧条件下获得细小的铁素体晶粒,有利于在冷轧条件下获得有利于深冲性能的{111}织构。该钢具有高的强度、好的深冲性能和很好的抗二次加工脆性,不采用Si作为强化元素,适合用作合金化镀锌板的基板材料。4.2高强if钢板的研发r值是衡量钢板深冲性能的主要指标。对于普通IF钢,为了进一步提高的r值,北京科技大学王先进等人发明了一种新的工艺方法,即C-W法。C-W法与传统工艺的区别在于新工艺增加了织构预处理过程,见图4。该方法是在热轧之后即冷轧之前获得强的γ织构和弱的α织构,通过{111}织构的遗传性在最终产品中获得极强的{111}织构和极高的r值。经传统工艺处理的钢板的r值为2.40,经新工艺处理后r值为3.25(提高了0.85),这是世界上对深冲钢所报道过的最高r值。对于高强度IF钢,由于磷、锰、硅等元素的加入使得成型性受到损害、r值降低,所以更有必要改善高强IF钢的r值。山东大学关小军等人在传统的高强IF钢板生产工艺中,引入织构预处理和再次连续退火两个工序(新工艺见图4)进行研究,通过进一步发展{111}退火织构,得到了一种r值高达2.85新的高强度IF钢板。研究表明:织构预处理工序导致了热轧织构转变为γ纤维织构为主、α纤维织构为辅的预处理织构,使得连续退火后γ纤维织构较传统时更加强烈发展,是r值显著改善的主要原因。再次连续退火期间,γ纤维织构的进一步发展是r值大幅度提高的另一原因。4.3高强度第二相颗粒与萃取物的特性(1)钛对高强if钢fetip相的来源表达研究发现:在高强IF钢中,冶炼时形成的TiS、Ti(C,N)在热轧卷取时进一步积聚长大,同时细小的TiFeP相在卷取时开始析出;在退火过程中,TiS、Ti(C,N)进一步积聚长大,细小的TiFeP相也进一步析出长大,该相在退火过程中抑制具有{111}取向织构的优先形核长大。文献从钛对高强IF钢FeTiP相析出规律及力学性能的影响研究发现:在退火过程中,随着钢中钛含量的提高,FeTiP相的析出倾向增大。当钢中Ti、N元素的原子比为1∶1时钢中无FeTiP相析出。为了保证材料的综合力学性能,在高强IF钢的成分设计中应严格控制钛的加入量,钢中Ti、N原子比尽量控制为1:1,遵循如下关系:Ti%≈3.34N%,Nb%≥7.75C%。(2)磷对高强f钢卷取过程中tifep相的影响高强IF钢由于磷的加入使其析出物的种类、分布发生了根本变化。在普通IF钢中,析出物主要是TiS、Ti(N,C)等,且这些析出物较粗大,对性能影响很小;而在高强IF钢中,除上述析出物外,在卷取过程中还有TiFeP相析出。事实上,在高温卷取的过程中,高强IF钢的再结晶不仅受到P的抑制而且还受到析出的TiFeP相抑制。由于磷的加入使{111}织构减弱,再结晶进行得不充分。这些细小的析出物TiFeP相对退火过程中有利织构的优先形核长大不利,导致了{111}取向织构减弱,{100}取向密度增加,再结晶织构的形成受到抑制,这就是高强IF钢r值比普通IF钢r值低的根本原因。4.4高强度if钢合金化热铝板用于车辆(1)合金化热镀锌钢板镀层的显微问题合金化热镀锌高强IF钢不仅成形性能、涂装性能和耐蚀性能优良,而且其强度高于普通IF钢,抗冲撞性能和抗凹陷性能好,其焊接性能优于热镀纯锌高强IF钢,生产成本也较电镀锌高强IF钢低。并且随着热镀锌及其镀层退火处理(合金化)技术的成熟和各种镀层表面缺陷的解决,合金化热镀锌钢板的表面质量得到很大提高。因此,在汽车上,合金化热镀锌高强IF钢已经越来越多地用于车门外板、前翼子板等变形较复杂、强度要求较高的零件。但在冲压成形过程中,合金化热镀锌高强IF钢镀层会出现粉化(powdering)等镀层破坏形式,影响冲压后零件的表面质量,严重时还会影响冲压的正常进行。MataigneJean-Michel等,对于用于汽车的IF钢合金化镀锌板镀层的显微结构研究表明,镀层的粉化并不是过去人们所认为的那样即г相层过厚造成的,而是整个镀层的硬度过度增大所致。冲压成形良好的合金化镀锌的显微结构应为:ζ相从镀层表面消失,但厚度不均匀的致密的δ1尚未形成的结构。也就是说镀层是由г相和栅状δ1相构成,这种结构的镀层铁含量约为10%。应用此种最佳的结构的合金化镀层不仅耐粉化性,耐剥离性及涂装后的耐蚀性均同时提高,而且还会降低点焊电极端头的磨损,从而延长了使用寿命。(2)超细晶高强合金化热镀锌if钢汽车车身减重有利于节约能源改善全球生态问题。为了通过减薄钢板降低车身重量,需要抗拉强度大于390MPa的深冲合金化热镀锌IF高强钢。文献表明:近年来,国外低合金化的高强度IF钢及其热镀锌的研究发展很快。比利时冶金研究中心(CRM)和国际铅锌协会组织(ILZRO)共同开发的一种在TiNb-IF钢中添加锰生产高强度IF钢的方法,钢板经热镀锌和合金化处理后的力学性能显著提高。ReL=200～400MPa,Rm=500MPa,A=20%,Lankford系数大于2,应变硬化系数大于0.2。日本某钢铁公司利用细晶强化和细小碳化物弥散强化(析出强化)相结合的技术,开发了一种440MPa级别的超细晶高强合金化热镀锌IF钢SFG44O-GA。通过减少固溶元素含量、热轧板织构控制和晶粒细化,使GA钢板的r值达到1.7,且通过显微组织的晶粒细化而改善了二次加工脆性。目前国内钢厂还不能生产成型性能优良、强度级别达到440MPa级合金化热镀锌高强IF钢,因此,我国应加大合金化热镀锌高强IF钢的研发力度,以满足国内快速发展的汽车工业需求。5高强if钢的研究开发建议“十一五”,我国汽车用钢的发展趋势是:轻型化和有利于环保。采用高强度钢板、减薄厚度,是汽车减重、节能、安全、环保的重要手段和方向。据预测,未来几年内,高强度钢在汽车中的应用将迅速增长。因此国内钢铁企业应该进一步加强与汽车制造业的密切合作,加强汽车用钢的品牌创新,提高企业的自主创新能力。对于高强IF钢进一步研究开发,应把握以下几点:(1)加强对超深冲、具有良好成形性能高强度IF钢板的开发,使之适合于冲压复杂的零件;(2)利用铌微合金化和其他细化晶粒在内的各