车身轻量化材料——高强度钢板热成形技术

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1、车身轻量化材料——高强度钢板热成形技术.汽车用高强度钢板   长期以来，钢铁一直是汽车工业的基础，虽然汽车制造中铝和塑料的用量不断增加，但钢铁材料仍是汽车的主要材料。21世纪的汽车行业，降低燃料消耗、减少CO2和废气排放已成为社会的需求，作为材料生产厂的钢铁业为了适应这种发展趋势，已开发出许多种类的高强度钢板来帮助减轻汽车重量，适应汽车工业的新要求。近年来，超轻超薄高强度钢板的品质和性能大大提高，相信到2020年，高强度钢板在汽车上的使用率将超过70%。1.1高强度钢板等级划分   对于高强度钢的定义，一直并无定论，被钢铁界普遍认同的是ULS

2、AB-AVC(UltraLightSteelAutoBody-AdvancedVehicleConcept)联合会进行的划。。将屈服强度为210—550MPa的钢定义为高强度钢(HSS，HighStrengthSteel)，也就是传统的高强度钢，典型的如碳锰(CMn)钢、烘烤硬化钢(BH)等。屈服强度为550MPa以上的钢定义为超高强度钢(UHSS，UltraHighStrengthSteel)，典型的如孪晶诱导塑性钢(TWIP钢)、热成形钢(HF)等。而先进高强度钢(AHSS，AdvancedHighStrengthSteel)的屈服强度覆

3、盖于HSS和UHSS之间的强度范围，在500-1500MPa之间，典型的如双相钢(DP钢)、相变诱发塑性钢(TRIP钢)、马氏体钢(MART钢)。图1为各类汽车用钢板的屈服强度与延伸率的关系，随着强度的提高，延伸率下降。在ULSAB-AVC项目中，为了同常规的高强度钢板区别开来，把DP钢、TRIP钢和B钢等以相变强化为主的钢板统称为先进高强度钢板，这类钢板具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能，在汽车轻量化和提高安全性方面起着非常重要的作用，已经广泛应用于汽车工业。 图1各类汽车用钢板的屈服强度与延伸率关系图1.2汽车用热成形高强度钢板   先进高

4、强度钢板是车身轻量化的主要发展方向，为了兼顾轻量化与碰撞安全性以及高强度下冲压件回弹与模具磨损等问题，热成形高强度钢及其成形工艺和应用技术应运而生。目前凡是达到U-NCAP碰撞4星或5星级水平的乘用车型，其安全件(A/B/C柱、保险杠、防撞梁等)大都采用了抗拉强度1500MPa、屈服强度1200MPa的热成形钢。同时，在先进高强度钢板的冷成形中，为了解决成形裂纹和形状冻结性不良等问题，热冲压材料的开发和应用引人注目，已用其进行了强度高达1470MPa级汽车部件的制造。目前，世界上热成形用钢几乎都选用硼钢种，因为微量的硼(B)可以有效地提高钢的

5、淬透性，可以使得零件在模具中以适宜的冷却速度，获得所需的马氏体组织，从而保证零件的高强度水平。硼的作用在20世纪50年代早期就被人们所认识，硼只有固溶在钢中才能起到强化作用。由于硼与氧和氮有强烈的化学亲和力，因此在钢中添加硼时都需要添加一些强氧化物和氮化物形成元素，如铝、锆和钛等。固溶的硼偏析在奥氏体晶粒边界，延迟了铁素体和贝氏体的形核进而增加了钢的强度。含硼超高强度钢板的强度可以高达1500Mpa，为普通钢板强度的3～4倍，将其应用于汽车零部件不仅可以直接减少料厚、降低车身重量，还可以提高汽车的安全性，以及相关联的降低油耗、节约能源、减少汽

6、车排放等。并且硼钢属于含硼高强度钢板，废物可以充分回收利用，有利于降低环境污染。常用的钢种包括：Mn-B系(上海宝钢开发)热成形用钢、Mn-Mo-B系(北美、欧洲等多用此系列)、Mn-Cr-B系(高淬透性热成形钢)、Mn-Cr系(部分马氏体热成形钢)、Mn-W-Ti-B系(如韩国POSCO公司开发的高烘烤硬化细晶粒热成形钢)。2 高强度钢板热成形加工工艺2.1 热成形加工工艺基本原理2.1.1热成形理论基础   热成形工艺与传统的成形工艺相比，其特点是在板料上存在着一个不断变化的温度场。那么热成形用钢板的成分就有一些特殊的要求，其成分设计也要

7、适应热成形过程中的热循环。在这个温度场的影响下，板料的基体组织和力学性能发生了变化，从而板料的应力场也发生了变化。在成形过程中，板料的应力场变化又反作用于温度场，如图2。热成形工艺，正是这样一个板料内部温度场与应力场同时共存，相互作用，耦合的变化过程，对板料在成形过程中的流动、变形等造成影响。表1简单地描述了这些相互作用。图2应力场、温度场和金属微观组织的相互作用表1  应力场、温度场和金属微观组织的相互作用的描述2.1.2 实际热成形加工工艺   实际热成形工艺原理如图5。首先把常温下强度为500~600MPa的高强度硼合金钢板加热到880

8、~950℃，使之均匀奥氏体化，然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成形，之后保压快速冷却淬火，使奥氏体转变成马氏体，成形件因而得到强化硬化，强度大幅度提高。比如经过