汽车用金属材料.ppt

汽车用金属材料简介 主要内容 概述第一部分汽车用钢板一 汽车钢板材料的种类二 汽车钢板材料的应用状况三 高强度钢的简介四 先进高强度钢简介五 先进高强度钢的发展趋势 概述 与2009年的产量比较 2010年合金钢总产量增长了15 17 同时钢的洁净度和质量已明显提高 优质钢的产量增长了34 35 2010年和2009年钢产品比较 万吨 概述 中国汽车工业保持快速发展 2010年中国汽车产量和销售额均达到1800万辆 居世界首位 同时 汽车用钢的研究和生产也取得了很大进步 最新统计数字表明 2010年中国汽车用钢的产量大约为3800万吨 十年间主要工业钢消耗量的变化 2010年我国汽车总产量达到1826万辆 汽车产量的快速增长已极大地推动了对特钢的需求 我国汽车工业用钢材品种构成为 钢板40 60 钢带5 7 特钢长材28 35 钢管2 5 特钢品种 碳结钢24 35 合结钢30 35 弹簧钢24 27 冷镦钢7 12 易切钢3 耐热钢1 概述 一 汽车钢板材料的种类 1 汽车钢板材料的种类 汽车用钢板从生产工艺特点划分为热轧钢板 冷轧钢板和涂镀层钢板 强度角度可划分为 普通钢板 软钢板 210Mpa低合金高强度钢板 HSLA 210Mpa 550Mpa普通高强度钢板 高强度IF钢 BH钢 含磷钢和IS钢等 210Mpa 550Mpa先进高强度钢板 AHSS 等 550Mpa 高强度钢板是汽车钢板材料发展的主题之一 2 汽车用钢板强度与成形性 一 汽车钢板材料的种类 3 高强钢强化分类 一 汽车钢板材料的种类 1 汽车钢板材料的国内应用状况 汽车纵梁材料 20世纪50年代鞍钢试制成功16MnL钢板 其冲废率高 尺寸精度不理想 以后鞍钢又开发了10TiL含Ti大梁钢板 但含Ti钢性能波动大 给成型带来困难 在此基础上 鞍钢在1780mm热轧机上又开发了A510L板 主要用于我国第一汽车 集团 公司生产解放牌汽车纵梁 武钢生产的T52L含Ti大梁钢板主要用于东风汽车纵梁 武钢在生产含Ti钢方面具有丰富经验 由于Ti可控制硫化物夹杂的形态及分布 并可改善钢板的焊接性能 因此一旦含Ti钢板的性能波动得到控制 含Ti钢板比含Nb V钢板更具优势 攀钢利用钒资源丰富的优势 开拓了以钒作为微合金元素在生产汽车大梁钢板上的应用 其产品在东风汽车 集团 公司和第一汽车 集团 公司的使用情况较好 宝钢B510L板在1993年推出后 以其高的尺寸精度 纯净度 稳定的性能迅速地成为国内大梁钢板市场的龙头 目前各大钢厂均能生产抗拉610Mpa大梁板 宝钢开发出780DP大梁板 二 汽车钢板材料的应用状况 2 日本汽车钢板材料的应用状况 20世纪70年代 日本开始在汽车上应用高强度钢板 最早用于车身表面件 然后才用到内部零件和结构件 目前日本悬架结构件和支撑件的强度已达800 1000Mpa 川崎制钢公司开发的TS980Mpa级高强度钢板 CHLY980 是以铁素体为主相的复合组织钢板 目前已应用于挡泥板 冲击梁等要求高冲击安全性的零件 日本NKK公司开发的热轧780Mpa级双相钢 DP钢 和贝氏体析出强化钢 PH钢 具有良好的成形性能和抗疲劳性能 光滑试样的疲劳强度分别达到600Mpa和640Mpa 特别适合于制造卡车大梁 二 汽车钢板材料的应用状况 3 欧美汽车钢板材料的应用情况 瑞典SSAB公司开发出的DOMEX系列特高强度钢板 铁素体为主要基体 含少量珠光体 晶粒细小 达到13级 其屈服强度达到600 700Mpa 用于卡车的车尾保险板 纵梁 横梁 发动机悬置支架及轿车的保险杠 车门防撞梁及座椅支架等零件 通用汽车公司和福特汽车公司用双相钢制造轮辐 除重量减轻11 外 疲劳寿命也达到普碳钢的2倍 二 汽车钢板材料的应用状况 三 高强度钢的简介 1 IF钢 无间隙原子钢 超深冲IF钢 在含碳量小于0 01 的超低碳钢中 加入Ti或Nb 使钢中的C N完全被固定成碳 氮化合物 从而使钢中无间隙原子存在 得到较纯净的铁素体 改善钢板深冲特性 材料延伸率能达到40 50 用于高成型零部件 高强度IF钢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 主要用于车身外板 与IF钢相同 加入微合金化的Ti或Nb的基础上 通过固溶强化元素 P Mn B等 强度可以强化到440Mpa 其延伸率达到35 40 2 IS 冷轧各向同性钢各向同性是指板材的 r值趋向于0 即 r r0 r90 2r45 0 一般 r控制在 0 15 屈服强度级别有220Mpa 260Mpa 280Mpa 300Mpa 微合金元素控制和影响再结晶进行 获得细小铁素体晶粒和产生弥散化效果 实现材料的低 r值 材料延伸率一般在30 40 主要用于车身外板高成型要求构件 三 高强度钢的简介 3 BH 烘烤硬化钢在冲压成形前具有较低的屈服强度和较好的成形性 通过冲压成形 产生应变强化 随后油漆烘烤 产生烘烤硬化 从而得到冲压成形好 抗凹陷性能高的车身外板 应变强化在多数钢种产生 烘烤硬化需要一定的条件才能形成 烘烤硬化的条件 严格控制钢中固溶C量 通常控制在10X10 6 20X10 6的范围 涂装烘烤后 相当于170 保温20MIN的热处理 硬化 原理 在170 保温热处理过程中 固溶C与位错发生交互作用 C原子在位错线上聚集 形成Cotterll气团 使钢板屈服强度上升 产生人工应变时效硬化效应 硬化效应不能太高 一般BH值在40 60Mpa 太高会在常温下自然时效 成形性变差 屈服强度级别有220Mpa 260Mpa 280Mpa 300Mpa 主要用于车身外板 对抗凹陷性高的构件 川崎制铁公司新开发的440MPA级涂装烘烤硬化型高强度热轧板 解决了高强度与高成形性相矛盾的问题 不仅屈服强度上升 而且实现了原来BH钢板达不到的抗拉强度的上升 由加工前的440MPA提高到加工后的500MPA 三 高强度钢的简介 4 HSLA 高强度低合金钢低合金钢以热轧为主 通过Nb Ti V等 与C N形成的 微合金 微合金加剧奥氏体中的析出 通过晶间铁素体的诱导成核技术可以细化铁素体晶粒 微合金不仅能够产生强烈的析出强化作用 而且能实现显著的晶粒细化 例 在薄板坯浇注和轧制过程中 含Ti第二相的析出可分为以下阶段 浇注和冷却凝固阶段 出现TiN和Ti4C2S2液析和固相析出 均热阶段 TiN和Ti4C2S2颗粒粗化 连轧阶段 奥氏体中出现应变诱导TiC析出 层流阶段 TiC相间析出 打卷阶段 铁素体中TiC过饱和析出 各个阶段的析出对钢板性能有着多种影响 浇注液体中析出的大尺寸TiN对晶粒细化和析出强化不产生影响 铸坯凝固后TiN和Ti4C2S2可以在一定程度上细化晶粒 但仅有很小的析出强化作用 在较低温度时 铁素体中TiC的相间析出和过饱和析出都有显著的析出强化作用 是Ti微合金钢强度增加的主要来源 工艺参数波动可能导致析出行为的变化 最终会导致产品性能的波动 现在已成功研发Ti微合金钢薄板的浇注和轧制生产工艺和屈服强度为MPa 700MPa的高强度和超高强度Ti微合金技术 低合金高强度钢 用于汽车纵梁板 耐磨罐体板 防弹板等 三 高强度钢的简介 1 双相 Dual Phase简称DP 钢 从20世纪70年代发展起来的 由铁素体和马氏体组成 低碳冷成形高强度钢板 低的屈服强度 高的初始加工硬化率 高成形性钢 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 随着钢种性能和成型技术的进步 双相钢也被用在汽车的内外板等零件上 在国外 日本 美国已用双相钢制造多种汽车零件 日本新日铁 神户制铁 住友金属等钢厂已为日本汽车工业生产了多种规格的热轧双相钢 用双相钢制造的车轮成型性好 可提高构件的疲劳寿命 通用汽车公司和福特汽车公司用双相钢制造轮辐 除重量减轻11 外 疲劳寿命也达到普碳钢的2倍 日本NKK公司开发的热轧780Mpa级双相钢 DP钢 具有良好的成形性能和抗疲劳性能 光滑试样的疲劳强度分别达到600Mpa 特别适合于制造卡车大梁 四 先进高强度钢 AHSS 简介 2 相变诱导塑性 TransformationInducedPlastic简称TRIP 钢 由复杂的铁素体 奥氏体 马式体组成的一种低碳高强度金属 应变诱发残留奥氏体发生马氏体转变 马氏体相变时体积膨胀 对周围的铁素体发生加工硬化 同时马氏体本身强度远高于奥氏体 实现高强度与延性的结合 特别适合要求具有高的胀型情况 在TRIP钢中 奥氏体的体积百分数 奥氏体的含碳量 合金元素的大小和分布有关 也与发生相变时的应变量有关 日本 欧美各国在TRIP钢的研究上做了大量的工作 高校与钢铁公司的优化组合使该钢的研究和产业化进程发展迅速 德国高校曾对TRIP钢的强化机制 如流变行为 应变硬化速率 速率敏感度等做过细致的工作 并且有些研究成果已投入TRIP钢的生产工艺中 四 先进高强度钢 AHSS 简介 3 超高强度钢板为满足汽车增强部件的要求 开发了利用贝氏体或回火马氏体的强度级别为980 1470MPa级的超高强度冷轧钢板 保险杆等加强部件主要通过弯曲成型加工而成 必须确保弯曲成形性能 超高强度钢板的弯曲成形性与显微组织的均匀性有很大关系 一般认为弯曲变形时的龟裂是在软质部位和硬质部位的界面或硬质部位内部产生的 另外 也要考虑980MPa超高强度钢板中由于氢引起的延迟破坏 为防止延迟破坏 要控制氢的捕获地点 因此限制碳化物和残留奥氏体量 为提高保险杆加强件的轻量化及其运转操作灵活性 近年来使用980 1180MPa级高强度钢板的成型件 四 先进高强度钢 AHSS 简介 4 减振钢板及夹层钢板减振钢板 CALMA板 是一种具有减振 降噪性能的功能型复合钢板 它是在两张钢板中间夹入一层阻尼弹性材料复合而成 这种材料不但具有基板的一切机械性能及表面状态和特征 同时还具有高分子聚合物材料所特有的高阻尼特性 减小零件振动 从而达到降低噪声的效果 与单一钢板相比 密度明显减小 夹层钢板密度可减小35 46 该板具有良好的抗弯刚度 零件质量可减小50 60 SPS夹层钢板具有汽车板材成形时所需要的足够的成形性 此外 还具有良好的降噪及吸振性能 它可应用于需消音的各类盖板或壳体 如正时齿轮盖 皮带室罩 气阀室罩 车身底板 车轮罩盖 仪表板骨架和备胎坑等 四 先进高强度钢 AHSS 简介 五 先进高强度钢的发展趋势 随着我国汽车工业的发展 从汽车车体的轻型化 降低能耗和提高汽车碰撞的安全性考虑 汽车用钢材料将向高强度方向发展 高强度钢板作为现代汽车用钢板的发展趋势之一正越来越受到汽车厂和钢铁厂的重视 经过多年的发展 目前汽车行业使用高强度钢板的强度为340 1470MPa 高强度占汽车全部钢板总量的比从1979年的8 2 发展到2000年的30 以上 且有进一步上升的趋势 大量采用 高强度钢板 是为了满足 减重节能 和碰撞标准要求不断提高的需要 提高汽车的碰撞标准 意味着在更小变形程度的条件下吸收更大的变形能 而为了减轻车体的重量 则要求进一步减薄钢板的厚度 所以 要满足安全标准的提高和减轻车重的目标 对材料性能方面提出的要求就是提高钢材的强度 从现代汽车用板材的发展趋势看 减轻车重 节约能源的高强度钢板 利于环境保护成为影响其发展的决定因素 提高车体寿命和美观的高质量涂镀层钢板 可承受复杂件成型并减少成型工序及成型件数量的超深冲钢板 强度与成型性皆优的新产品 仍然是汽车板需求 开发方向的主体 主要内容 第二部分汽车用结构钢一 汽车用结构钢二 汽车用结构钢分类三 汽车用结构钢重点介绍 齿轮钢四 汽车用结构钢重点介绍 弹簧钢五 汽车用结构钢重点介绍 非调质钢六 结构钢材料和工艺技术发展 汽车用结构钢主要用于生产制造发动机系统 动力传动系统 转向系统 制动系统 悬架减震系统的重要零部件 对汽车用结构钢的基本性能要求是 材料性能的稳定性和可靠性材料的可加工性 工艺性经济性 良好的性价比 一 汽车用结构钢 一 汽车用结构钢 齿轮钢弹簧钢合金结构钢优质碳素结构钢易切钢非调质钢冷镦钢气阀钢 二 汽车用结构钢分类 齿轮钢主要用于生产制造 汽车变速箱轴 齿类零件 汽车驱动桥差速器主从动齿 星形齿 半轴齿轮 转向器蜗轮 蜗杆 齿条 发动机正时齿轮等 主要性能要求 零件要求具有良好的抗弯曲疲劳 接触疲劳性能 良好的抗冲击载荷的能力 表面有良好的抗高面压和耐磨性能 三 汽车用结构钢重点介绍 齿轮钢1 汽车齿轮用钢 齿轮钢主要制造工艺流程 热轧钢 下料 锻造锻坯热处理切削加工渗碳 或碳氮共渗 喷丸磨内孔或珩磨齿 成品 检验 三 汽车用结构钢重点介绍 齿轮钢2 汽车用齿轮钢工艺流程 3 齿轮钢的工艺性能要求 1 锻造性能 热顶锻试验 热成型能力 2 切削加工性能 切削效率 刀具磨损 刀具寿命3 热处理工艺性能 渗碳速度 变形 晶粒度 淬透性 三 汽车用结构钢重点介绍 齿轮钢 4 齿轮钢的应用情况 三 汽车用结构钢重点介绍 齿轮钢 以汽车用齿轮钢为例 国内主要特钢厂生产的汽车用高级齿轮钢 1 氧含量 15ppm2 淬透性带宽5 8个HRC3 非金属夹杂物 A 2级 B 1 5级 C 0 5级 D 0 5级4 晶粒度 6级5 成分目标值控制水平 碳当量可以控制在 0 02 其总体水平已达到国际先进水平 5 国内汽车齿轮钢材料水平 三 汽车用结构钢重点介绍 齿轮钢 20CrMnTi纯净度对齿轮弯曲疲劳性能的影响 6 材料纯净度对疲劳性能的影响 三 汽车用结构钢重点介绍 齿轮钢 20CrMnTi纯净度对齿轮接触疲劳性能的影响 6 材料纯净度对疲劳性能的影响 三 汽车用结构钢重点介绍 齿轮钢 7 喷丸强化对疲劳寿命的影响 三 汽车用结构钢重点介绍 齿轮钢 8 加工工艺对齿轮疲劳寿命的影响 三 汽车用结构钢重点介绍 齿轮钢 弹簧钢主要用途 生产制造汽车钢板弹簧 汽车扭力杆 螺旋弹簧 气阀弹簧等 主要弹簧钢中国 65Mn 60Si2MnA 60Si2Mn mode 52CrMnB 50CrVA 55SiMnVB 60CrMnB等日本 SUP6 SUP7 SUP9 SUP11 SUP11A美国 9260 6150 5155德国 60SiMn5 55Si7 60SiCr7 55Cr3 50CrV4 四 汽车用结构钢重点介绍 弹簧钢 1 汽车用弹簧钢 2 汽车钢板弹簧主要性能要求 1 具有较高的抗拉强度 弹性极限和疲劳强度 具有较高的抗弹减松弛稳定性能 2 表面质量 不允许表面存在划痕 裂纹 脱碳层等缺陷 重要弹性零件要求材料表面要剥皮 除去表面缺陷 3 材料应有足够的淬透性 保证热处理后能完全淬透4 要有良好的工艺性能 使材料在冷 热状态下易剪切 冲孔 弯曲 绕卷成型 四 汽车用结构钢重点介绍 弹簧钢 四 汽车用结构钢重点介绍 弹簧钢 3 弹簧钢主要应用情况 四 汽车用结构钢重点介绍 弹簧钢 3 表面缺陷对某型汽车前簧总成疲劳寿命的影响 板弹簧 簧片在804 323MPa应力下的疲劳寿命 四 汽车用结构钢重点介绍 弹簧钢 4 喷丸对某型汽车前簧总成疲劳寿命的影响 板弹簧 调质钢工艺流程 下料 热锻 调质 调质 机加工 成品 非调质钢工艺流程 下料 热锻 机加工 成品 五 汽车用结构钢重点介绍 非调质钢 1 非调质钢与调质钢工艺流程 1 非调质钢采用微合金化技术 通过控轧控冷或控锻控冷 使零件的强度水平达到或接近调质钢的强度水平 2 非调质钢省去调质热处理 节能效果显著 3 非调质钢毛坯件避免了调质热处理过程中的变形 开裂 无须探伤 校直等工序 4 非调质钢具有良好的加工性能 五 汽车用结构钢重点介绍 非调质钢 2 非调质钢主要优点 非调质钢主要用途 非调质钢目前主要用于生产汽车曲轴 连杆 前轴 转向节 花键轴等零件 国内主要非调质钢