汽车高强度钢材技术的发展.doc

1概述 在汽车轻量化的推动下，汽车中转而采用铝合金、镁合金和塑料的零部件越来越多。随着轻质材料在汽车上应用比例的逐年增加，钢铁材料在汽车材料中的主导地位受到了威胁。为应对来自轻质材料的挑战，钢铁企业将开发的重点放在了高强度钢上。如今，高强度钢已成为颇具竞争力的汽车新材料，图1和图2为各类高强度钢在不同的承载条件下的减重潜力其比较对象为USlSTAMP 04软钢板。同时高强度钢在抗碰撞性能、耐蚀性能和成本方面较其他材料仍具有较大的优势，尤其是用于车身结构件与覆盖件、悬架件、车轮等零部件。本文是根据最近公开发表的文献资料编写的，旨在反映国外汽车高强度钢材料技术的最新进展及未来发展动向，供国内有关行业和部门参考。文中所述的高强度钢包括高强度钢(屈服强度大于210 MPa)，超高强度钢(屈服强度大于550 MPa)和先进高强度钢(AHSS)。2主要技术进展 超轻车身(ULSAB)、超轻覆盖件(ULSAC)、超轻悬架系统(ULSAS)和新概念超轻车身(ULSAB-AVC)等项目的成功实施，验证了高强度钢在减轻汽车自重和改善车辆性能中的有效性。为了将这些项目所取得的技术成果转化为现实的生产力，近期的高强度钢技术研究，主要集中在支撑技术(Enabling Technologies)上。 21若干高强度钢的开发 当前正处于新一代高强度钢开发的前夜。从冶金学的角度看，近几年高强度钢材料的开发，大多只是对原有钢种牌号的补充或性能改善，厚度进一步减薄，材料本身并未取得突破性进展。开发的难点是要针对不同的零件，力求在产品的强度、塑性和成本之间取得平衡。 SFGHITEN、NANOHITEN、ERW和HISTORY是日本JFE公司最近开发出的几种高强度钢。其中SFGHITEN为含Nb系列高强度IF钢板，主要应用对象是汽车车身外板，研究用钢的化学成分见表1。SFGHITEN利用析出的Nb(C，N)微粒和细化晶粒得到强化，其独特之处在于晶界附近存在所谓“无沉淀区”，它降低了材料的屈服强度。与普通深冲钢板相比，SFGHITEN具有高的r值和二次脆性抗力，以及优良的表面质量。2004年已有TS340MPa、TS390 MPa和TS440 MPa 3种牌号进入商品化，表2列出了它们的力学性能。图3为采用SFG440试制的轿车翼子板这是一个对成形性要求很高的零件。成形性分析表明，该材料满足轿车翼子板的成形性要求。NANOHITEN是强度级别为780MPa的热轧钢板，其特点是塑性好、扩孔率高，具有优良的翻边成形性能和稳定的力学性能，其典型的力学性能如表3。NAN0780可应用于车身和底盘中的各类加强件、臂类与梁类零件，以及车架零件等。图4为该材料在悬架系统中应用的实例。ERW和HISTORY是JFE针对汽车悬架系零部件开发的高强度钢管，强度级别也是780 MPa。该材料具有良好的液压成形性能其弯曲半径小于2D(D为钢管外径) ，较高的疲劳强度和韧性，以及较好的涂装性能。新钢管已开始应用于悬架系统的臂类零件。 SteIco公司最近开发出了一种代号为SteIR MM的高强度微合金，并已投放市场。表4列出了新钢种和两个传统弹簧钢的化学成分。试验表明，SteIR MM的断裂韧性较传统弹簧钢SAE5106和SAE9259约高22%，这种提高得益于微量合金元素添加所带来的材料显微组织、晶粒尺寸、夹杂物形态的改善，以及化学强化与沉淀强化作用的加强。利用SteIR MM制造SUV后簧，其工作压力提高了11%，质量从5.6 kg降至4.6kQ，减重幅度为18%。22新版高强度钢应用指南发布 2005年3月，国际钢铁协会发布了先进高强度钢应用指南(2.3版)，该指南集中了先进高强度钢已成熟的技术新成果和生产经验，主要是白车身的成形技术和连接技术，旨在进一步推动高强度钢在汽车中的应用。手册主要内容如下。 第一部分简单介绍双相钢(DP)、相变诱导塑性钢(TRIP)、复相钢(CP)和马氏体钢(Mart)等先进高强度钢，以及它们与普通高强度钢的区别。 第二部分板材成形与管材成形，主要有材料力学性能的影响、材料的成形性能、模具设计与设备选用、回弹预测、分步成形等。 第三部分连接技术，包括焊接工艺(电阻焊、高频感应焊接、激光焊接和电弧焊，以及焊接接头性能试验与评价)、铜焊、粘结、混合连接(点焊加粘结)等。 欧盟于2004年也发表了类似的高强度钢应用指南。 23成形技术 (1)液压成形 高强度钢的液压成形技术仍处于发展阶段。研究的重点包括：降低材料在成形过程中的加工硬化倾向；开发适用于液压成形工艺的材料；改善润滑条件；提高生产效率；用于白车身结构的薄壁、拼焊。锥形钢管的成形性。弯曲性能和连接性能，生产大型零部件的液压成形设备、高压液压源等。 (2)辊压成形 辊压成形本不是一种新工艺。最近由于降成本的需要，利用辊压成形(包括热辊压成形)工艺和高强度钢制造车身防撞构件引起了广泛兴趣。对传统的辊压成形工艺进行改进，可以生产变截面、封闭截面以及长度方向发生曲线变化的构件。最近的一项研究表明，超高强度钢B柱、车顶横梁与纵梁、地板横梁与侧梁等零件，最适于采用辊压成形工艺制造。 (3)气体热成形(Hot Metal Gas Forming) 气体热成形是正在研究的一项高强度钢成形新技术它适用于钢、铝合金。镁合金等金属管材、板材，尤其是高强度钢管件的成形。实际上气体热成形是由通常的超塑性成形和航空工业中铝、钛合金的吹气热成形演变来的。下面借助图5，简要介绍金属管件成形过程。 首先根据零件的尺寸截取一定长度金属管(如图5a)，并按照零件的形状将它弯曲预成形(如图5b)，然后放入用陶瓷材料制成的模具中(如图5c)；安装在模具内的感应器通过电磁感应，对工件进行加热，当达到一定的温度(通常情况下钢为1093，铝为482)后，在管内通以低压气体(最高气压不超过70kPa)，使工件成形为净尺寸的零件(如图5d)；零件成形后，在另一副模具中进行淬火处理。成形设备可采用图6所示的压力机。为提高生产效率，在同一台压力机上安装了两套可独立控制模具，一套用于成形，一套用于淬火。同液压成形相比，气体热成形具有以下优点。 所需的成形压力低，液压成形的压力通常在2100kPa以上，而气体热成形最高气压不超过70kPa，仅为它的1/30。 改善了材料成形性能，突破了材料常温成形性能的局限，材料的伸长率可超过100%，从而可生产形状更为复杂的零件。 生产效率高，加热时间512s，成形时间3s。 成本低，设备投资和能源消耗远低于液压成形。 上述优点使气体热成形有望超越常规金属成形工艺，成为用于车身、底盘构件的新一代成形工艺。 24连接技术 图7为各种连接工艺在2005款AudiA6白车身中的应用情况，它与以前车型详细的对比数据见表5。不难看出，当前钢车身的连接仍以电阻点焊为主，但所占的比例呈现下降的趋势；其他的连接新方法，如激光焊接、铆接、粘结以及点焊加粘结等也已得到实际应用，而且其应用将不断增加。摩擦点焊是一项高强度钢焊接新技术，其原理如图8。焊接也是靠焊头与工件紧密接触时，焊头高速旋转所产生的热能使焊点区域的金属达到热塑性状态，在焊头的压力下结合形成焊点。不同之处在于，摩擦点焊中焊接时焊头不像普通摩擦焊那样，需要边旋转边移动。摩擦点焊已于2003年成功地用于铝合金的焊接，其优点是焊点质量稳定、性能好，设备投资小，节能成本低。利用图9所示的焊接设备，选用厚度为1.5mm的DP780和DP600钢板进行了初步试验，典型的焊点形态如图10。图10中a、b、c分别为金属基体、热影响区和接合区。25零部件应用的进展 (1)钢板的柔性轧制技术(Flexible Rolling) 在“Great design in steel 2006”年会上，Mubea公司介绍了他们发明的一项新技术钢板的柔性轧制技术。利用该技术可生产截面厚度可变的钢板卷料(简称TRW)，以取代应用日益广泛的激光拼焊板。图11为钢板柔性轧制原理图，轧制过程由计算机控制。首先将截面厚度变化规律输入计算机，工作过程中，轧辊间隙在计算机的控制下自动进行调整使钢板的厚度按预定的要求呈周期性变化。用TRW生产汽车零部件主要工艺流程见图12，先将TRW卷料退火后镀锌，再在；中压车间开卷校平、剪切，最后冲压成形。例如采用TRW生产的赛车驾驶室横粱，其板坯截面厚度变化为10161816101410(均为mm)，材料是HSLA420，较原零件减重30%。TRW在车身、底盘中的其他应用实例参见图13。同现有的技术相比,TRW在零部件的质量、性能成本和复杂程度方面更具优势。 (2)新型钢车身项目(New Steel Body，简称NSB) 继超轻汽车系列项目之后，Thyssen公司完成了新型钢车身项目NSB。该项目采用新的设计理念、材料和制造技术，使白车身减重77kg(减重幅度为24%)，车辆的刚度和安全性能完全满足法规要求，而生产成本仅增加2%。 NSB白车身材料构成比如图14，它使用了大量的双相钢、复相钢等高强度钢，屈服强度在120-220 MPa的深；中软钢板只占16%。同时在NSB的制造中也引入了许多新技术。车身构件有46%为封闭截面的高强度钢薄壁异型钢管，由于没有折边或凸缘，单此一项可使零件减重14%。主要构件采用液压成形和辊压成形工艺其中液压成形的管状截面构件有前后侧梁和车顶纵粱(如图15a)，加上B柱、C柱和D柱等其他零件，液压成形零件所占比例(按质量计)达24%；采用辊压成形零件的比例为20%，它包括直线辊压成形和弯曲辊压成形，直线辊压成形的超高强度钢构件(如图15b)主要有摆梁、前座椅横梁、铰接粱和仪表板横梁等。零部件的连接以激光焊接为主，其焊缝长度几乎占去了接缝总长度的70%。图16为NSB白车身采用的制造技术明细图。NSB项目从技术与经济的角度，进一步验证了高强度钢在汽车轻量化中应用的可行性。 Arcelor公司最近也完成了代号为ABC(Arcelor Body Concept)的类似研究，取得了在确保性能满足要求的前提下，白车身减重20%、成本增加9%的结果。目前，还有许多高强度钢的应用研究项目尚在进行中。例如，USAMP旗下的轻量化前部构件(针对保险杠、各种槽形构件)、轻量化的覆盖件(对象为车门外板等)和新一代车架在皮卡、SUV中的应用等。 3典型应用实例 31车身 目前，许多新款轿车车身中高强度钢所占的比例已超过40%。以Mercedes-Benz几款新车为例，图17a为2006M级SUV车身结构，它的保险杠支架、空气弹簧座为双相钢，B柱、座椅横档和车门防侧撞横梁采用的是BTR钢(Benteler集团生产的一种超高强度钢)。与老款车相比，车身高强度钢的用量增加了5倍，达到了62%。由于采用了大量的高强度钢，尽管其长度与宽度比老款车分别加大了150 mm和71 mm，轴距也加长了95 mm新款ML350的自重比2005款反而降低了90kg。 另一款Mercedes A级轿车车身结构如图17b所示，其高强度钢所占比例达到了67%。由图可以看出，车身骨架、底板框架以及前、后保险杠均使用了高强度钢，使车辆的抗碰撞能力大幅度提高。 新款Mercedes S级轿车车身高强度钢的用量稍低接近50%。高强度钢的采用使其在减重的同时，扭转刚度大约提高了12%。 其他如本田2006 Ridgeline、本田2005 Odyssey、本田Civic、福特2005 Freestyle和500、2005Chrysler 300、雪弗兰2004 Malibu等车型使用的高强度钢均有较大的增长。 高强度钢在车上应用不断增长的另一标志是激光拼焊板的用量逐年增加。欧洲2001年激光拼焊板的用量约607件，而2005年达到130多万件，4年时间翻了一番多。 32车轮 钢曾经是车轮材料的主要选择，1980年钢车轮的市场份额达到90%。此后，铝车轮以其质量轻、圆度和平衡性能好、外表美观和更具个性化等优点，受到市场喜爱，其用量扶摇直上，1999年开始超过钢车轮，2001年达到了最大值(接近60%)。 为了夺回失去的市场，钢车轮的技术进步一直在进行。这些技术包括高强度车轮钢的开发，使车轮用钢的强度水平已由20世纪80年代初的240MPa，提高到目前的600MPa(下一步强度目标为860MPa)；模拟软件与CAD/CAM系统的改进以及钢车轮结构的创新，可以设计出尺寸精度高、外形同样美观的钢车轮。图18为福特F-250镀铬钢车轮，其质量、性能与外观同铝车轮相比毫不逊色，而单件成本要低50美元。由此可以看出，在钢、铝车轮之争中，钢又逐渐占据上风。其结果是自2001年以来钢车轮的比例开始回升，现已升高到47%。33其他零部件 高强度钢应用于其它零部件的若干实例见图19，其中有发动机托架、散热器支架等发动机零部件仪表板横粱、轻型车车架、控制臂等底盘零部件，以及座椅骨架、仪表板横梁等。这些零部件大多采用液压成形工艺制造。4未来技术发展动向 为了在与其他材料竞争中保持优势地位，扩大钢铁材料在汽车上的应用范围，巩固在汽车用材中的主导地位，未来高强度钢的技术开发将紧密围绕汽车工业降低成本、减轻自重的需求来展开。今后拟重点发展的技术有以下几方面。 (1)新一代先进高强度钢 (板、管材)开发 通过对现有技术的重大改进与技术创新，以及精心的微观组织设计，开发新一代高强度钢如图20。新一代高强度钢不但具有很高的强度，而且具有超级延性和极高的冲击能量吸收率。目前的高强度钢(如低合金高强度钢、双相钢、复相钢和TRIP钢等)的强度在400-1200MPa。近中期的目标是，通过冶炼技术的改进和新颖的化学成分设计，减少或取消贵重合金元素用量，开发出强度更高、其他性能(塑性、成形性、韧性)优良的高强度钢如高成形性的品种，高弹性模量的品种，成形后强化(非烘烤硬化)新品种等。远期目标是开发质量轻、强度高、韧性好的复合材料(钢其他金属材料或钢非金属材料)低密度钢，以及近净尺寸零件用材(如车身骨架用的高强度无缝钢管)。 高强度棒材的开发包括双相钢、超塑性高碳钢和微合金贝氏体钢等。 (2)制造技术 成形技术。未来要大力发展的成形技术有管件液压成形、板件液压成形、辊压成形、电磁成形、气体热成形等。 连接技术。主要有先进高强度钢的焊接。薄镀层板的焊接、镀层板的激光焊接、总成的激光焊接、钢与其他合金的连接、车身外板的激光拼焊，以及开发新的连接技术等。 (3)提高计算机模拟精度轻量化材料的研究与应用将越来越依赖计算机模拟技术，模拟精度的提高意味着降低风险、节省时间和费用。因此，有必要对现有模拟分析技术进行改进，以提高其结果的准确性。需要改进的分析方法包括动态碰撞模型，有限元成形模拟