日本汽车用高强度钢板的开发动向.doc

日本汽车用高强度钢板的开发动向为减缓地球变暖，全球非常重视CO2减排。汽车车体轻量化，可以实现节油，并减少CO2排放的目标。在20世纪90年代前期，汽车车体用高强度钢板的比例占30%，车体的重量变轻；但在20世纪90年代后期，从汽车冲撞安全性出发，又增加了加固部件，使车重增加。之后，在综合考虑车体轻量化和冲撞安全性的基础上，车体用高强度钢板的强度水平由原来的440MPa级提高到590MPa级，骨架部件也开始使用980MPa级超高强度钢板，高强度钢板的使用比例超过了40%。具有防锈性能的热镀锌钢板和冷轧钢板同样改用了高强度钢板。另外，汽车底座等部件也在进行轻量化。本篇简要介绍汽车轻量化用高强度钢板的开发进展。1 高强度钢板的种类1.1 钢板强化机理和成形性钢板高强度化的机理有：固溶强化、析出强化及相变强化等多种。固溶强化主要用于440MPa级钢板的强化，对高深冲IF钢，通过加入Si、Mn、P等固溶强化元素，便可达到440MPa级高强度。析出强化型钢板则通过加入Nb、Ti和V等元素，产生微细碳氮化物对铁素体组织强化，形成590MPa级高强度钢。590MPa级以上的高强度钢板则以双相组织为主。超过1180MPa的超高强度钢板则是马氏体组织。1.2 适用于不同部件的材料汽车用高强度钢板主要用于生产面板部件、结构部件和加固部件三大类。对这三类钢板的强度和性能均有不同的要求，具体见表1。表1 适用于不同部件的高强度冷轧钢板适用部件性能要求适用材料强度水平,MPa今后需要研究的课题面板部件（门、防护板、侧面板）耐压性、耐蚀性BH钢板、IF高强度钢板340-440镀层表面、成形性、表面精度结构部件（防冲撞器、车梁）冲击强度、疲劳强度、耐蚀性固溶强化钢板、析出强化钢板、DP钢板、TRIP钢板440-980成形性、点焊性加固部件冲击强度、疲劳强度DP钢板、马氏体钢板、贝氏体钢板780-1470镀层适应性、耐延迟破坏性2 面板用高强度钢板2.1 闭合式面板部件用DP钢板车门、护板、车顶板和行李箱盖等闭合式面板部件，从20世纪80年代后期起，即有在极低碳钢中加入Nb-Ti等的BH钢板。到20世纪90年代，通过加入Mn、P生产340MPa级BH钢板用于闭合式面板部件，实现了既提高耐压痕性，又轻量化的目的。BH钢板的特点是在改善耐压痕性的同时，可缓解冲压加工时的形变。但必须注意因钢中固溶碳伴随的常温时效，使面板质量下降。近年随着炼钢技术的进步，通过高精度控制固溶碳而使BH钢板的耐时效性稳定化。另外，闭合式面板部件的高强度化使表面缺陷下降，而从美观设计的观点出发，板面质量和镀层质量尤为重要。针对这一要求，开发了440MPa级高强度冷轧钢板，它以马氏体+铁素体形成的DP钢板为基础，通过控制第二相的分率和分散状态以达到低屈服强度、高EI和高n值。闭合式部件用新开发钢板的力学性能和现在广泛应用的340MPa级BH钢板的力学性能的比较见表2。表2 440MPa级新钢板和340MPa级BH板的力学性能品种YS，MPaTS，MPaEI，%n值r440MPa249444370.240.9340BH235350430.211.6由表2可以看出，新开发钢的TS尽管达440MPa级，但YS仍控制在和340MPa级BH钢板的同等水平，从而可使冲压加工后的板面质量得以提高。平均r值大体为1.0，致使加工时屈服应力上升，从而得到均匀的变形和良好的板面形状质量。另外，对实际部件的耐压痕性的评价结果是440MPa级所有部件的凹痕均比同等条件下的340MPa级浅0.1mm以上，从而为面板的减薄和轻量化创造了条件。2.2 侧面板框用高深冲性钢板侧面板框用板的深冲性要求高，因此，r值高的IF钢板得到了广泛应用。IF钢为在极低碳钢中加入Nb、Ti，这样可以使冲压成形性得到很大地改善，对侧面板框和尾部面板的一体成形提供了条件。以IF钢为基础，加入Si、Mn和P的高深冲用高强度冷轧钢板，于20世纪90年代前期开发成功440MPa级产品，到20世纪90年代后期，则IF钢的340MPa级镀锌板开始在侧面板框领域应用。近年利用铁素体的微细化和铌碳氮化物的分散强化，深冲性和热镀锌性优良的新型微细粒型高强度冷轧钢板开发成功。热镀锌钢板已达440MPa级，且可保证外板所需的表面质量。440MPa级热镀锌板新、老产品力学性能对比见表3。由表3可知，新产品的平均r值达1.7，而屈服强度则比老产品低。新产品在冲压加工时只产生折皱而不产生裂纹的可能性更大，即低屈服应力和高r值而形成良好的冲压性。近年，用于外板的390MPa、440MPa级高深冲压用冷轧钢板已用于侧面板框部件。表3 440MPa级IF钢新、老产品力学性能对比品种YS，MPaTS，MPaEI，%r新产品285442351.70老产品300445351.50由表3可知，新产品的平均r值达1.7，而屈服强度则比老产品低。新产品在冲压加工时只产生折皱而不产生裂纹的可能性更大，即低屈服应力和高r值而形成良好的冲压性。近年，用于外板的390MPa、440MPa级高深冲压用冷轧钢板已用于侧面板框部件。3 汽车结构件用高强度钢板侧部防冲部件、横梁等车体的主要骨架，要求其耐变形性优良。从20世纪90年代后期开始，汽车用钢由过去的440MPa级升为超过590MPa级的冷轧钢板，为了提高防锈性能，车底座部件改用热镀锌钢板。3.1 DP冷轧钢板DP钢板是马氏体组织分散于铁素体组织中的钢板。低屈服比型钢板在变形加工初期，加工硬化性（n值）高，伴随形变量加大，强度上升。另外，DP钢板的固溶碳高，在热喷涂装阶段的屈服强度上升，现正在开发4401180MPa级低屈服比型高强度冷轧钢板。3.2 TRIP冷轧钢板目前，590-780MPa级TRIP型冷轧钢板已经实用化。3.3 980MPa级冷轧钢板近年，成功开发了延伸凸缘性优良的980MPa级DP冷轧钢板。该钢板比高延性DP钢板的延伸性虽略低，但扩孔率却大幅改善。近年，作为点焊法的代替技术，980MPa级高强度冷轧钢板正在研究机械接合法，如TOX冲压连接技术就是其中的一种。它通过冲压成形工序使二个端部多处结合，可省去点焊工序，有利于降低成本。但980MPa级DP钢板采用TOX法连接时，在接合部表面易产生裂纹，这是铁素体和马氏体界面产生微细裂纹所致。马氏体型980MPa级冷轧钢板的扩孔性能极佳，用TOX法连接时不会产生裂纹，适用于防漏器等部件。980MPa级高强度冷轧钢板并不适应各种加工方式，故正在开发适用于多种加工方式的新品种。3.4 590-980MPa级热镀锌钢板近年，为提高车体的防锈性，车体底部的结构件用镀层钢板代替冷轧钢板。镀层钢板的高强度化，受到镀层的稳定性和冷却方式的制约，从而需要采取比冷轧钢板更高的合金成分，同时必须考虑采用适于点焊的合金成分设计。从镀层性的角度来看，加入Si、Mn将使钢板表面的氧化物浓化，影响钢板的表面质量。为此，在镀锌钢板的成分设计时应慎重考虑添加此类元素。镀层钢板的生产工序为在退火后的冷却过程中进行热镀锌及合金化。在冷却速度的制约下，DP型高强度钢板是通过加入Mn、Cr、Mo等淬火强化元素才形成复合组织的，590MPa级DP型镀锌钢板已在防冲撞器等加固部件上广泛应用。最近，780MPa及890MPa级复合组织镀锌钢板开始应用在车体的加固强部件上。3.5 1180MPa以上超高强度冷轧钢板抗拉强度在1180MPa以上的钢板是利用马氏体的组织强化进行材料设计的。目前，1180MPa级钢板已用于车门内加固部件的防冲梁，1470MPa级则加工为电焊管后用于车门内的防冲管等。当强度超过1180MPa时，由腐蚀反应侵入钢中的氢所引发的延迟破坏的危险性上升，故要求具有优良的耐延迟破坏性。为兼具弯曲性和耐延迟破坏性，有效的方法是降低碳当量（C%+Si%/24+Mn%/S）和在马氏体晶粒内及晶界不析出粗大碳化物的低温区回火。近年，热冲压技术已经实用化，该技术是钢板加热到奥氏体温度范围，钢板组织完成变化后，快速移动到模具，快速冲压，在压机保压状态下，通过模具中布置的冷却回路并保证一定的冷却速度，对零件进行淬火冷却，最后获得超高强度冲压件，冲压件的组织为马氏体，抗拉强度在1500 MPa甚至更高。热冲压时为确保部件达到应有强度，成形时的条件管理甚为重要。另外，钢板在大气中加热时表面将生成铁鳞，为解决铁鳞问题和提高部件的耐蚀性，开发了施以10%Si-Al热镀锌的热冲压用钢板。热冲压后形成马氏体组织，降低了延性，故在推广应用到冲击变形量大的部件时，还需设法提高钢板的延性。近年，热冲压技术开始应用于车门内防冲梁的生产，由于对1180MPa级超高强度钢板采取了冷却速度最快的水淬火连续退火设备而形成铁素体和马氏体组成的复合DP组织，致使延性提高，故复杂形状部件成形时将优先于过去的冷冲压成形而被使用。DP钢板比其它强化方式钢板的n值高，冲压成形时的变形性优良；而且，成形时的加工硬化量高，成形后的涂装工序的时效硬化量高。4 高强度热轧钢板高强度热轧钢板主要用于汽车的底盘和车轮等部件，和高强度冷轧钢板一样，新产品的开发目标是为适应部件的高强度化，努力提高钢板的成形性。目前，780MPa级的高强度热轧钢板已得到应用。为提高由相变组织强化而产生的复合组织钢板的延伸凸缘性，降低软相铁素体和硬质第二相的硬度差十分重要。目前，正在开发780MPa级铁素体和贝氏体的二相组织和贝氏体单相组织的钢板。4.1 由微细析出物强化的高强度热轧钢板提高延伸凸缘性，不是调整复合组织钢板硬质第二相的强度，而是通过铁素体单相钢板纳米级微细析出物强化，开发了扩孔率和延伸率均提高的780MPa级热轧钢板。该钢板加入Mo以发挥数十纳米微细（Ti、Mo）C的效果使强度上升，从而达到既和贝氏体单相钢同程度的扩孔率又和DP钢板同样的延伸率。此钢板为不含硬质第二相的铁素体单相组织，但铁素体中的纳米级微细析出物却均匀分布，不仅（Ti、Mo）C在相界面的析出更均匀分散，且由于热稳定性好，很难引起粒子粗大化而导致的强度下降，加上卷取时的强度波幅小，所以钢板性能均匀。4.2 BHT高强度热轧钢板通常在钢板强度提高的同时，钢板的成形性会下降，因此迫切希望开发出既强度高又不会降低成形性的钢板。为此，通过高精度控制热轧后的冷却，适当调整钢中的固溶N含量，同时细化晶粒的粒度，开发出了可降低钢板强度、钢板在成形时具有良好的加工性、在涂漆烘烤处理后强度有很大提高且抗时效性好的BHT热轧钢板。开发钢板的应变时效处理后的应力-应变流线图和以往的BH钢板的比较表明，以往的BH钢板经涂漆烘烤处理后屈服强度提高了，但塑性变形区域中的变形应力与原钢板的相同。因此，以往的BH钢板只限用作抗凹陷的汽车外板。而