车身面板用铝合金材料及性能3-吉大

车身用铝合金性能、应用及成型性分析,程万军,1.车身用各种材料实际应用情况,1.车身用各种材料实际应用情况,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,现阶段及未来的经济、安全、环保等要求决定了汽车工业发展的主要方向是：提高汽车性能以保证行车安全舒适、降低油耗及有害气体的排放、提高资源利用率。为了达到这些要求，减轻车身重量是各汽车制造商选择的一种十分有效的方法。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,据研究表明，汽车轻量化不仅能降低油耗，还能减少轮胎的磨损，延长汽车使用寿命。在汽车部件中，占汽车总重约20%25%的白车身是最大的总成部件，在减轻整车重量方面具有很大的潜力，而车身材料的应用直接关系到白车身的轻重。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,目前车身材料已经开始向轻质、易成型、低成本、高稳定性的趋势发展。不仅单一的使用普通低碳钢板，现已逐步转化为应用高强度钢板、涂层钢板、拼焊钢板等特殊钢板。铝、镁合金在汽车车身中的应用也在逐年增加。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,1.1普通低碳钢板的应用目前，汽车车身生产中，特别是冲压生产中，使用得最多的是普通低碳钢板，0.62.0mm是现在白车身钢板优选的厚度。下表为一些普通低碳钢的用途，钢号为德国标准。,表1目前车身用低碳钢钢号及主要用途,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,1.2高强度钢板的应用高强钢板是在低碳钢板的基础上采用强化方法得到的抗拉强度在350MPa以上的钢板。因此，使用高强钢板可以在减薄的情况下，依然保持汽车车身的机械性能要求。采用高强度钢板还可以有效地提高汽车车身的抗冲击性能，防止在行驶中由于路面的砂石飞溅碰撞产生凹痕，延长了汽车的使用寿命。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,迈腾采用了HSB（High-StrengthBody）高强度车身结构设计，屈服强度大于180Mpa（普通钢板的屈服强度一般为120-140Mpa）的高强度和超高强度钢板应用比例高达74%，而其中，屈服强度大于1000Mpa的热成型钢板占整个车身的16%。中国奇瑞汽车公司与宝钢合作，2001年在试制样车上使用的高强度钢用是为262kg，占车身钢板用的46%，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。图1、图2所示的是在轿车上使用高强度钢板的一些部件。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,图1、轿车上使用高强度钢板的部分,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,下面是五个高强度钢板应用的例子：a)、无间隙固溶强化IF钢冲压成型是汽车制造中最主要的成形方式，车身构件、门板、翼子板等等都是通过冲压成型制造出来，有些构件具有相当复杂的形状。其中高强度无间隙固溶IF钢具有极为良好的深冲和拉延能力，用来冲压制造各种复杂形状的汽车冲压件，它内部的铁素体不存在任何间隙固溶的碳和氮原子，这样钢材在冷轧和连续退火后可获得低屈强比和高延伸率，也就是说有极高的“韧性”，不会轻易断裂，能够承受各种模具的冲压变形。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,b)、烘烤硬化钢BH钢板是在低强度的条件下，经过冲压成形之后，进行烤漆加工热处理，以提高其抗拉强度。对比之下，以往生产的强度在440mpa的钢板，在采用这种加工技术以后强度可增加到500mpa。原来用厚度1毫米钢板做侧面板，用高强度钢板只需厚度0.8毫米，是车身外板轻量化设计首选材料之一。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,C）增磷板含磷高强度冷轧钢板：含磷高强度冷轧钢板主要用于轿车外板、车门、顶盖和行李箱盖升板，也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。主要特点为：具有较高强度，比普通冷轧钢板高15%25%；良好的强度和塑性平衡，即随着强度的增加，伸长率和应变硬化指数下降甚微；具有良好的耐腐蚀性，比普通冷轧钢板提高20%；具有良好的点焊性能。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,D）双相钢板冷轧双相钢板：具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点，如经烤漆后其强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车身零件。主要用要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,E）高强度低合金钢超低碳高强度泠轧钢板：在超低碳钢（C=0.005%）中加入适量的钛或铌，以保证钢板的深冲性能，再添加适量的磷以提高钢板的强度。实现了深冲性与高强度的结合，特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。在美国，用该种钢经轧制成形后用于车门门梁。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,1.3涂层钢板的应用涂层钢板是为了避免汽车受高温、高湿、高寒等恶劣气候条件的腐蚀，提高汽车寿命而开发的以钢板为基体的表层涂镀防护层的板材。目前在车身材料中应用的涂层钢板有镀锌钢板、镀铝钢板、镀铜钢板、镀铅锡钢板、镀铬钢板及涂覆塑料或层状复合板，其中以镀锌钢板的应用最广。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,镀锌钢板包括单面镀锌板及双面镀锌板，从制造工艺上可分为电镀锌板及热镀锌板两种。电镀锌板因涂漆工艺性好，多用于外覆盖件。热镀锌板多用于内覆盖件。在汽车车身的生产中，目前涂层钢板的用量逐步增加，特别是中高档轿车白车身几乎完全使用镀锌板。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,1.4拼焊钢板的应用拼焊钢板是将不同厚度和不同性能的钢板剪裁后拼焊起来的一种钢板。使用拼焊钢板可以在汽车最敏感部位使用涂镀层钢板，便于更好地发挥其耐蚀性，而在其他部位则使用较薄的高强度钢板。90年代以来，拼焊钢板在欧洲、美国、日本等汽车工业发达国家得到飞速发展。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,德国宝马公司在1994年的7个系列和1995年的5个系列车型中使用了拼焊钢板。美国福特公司使用了78种焊接钢板坏料，应用到立柱、挡泥板等加强件中。拼焊钢板的应用，简化了生产工艺、降低了模具和焊装夹具制造成本，改善了零件性能的稳定性。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,1.5铝、镁合金材料的应用目前，铝、镁合金材料主要应用在发动机活塞、气缸盖、歧管等零件上，在白车身上的使用仍处于样车实验阶段，未大批量投产。每使用1kg的铝，可降低汽车重量2.25kg，使用镁，则降低得更多。这使铝、镁合金的使用比例有增加趋势。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,铝材料巳经广泛应用在发动机、轮圈、仪表板装饰及其它零部件上，但是大量用于车身制造上还是少见，主要是受到加工技术和成本的约束。奥迪A2车身采用铝合金制造，铝材在整个构架中取代钢材起承载重量和冲击力的作用。采用崭新的工艺，通过焊接、粘接以及串铆技术把车身构件连在一起，其中串铆技术是奥迪公司从航天工业引入的技术。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,1.车身用各种材料实际应用情况,镁除了重量比铝轻以外，还具有比强度和比刚度高、导热导电性能好、阻尼减震和电磁屏蔽性好、可以回收等优点，是理想的金属结构材料。汽车上有60多种零部件适合采用镁合金，例如发动机零件、变速器零件、仪表板、轮圈等。一般欧洲车用镁合金9公斤至20公斤，北美车用镁合金6公斤至26公斤。镁合金也在日本生产的汽车上采用，例如镁合金变速杆、变速箱体、车门内框、扶手等等。由于镁是地球储量最丰富的金属元素，加上它的合金材料优点明显，越来越受到汽车业的重视。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,2.铝合金的物理机械性能,2.铝合金的物理、机械性能,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,2.铝合金的物理机械性能,作为工业用基础材料的铁、铜，早在公元前5000-3000年已经作为工具、装饰品登上人类历史的舞台。铝作为工业材料还不足90年，因此铝被称之为年轻的金属。它虽然年轻，但却是仅次于铁的重要工业用材，这是因为它具有许多优良的性能。如：1、密度小；2、耐蚀性好；3、导电导热性好4、低温性能好；5、无磁性；6、无毒7、易回收利用等。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,2.铝合金的物理机械性能,下表为纯铝、镁、铁在常温下物理性能的对比,表2.金属铝、镁、铁的物理性能,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,2.铝合金的物理机械性能,车身面板用材料至今己开发了多种铝合金用作汽车发动机罩、行李箱罩、门、货箱地板等车身面板或薄板冲压件。已被列入日本JIS标准或A、A标准的典型合金有；热处理型的Al-Cu系2002、2117、2036、x2037和非热处理型的Al一Mn系的3003、3004，AlMg系的5052、5182。欧洲和日本发表的几个车身面板用材，都包括在上述的合金标准内或大体相似。只有3030合金(由住友轻金属工业开发的抗拉强度在30kgfmm2以上，延伸率为30的合金)是至今未见的新型合金系。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,2.铝合金的物理机械性能,表3为车身面板用铝合金的物理性能。表4为车身面板用铝合金的标准机械性能。虽然强度大体与1010钢板相当，但不能否认，所有合金的延伸率都很低。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,2.铝合金的物理机械性能,表3.几种铝合金物理性能,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,2.铝合金的物理机械性能,表4.几种铝合金的机械性能,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,表5列出了经压延加工后在涂漆烘烤状态下的机械性能变化。表6概括了车身面板用铝合金的一般性能。虽然铝合金的成形性、点焊性等比钢板差但腐蚀性能远比钢板优越。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,表5.典型的车身面板用铝合金经压延后在涂漆烘烤状态下的机械性能,1771h,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,表6.典型的车身面板用铝合金的一般性能,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,3.1成型性指标表7列出了几种成形用铝合金的主变成形性指标。表中数值是由常用的板厚为0.8-1.2mm的汽车用材测得的。铝合金零件，必须根据零件的强度要求和成形性进行选材。表8中的1100、3003、5052是历来用途较广的一般成形用铝合金。特别是软质材具有优良的成形性，而强度则比冷轧钢板低。2002、2036、6009、6010是新开发的车身用材。这些合金虽然具有与汽车成形用钢板同等的强度，但需改善成形性。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,就铝合金车身板而言，外板用2036-T4，内板用5182-0，前者比后者强度高，但成形性差。5182-0成形时易产生变形花纹，故只用于内部板。两种合金在成形过程中产生的加工硬化将在随后喷漆时受热软化。2009、6010分别为5182、2036合金的代用品，由于外板、内板所用合金种类相同，可提高再生价值。此外，经喷漆加热产生了时效硬化，使其得到相当于钢板的高强度。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,表7、几种铝合金主要成型性指标（板厚0.8-1.3）,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,上一页表7所示的是典型的车身面板用铝合金的成形性与钢板的比较值。虽然车身面板用铝合金的成形性比钢板差，但可以根据其延伸率、延展性、n值，r值或弯曲性等，大致推断其实用价值。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,下面叙述一下铝合金成形性指标的特点，并与钢板加以比较。(1)深冲性，延展性由表8可见，铝合金的深冲性，延展性与冷轧钢板相近，但在等强度下铝合金的上述性能比冷轧钢板差。因此，在铝制零件成形时，根据材料的强度选择能够使延展部分得以控制的成形方法是很重要的。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,表8.几种铝合金各项性能与冷轧钢板的对比,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,(2)延伸率延伸率是评定材料成形性的最简便的指标。总延伸由均匀延伸和不均匀延伸两部分组成，但一般以总延伸的大小来推断成形性的好坏。把铝合金和钢板的拉伸性能加以比较，可知铝合金达到钢板的强度水平是容易办到的。但在等强度下，前者的延伸率比后者的低得多。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,就铝合金的延伸率而言，软质材的最大；非热处理合金的中间调质(H1X，H2X)材，随强度的升高而急剧下降；热处理合金中的自然时效材料随强度的升高而缓慢下降。高温材(T6)随强度的升高而下降。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,(3)弯曲性强度较低的软质铝合金材可弯至180后贴合，但要保证一定的弯曲半径。如板厚0.812mm的5182材，弯曲90时的最小弯曲半径为0.5t；弯曲180时为0.5一1.0t(t：板厚)用于外板的铝合金，不能采用钢板那样的平板型卷边，而要采用后述图5所示的凸起弧型卷边。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,(4)扩孔性在汽车零件的成形中，有时要进行扩孔成形，其扩孔性也是重要的成形性指标之一。铝合金随扩孔极限与材料的延伸率有良好的对应关系。仅扩孔极限比钢板小。汽车车身用合金的扩孔极限约为40。因此，保持铝合金冲压端面的良好状态是很重要的。此外，经预成形再扩孔，其效果更好。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,(5)r值，n值塑性的各向异性r值，加工硬化指数n值是抗拉试验中的成形性指标。r值越大，对深冲越有利。n值越大越易进行均匀变形，延展性越好。对汽车钢板来说，可以认为，这些指标和成形加工极限之间有良好的相互关系，成形材科的开发和冲压现场可用此对材料作出评价。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,但在评定铝合金材的成形性时用这些指标是有困难的。铝合金的n值与其延展性无对应关系，故不能用n值评定延展性，而采用抗拉试验的总延伸来估计。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,3.2冲压成型技术由各成形性指标可以看出，铝合金板的成形性不如汽车钢板好。直接沿用钢板的成形技术也是不适宜的，但是据报导，在冲压加工中，如果能够对材料特性，零件形状，模具设计，冲压条件，润滑等进行科学管理，利用现有设备完全可以得到与钢板等同的成形率。不过铝制零件的成形要特别注意如下儿点：,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,（1）在成形模具的设计及成形条件的选定上，要考虑到能使延展部位的成形控制到最小，深冲部位能达到最大成形。（2）由于铝合金板总延伸率小，变形分布不均，因此要尽可能地使加工变形分散开，以防深冲裂纹的发生。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,（3）一般情况下，铝合金板是在未涂油的状态下供应的，加工时要适当地涂润滑油，以防卡模、粘附等。（4）由于铝合金板的弹性模量是钢板的三分之一，弹性回复量大，故要防止模具过量而造成的形状不良。（5）在成形试验中发生不合适的情况时，可参考成形极限图和变形状态图采取相应的对策。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,以上各点是铝合金成形时应遵守的一般原则，但对于各种复杂形状的汽车零件来说，成形技术的普遍原则尚难掌握。日本尚未见到具体的实例。欧美国家已报导了典型的冲压成形零件车身板采用铝合金板成形的具体设计原则。主要有以下几方面：,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,(1)下料冲压成形坯料必须具有良好的剪切面。剪切面的毛刺，伤痕在成形时会造成应力集中，甚至流入模内导致冲压裂纹的发生，因而剪切面的质量管理比钢板要严格。下料时冲头和凹模的标准间隙见表9。下料用负荷大致等于板厚和冲头周长与材料剪切强度(抗拉强度的60%)的乘积。钢板多半采用方型冲头，铝合金板采用多边形圆角冲头方能得到良好的深冲能力。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,注：t为材料厚度,表9.下料时冲头和凹模的标准间隙,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,(2)零件形状和模具设计设计铝件冲压成形用的模具时，要求沿整个模具侧面的冲压状况相同。为使流入模内的材料均等，须选用防皱压板。根据零件的形状，在防皱压饭上加凹凸或适当的倾斜。图3为车箱盖内板的成形实例。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,图3.车厢盖内板冲压深度的均匀化,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,为了适当的控制成形时材料的流动，加强筋冲头的设计是很重要助。图4列出了典型加强筋冲头的大概形状，实际尺寸应该注意调整。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,a)浅冲用的半加强筋b)深冲用的全加强筋c)为防止直线部分的流动而使用全加强筋之外的直线加强筋,图4.典型加强筋冲头的形状,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,(3)弯曲，卷边为了防止铝合金弯曲时产生裂纹，要实行图5所示的带凸角的卷边加工。(4)扩孔使用支承夹具进行扩孔，可以有效地防止裂纹的产生。图6为推荐的备有支承工具助扩孔加工。,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,图5.带凸角的卷边加工,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分析,图6.使用支撑工具的扩孔加工a)第一道工序b)第二道工序c)第三道工序,车身用铝合金性能、应用及成型性分析,3.一些常用铝合金的成形性分