汽车钢新品种的一些特点

1、阿塞洛公司汽车用钢新品种简介Michel Babbit本文对汽车用钢近期的一些发展进行评述。一种新型预涂板特别适用于经热冲H 加工的防渗透部件。另一种与预涂板有关的新工艺为新型无机处理法（NIT），能够有 效地提高预涂板的冲压生产率。在防腐方面，新一代薄型有机涂层已经得到应用；将 来Zn-Mg镀层推广后会有助于汽车制造商节省二次防腐成本（蜡、乳香脂等）。为了 获得高刚性低重量的钢材，阿塞洛已开发出一种高 刚性的新型夹芯板，显示出应用于 大块车身板的潜力。最后对一些突破性新产品 概念在中长期未来的应用前景进行了探 讨。1-Ms钢材是汽车最主要的组成材料，为了巩固这一地位，钢铁工业必须不断地满足汽

2、 车制造商新的需求。通过降低车身重量来减少CO2排放，同时还要提高汽车的被动安 全性，是该领域的主要挑战之一。超高强度钢正是满足这两项要求的候选材料。一个 相对较新的方法是将预涂板进行热冲压。就减轻大型汽车板的重 量而言，出现了一种 高刚性的新型多层钢材料，不失为一种有趣的创新型解决方案。另外，成本效益是高 竞争性汽车市场中极其重要的因素，因此，任何能够协助汽车制造商提高生产率的方 案（如降低汽车耐腐蚀性加工成本）都会大受欢迎。为此，开发出了更薄的有机和锌 镁镀层。可以预见，汽车工业还会有重大的发展变化，钢铁业需要突破性的创新技术 来满足未来新的要求。2.用于热冲压加工的高强度钢阿塞洛公司开发

3、出了称为Usiborl500P的高强度钢，完全用于热冲压工艺。该 材料促进了欧洲、美国和日本在热冲IE技术上的进步。它的化学成分示于表1,机械性 能示于表2。表1 Usibor 1500P的化学成分 质量元素CMnSiCrB上限0.251.40.350.30.005表2 Usibor 1500P的典型机械性能YS：屈服强度, UTS：极限抗拉强度，E1：延伸率YS (MPa)UTS (MPa)El (%)供货状态40060025 (ISO)热冲压后100015006 (ISO)在热冲压工艺中，先以880-950给坯料加热5lOmin,使钢板奥氏体化，然后 快速转移到冲床（5-7s）并在600s

4、80（rC下冲压；最后在冲压设备之间以30。$的 冷却速率淬火。Usibor 1500P是一种预涂材料，有约25Pm号的A1 - Si热浸镀层（90%Ah称 为 Alusi镀层），该镀层能够承受加热和淬火工艺。Usibor的奥氏体显微组织使其在冲压 温度下仍具有很高的可成形性。图1显示出在热冲压过程中涂镀区域显微组织的演变， 图2则给出了 Usibor的主要性能指标。Usibor 1500P特别适于冲击弯曲应用领域。图3对Usibor 1500P与低碳钢和高强度 钢的三点冲击弯曲试验结果进行了比较，试验速度为29kni/h,动能为lOkJ。可以看出， 它的最大弯曲力比lOOOMPaUTS钢(M

5、1000)高20%,比800M Pa UTS钢(M800)高 50%,比600Mpa UTS钢(TRIP 600)高75%。这种优异的性能使Usibor 1500P最适 用于汽车保险杠和门梁、A柱和B柱、横梁、门槛、车顶和厢底地板的加强件等。热处理(900 - 9505 - lOmin)期 间镀层转变为金属间化合物合金层 (AK Fes Si) 卜高附着性 f高粗糙度 f无鳞皮图1 Usibor 1500P预涂板在热冲压期间及热冲压前后的情况。中间的小图显示出 钢与 Alusi镀层间的边界层，右下图显示出奥氏体化后镀层表面的形貌。上乘的焊接性能(点焊.MIG和MAG焊)焊条使用期延长均匀或非均

6、匀组合大电流波瓣(lkA)优良的耐腐蚀性 部件热冲压后即町涂漆 表而粗糙度使汕漆附着性极佳，与电镀产品相媲美优秀的耐冲撞性能 高韧性(夏氏冲击试验) 三点弯曲试验中极佳的表现(防渗透试验)图2 Usibor 1500P的主要性能指标图3各种低碳钢和高强度钢在29km/h (10kJ)三点弯曲试验中的极限弯曲力3 .改善预涂产品的冲压性能“新型无机处理法(NIT) ”是一种表面处理技术，最初的开发H的是处理电 镀 (EG)基材,以改善电镀产品的冲压性能。由于NIT在电镀产品上取得了突出的效果， 便在其他金属基材上进行了试验，尤其是热浸镀锌(GI)和镀锌层扩散退火处理(GA) 材料。通过测定经NI

7、T处理的GI和GA板的性能，对NIT应用于这两种材料的可行性进 行了实验室评估。如表3所示，对主要性能进行了研究。在用户的冲压车 间进行的试 验表明达到了主要LI的，产品获得了附加值，并且为解决锌污染问题和锌窝缺陷找到 了一个途径。即使在小涂油量的情况下润滑剂的表现也很均匀（图4c）。如图4a和 4b所示，NIT在GI材料上的沉淀层使预涂板的深冲性能明显改善。因为处理过程的沉淀层在脱脂匚序中被清除，所以涂漆性能与未处理基材相 同。 这一点已被不同用户的涂漆间所证实。NIT处理GI板的附着性能在极个别条件下需要一定的改善，以提高时效性 能和 对特定附着剂的适应性。NITI艺产生的效果鼓舞人们对其

8、应用于所有工业性镀锌线的可能性进行研究。应 该不会遇到太大的问题，因为应用NIT可能不需要更换原有的设备。表3 NIT处理薄板的性能与未处理基材的比较：+表示较好，表示较差，二表示相同，*表示配合用户附着剂检查Zx匕月匕性能j基材+NIT较之于未处理材摩擦性能+拉伸性能+去湿敏感度+润滑剂自然敏感度+对工具的污染程度+点焊性能十=/一粘结性二/-*脱脂性磷化处理性图4 （a）冲压600个山NIT处理GI板制造的部件后防护板的外貌；（b）相同冲压条件下冲压10个由未处理GI板制造的部件后同一防护板的表面缺陷：可见擦伤和划痕；（c） NIT处理GI板具有良好的摩擦性能，具体取决于涂油量（0.25g

9、/m2/每侧“2.5g/m2/S侧），但总是优于未处理GI板4 .薄型有机涂层阿塞洛公司生产汽车用薄有机膜预涂板已有儿年历史。连续电镀带钢穿过一条涂 镀线，将这种薄有机涂层施涂到电镀薄板上。薄有机涂层可显著地提高对渗 透性腐蚀 的防护性能，对于汽车的镶边件尤其有效，使汽车商无须或大大减少对孔眼和边缝的 昂贵的二次防腐措施。U前生产的薄膜有机涂层（Henkel公司生产的Granocoat ZE和Chemetall & Andre 公司生产的GardoProtectTH9493）采用锌粉着色，以改善材料的点焊性能。这种有机 涂层的H标厚度位于2 5申。45帆的范围。薄有机涂层领域的新进 展圉绕着进

10、一 步提高耐渗透腐蚀性和可成形性，Henkel公司开发的Granocoat X涂层向实现这一目标 又跨近了一步，而且其涂镀方法与Granocoat ZE或GardoProtect TH 9493相同。对 GranocoatX涂层薄板的耐腐蚀性进行了评估，并按照SEP 1160第一部分中规定的 程序将之与标准GranocoatZE涂层作了比较。耐腐蚀性试样采用了汽车玻璃的镶边件， 按照VDA 621415的程序进行试验。GranocoatX的耐腐蚀性（即红锈出现于试样前的VDA腐蚀循环数）为15s 20个 VDA循环，具体取决于有机涂层的厚度；而标准GranocoatZE涂层的耐腐蚀性为8s 1

11、0个VDA循环（见图5 ） o因此,Granocoat X的耐腐蚀性约为Granocoat ZE涂层的两 倍。通过摩擦试验和杯突试验研究了 GranocoatX的可成形性。摩擦试验显示Granocoat X具有上佳的摩擦性能，如图6所示，其摩擦系数低于标准薄有机涂 层和电镀层。该 摩擦系数不受润滑剂数量和质量的影响（即使没有润滑剂也保持 良好的摩擦系数）， 也不受工具材料质量的影响。杯突试验（图7）证实了与标准Granocoat ZE涂层相比Granocoat X具有更优的可 成形性:Granocoat X涂层薄板折断前的最大坯件夹持力约为Granocoat ZE薄板的两倍 （图8）。连续深冲

12、了 25个杯形后未发现工具污染，期间未作任何清 理工作。在焊接性、粘结适应性等其他性能方面，与标准薄有机涂层相比未有变化。优于 材料薄有机涂层（GranocoatZE或GjrdoProtectTH9493）的另一点是较低的养护温度， 使Granocoat X与烘烤硬化钢兼容。山于新型薄有机涂层GranocoatX具有优质的耐腐蚀性和可成形性，与标准型薄有 机涂层相比它更易于加工，在二次防腐处理方面更节省成本。因此，该产品在不久的 将来应能成为汽车工业的标准涂层。图5红锈出现前的VDA腐蚀循环数图6 Granocoat X的摩擦性能与其他薄有机涂层和电镀层的比较图7用Granocoat X涂镀板

13、制作的帽形图8 : GranocoatX标准GranocoatZE和电镀板（EG）在杯突过程中最大冲压 力与坯 件夹持力。曲线末端为折断前的最大夹持力（GranocoatX的值大于EG）5 .利用PVD技术开发的ZnMg镀层数年来阿塞洛公司一直在研究利用真空沉积技术（PVD技术）开发新型镀层的方 法。主要LI标是提供具有更高耐腐蚀性的钢板镀层，使汽车制造商能够减少通常采用 的二次防腐措施（如给空心部件施涂密封胶和蜡、涂镀一定厚度的Ed漆等在阿塞洛试验过的各种不同的方案中，利用PVD技术的锌镁（ZnMg）沉积 镀层 LI前被认为最具前景，它能显著提高钢板的耐腐蚀性，简化汽车制造商的涂漆工艺。用真

14、空沉积法将一薄层纯镁沉积到电镀锌钢板（EG）表面，再实行一次热处理使 锌和镁熔合，便获得了 ZnMg镀层（图9）。锌层和镁层的厚度在热处理之 前分别为 7.5 和 1.5pm经过热处理以后，形成了一个双分子金属层：上层山约3 P m厚的Zn?Mg合金组 成，下层为约55pm的EG钢板的残留锌。最初通过实验室PVD设备开发出ZnMg镀层,2005年以后，位于比利时Liege市的 阿塞洛PVD中试生产线可以连续生产这种镀层。在“汽车用产品中心”的设施上进行的试验中，ZnMg镀层显示出极佳的耐腐蚀 性。对比较不同镀层的耐腐蚀性，对未涂漆ZnMg试样与7.5pm厚镀锌层和3Pm厚第 一代薄有机涂层（T

15、OO的标准EG板进行了循环腐蚀试验（图10）。试验 结果清楚 地显示出ZnMg产品具有更佳的耐腐蚀性。红锈在ZnMg试样上出现的时间比EG+TOC 试样延迟3个系数，比EG试样延迟10个系数。深冲试验证实了这些结果。石涂漆的EG试样上所做的循环腐蚀试验（图11）同样表明，ZnMg产品对切边腐 蚀的耐受力明显优于常规镀锌层。ZnMg镀层的直接好处是能够减少汽车生产商的二次防腐措施，降低汽车制造中的 防腐成本。事实上，考虑到这种镀层极好的耐腐蚀性，减少其至完全取消 在切边部位 和空心件施用防腐密封胶和蜡的做法是非常可能的。在耐渗透腐蚀性应用上，也可以考虑将ZnMg镀层与较便宜的薄有机涂层结合使 用

16、。一些空心件通常要求特定的设计和较难掌握的涂漆方式，两者结合使用就可能在 这些空心件上完全替代EG镀层。新型ZnMg镀层品种具有许多优势，可根据用户的需要提供量身定做的防腐方案， 为用户带来附加值。曲于它具有很高的耐腐蚀性，ZnMg镀层确实可能通过取消二次防 腐措施或白色设计中车身的简化（从而缩短设讣周期）来大大降低 汽车制造成本。阿塞洛ZnMg镀层的开发工作已进入向用户提供样品的阶段，今后儿个月时 间里 阿塞洛将与汽车制造商用户紧密合作，以充分实现这一令人期待的镀层的巨 大潜力。 与此同时，阿塞洛也在为该产品的工业化生产做准备工作。2007年阿塞洛有望通过其 Arceo厂推出ZnMg带卷。图

17、9新型ZnMg镀层的生产路线图10红锈在未涂漆ZnMg试样上的演化图11红锈 在阴极浸漆ZnMg试样上的演变6 .复合材料薄板（夹芯板）阿塞洛公司开发出一种称为Usilight的三层复合材料，它山一个0.25s2.0mm厚的 刚性聚合物芯层和两个相同的超薄镀锌钢表层组成（图12）。聚合物为特殊 设计，刚 性高，耐火并附着于钢；其厚度范围为0.22mm，根据所造部件或模块的功能要求来 选择。两个0.25mm厚的DDQ级钢表层使复合材料具有与常规钢板相同的外表，但加 工性能更优。这种夹芯薄板具有极高的刚性/重量比，其挠曲刚性直接取决于两层钢皮间的距离, 即聚合物芯的厚度。山于聚合物的密度大大小于钢

18、的密度，夹芯板的刚性 随厚度的增 加而大幅提高，但对重量的影响却很小；因此，即使刚性很高时比重仍能保持较低。 图13描绘了夹芯板刚性与重量的关系，并与实心铝板和钢板进行了比较。山于内含粘 弹性材料，该夹芯板显示出良好的声学性能和热性能；粘弹性材料的热膨胀系数与钢 相同，避免组装到钢结构上时产生变型。聚合物经专门设计，使夹芯板的形状非常稳 定。Usilight有两种型号的聚合物，在热应力下表现出不同的机械性能：（1） B型一非 常适于经EG涂漆的外露板（20（TC下lh以内确保强度不退化）；（2） A型一较便宜， 但高温下该聚合物的机械性能较差（160。（2确保强度）。如前所述，这种夹芯板的主要

19、特点是重量轻刚性大，此外，它还显示出良好的抗 凹性能、声学和耐冲撞性能，它的耐腐蚀性也是一流的。就Usilight对汽车报废（ELV）时回收率的影响，在开发之初就通过破碎试验和高 温试验（包括在仪表化中试电弧炉中的熔融试验）进行了彻底调查，结论是Usilight的 回收率可达到100%,与已经过循环利用的有机涂镀产品相同。在阿塞洛公司不懈的努力和用户的密切配合下，用高刚性夹芯板在工业条件 下制 造汽车部件的可行性已得到证实。该产品主要应用于要求刚性的大型车身板（即车项、 车盖.后盖板等），但良好机械性能使它也可应用于其他特定部件，如驾驶室结构等。图72夹芯钢板示意图图13夹芯钢板与实心钢板和铝板挠曲刚性的比较7 .未来的发展方向为了不断地满足汽车制造商未来的要求，阿塞洛正在研究下一代超高强度 钢