汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向

1、汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向*李? 扬, 刘汉武, 杜云慧, 张? 鹏( 北京交通大学机械与电子控制工程学院, 北京 100044)摘要? ? 阐述了先进高强钢板汽车零部件在减重、 安全方面的优势, 介绍了先进高强钢在汽车工业的应用现状,简单阐述了先进高强钢的成形工艺? ? 热冲压成形工艺研究, 指出了先进高强钢热冲压成形过程中遇到的主要问题, 探讨了先进高强钢未来的发展趋势。关键词? ?轻量化? 先进高强钢? 热冲压? 汽车applications and developments of ahss in automobile industryli yang, liu hanwu, d

2、u yunhui, zhang peng(school of m echanical, electronic and control engineering, beijing jiaotong university, beijing 100044)abstract? ? the advantages of the automobile parts of advanced high strength steel( ahss) in weight loss andsecurity are expanded on, and its applications in automobile industr

3、y are also introduced. furthermore, it gives a re?view of the materials and forming methods of hot stamping press technology of the ahss plate. the main problems ofthe hot stamping press process are pointed out. at last, the development trends in the applications in automobile in?dustry are also for

4、ecasted.key words? ? lightweight, ahss, hot stamping press, automobile?* 国家自然科学基金( 50974010)? 李扬: 女, 1985 年生, 硕士生, 研究方向为先进高强钢热冲压成形过程? tel: 010?51468375? e ?mail: liyanghegongda 126. com0? 引言随着环境恶化和能源紧缺问题的日益加剧, 环保、 安全和节能的考虑成为汽车制造业的主要发展方向。在减少燃油消耗、 减低废气排放的诸多措施中, 降低车重效果最明显。资料表明, 车重减轻 10%可节省燃油 3% 7%1- 4。

5、因此汽车轻量化成为了各大汽车生产厂提高竞争能力的关键。在汽车轻量化的推动下, 铝合金、 镁合金、 塑料等零部件的使用比例逐年增加, 使钢铁在汽车材料中的主导地位受到了威胁。鉴于这种情况, 世界各国钢铁公司都花费大量的人力、物力进行综合性能更优异的钢铁材料的研究。研究汽车用新型钢铁材料的问题至关重要, 从某种程度上讲, 最终关系到钢铁工业的生存与发展。1? 先进高强钢在汽车工业中的应用现状钢铁材料、 铝和塑料是制造汽车的 3 大材料。铝合金发展很快,已经向钢铁材料在汽车制造中的统治地位发起挑战, 其优点是质量轻。从耐载荷与耐疲劳强度看, 如果钢的强度级别提高到 780mpa 级以上, 则会显示出

6、比铝合金更好的性能优势 5, 从而诞生了先进高强钢, 其在性能和减重安全方面对铝合金发起挑战。先进高强钢的出现在很大程度上巩固了钢铁在材料领域的主导地位。在实际车体制造方面, 近年来高强钢板的应用在不断提高 5。国内外开始不断研究先进高强钢的种类和特性 6- 9。国际钢铁协会( iisi) 先进高强钢应用指南第三版中将高强钢分为传统高强钢( conventional hss) 和先进高强钢( ahss) 。传统高强钢主要包括碳锰(c?mn) 钢、 烘烤硬化( bh) 钢、 高强度无间隙原子( hss?if) 钢和高强度低合金( hsla) 钢;先进高强钢( ahss) 主要包括双相(dp) 钢

7、、 相变诱发塑性( trip) 钢、 马氏体级( m) 钢、 复相( cp) 钢、 热成形(hf) 钢和孪晶诱发塑性( twip) 钢 5,10。传统的高强钢多是通过固溶、 析出和细化晶粒作为主要强化手段, 而先进高强钢( ahss) 是指通过相变进行强化的钢种, 组织中含有马氏体、 贝氏体和/ 或残余奥氏体, 包括双相钢( dp) 、 孪晶诱发塑性( trip) 钢、 复相钢( cp)和马氏体级钢( mart) 等。汽车用先进高强钢( ahss)分为热轧、 冷轧和热镀锌产品,其工艺特点都是通过相变实现强化。先进高强钢( ahss) 的强度( 500 1500mpa) 和塑性配合优于普通高强钢

8、, 并同时具有高强度和较好的成形性, 特别是加工硬化指数高, 有利于提高冲撞过程中的能量吸收,所以其在减重和安全性方面具有双重优势。用价格 ?密度?强度作为指标,当高强钢强度超过一定值时, 就会比铝合金显示出更大的材料成本优势。由于当前汽车零部件价格对销售具有绝对影响,先进高强钢成为汽车公司给普通汽车减重的首选材料,已经广泛应用于汽车工业。1. 1? 国内的应用现状汽车工业的发展、 汽车产量和汽车保有量的增加, 在给人们出行带来方便的同时, 也产生了油耗、 安全和环保 3 大?101?汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向/ 李 ? 扬等问题。尤其自 2000 年以来, 中国汽车工业迅猛发展,使

9、以上安全环保问题日益突出, 为保证汽车工业的健康发展, 各国制定了相应的法规,而各国汽车工业认为满足各项严格的法规要求极为有效的手段是采用高强度轻量化材料。另外, 多家大型国外汽车厂商已在我国广东省组建合资企业,并设立多条整车生产线, 为零部件配套市场提供了很大的发展空间, 但大部分关键零部件仍然依赖进口; 同时随着能源的日益紧张,新一代节能环保型汽车需求日益增强, 必须利用先进制造技术,开发新一代的、 具有自主知识产权的关键汽车零部件,以提高汽车关键零部件制造水平和整车配套能力,进而提升我国汽车产业的竞争力。针对以上需求, 先进高强钢以其绝对的优势胜出, 其最大的优势就是: 提高材料的强度,

10、 在所要求的性能不变或略有提高的前提下, 减薄板材构件的厚度, 因而降低构件的质量。目前, 国内传统高强钢的品种和质量与国外的差距不大, 相应的国家标准已由宝钢负责制定完成。但是先进高强钢( ahss) 与欧美等发达国家和地区还有差距, 使用的标准也主要是这些国家和地区制定的标准。近几年, 我国汽车工业的发展非常迅猛, 整体技术水平有了很大的提高, ahss的应用也大幅度增加, 有利地促进了国内ahss 的开发和生产。目前, 宝钢、 鞍钢、 武钢等主要钢铁企业都在积极开发ahss。其中宝钢的 ahss 已形成了一定的批量生产能力,并负责制定了冷轧 dp 钢国家标准。国内的宝钢钢铁厂实施了一个汽

11、车轻量化的研究项目,它包括超轻车身( ulsab)、 超轻覆盖件( ulsac)、 超轻悬挂件(ulsas) 和超轻概念车项目( ulsab?avc), 后者包括一个 2 门掀背轿车和一个 4 门中级轿车的设计。钢板强度提高, 板厚就可以减薄, 从而有效减轻车重, 使用高强度钢板代替原用钢板后, 车身板厚可由 1. 0 1. 2mm 减为 0. 70. 8mm, 从而减轻车重达15% 20%, ulsab 和 ulsac 使用了大量高强钢, 分别减重 25% 和 30%。ulsab?avc 概念车则达到了五星级的碰撞标准, 且成本低适于家庭购买。1. 2? 国外的应用现状为了应对来自非钢材料的

12、挑战, 美国新一代汽车合作组织 pngv 进行了 34km/l 车的开发, 欧洲也进行了 100km/3l 车的开发, 国际钢铁协会( iisi) 的钢铁材料供应厂家从1994 年至 1998 年联合世界 18 个国家的 35 家钢铁企业共同推进超轻型钢制车体 ulsab ( ultra light steel auto body) 、ulsac( ultra light steel auto closure)、 ulsas( ultra lightsteel auto suspension) 的研究开发项目。ulsab 的目标是在确保车体性能和冲撞安全性能, 且不增加成本的基础上,通过大量采

13、用高强度钢板, 并应用液压成形技术、 激光拼焊技术等使汽车车重减轻 25%; ulsac 的目标是通过采用液压成形框架结构, 汽车内板部件最佳化, 以及高强钢板的应用, 使门窗结构减重 25% ,车顶棚和前后盖板减重 30%; ul?sas 的目标是基于结构分析, 对悬挂件( suspension) 形式进行最佳化设计, 并进行强度与成形性的最佳材料选择, 以达到与铝制超连接悬挂件的质量基本相等, 使成本降低 20% ,其他钢制悬挂件基本不增加成本, 车重减轻 20% 30%的目的。而 ulsab?avc( ulsab?advanced vehicle concept) 项目则是国际钢铁协会(

14、 iisi) 从 1999 年开始委托 pes ( por?sche engineering service inc. )设计, 由世界上 33 家钢铁公司共同完成的超轻型钢制车体研究开发项目。该项目主要是通过灵活运用 ulsab ?ulsas 的成果以及先进钢铁材料,在车体、 外板件、 车轴和驱动系统等进行整车综合全面采用轻量化设计方案。ulsab?avc 是对到 2004 年达到实用化的 c?class ( 相当于 1500ml 级别) 和 pngv?class ( 相当于2500ml 级别) 车采用先进钢铁材料的轻量化设计方案, 对1999 年的 2 个级别代表车型实现整车减重 20%

15、30% 的目标。在完成 ulsab 相关项目( 包括 ulsash 和 ulsac)后,阿赛洛( arcelor) 公司和蒂森( thyssen) 公司分别设计制造了大量采用高强钢的概念车车身, 使车身减重分别达到20% 和24%。分析其用钢情况, 发现未来车身用软钢大幅度下降, 而强度等级大于 800mpa 级的超高强钢显著增加。纵观汽车厂在高强钢使用方面的发展, 尤其是宝马汽车公司, 近几年的发展速度在欧美地区是较快的。宝马 3 系列在不同年代上市的汽车用材料的平均最低屈服强度从 1997年版的 178mpa 猛增到 2004 年版的 294mpa, 增长了 65%,屈服强度在400mpa

16、的高强钢的使用比例也大幅度增加, 而深冲软钢用量大幅减少。日本在高强度汽车板生产和使用方面原本就有明显的优势。为保持这种优势, 日本于 1997 年启动了? 超级钢铁材料?的国家研究计划, 为期 10 年, 其主要目的是实现钢铁材料的强度翻番,寿命翻番。瑞典于1983 年由ssab 钢板公司最早实现了ahss 中的dp 钢的量产。另外, 美国的通用公司,15 年前其车身钢板中78%采用低碳钢, 高强钢的使用很有限; 到2004 年高强钢的使用率大幅度上升, 低碳钢的使用率减少至 40% ,ahss 使用率达到12%; 2006 年ah ss 的使用率已至 18%11- 13。先进高强钢在世界范

17、围内已经得到了一定的应用, 并显示出在减重、 安全和环保方面的优势。所以有理由相信, 先进高强钢将会在世界范围内得到广泛的应用, 并将成为给汽车减重的主要材料。2? 先进高强钢的成形方法简介先进高强钢最大的优势是: 提高材料的强度, 在所要求的性能不变或略有提高的前提下, 减薄板材构件的厚度, 因而减轻构件的质量。减薄和高强是先进高强钢在减重和安全方面的优势,但也对冲压成形工艺提出了新的挑战。减薄和高强对冲压工艺而言是恶化成形性的双重因素,不仅使车身零件在成形过程中易开裂, 而且易产生过量回弹, 冲压件的回弹常用u 型槽的拉伸试验来测定 14- 17。相对于软钢和传统高强钢, 先进高强钢的回弹

18、更大, 特别是当钢板原始强度大于 1000mpa时,传统的冷冲压方法就难以生产结构、 形状相对复杂的车身零件, 这就需要恰当的解决方法 18。为解决这一难题,热冲压技术应运而生。2005 年宝钢研?102?材料导报 a: 综述篇? 2011 年 7 月( 上) 第 25 卷第 7 期究院率先在国内开展热冲压技术预研究, 2008 年又投入巨资启动了此领域的大项目研究工作。经过 3 年多的发展, 宝钢已经从热冲压技术的门外汉迅速崛起为中国热冲压领域的先驱者。至今, 宝钢已经基本掌握了热冲压系列核心技术,实现了阶段性的跨越式发展。2007 年年底, 上海宝钢热冲压零部件有限公司正式成立。2008

19、年上半年, 宝钢建成了以研发为主兼顾小批量生产的第一条热冲压产线。2009 年 9 月,宝钢第 2 条热冲压生产线建成投产。至今, 宝钢已经实现向华晨、 奇瑞、 长丰、 五菱等汽车厂小批量供货, 热冲压零件的尺寸精度和力学性能均已达到行业先进水平 17。对于先进高强钢的热冲压技术, 主要是同济大学、 哈尔滨工业大学、 吉林大学、 上海大众汽车和奇瑞汽车、 宝钢研究院等相关研究单位在对热冲压技术、 关键设备进行研究, 上海市对此还设立了专门的科研项目进行资助。国内大学研究高强度汽车板热冲压工艺取得成果较多的是同济大学机械与材料学院, 他们选用的是安赛乐生产的 usibor1500高强度钢板, 采

20、用热模拟机和量身订制的模具进行试验研究, 主要进行了热冲压过程中, 钢板的加热温度与钢板内部组织结构变化模式、 冲压速度、 保压时间、 冷却临界速度( 淬火速度)、 冲压模具温度变化对成形的影响等方面的模拟研究18。国内实验研究表明, 高强度汽车板热冲压加热温度以850 950? 为宜;模具在室温下(即原始温度 10 50 ? ) 对热冲压成形没有明显影响; 保压时间一般为 155 260s, 冷却速度一般大于等于21? /s, 淬火后零件温度为200? 左右, 冷却水临界经济流速为 0. 7m/ s18。3? 先进高强钢在中国汽车工业中的发展前景2005 年我国汽车产品整车出口首次大于进口1

21、9, 目前我国自主品牌取得较大的发展, 而且出口量增长, 中国汽车正迅速进入国际市场。随着汽车轻量化的发展, 节能、 排放和安全法规的日趋严格, 高强钢和先进高强钢的用量将快速增长; 以国际钢铁协会组织的全世界 32 家钢铁公司和相关汽车行业的轻量化项目 ulsab?avc 的目标和研发成果为例,高强钢在白车车身中的使用越来越多, 为了满足客户的需求, 传统的高强钢和先进高强钢在将来会越来越多地采用。虽然在成形中遇到回弹等问题的挑战, 但相比于其他替代材料( 如铝) , 高强钢还是最具吸引力的材料。这一项目中,白车车身(biw) 的用材比例以及各种材料的一些主要参数20如表 1 所示。表 1

22、? ulsab?avc 车身制造使用的高强钢比例及其主要参数table 1 ? the rate and main parameter of ahss used in the biw of ulsab?avc牌号主要性能最小 ?smpa最小 ?bmpa总 ?( 代表值)n 值( 5%15%)主要使用制作的汽车零部件主要成分比例/%dp 钢dp280/60028060030 340. 21bdp300/50030050030 340. 16bdp350/60035060024 300. 22a、 b、 c、 e、 fdp400/70040070019 250. 14a、 bdp500/80050

23、080014 200. 13a、 b、 c、 fdp700/ 1000700100010 150. 13bc、 mn、 si、 p、 al、nb、 cr、 ti74trip 钢 trip450/80045080026 320. 14a、 bc、 mn、 si、 p、 al、 nb、 v3mart 钢mart950/ 120095012005 70. 09a、 bmart1250/1520125015204 60. 07ac、 mn、 si、 cr4cp钢cp700/ 80070080010 150. 13bc、 mn、 si、 al、 cr、 ti1bh 钢bh 210/34021034034

24、 390. 23bbh 260/37026037029 340. 18bc、 mn、 si、 p、 al10if 钢if260/ 41026041034 380. 13cif300/ 42030042029 360. 21bc、 mn、 si、 p、 al、 nb、 ti4hsla钢h sla350/45035045023 270. 14a、 b、 eh sla490/60049060021 260. 24fc、 mn、 si、 p、 al、 nb1软钢140/27014027038 440. 28a、 c、 d-其他sf570/ 64057064020 240. 14e-mnb1200160

25、04 50. 07ec、 mn、 b3? 注: a 为辅助零件, b 为车身结构件, c 为挡板, d 为油箱, e 为悬挂件, f 为车轮? 从表1 中可以看出, 双相钢 74% , 马氏体钢 4% , trip钢 3%, 复相钢1% ,烘烤硬化钢 10%, h sla 钢 1% ,高强度if 钢4%, 其他 3% , 经统计得, 先进高强钢占82%, 高强钢占15% ,其他占 3%。先进高强钢的用量达到了 80% 以上, 成为车身制造的主要材料, 其中双相钢( dp)用量最大。除了表1 中所给出的基本信息外, 在实际生产与应用中还应考虑到?103?汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向/ 李

26、 ? 扬等先进高强钢的价格因素。但价格是一个不断变化的数字, 只具相对参考价值, 如 trip 钢 2009 年的价位在6000 元/ t, 而2010 在 7000 元/t 以上。一般来说, 双相钢的价格每年在30 70 元/ kg 范围波动。汽车轻量化项目的研究结果表明, 应用先进高强钢板,在所要求的性能不变或略有提高的前提下, 减薄板材构件的厚度, 降低构件的质量以使汽车轻量化; 同时不增加成本, 才有利于先进高强钢板的推广应用和轻量化的进展; 大量使用先进高强钢是维护钢铁材料市场地位的唯一可行的途径。由于汽车轻量化项目目标指向未来的市场需求, 因此有理由相信钢厂至少应具备制造1000m

27、pa 级高强钢的能力才能适于未来市场的需求。所以, 先进高强钢在汽车超轻钢车身、超轻钢车身?先进概念车上应用, 在减重、 节能、 提高安全性、降低排放等方面展现了良好的应用前景和好的竞争力。我国先进高强钢的研发现状及发展趋势主要如下。( 1)目前国内各大钢铁公司均在进行先进高强钢的生产和研究,其中最具代表性的企业主要有宝钢、 武钢、 鞍钢。( 2)先进高强钢应用于汽车零部件中的情况如表 2 所示。表 2? 高强钢板的应用及作用table 2 ? the applications and function of ahss用高强钢所制造的零件希望的零件性能保险杠、 加强板、 门防冲柱、边梁加强筋高

28、压溃强度、 高吸能发动机盖板、 门外板、 行李箱盖板高压痕抗力车身边梁、 横梁高模量边梁、 车轮疲劳强度? ( 3)防腐蚀性: 先进高强钢在强度和成形性方面展示了良好的应用前景, 但是在现代汽车工业中, 不仅要采用高强度和先进高强度钢, 同时为保证汽车的防腐蚀性能, 还应该加大镀层板的研究和生产, 并不断提高镀层板的品种和质量来提高先进高强钢材料的抗腐蚀性。( 4)激光拼焊: 近年来激光拼焊板成形技术在国外发展得很快,这项技术应用于汽车工业中, 可以更合理地对零件用材进行设计和更好地使性能与结构及材料匹配, 降低零件数量和成本,可以增加安全性、 减轻质量、 减少加工工序、 提高效率,同时消除了

29、点焊焊点, 取消了在密封区的密封, 降低了成本、 改善了抗腐蚀性。因此, 我国也要加大拼焊板的研究和生产。( 5)成形方法的改进: 由于 ahss 成形问题不断出现, 使得 ah ss 在车体结构上面临成形和连接技术的新挑战 20,我国要想扩大先进高强钢在汽车工业中的应用, 先进的成形方法是未来的主要研究方向之一。液压成形和内高压成形是高强度材料的重要成形方法, 也应加大力度研究与开发。4? 结语在现代汽车设计制造中, 随着轻量化、 安全性与节能减排要求的提高,新车的设计也一直在不断地改善排放、 安全性及燃油效率,从而促使在许多新车项目中广泛地应用先进高强钢(ahss) 。但随着 ahss 的

30、大量应用, 与过去采用大量软钢相比, 成形中的起皱、 回弹、 模具损伤、 开裂、 翘曲等成形问题和困难大量出现。因此, 完善 ahss 的成形技术是先进高强钢下一阶段的主要研究任务, 包括以下几个方面。( 1) 研究先进高强钢的热冲压成形防止回弹技术。材料特性决定了其成形工艺, 当材料延伸率比较高时, 可以使用冷冲压工艺成形汽车车身零件。但是材料的强度越高, 成形后零件的回弹越大, 因此防止这种成形缺陷的技术难度越大。( 2) 先进高强钢的热冲压成形的模具设计技术。在冲压过程中要使升温、 保温与降温过程模具内温度尽量均匀, 防止由于温度不均而产生的热应力过高引起模具破坏; 另外冲压设备的选择也

31、是模具设计的难点。( 3) 研究先进高强钢热冲压成形计算机模拟技术。需要解决的关键问题是先进高强钢零件热成形技术数字化建模技术的研究。参考文献1? jeanneau m, pichant p. the trends of steel products in theeuropean automotive industry c/ /la revue de metallur?gies?cit, 20002? everett c oren. automotive materials and technologies forthe 21st century c/ /39t hmwsp conf. pro

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