汽车用高强钢板的发展现状和趋势

06年的资料。不过介绍的还是很不错的。给大家分享下。。:69(


汽车工业对冷轧钢板性能的要求及冷轧高强钢板的分类
　　1 汽车工业对钢板的要求
　　汽车工业要求冷轧钢板重量轻，成形性好，寿命长，安全性好，环境友好。
　　首先，汽车轻量化对于提高燃料效率、防止CO2排放所造成的环境污染是极为重要的。为了解决这个问题，需要提高汽车用钢板的强度。这样的话，即使钢板厚度减薄，仍然可以保持原来的强度水平。所谓DP钢、TRIP钢就是为此目的而开发的。
　　其次，是钢板的成形性，因为它决定了汽车成形过程的生产效率。一般说来，随着强度的提高，钢铁材料的成形性恶化。目前，汽车尽管设计多种多样，但是大的趋势是采用流线型，以减少空气的阻力。具有高塑性的钢板即使经过多阶段的加工仍然可以不发生裂纹。近年开发的所谓自润滑钢板由于改进了钢板涂层的润滑性能而提高了成形加工的效率。
　　汽车的外板有可能遭受冲击，如果材料强度过低，很容易发生凹陷变形。BH钢在成形之后进行烤漆的过程中可以进一步提高其强度，这实际上等于汽车在使用过程中得到了更高的强度，因而具有良好的抗凹陷性。因此，近年对BH钢的需求不断增强。
　　汽车需要的另一个重要因素是寿命，即耐腐蚀性，特别在北美为了除去积雪，大量使用对钢有强烈腐蚀作用的氯化钙，对耐腐蚀性提出了更高的要求。应对腐蚀问题的重要措施是对钢板进行各种表面处理，例如镀锌。所以，近年表面处理钢板的用量持续增长，尽管其价格比普通钢板要高。另外，低成本的耐腐蚀钢板也在不断开发出来。
　　还有一个问题是安全性，特别是与冲撞有关的安全性。为了保证乘用者的安全，目前正在开发既具有高强度，又具有良好耐冲撞性能的高强钢板，用于汽车的结构件和底盘等部件。
　　最后，需要开发的高强汽车用冷轧钢板与环境友好。国际上已经制定了一系列法规和制度，强化环境保护，明令禁止使用对人类有毒害的物质。近年开发的无3价铬、无铅的涂镀层板，就是顺应这种趋势。
　　2 汽车用冷轧钢板的成形性能
　　由于汽车用冷轧钢板需要经过成形加工，才能成为需要的零件，所以不仅要求钢板有需要的力学性能，而且要求钢板有良好的成形性能。这些钢板通常经过图1所示几种变形方式或者它们的组合而成形为零件。
　　1） 拉深成形（Deep drawing, shrink flanging）。它的特点是工件在冲头和冲模之间变形过程中，在坯料上施加一定的压边力，使坯料在一个方向上获得大的拉延变形（例如在冲杯过程中沿着杯的直径方向），在另一个方向上发生收缩变形（例如冲杯过程中的圆周方向），所以需要材料有高的r值。
　　2） 鼓胀成形（Stretching）。它的特点是施加非常强的压边力，冲压工具带有凸凹槽，即使在冲头的作用下，材料边缘也不能滑动，中间部分材料受到双向等轴拉深，像气球一样膨胀变薄。因此要求材料具有良好的塑性和各个方向均匀延展变形和连续强化的能力。
　　3） 卷边成形（stretch flanging）。材料的切口边缘经历大的拉伸变形，例如在冲制的圆孔用锥形冲头扩孔属于典型的卷边成形过程。由于切口边缘收到极大的拉伸变形，要求材料的组织必须性能均匀，组织中没有明显的硬相颗粒。所以应当尽量避免出现大颗粒的碳化物或氧化物，使它们均匀、细小、分散。
　　4） 弯曲成形（bending）。弯曲成形发生的问题与卷边成形相似，也是由于局部变形引起。改进方法也是相似的，可以通过硬度的均匀、分散而得到实现。
汽车用冷轧钢板的类型性能
由于采用不同的强化机制，汽车用钢板有不同的组织，因而有不同的强度水平，依据钢板的强化机制、强度水平、组织特点可划分为不同的钢种类型。一般情况下，抗拉强度低于270MPa的钢板，主要是用作面板的IF钢（IF钢，全称Interstitial-Free Steel）和低碳钢，规定其为低强度钢。抗拉强度在270－700MPa的属于高强度钢，包括高强度的IF钢、BH钢、C-Mn钢、HSLA钢以及一部分DP钢和TRIP钢。超过700MPa的钢板为超高强度钢板，包括高强度级别的TRIP钢、DP钢以及马氏体钢和新开发的TWIP钢。其中TWIP钢由于其独特的高延伸、高强度而受到人们的重视。表1所示为汽车用高强度钢板的强化机制、化学成分设计、强度水平、应用举例。
表1 高强度钢板的成分设计与汽车部件的应用举例
强化机制

汽车用冷轧高强钢板的生产工艺
　　高强冷轧钢板要经过酸洗、冷轧、退火、平整等工序，才能成为供用户使用的冷轧产品。其中退火工序是决定冷轧板性能的关键环节。退火主要有两种方式，一种是罩式退火工艺，另一种是连续退火工艺。罩式退火工艺主要用于生产深冲钢板，包括IF钢和BH钢。它的特点是处理时间长（20－30hr），冷却速度缓慢，但是由于可以对各个炉单独控制，所以灵活性较强；连续退火工艺处理时间段（几分钟），可以控制得到很高的冷却速度，由于冷却条件的控制受到炉体结构的限制，所以生产的灵活性较差。一般，需要相变强化的钢种，例如DP钢、TRIP钢只能通过连续退火进行处理。
　　1 罩式退火工艺（略）
　　2 连续退火工艺
　　连续退火生产线分为加热区、一次冷却区、过时效区、最终冷却区。
　　加热区又分为预热段、加热段、均热段。预热段通常使用辐射管加热的加热段排出的废气对钢板进行预热。预热有3种方式，1）使用加热段的废气直接预热钢板，效率高，但是有钢板氧化问题；2）利用废气通过热交换器加热空气，用空气预热钢板，效率不高，也有钢板氧化的问题；3）用通过热交换器的循环气体进行预热，效率最低，但是无板面氧化的问题。带钢在加热段加热到需要的温度，加热段带钢通过导向辊垂直布置，约20m高，折返几次，在带钢之间有辐射管进行加热。该段允许的最高加热温度约950℃，平均的运行温度在800－900℃之间。达到退火温度的带钢，在均热段保持在该温度下至少20 s，完成再结晶过程。在均热段折返的次数依据以最大速度通过时达到最小保持时间所必须的带钢长度确定。
　　一次冷却区分为慢冷段和快冷段。慢冷段带钢以低于10℃/s的冷却速度冷却到650－670℃。它是快冷段的准备阶段，在此阶段碳在奥氏体中迁移，改变奥氏体各部分的浓度。带钢部分是由于辐射冷却，部分是由于氮氢混合气体的软喷射冷却。快速冷却段对于退火过程是非常重要的。尽管尝试过多种冷却方式，目前主流的冷却方式是气体喷射冷却。有两种气体在使用，一种是成分可控的氮氢混合气体，另一种是氢气。
　　在使用氮氢混合气体时，经过水/气体热交换器进行循环的高速气体直接喷射到带钢表面，通常这种系统可以达到70－80℃/s的冷却速度，但是循环风机的运行需要较高的能源成本（12kW/t）。使用氢含量50－60％的气体进行冷却时，由于氢的高导热性，可以将冷却速率提高到100℃/s/mm，由于氢单重较低，风机能源消耗可以大幅降低（4kW/t）。使用氢气必须具有良好的安全措施，冷却段必须与上、下游隔离开来，以便将氢气控制在冷却段内。
　　带钢与水冷的导向辊接触实现的辊淬冷却能量消耗低，是一种可供选择的方案，不过这个系统通常不太稳定。目前，Kawasaki开发了辊淬与氮氢混合气体喷射混合使用的系统；而NSC和NKK则开发了辊淬系统。
　　还有其他3种系统具有相当高的冷却速率，主要用于特殊的目的，不过它们需要随后进行酸洗。这3种系统是，1）水淬；2）热水淬火；3）水雾冷却。水淬法可以实现非常高的冷却速率（500－1000℃/s），通常用于处理非常高强度的钢板。热水淬是将带钢进入热水中进行淬火，这种方法可以得到板形非常好的钢板，冷却速率可以达到150℃/s，但是在500℃以下效果不好。NSC开发了水雾冷却系统，使用感应加热方式加热带钢。它适应于TRIP钢这样的带有加热的快速、终冷温度低的冷却过程。
　　过时效段。在快速冷却之后，晶粒尺寸固定了，但是脱溶的碳化物残存下来，应当尽量减少脱溶的碳化物。在过时效的过程中，这些碳化物将迁移到晶粒边界。最优的温度是350－400℃。在更高的温度下，碳化物将再一次溶解；在更低的温度下，没有足够的能量来完成迁移。因此，过时效段是由一个或几个段构成，要配以足够的折返数，以利用最短的过时效时间使脱溶碳含量达到最小。
　　过时效过程应用于CQ级和DQ级的低碳钢板材。对于高强钢，在快冷区之后得到了需要的金属结构，目标温度低于300℃，以便防止任何“过时效”发生，这个区通常是使用电加热。
　　最终冷却区。在带钢离开密闭的炉子和保护性气氛之前，必须将钢板的温度降低到氧化极限之下，即低于200℃。如果平整机安装在退火过程的下游，必须将带钢在低于40℃的温度下，送进轧机。带钢通常使用气体喷射系统冷却到80－150℃，再进一步用水箱冷却到40℃。
　　DP钢和TRIP钢必须通过连续式退火进行热处理，以获得需要的组织和性能。
　　快冷段的冷却速度对于高强钢的性能有重要的影响。目前我国大多数连续退火线冷却速度偏低，影响高强钢板的研发和生产。在高强钢的制造过程中，有时需要将钢板以150℃/s的速度冷却。此时要求非常大的冷却能力。例如，厚度0.5mm的钢板，如果以150℃/s的速度从700℃冷却到300℃，热交换系数必须达到500W/m2K。利用以氮气为主的氮氢混合气体喷射冷却达不到这样的热交换系数，利用水雾或浸水冷却又有板变形和表面氧化的问题。为此，正在研究开发喷射氢气的快速冷却方式。与以氮气为主的氮氢混合气体相比，全氢喷射冷却热交换系数非常大，在同样的喷射情况下，可以得到2倍的冷却能力。如果能够优化喷嘴的配置和喷射的速度，热交换系数有可能超过500W/m2K。喷射纯氢的问题是需要开发气封技术，以便将冷却区与加热区隔离开来。另外需要确保氢气循环系统的安全。这都是今后研究的课题。
　　汽车用高强冷轧钢板的发展趋势
　　1 TWIP钢
　　由于环保和节能，需要减轻车体重量；为了安全和舒适，又会引起车重增加。为了解决这一对矛盾，需要同时提高材料的成形性和材料的强度，实现材料强度和延展性的平衡。
　　近年开发的所谓TWIP钢就是在这个方向上的一个重要进展。所谓TWIP，意即孪晶诱导塑性（TWinning Induced Plasticity）。TWIP钢是以Fe、Mn为主的纯奥氏体碳钢，采用Mn可以扩大奥氏体相区，添加C不仅可以稳定奥氏体，而且可以利用C的固溶强化奥氏体。通过控制Mn（17－24％）和C(0.5－0.7%)的含量，可以得到最好的力学性能。与DDQ级冲压板相比，同样可以冲制各种形状复杂的零件，强度却要高出2－5倍；其抗拉强度与热处理钢相当，延展性却比热处理钢强10倍。
　　TWIP钢的塑性变形的主要机制是位错滑移。在变形过程中，非常细的孪晶在晶内发生，孪晶界和晶粒边界均成为位错滑移的壁垒，这会导致非常剧烈的加工硬化，其瞬时硬化率能保持较高的水平（>0.45）。这会抑制细颈的发生，从而导致TWIP钢非常强的加工硬化能力和非常大的延伸率。这种性能即使在高应变速率下仍然保持着，因而在撞击等高应变过程中，可以保证汽车非常高的安全性。这是TWIP受到青睐的一个非常重要的原因。
　　2 热冲钢板
　　随着强度的提高，钢板成形性能总体上呈下降趋势，形状冻结性变差，成形难度加大。同时材料成形力也增加，造成成形负荷增大，工具、模具的磨损和损坏严重。所以，近年开发了材料的热冲＋随后热处理的新技术，以满足用户对进一步提高强度的迫切要求。这种技术应用于可以热处理强化的钢板，例如含B钢板，将其加热到900℃左右进行冲压变形，大幅度降低成形力，提高材料的成形能力，冲成零件后，立即利用余热进行淬火处理。目前处理后的抗拉强度可以达到1500－2000MPa。处理完的零件要经过喷丸处理，以消除氧化铁皮，改善表面质量。2006年初，POSCO的热冲零件厂投入生产，年产热处理零件300万件。
　　也有的热冲后，对零件的关键部位进行局部热处理，制成所谓性能TAYLORED坯料。
　　3 激光拼焊
　　汽车的一些零件各个部位可能有不同的负荷和不同的受力条件，成形方式也会有差异。为了节省材料、减轻车体的重量，希望零件的不同部位可以制成不同厚度和采用不同的材质。基于这样的想法，利用焊接技术的最新成果，开发出激光拼焊技术（TWB－Taylored Welding Blank），一个零件，可以依据其不同部位的负荷、受力条件、成形方式和难易程度，采用不同厚度、材质的材料，将其焊接起来，达到物尽其用，从而提高材料的利用效率，实现车辆的轻量化。
　　4 液压管成形
　　汽车一些零件是先用钢板冲压成两个半片，然后焊接在一起，形成中空的管状结构件。由于焊接而成，工序复杂，强度和刚度均不理想。德国Thyssen-Krupp长期致力于发展液压管成形技术，通过焊接钢管技术、管件液压成形技术、管件激光拼焊技术、卷管技术等系列关键技术的开发，已经形成成套技术，并已经开发出概念车。通过应用液压管成形技术的应用，可以改善零件的受力条件，提高构件的承载能力，降低车体重量20-30％，成本稍稍高于传统车。目前已经在众多车辆上推广应用。
　　5 耐腐蚀钢板
　　由于高强钢板成分设计和变形规律有自己的特点，所以其涂镀过程有特殊的难度。首先，高强钢板采用一定含量的Mn和Si，也经常使用各种合金元素，由于不同元素与基本材料Fe氧化特性不同，一些元素发生选择性氧化，常常会在钢材表面形成氧化物，这些氧化物会造成漏镀点，直接恶化材料的涂镀质量和抗腐蚀能力。其次由于高强钢板，如DP或TRIP，热处理的温度制度，特别是等温时效处理的温度，与涂镀的温度不一致，需要调整高强钢板连续退火和热浸镀的温度制度。此外，如何调整和控制高强钢板热处理的温度制度，实现需要的高冷却速率和柔性化的退火与热处理制度，也是迫切需要解决的问题。

哇哇哇，老孟在高强区发过咧:31(

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