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從汽車輕量化趨勢看JFE高強度鋼研發進展

2020-07-31 08:30:00

  劉成

  爲滿足人們日益增長的美好生活需要,燃油效率和排放相關法規要求日趨嚴格,而汽車的二氧化碳排放量與其重量成正比,因此,減輕汽車重量成爲實現碳減排的一大關鍵。即使是對相對綠色環保的電動汽車來說,由于需要安裝100千克~200千克重的電池,推動車身輕量化,也有助于其進一步提高燃油效率,延長續航裏程。由于汽車60%以上的重量是鋼制零件的重量,推廣使用高強度鋼可以有效減輕汽車重量。近10年來,抗拉強度超過980兆帕級的高強度鋼應用不斷取得突破,本文將以日本JFE鋼鐵爲例,介紹汽車輕量化、高強度鋼的研發進展。
  不同年份和用途的汽車用鋼強度變化
  圖1展示了汽車部件用鋼的抗拉強度。圖1中的灰色區域表示2007年汽車部件用鋼的抗拉強度,深色區域表示近10年汽車部件用鋼的抗拉強度。此前汽車外板多使用抗拉強度爲340兆帕的鋼板,但目前已呈現出使用440兆帕級鋼板的傾向。由于在汽車外板制造中使用的440兆帕級鋼板厚度僅爲0.6毫米,如何保持足夠的剛度和抗凹陷性能是一大關鍵。
  目前汽車吸能部件多使用有良好加工硬化性能的440兆帕級~780兆帕級鋼板,後期將傾向于采用抗拉強度超過780兆帕的高強度鋼板。
  對于保護車廂內乘客的支柱、搖臂和其他部件來說,目前多使用590兆帕級~1180兆帕級的高強度鋼板。這樣的話,即使是在較大的碰撞載荷下,也能有效防止變形。另外,目前通過熱沖壓成型工藝生産的高強度汽車部件數量也在增加。熱沖壓成型工藝通過將鋼板加熱到950攝氏度左右並用模具進行淬火來獲得熱沖壓成型高強鋼。汽車保險杠和防撞梁早期使用高強度鋼板,現已開始使用熱沖壓成型高強鋼。
  與冷沖壓成型工藝相比,熱沖壓成型工藝具有明顯優勢,不僅可以得到超高強度的汽車部件,而且成型性相對較好,部件表面硬度、抗凹性和剛度好。不過,熱沖壓成型工藝也存在一些缺點,比如,生産節奏相對較慢、制造成本較高、受形狀限制等。電阻點焊過程中的液態金屬所致脆化(LME)、延遲斷裂和模具壽命較短是這兩種工藝共同存在的問題。
  JFE汽車用高強度鋼的輕量化和高韌性
  多年來,JFE鋼鐵積極推進各種高強度鋼板的技術開發、優化和應用。本文將對JFE鋼鐵開發出的汽車面板用高強度冷軋鋼和鍍鋅鋼(440BH)、結構件用冷軋鋼板和可改善成型性的表面處理技術進行介紹。
  汽車面板用高強度冷軋鋼和鍍鋅鋼(440BH)
  圖2顯示了用于汽車面板的BH(烘烤硬化)鋼在生産過程中屈服強度的變化。這些鋼板因沖壓成型而表現出加工硬化,同時由于塗料烘烤的熱量而時效硬化。在壓制成型中,可通過降低屈服強度獲得優異的表面質量。與常規340BH和普通440W鋼板相比,440BH的屈服強度低于440W,與340BH大致相同;經烘烤處理後的440BH屈服強度高于340BH,接近440W。考慮到抗凹陷性與厚度的1/2次方成正比,使用440BH鋼代替340BH鋼,可使厚度減小0.05毫米。440BH鋼的低屈服強度歸因于鐵素體基體中的馬氏體含量少。
  然而,使用高強度鋼並不一定能提高剛度,因爲剛度僅由板厚和楊氏模量(描述固體材料抵抗形變能力的物理量)決定。因此,JFE鋼鐵開發出一種提高面板剛度的新技術,具備了輕量化高性能面板零件生産能力。
  結構件用冷軋鋼板
  爲防止鋼板出現面內開裂和剪切邊開裂的情況,汽車結構件必須具有較高的成型性。高強度鋼板的這些性能可以用延伸率和擴孔率來表示。延伸率(EL)是當鋼板以凸起形狀(稱爲拉伸成型或凸起成型)成型時的可成型性指標。擴孔率(λ)是鋼板剪切邊成型性的一個指標,表示爲在沖孔時擴孔到鋼板邊緣産生裂紋時的孔徑增加量。對于這兩個指標來說,數值越高表示成型性越高。
  JFE鋼鐵通過精細的微觀結構控制開發出了高成型性鋼板,形成了名爲JEFORMATM的産品陣容。其中,1型産品具有比普通鋼板更高的延伸率(EL)和出色的拉伸成型性(深沖)。2型産品比1型産品具有更高的擴孔率(λ)和出色的拉伸凸緣性。3型産品比1型産品具有更高的延伸率,並可進行更深的拉伸。通過開發該系列産品,JFE鋼鐵可實現複雜汽車零件的生産。
  改善成型性的表面處理技術
  高強度鋼的延伸率不可避免地低于低強度鋼。JFE鋼鐵開發了一種汽車用高潤滑熱浸鍍鋅層(JAZTM),可補償因延伸率低而導致的可成型性降低,減小鋼板與模具間的摩擦阻力,旨在改善低碳鋼的可成型性。目前,該技術已實現廣泛應用,可有效應用于高強度鋼板。
  使用了JAZTM的熱鍍鋅鋼板的拉伸程度高于不使用JAZTM的熱鍍鋅鋼板。拉伸程度隨鋼板延伸率的增加而線性增加。
  

 

  《中国冶金报》(2020年07月31日 02版二版)

 

來源:中國冶金報-我哥的女人

編輯:宋玉铮

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