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汽车用热成形钢材料与工艺

随着全社会对汽车节能环保及安全性要求的不断提高,汽车轻量化和碰撞安全性已成为汽车制造业关注和亟待解决的焦点问题。高强度钢因其优异的性能在汽车减重和碰撞性能提升方面发挥了重要的作用,且相比其他轻量化材料具有明显的成本优势。


然而,在采用传统的冷冲压方式制造高强度钢零件时,回弹控制难,零件尺寸稳定性低,且一直存在冲压开裂问题,因此也限制了更高强度此类材料的应用。在这种情况下,热冲压成形技术得以快速发展。


热冲压成形是先对钢板进行奥氏体化(加热至850~950℃)处理,然后在700~850℃高温软态下进行冲压成形,通过模具快速导热对成形后的构件进行淬火处理,得到超高硬度的马氏体组织。


随着汽车安全和轻量化的需求,热成形钢及热冲压成形零部件的需求量日益增大。基于巨大的市场需求,热成形钢 新材料开发也得到了快速的发展。


热成形钢的开发进展 


涂层热成形钢

热成形钢的成型过程本质上是一个热处理工艺过程,热成形虽然加热炉有一定的保护气体,但还会因为少许氧气的存在导致钢板表面被氧化而出现氧化铁皮。在后续的热冲压过冲中,氧化铁皮会脱落到模具中,影响零件的尺寸精度,也会降低模具的使用寿命,大大影响生产效率。


为较少钢板在热冲压成形过程中热成形的表面氧化,一般会通过改善热成形钢的成分体系,开发抗氧化的热成形钢。而另一种途径,则是通过增加钢板的镀层,目前产业化应用的热成形钢镀层技术主要有Al—Si镀层 和锌基镀层。


Al—Si 镀层 

在热成形加热高温氧化环境 下,铝—硅(Al—Si)系合金涂层的表面可生成一种连续、均匀且致密的薄膜,该薄膜的主要成分为氧化铝、氧化硅等,起到保护基体的作用。Al—Si系合金涂层的耐高温性能显著优于其他类型涂层,在950℃的高温环境下仍可保持涂层的形态和性能。


Al—Si镀层技术最早由安赛乐—米塔尔公司开发,并成功应用于热成形钢的涂层。增加Al—Si镀层后,可有效避免热冲压钢板在加热过程中的表面氧化的问题,可有效提高模具寿命,改善零件的零件尺寸精度。


新型薄 Al—Si 镀层 

一般认为,Al—Si涂层热成形钢 的断裂应变、抗冷弯角比无镀层钢板性能差,其原因是由无镀层板热冲压表面脱碳引起。高韧性的薄Al—Si镀 层技术,通过控制Al—Si总量降低,降低合金化层中Al与Fe金属间化合物的配位数,降低基体表面的C富集程度,从而提高Al—Si镀层热成形钢的塑性、抗冷弯和抗延迟开裂性能。该薄Al—Si镀层热成形钢的热成形前后镀层结构见图。

锌基镀层

目前,全球Al—Si涂层热成形钢材料及制造工艺方面专利已被阿赛洛米塔尔申请,为了避开相关专利保护技术,2008年,奥钢联集团推出了纯锌镀层的热冲压成形钢板。Zn具有较好的阴极保护作用,能够防止热成形加热过程中钢的氧化和脱碳,但是Zn基涂层热冲压钢在还有一系列的技术问题有待解决。


首先是热成形高温加热过程中,容易产生挥发。二是Zn基镀层板会发生液态金属脆化。在较大的热冲压外力的作用下,脆化的晶界会产生表面微裂纹,进而降低零件的塑性、抗疲劳寿命以及抗冷弯等服役性能。


早期工业化生产热成形钢板,是通过间接热成形的方法避免液态金属脆化现象,也即“两步法”热冲压成型(见图)。

其工艺过程是在板坯加热前,先通过冷冲压的模具进行零 件的预成型,然后再加热和热冲压,减少热冲压状态的变形量,进而避免液态金属脆化的问题。为进一步提高生产效率,Gestamp等提出了新型锌基热成形工艺,被俗称“一步镀锌法”热成形工艺(见图)。省去了预冲压的步骤,与铝硅涂层工艺基一致,目前该技术已在宝马等汽车公司量产应用。

热成形钢的微合金化 

微合金化技术是提高钢材性能的重要手段之一,微合金元素主要包括 Ti、Nb、V等单一元素组合。


Mo+Nb 复合微合金化

韩国浦项工业大学和中信金属顾问边箭博士等联合开发了铌钼合金化的1.9GPa级热冲压成形钢,并系统研究了其抗氢致延迟断裂性能。通过铌微合金化,奥氏体晶粒尺寸 (PA G S)从9pm降至4.7pm,而(铌+钼)合金化的晶粒细化作用比铌合金化更强(细化能力高约10%)。


低成本热成形钢 

热轧 CSP 热成形钢 

紧凑式带钢生产(Compact Strip Production,CSP)是薄板坯连铸连轧生产工艺之一,是将传统流程的连铸、加热、轧制等工序进行有机结合的新工艺,具有流程简约高效,投资少、节能环保等特点。


热成形钢采用CSP技术轧制坯料,可以实现热轧替代冷轧,实现成本的降低,但是其对厚度范围有一定的要求。CSP热成形钢是热成形技术降低成本的一个有效途径,是未来热成形钢的一个发展趋势,应用前景广泛。


无头轧制ESP 

无头带钢生产ESP(Endless strip production)是在意大利Acciaieria ArvediSpA公司原在线带钢生成 (Inline strip production,ISP)技术。多年操作经验基础上优化改进合作开发的新一代热轧带钢生产技术,是薄板坯连铸连轧工艺之一。是由钢水浇 铸成薄板坯后直送轧机轧成带钢,生产线连续运行。目前已经证明ESP技术可以生产的钢种包括低碳钢、高强度汽车钢板,含硼钢热成形钢等汽车钢。


热成形汽车钢的发展展望 


由于中国汽车产量的持续攀升,轻量化节能减排的要求以及严格的 汽车安全法规,为热冲压成形产品提供 了广阔的市场,并由此为热成形钢和热 冲压成形设备等提供了巨大的商机。但 热冲压成形零部件存在着韧性不足以 及潜在的氢致延迟断裂问题也不可忽 视。这些风险意味着汽车在设计时,将 热冲压成形零部件作为一个高结构强 度和高刚度的构件,以期达到保护乘员 安全和减少碰撞损伤的目的。随着热成形新钢种的不断涌 现,高强韧的热成形在未来汽车轻量 化和汽车安全性方面将发挥越来越重 要的作用。


(文章来源:《透视》,作者:陈云霞


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