汽車用高強度鋼板開發

前言

  隨著高強度鋼板在汽車零部件應用范圍的擴大,隨之對鋼板加工性的要求也越來越高。尤其是,近年來鋼板的高強度化技術迅速發展,除了以往要求的強度-延伸特性外,還要求具有高的延伸凸緣性。對此,神戶制鋼公司開發了具有強度、延伸特性和延伸凸緣性的980MPa級冷軋鋼板。為使組織控制技術比普通鋼進一步提高,確保獲得高延伸率所需的鐵素體相的數量,提高延伸凸緣性,通過添加鐵素體的固溶強化元素和重新認識馬氏體的回火溫度,減小兩相的硬度之差,開發了具有很高加工性能的鋼板,其延伸率和延伸凸緣性比普通鋼的好。

  為擴大高強度鋼板的應用,除了要求其強度-加工性平衡良好外,還必須滿足各種特性。其中最重要的特性之一是焊接性。為提高鋼鐵材料的強度,一般需要使用大量的合金元素,因此隨著強度的提高,鋼中的化學成分會增加,焊接性會變差。對此,神戶制鋼公司找出了優化鋼中化學成分,尤其是減少C量,而且能實現高強度的最佳成分設計方法。應用這一方法,開發了具有良好焊接性能、低C系780、980MPa級冷軋鋼板和GA鋼板,并已開始商業化生產。

  1 980MPa級合金化熱鍍鋅鋼板

  作為低屈服比型合金化熱鍍鋅鋼板。神戶制鋼公司以前已開發了590MPa級和780MPa級GA鋼板。作為其設計概念,為確保汽車用鋼板所要求的成形性和焊接性,因此采用低合金成分獲得鐵素體+馬氏體復合組織的思想已成為共同的設計概念,并在此基礎上進行了技術確立。在將鋼板的強度提高到980MPa級時,也是基于這種思想進行最佳成分系的設計。既能確保延性,又能提高強度的設計思想如下:

  1)雖然Mn作為固溶強化元素是有效的,但為確保鐵素體相的延性,應盡量少添加。

  2)Cr和Mo是提高淬火性的元素,有助于增加馬氏體相的體積百分率。另外,C有助于提高馬氏體相的硬度。但是,任何一種元素如果過分添加會導致焊接性的下降,因此應復合添加能提高強度所需的量。

  由于開發鋼是按照上述成分進行設計,因此即使批量生產,也能獲得穩定的特性。

  開發鋼具有高的延伸特性,不亞于冷軋鋼板。開發鋼的成形極限曲線與冷軋鋼板的基本相同。將鋼板制成直徑50mm的圓筒凸模(圓筒凸模=10mm),對凸肚成形時的極限深沖系數進行了對比,結果表明開發鋼的壓制成形載荷低,與GA780MPa級鋼板基本相同,深沖系數與冷軋鋼板基本相同。

  對開發鋼的焊接性和冷軋鋼板的焊接性進行了比較。通過改變焊接電流值,對板厚為1.4mm的各種試驗鋼板進行了焊接試驗。調查了焊接接頭的剪切抗拉強度和斷裂后測定的熔核直徑的關系,結果可知開發鋼的熔核斷裂臨界直徑比冷軋鋼板的大。另外,在發生熔核斷裂時,接頭強度大大超過了JIS標準。十字形拉力強度的斷裂形式受化學成分的影響大,即使母材強度增加,在發生熔核內部斷裂和剝落斷裂的情況下,有時強度也沒有發生變化。開發鋼從低電流區域就確保十分的強度,熔核內部幾乎沒有發生斷裂,直到高電流值才發生熔核斷裂。另外,在斷裂傳播超前,強度與電流值一起升高,兩者之間看不到有大的強度偏差。與冷軋鋼板相比,開發鋼從熔核斷裂后到斷裂傳播前的電流值范圍大??梢哉J為這是因為將高強度化所需添加元素的增加量被抑制到最小的成分設計發揮效果所致。在發生斷裂傳播以后的高電流區域,由于強度波動大,因此應設定最佳電流值。

  對開發鋼進行了彎曲加工,將其制作成帽形抗壓試驗材料,調查了抗壓特性。試驗材料點焊的打點間隔為50mm。軸向抗壓試驗用零件的軸向長度為300mm,3點彎曲抗壓試驗用零件的軸向長度為1000mm。將重錘從一定高度落下進行試驗。采用試驗材料下方的負荷傳感器測定沖擊載荷,采用激光位移計測定位移輸出功率。根據載荷-位移曲線求出在位移50mm之前的吸收能。結果可知,隨著抗拉強度的提高,吸收能會增加,有助于提高零部件的強度。

  2 超細晶組織型超高強度冷軋鋼板

  在汽車用冷軋鋼板中,如減震器和車門防撞桁條等已開始采用強度超過980MPa級的超高強度鋼板。最近,與碰撞安全性有關的法規得到了加強,超高強度材料開始應用于汽車車身零部件。在超高強度鋼板應用擴大的同時,熱沖壓和高頻加熱等熱處理技術也開始應用于超高強度零部件。在應用超高強度鋼板時,耐延遲斷裂特性成為了一個課題。隨著強度的提高,延遲斷裂敏感性也提高,當抗拉強度提高到1180MPa以上時,延遲斷裂敏感性會迅速提高,容易發生延遲斷裂。

  使用具有雙相(DP)組織的1470MPa級鋼板作為比較鋼板。開發鋼的延伸特性比相同強度的DP鋼高1.5倍左右。關于局部變形特性,采用V彎曲試驗方法,彎曲方向為與軋制方向成直角的方向進行試驗,彎曲角度為60°和90°,彎曲半徑在1~5mm范圍內變化。V彎曲試驗表明,與DP鋼相比,開發鋼可彎曲加工到更小的彎曲半徑。該開發鋼彎曲加工性比DP鋼好的原因是,母相為無碳化物且均勻的無碳貝氏體相占大半部分,及殘留奧氏體在條狀組織中均勻微細彌散,使變形不會集中,不容易產生會導致龜裂起源的大的縮孔。

  鋼板的耐延遲斷裂特性不僅與強度有關,而且與化學成分和顯微組織有關。為改善鋼板的耐延遲斷裂特性,已提出了各種方法。另外,在實際零部件中,由于受到某種加工,因此除了鋼板的化學成分和強度外,加工的程度、殘留應力,尤其是在實際使用狀態下的腐蝕環境成為了影響耐延遲斷裂特性的重要因素。采用將U形彎曲的材料放在鹽酸中浸漬的方法來評價耐延遲斷裂特性。即,將長條狀試樣,以10mm、15mm的彎曲半徑,按照與軋制方向成直角的方向進行了彎曲加工,在脫模后一面用應變儀確認彎曲部的應力值,一面用螺栓夾緊,并施以1000~2000MPa的應力。浸漬鹽酸的濃度為5%,調查了浸漬48h后有無裂紋的發生。與相同強度的DP鋼相比,開發鋼即使彎曲到很小,即使殘留應力很高,長時間浸漬后也不容易發生裂紋,表明具有非常好的耐延遲斷裂特性。如前所述的那樣,可以認為這是因為開發鋼的母相為無碳化物的無碳貝氏體,及殘留奧氏體相微細彌散后發揮了吸氫效果所致。

  3 結束語

  在有關防碰撞安全性的法規得到了加強的進程中,進一步開發降低車身重量的技術,擴大高強度鋼板的應用變得越來越重要。今后應積極推進能滿足汽車制造商和零部件制造商要求的高性能高強度鋼板材料和利用技術的開發,并為環境保護做出貢獻。

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