现代汽车制造业的核心是安全和环保,对车身要求 “提高强度、减轻重量”。先 进高强度钢在这种背景下蓬勃发展,大量应用于汽车白车身的结构件、安全件上。
性能特点:
无屈服延伸、无室温时效、低屈强比、高加工硬化指数和高烘烤硬化值。
典型应用:
DP 系列高强钢是目前结构类零件的首选钢种,大量应用于结构件、加强件和防
撞件。如,车底十字构件、轨、防撞杆、防撞杆加强结构件等。
性能特点:
晶粒细小,抗拉强度较高。与同级别抗拉强度的双相钢相比,其屈服强度明显要 高很多。具有良好的弯曲性能、高扩孔性能、高能量吸收能力和优良的翻边成形 性能。
典型应用:
底盘悬挂件、B 柱,保险杠,座椅滑轨等。
性能特点:
组织中含有残余奥氏体,有良好的成形性能。在成形过程中残余奥氏体会逐渐转 变为硬的马氏体,有利于均匀变形。TRIP 钢还具有高碰撞吸收能、高强度塑性积和高 n 值的特点。
典型应用:
结构相对复杂的零件,如 B 柱加强板、前纵梁等。
性能特点:
屈强比高,抗拉强度高,延伸率相对较低,需要注意延迟开裂的倾向。
具有高碰撞吸收能、高强度塑性积和高 n 值的特点。
典型应用:
简单零件的冷冲压和截面相对单一的辊压成形零件,如保险杠、门槛加强板和侧
门内的防撞杆等。
性能特点:以马氏体为基体相,利用残余奥氏体在变形过程中的 TRIP 效应,能实现较高的加工硬化能力,因此比同级别超高强钢拥有更高的塑性和成形性能。
典型应用:
适用于形状较为复杂的汽车安全件和结构件,如 A、B 柱加强件等。
#淬火延性钢(QP 钢)
性能特点:
TWIP 钢为高 C、高 Mn、高 Al 成分的全奥氏体钢。通过孪晶诱发的动态细化作用,能实现极高的加工硬化能力。TWIP 钢具有超高强度和超高塑性,强塑积可达50GPa%以上。
典型应用:
TWIP 钢具有非常优越的成形性能和超高强度,适用于对材料拉延和胀形性能要求很高的零件,例如复杂形状的汽车安全件和结构件。
#硼钢(PH 钢或 B 钢)
性能特点:
超高强度(抗拉强度达 1500MPa 以上),有效提高碰撞性能,车身轻量化;零件形状复杂,成形性好;尺寸精度高。
典型应用:
安全结构件,如:前、后保险杠、A 柱、B 柱、中通道等。
#汽车钢的冲压成形工艺
冲压是汽车钢板制造中常见的一种制造工艺,靠压力机和模具对汽车钢板原料施加外力,使之产生塑性变形或分离,从而获得所需形状和尺寸的工件。车身各处的零部件通过冲压工艺生产出来,再经过焊接或其他连接工艺,组成整个车身,这就是“白车身”的生产流程。
冷冲压成形工艺
冷冲压成形工艺是在室温条件下对原料板进行冲压成形,从而获得成形件的一种生产工艺。利用冲压模在压力机上对板料或热料施加压力,使其产生塑性变形或分离从而获得所需形状和尺寸的零件[6]。在冷冲压加工中,冷冲模就是冲压加工所用的工艺装备。没有先进的冷冲模,先进的冲压工艺就无法实现。一般来说,冷冲压工艺由三大要素构成:①冲压机:利用模具产生加工压力的装置;②冲压模具:按照规定的尺寸精度做出制品形状的工具,分为上模和下模;③被加工材料:制品的原料,如汽车钢板。
冷冲压工艺拥有诸多优点,如冲压件质量稳定,尺寸精度高;整体工艺省能、低耗、高效,因而冲件的成本较低;生产率高、操作简便,易于机械化与自动化。用普通压力机进行冲压加工,每分钟可达几十件,用高速压力机生产,每分钟可达数百件或千件以上。
目前,汽车钢的冷冲压工艺主要生产汽车包覆件,这类钢板强度不高且塑性较好,成形性能良好,如DP钢。因此在室温条件下对原料板进行冲压,既能得到尺寸精度较高的成形件,又可以提高生产效率,降低成本。
热冲压成形工艺
热冲压工艺又称为热成形工艺,是在高温状态下对钢板进行冲压成形,并在模具内进行保压淬火,从而获得高强度成形件的一种成形工艺[7]。随着汽车工业的不断发展,对汽车用钢板也提出了更高的要求,高强度薄板成为了汽车生产的一大诉求。高强度钢薄板由于强度高、厚度小,采用传统的冷冲压成形工艺时,极易出现回弹变形、起皱开裂、尺寸精度差以及成形抗力大、模具寿命低等问题。热冲压成形技术利用了材料高温状态下良好的成形性,既可有效减少回弹,又能保证模具寿命,且成形淬火后的构件具有超高强度,同时价格合理,因此热冲压成形技术是实现汽车轻量化和安全性的先进成形技术。近年来热冲压成形用钢得到了广泛应用,主要应用于汽车A柱、B柱、C柱和防撞梁等碰撞关键部件[8]。以22MnB5为代表,现阶段用量最多的热成形零部件为1500MPa级。为了进一步满足汽车轻量化需求,强度级别更高的热成形钢材料,如1800、2000MPa级热成形钢的应用也必将成为趋势。图5为热成形工艺生产的汽车钢零件。
#展望未来
随着碳纤维、铝合金、镁合金等新型材料的出现,汽车钢也迎来了新的挑战。但就发展历程和产业成熟度来说汽车钢依旧是车身材料的主要选择,因此汽车钢未来发展的困境主要来源于自身。如何生产出同时具备高强度、高塑性并且轻量化的汽车钢零件依旧是汽车钢的重要发展方向,并且在提升性能的同时控制成本,实现批量生产。
同时,我国作为制造业大国,伴随着“去产能”以及我国“十四五”总体规划的发展方向,绿色低碳同样也将成为汽车钢生产的重要目标,即在不断提高汽车钢强度减轻车身重量的同时,需重视从材料设计、生产、制造、加工、使用到回收利用等各个环节的成本、能耗以及排放,“绿色发展”对汽车钢生产技术提出了更高的要求。
此外,随着计算机技术的高速发展,基于模拟软件对汽车钢生产工艺的指导目前已经得到较为广泛的应用。在未来,也许可以构建更加贴合实际生产的数值模型,从而缩短研发周期,提高汽车钢发展速度。