冷軋汽車板(汽車鋼板)基本知識科普!你都了解了嗎? 

自從19世紀80年代第一輛汽車問世以來,汽車工業對其使用板材的品種、表面質量、機械性能、耐腐蝕性等各項要求在不斷提高和完善。特別是現在,隨著能源、安全和環保等要求的日益增高,對汽車板的發展和應用也提出了更高的需求和挑戰。本文試就汽車用板中使用量最大的冷軋板發展和具體應用進行概述。

冷軋汽車板的質量要求

通常汽車工業對所使用的冷軋鋼板有如下要求:

1)優良的成形性能,即:高的塑性應變比r值,高的均勻伸長率δ_u,高的總伸長率δ_t,低的屈服強度σ_s,低的時效指數AI和低的屈服伸長,以用于沖制復雜的汽車覆蓋件。

2)優良的抗凹陷能力和足夠的結構剛度,以避免在制造和使用中產生凹陷,特別是能在突發的沖撞事故中能最大限度地吸收能量,保護乘員的安全。

3)良好的焊接性能,保證零件有效的連接及焊點和焊點周邊區域的強度和性能不發生大的變化。

4)優良的表面形貌和光潔程度,良好的噴涂性能和對油漆涂鍍層的附著性能,以求表面美觀。

5)高的耐蝕性能。

6)良好的板形和板面平直度,嚴格的尺寸精度和性能均勻性。

7)良好的吸聲減振性,應用于部分零件,以減少汽車在行駛中的雷鳴效應。

由于冷軋汽車板的這些特殊質量要求,其生產工藝復雜、難度大,因此汽車板的生產廠家在實際生產中均采用了一貫制原則,即對冶煉、連鑄、熱軋、冷軋、退火及涂鍍等涉及的各道工序進行統一的生產計劃和管理。

冷軋汽車板的發展

2.1冷軋汽車板向超深沖方向發展

一般將汽車用沖壓鋼分為三代產品,沸騰鋼為第一代,產生和廣泛應用于20世紀50~60年代;鋁鎮靜鋼為第二代,產生和廣泛應用于60~80年代;無間隙原子鋼(IF鋼)為第三代,產生和廣泛應用于80年代以后。三代沖壓用鋼性能比較如表1所示。

表1 三代沖壓用鋼性能比較

無間隙原子鋼(IF鋼)是深沖性最好的沖壓用鋼,也是今后深沖鋼發展的方向。目前主要用于汽車超深沖級(EDDQ)和特超深沖級(S-EDDQ)沖壓件(轎車覆蓋件)的生產。在國外,尤其日本、韓國已大量使用IF鋼替代低碳鋁鎮靜鋼用于汽車制造業。從1986年到1990年,全世界IF鋼的產量增長5倍,達到700萬t,其中日本和德國發展最快,日本從1986年到1989年產量增長了11倍。1997年僅日本IF鋼的年產量就超過1000萬t。我國研制IF鋼始于1989年,1995年寶鋼IF鋼產量為6萬多噸,2002年寶鋼的IF鋼冶煉量超過100萬t,實現了規模突破。以IF鋼為基礎發展起來的深沖熱鍍鋅IF鋼板、深沖高強度烘烤硬化板等系列,已形成了第三代汽車沖壓鋼板。IF鋼的生產已經成為一個國家汽車鋼板的標志,降低生產成本并進一步提高產品等級是目前IF鋼生產和研究方向。

2.2冷軋汽車板向超高強度方向發展

為了滿足汽車“減重節能”的需要,汽車零部件越來越多地使用高強度鋼板制造。冷軋汽車板的應用比例在日益增加,強度級別也在逐漸提高。日本、美國、歐洲各汽車制造廠所使用的高強度鋼板的等級不盡相同,但總的趨勢是汽車用鋼板,尤其是汽車加強件用板的強度等級在進一步提高。美國和歐洲高強度鋼板的使用量在增加,強度等級使用到440MPa等級,更高等級正在開發中。日本高強度鋼板使用量增加最快,7年前在轎車上使用高強度鋼板的比率已達到30~40%,在卡車上使用的比率為5%~10%。強度等級也最高,用作汽車門的加強板和保險杠甚至使用980MPa級以上的超高強度鋼板,個別廠家己能生產1470MPa 級超高強鋼板。超高強鋼板的厚度較厚、寬度較窄,在汽車上用量較少,但有一定的發展前景,反映了一個國家的鋼鐵生產技術水平。隨著對高強度與成形性的矛盾、帶厚減薄與抗腐蝕性的矛盾、焊接性能以及擦傷、磨損、碎裂、疲勞等各方面的問題的逐步解決,冷軋高強度鋼板的應用將越來越廣泛。

2.3冷軋汽車板向涂鍍層方向發展

隨著對汽車壽命和耐蝕性要求的不斷提高,鍍層鋼板在汽車中的使用比例逐年增多。熱鍍鋅較電鍍鋅鋼板增長更快,原因是熱鍍鋅鋼板的成本較電鍍鋅低,而且近年來由于帶鋼熱鍍鋅技術不斷取得實質進展,熱鍍鋅帶鋼的表面質量不斷提高,已逐步接近電鍍鋅產品表面質量并部分替代電鍍鋅產品用于汽車外覆件,在汽車板方面,熱鍍鋅取代電鍍鋅的趨勢日益明顯。隨著我國汽車工業的發展,尤其是汽車檔次的提高及鍍層板性能的改善,鍍層板用量會迅速增加,表面處理鋼板會大力發展,而高強鋼表面處理鋼板,集高強度和優良耐蝕性等優點于一身,必然成為汽車用鋼板發展的重中之重。

2.4冷軋汽車板向特殊板方向發展

減振鋼板由美國發明于20世紀70年代,80年代開始進入實用化研究,近年來日本在減振鋼板的研究和生產方面已經規范化。我國在減振鋼板的研制開發及應用方面,近幾年也得到迅速發展,目前寶鋼自己開發設計的減振鋼板生產線已達到規模生產,并且其產品已成功地應用于汽車領域。

汽車工業對鋼板表面質量要求日益增高,目前在轎車生產中,所使用的表面無缺陷O5級板用量占到了其冷板使用總量的30%以上。如何改進生產技術裝備和工藝,以滿足生產高表面質量冷軋板的要求,是冷軋板生產企業今后生產研究的一個重要課題。

冷軋汽車板的主要品種

為實現汽車減重節能、防腐、防污染、防噪聲、安全舒適等目標,逐步形成了具有不同特點的冷軋汽車板品種系列,其中主要有:以提高成形性能為目標的深沖鋼板系列;以減振節能為目標的高強度鋼板系列;以提高汽車防腐能力為目標的表面處理鋼板系列;以發展高性能汽車為目標的特殊鋼板等。

3.1深沖鋼板

冷軋板按沖壓級別分為:商用級(CQ)、普通沖壓級(DQ)、深沖壓級(DDQ)、超深沖壓級(EDDQ)和特超深沖壓級(S-EDDQ)。在轎車用板中,約72%以上的冷軋板要求達到DQ級及其以上深沖性能,95%以上的鍍鋅板要求達到DQ級及其以上深沖性能。

3.2高強度鋼板

高強度汽車板按沖壓級別分為普通沖壓級、深沖級和超深沖級三大類。按強化機理則主要有四大類型:

3.2.1固溶強化型加磷鋼板

通過加磷使鐵素體固溶強化以提高強度,其強度級別為320MPa、360MPa。加磷高強鋼板具有優良的成形性能,深沖級高強鋼板的塑性應變比r值為1.4~1.6,超深沖級高強鋼板的塑性應變比r值可達2.0。

3.2.2彌散強化型高強度低合金鋼板

通過加入Mn、Cu、 Mo、V、Ti、Co和適當的控軋控冷工藝產生彌散強化、晶粒細化和回復強化以提高強度。其強度級別為380MPa、420MPa、460MPa、500MPa和540MPa。Cu析出強化鋼抗拉強度可達610MPa,塑性應變比r值可達1.9,加Mn后IF鋼抗拉強度達440MPa,塑性應變比r值為1.5~2.0。

3.2.3相變強化型雙相鋼板和馬氏體鋼板

雙相鋼是通過適當的合金元素和生產工藝獲得80%~90%的鐵素體和10%~20%的馬氏體組織,它具有低屈服強度,高加工硬化指數,成形性能良好,抗拉強度可達560~1030MPa。馬氏體鋼為高含錳(0.8%~1.6%)鋼,在快速冷卻下控制A→M轉變,獲得80%以上的馬氏體組織和極高的強度(689~1034MPa)。TRIP鋼是雙相鋼的變種,主要組織是鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體,其中殘余奧氏體的含量在5%~15%,強度范圍為600 ~ 800 MPa。

3.2.4烘烤硬化型的BH鋼板

通過適當的退火工藝控制固溶 C原子數量,達到沖壓前低屈服強度,在烘烤過程中屈服強度增高40~80MPa,從而提高材料抗凹陷能力。BH板具有良好的成形性能,塑性應變比r值高達2.3。

3.3涂鍍層鋼板

采用冷軋表面處理鋼板,可大大提高汽車防腐能力。冷軋涂鍍層鋼板可分為三個系列:熱浸鍍系列、電鍍系列和有機涂層系列。

3.4特殊鋼板

為提高汽車性能,人們開發生產了具有潛在競爭力的特種汽車板。如以安全減振為目的的減振鋼板,可有效降低汽車高速運行時產生的雷鳴效應,消除噪聲、提高舒適性;以生產寬幅汽車板、減輕重量、降低成本為目的的拼焊鋼板,大大提高了汽車整體性能和安全性能;以提高表面質量要求的表面無缺陷鋼板(O5),極大滿足了高檔轎車的發展需要。

冷軋汽車板的應用

4.1深沖鋼板

深沖鋼板主要用來滿足汽車用鋼對深沖性能的要求,其用途及特點如表2所示。

表2 深沖鋼板用途及特點

為了滿足汽車用鋼對深沖性能更高的要求,近年來發展應用了無間隙原子鋼(IF 鋼),它是在超低碳鋼(C<0.005%,N<0.003%)中加入一定量的Ti、Nb,使鋼中C、N原子被固定成碳化物、氮化物,而鋼中無間隙原子存在。

該鋼具有極優良的成形性,即高塑性應變比r值(r>2.0)、高加工硬化指數n值(n>0.25)、高伸長率δ(δ>50%)和非時效性(AI=0),該鋼種可廣泛應用于對深沖特性有特殊要求的各類汽車部件,如油盤或外側面板等。

目前,新日鐵用IF鋼板,采用連續退火工藝生產開發的特超深沖級S-EDDQ鋼板,其r值可高達2.5,川崎制鐵更于1999年首次在世界上成功地開發生產出r值達到2.9以上的超高r值的鋼板,并實現了工業化生產。

4.2高強度鋼板

冷軋高強汽車板板規格范圍通常為0.5~1.2mm×800~1850mm,強度級別為340~1470MPa。主要品種有烘烤硬化BH鋼、雙相DP鋼和相變誘導塑性TRIP鋼等。

烘烤硬化BH鋼用于汽車門外板、發動機蓋板、行李箱外板和頂棚等多種覆蓋構件,是一種綜合性能理想的汽車用板,國內烘烤硬化BH鋼板按照屈服強度可分為:180 MPa,210 MPa,240 MPa,270 MPa和300 MPa等強度級別。烘烤硬化BH鋼根據生產工藝的不同,可分為冷軋普板、電鍍鋅和熱鍍鋅三大類產品。目前國內新一代轎車的外板多采用電鍍鋅烘烤硬化鋼板,屈服強度的級別主要是180 MPa和220 MPa。

雙相DP鋼一般用于高強度、高抗碰撞吸收能力且成形要求也較嚴格的汽車零件,如車輪、保險杠、懸掛系統及其加強件等,隨著鋼種性能和成型技術的進步,雙相DP鋼也被用在汽車的內外板上。

TRIP高強鋼由于其組織中存在的殘余奧氏體在應力應變作用下向馬氏體轉變而誘發的相變塑性,具有較好的成型性和很強的吸收碰撞沖擊能量能力,主要應用于要求高的強度、又必須拉延成形的汽車部件,如車門門框、邊柱等。

在冷軋高強度鋼板的實際應用中,日本發展最快,其中汽車外板σ_b≥400 MPa,車門和頂蓋為σ_b=340~370 MPa,汽車內板σ_b=400~600 MPa,汽車構件σ_b=350~510 MPa,汽車門框σ_b≥800 MPa。

4.3涂鍍層鋼板

為了達到優良的耐腐蝕性能,汽車板廣泛使用了鍍鋅板,鍍鋅板的生產工藝主要有熱鍍鋅板(GI)和電鍍鋅板(EG)。

在鍍鋅鋼板的應用中,不同地區、廠家有著各自的使用習慣。對于汽車外板,日本主要使用GA板(鋅鐵合金鍍層板),美國主要使用EG板和GA板,法國、意大利、瑞典及比利時等國主要使用GI板。對于汽車內板,日本主要使用GA板,歐洲主要使用GI和EG板,美國主要使用GA板。

近年來隨著熱鍍鋅技術的發展,熱鍍鋅產品質量(尤其是表面質量)不斷提高,熱鍍鋅產品在汽車領域應用更加廣泛,并且由于熱鍍鋅產品成本上具有的優勢(比電鍍鋅產品便宜10%～20%),目前在一些場合已有替代電鍍鋅產品的趨勢。

4.4特殊鋼板

減振鋼板是由鋼板/樹脂/鋼板組成的復合鋼板,表層鋼板厚度通常為0.3~1.6mm,中間高分子樹脂采用呈粘彈性的軟樹脂,厚度為0.03~0.15mm。減振鋼板可降低因機械運動而產生的振動和噪音,種類有:熱塑性樹脂復合減振鋼板、熱固性樹脂復合減振鋼板、可焊接的導電型樹脂復合減振鋼板、高耐熱性減振鋼板。減振鋼板在汽車工業中首先用于制造發動機油盤,油盤不僅要求板材具有良好的成形性,而且要在80~100℃的使用環境下具有良好的減振性和耐疲勞性。

汽車板表面質量根據要求的不同,可分為表面無缺陷鋼板(O5)和內板(O3),轎車用的冷軋板和鍍鋅板對其表面質量要求極為苛刻,內部件要求A級表面(歐洲新標準,相當于O3或Ⅹ級表面),外表面覆蓋件要求B級表面(相目當于O5級或Z級表面);同時對鋼板的表面粗糙度也有嚴格的要求,粗糙度一般要求控制在外表面件0.6~1.2μm,內表面件0.8~2.0μm。

結語

注重環境友好和更加安全將是汽車工業的發展趨勢,這必然使冷軋汽車板向超深沖性、超高強度、涂鍍層和特殊性方向發展。

無間隙原子鋼(IF鋼)的出現,使得工業化生產超深沖性能的冷軋汽車板成為現實,降低IF鋼生產成本并進一步提高產品等級是目前IF鋼生產和研究重點方向。

隨著汽車工業的發展,冷軋高強汽車板的質量標準要求越來越高,在保證加工性能的同時,產品強度也需要進行大幅提升,使產品高強化與成形性良好匹配。

涂鍍層鋼板更加適應了提高汽車壽命和耐蝕性要求,隨著鍍層性能不斷優化,涂鍍層鋼板綜合品質進一步提升,用量會迅速增加。

冷軋汽車板生產工藝復雜、難度大,各道工序間的生產和質量條件相互制約。近年來,國內外先進的冷軋汽車板生產企業逐步建立、發展和完善了一貫制生產原則,對冶煉、連鑄、熱軋、冷軋、退火及涂鍍等涉及的各道工序進行統一的生產計劃和質量管理,為優質冷軋汽車板生產提供了先進的工藝技術及管理支撐。