当汽车用高强钢板的发展现状和趋势

汽车用高强钢板的发展现状和趋势

汽车工业要求冷轧钢板重量轻、成形性好、寿命长、安全性好和环境友好。为此，DP钢、TRIP钢等既能满足成型要求又能提高强度水平的钢板得到逐步运用。同时，对应的新型工艺方法也得到广泛应用。

汽车工业对冷轧钢板性能的要求

1.汽车轻量化

提高燃料效率、减少CO2排放造成环境污染是极为重要的。为达到此目的，汽车需在保持原来的强度水平的情况下满足轻量化。DP钢、TRIP钢就是为此目的而开发的。

2.钢板的成形性

一般说来，随着钢板材料强度的提高，其成形性恶化。为满足零件成型的需要，DP钢、TRIP钢等既能提高强度又能满足成型要求的新型钢板将得到大量应用。

3.钢板的抗凹性

汽车外板有可能遭受外力冲击，若材料强度过低，容易发生凹陷变形。BH钢在成形后进行烤漆的过程中可以进一步提高其强度，汽车在使用时得到了更高的强度，具有良好的抗凹陷性。因此，近年对BH钢的需求不断增长。

4.钢板的耐腐蚀性

在北美等特殊市场，为除去积雪，大量使用对钢有强烈腐蚀作用的氯化钙，对汽车耐腐蚀性提出了更高的要求。应对腐蚀问题的重要措施是对钢板进行各种表面处理，例如镀锌。

5.钢板的安全性

为保证乘用者的安全，目前已经开发出既具有高强度，又具有良好耐冲撞性能的高强钢板，用于汽车的结构件和底盘等部件。

6.钢板与环境友好

汽车用冷轧钢板需要与环境友好。国际上已经制定了一系列法规和制度，强化环境保护，明令禁止使用对人类有毒害的物质（镀层物质）。

依据钢板的强化机制、强度水平和组织特点可划分为不同的钢种类型（见表）。钢板类型

（1）低强度钢：抗拉强度低于270MPa的钢板，主要是用作面板的IF钢（IF钢，全称Interstitial-Free Steel）和低碳钢，规定其为低强度钢。

（2）高强度钢：抗拉强度在270～700MPa的属于高强度钢，包括高强度的IF钢、BH钢、C-Mn钢、HSLA钢以及一部分DP钢和TRIP钢。

（3）超高强度钢板：

超过700MPa的钢板为超高强度钢板，包括高强度级别的TRIP钢、DP钢以及马氏体钢和新开发的TWIP钢。

汽车用冷轧钢板的应用

一般将汽车零件分为面板、结构件、加强件和底盘。根据各种材料所经受的不同的成形方式，而选用不同类型的材料（见图1）。

图1 材料类型及对应延伸率、屈服强度

1. IF钢板（Interstitial-Free Steel）

低强度软钢和高强IF钢板，特点是延伸和深冲性能好，广泛用于制造汽车面板。IF钢采用低碳或超低碳和Nb、Ti微合金化的成分设计，使钢中的C、N以碳氮化物的型式，而非固溶的形式存在，因而得到了极高的r值（平均r=2.5）和加工硬化系数（n=0.27）。

2. BH钢板（烘烤硬化钢 ）：

外板不仅要求有良好的刚性（由杨氏模量、厚度和集合形状等决定），还要求在受到压力或冲击时，具有良好的抗凹陷性。BH钢在成形加工中强度低，材料成形后发生加工硬化，强度得到提高。经过烘烤涂漆，强度进一步提高。

3.高强钢板（HSS）

结构件和加强件是重要的安全防护件，因此希望它具有高的冲击吸收能力。当然，它必须具有良好的成形性能，特别是鼓胀成形性能，以便冲制成形状复杂的零件。DP钢和TRIP钢等兼有高的强度和良好的延伸（见图2），因而广泛应用于汽车的结构件和加强件，如B柱加强板等。

图2 各种钢的一般欧洲汽车制造商在积极采取新材料的同时强效机理

4.耐腐蚀涂镀钢板

热浸镀的钢板表现出良好的抗腐蚀能力，但是涂漆性能、成形性能和焊接性能不能满足要求。为此，将纯锌层变为一层锌铁金属间化合物。由于镀锌层是由Zn-Fe化合物组成，性质极脆，可能在成形过程中发生粉化，即剥落现象。控制Zn-Fe化合物的组成，可以抑制粉化现象。Zn-Fe化合物可以依据化合物的成分分类为ζ相、δ1相和Г相。通过减少ζ相和减少Г相，使组织非常硬，不容易发生变形。

汽车用冷轧钢板的发展趋势

IP钢

为解决环保和节能（减轻车重）及安全和舒适（增加车重）的矛盾，需同时提高材料的成形性和强度，实现强度和延展性的平衡。近年开发TWIP钢就是为解决此问题而进行的。所谓TWIP，意即孪晶诱导塑性（Twinning Induced Plasticity）。TWIP钢的塑性变形的主要机制是位错滑移。在变形过程中，非常细的孪晶在晶内发生，孪晶界和晶粒边界均成为位错滑移的壁垒，这会导致非常剧烈的加工硬化，其瞬时硬化率能保持较高的水平（>0.45）。这会抑制细颈的发生，从而导致TWIP钢非常强的加工硬化能力和非常大的延伸率。这种性能即使在高应变速率下仍然保持着，因而在撞击等高应变过程中，可以保证弹性模量、最大实验力8项汽车非常高的安全性。这是TWIP钢受到青睐的一个非常重要的原因。

2.热冲钢板（热成型）

随着强度的提高，钢板成形性能总体上呈下降趋势，形状冻结性变差，成形难度加大。同时材料成形力也增加，造成成形负荷增大，工具、模具的磨损和损坏严重，所以，近年正在开发热冲钢板（见图3）。例如含B钢板，将其加热到900℃左右进行冲压变形，大幅度降低成形力，提高材料的成形能力，冲成零件后，立即利用余热进行淬火处理。目前处理后的抗拉强度可以达到1500～2 000MPa。处理完的零件要经过喷丸处理，以消除氧化铁皮，改善表面质量。

图3 热冲压板

3.激光拼焊

汽车的一些零件各个部位可能有不同的负荷和不同的受力条件，成形方式也会有差异。为了节省材料、减轻车体的重量，希望零件的不同部位可以制其中以蒙脱土最为经常使用成不同厚度和采用不同的材质。基于这样的想法，利用焊接技术的最新成果，开发出激光拼焊技术（TWB，Taylored Welding Blank）。一个零件可以依据其不同部位的负荷、受力条件、成形方式和难易程度，采用不同厚度、材质的材料，将其焊接起来（见图4），达到物尽其用，从而提高材料的利用效率，实现车辆的轻量化。

图4 激光拼焊

4.液压管成形

一些汽车零件是先用钢板冲压成两个半片，然后焊接在一起，形成中空的管状结构件。由于焊接而成，工序复杂，强度和刚度均不理想。德国Thyssen-Krupp长期致力于发展液压管成形技术，通过焊接钢管技术、管件液压成也可停止成组实验形技术、管件激光拼焊技术和卷管技术等系列关键技术的开发，已经形成成套技术，并已经开发出概念车。通过液压管成形技术的应用，可以改善零件的受力条件，提高构件的承载能力，降低车体重量20％～30％，成本稍稍高于传统车，目前已经在众多车辆上推广应用。汽车零件内高压成型技术见图5。国内目前哈尔滨工业大学在液压管成型方面具有较高研究水平。

图5 汽车零件内高压成型技术

5.耐腐蚀钢板

由于高强钢板成分设计和变形规律有自己的特点，所以其涂镀过程有特殊的难度。首先，高强钢板采用一定含量的Mn和Si，也经常使用各种合金元素，由于不同元素与基本材料Fe氧化特性不同，一些元素发生选择性氧化，常常会在钢材表面形成氧化物，这些氧化物会造成漏镀点，直接恶化材料的涂镀质量和抗腐蚀能力。其次由于高强钢板，如DP或TRIP，热处理的温度制度，特别是等温时效处理的温度与涂镀的温度不一致，需要调整高强钢板连续退火和热浸镀的温度制度。此外，如何调整和控制高强钢板热处理的温度制度，实现需要的高冷却速率和柔性化的退火与热处理制度，也是迫切需要解决的问题。