高成形性高強(qiáng)度鋼板的最新動向

1 前言

 針對汽車領(lǐng)域高安全性和輕量化需求，方法之一是使用高強(qiáng)度鋼板。由于沖壓加工技術(shù)進(jìn)步和鋼板材質(zhì)改善，高強(qiáng)度鋼板使用比率急速提高。另一方面，伴隨高強(qiáng)度化沖壓加工性能降低和伴隨高合金化電阻點(diǎn)焊性能降低產(chǎn)生破壞等課題也顯現(xiàn)化。

 在本文中要說明的是以提高高成形性能為目標(biāo)最近開發(fā)的高強(qiáng)度鋼性能，同時(shí)介紹針對高強(qiáng)度化的新的成形技術(shù)、焊接技術(shù)和延遲破壞進(jìn)行評價(jià)的方法等。

2 高強(qiáng)鋼的種類和應(yīng)用狀況

 汽車用高強(qiáng)度鋼的主要強(qiáng)化機(jī)理有4點(diǎn)∶(1) 固溶強(qiáng)化；(2) 析出強(qiáng)化；(3)相變強(qiáng)化；(4)晶粒細(xì)化強(qiáng)化。因?yàn)樗鼈儗Σ馁|(zhì)影響各不相同，所以在進(jìn)行材料設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)所需特性對它們進(jìn)行組合。

 圖1的例子是把冷軋高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度(TS) 和延伸率及擴(kuò)孔率的關(guān)系連同強(qiáng)化機(jī)理的匯總。眾所周知，一般情況下鋼板的強(qiáng)度越高，加工性能越差。

 冷軋高強(qiáng)度鋼主要用于汽車的內(nèi)外面板和車體骨架構(gòu)件及補(bǔ)強(qiáng)機(jī)構(gòu)構(gòu)件。汽車外面板主要有深沖型和烘烤硬化(BH)型高強(qiáng)度鋼，都是超低碳高強(qiáng)度鋼。

 深沖高強(qiáng)度鋼經(jīng)過了冷軋、退火工藝，控制組織為有利于深沖成形的發(fā)達(dá)織構(gòu)組織，BH型高強(qiáng)度鋼是在不發(fā)生時(shí)效惡化的情況下，室溫下高精度控制固溶C量，把深沖成形時(shí)形成的位錯(cuò)，在烤漆的烘烤中，使固溶C粘著，提高了屈服強(qiáng)度。

 在深凸肚形狀構(gòu)件上都使用鐵素體和馬氏體復(fù)合組織(DP) 鋼。DP鋼因?yàn)橛绍涃|(zhì)鐵素體承擔(dān)著變形，所以，低屈服比時(shí)的n值高，可得到大而均勻的延伸。

 對薄板部件等延伸凸緣性(擴(kuò)孔性) 要求高的用途，多使用以DP鋼為基礎(chǔ)的高擴(kuò)孔型板。與通常DP鋼不同之處在于這種鋼板通過減少馬氏體中的C量，或促進(jìn)回火來降低鐵素體和馬氏體的硬度差。

3 有最近特征的高強(qiáng)鋼

3.1 外面板用高強(qiáng)鋼

 為了抑制外面板用鋼板沖壓加工時(shí)的面應(yīng)力，首先要求屈服強(qiáng)度(YP) 要低。另一方面，面板自身要具有抗成穴強(qiáng)度特性，也就是汽車在行走中具有石子撞擊能力，這可用“YP x (板厚)^2” 表示，希望高YP。

 與此相反，在對外用面板進(jìn)行烤漆，由于固溶C導(dǎo)致應(yīng)變時(shí)效，使YP升高，大多使用這樣的BH鋼板。

 對導(dǎo)向輪負(fù)前束經(jīng)約2%變形的沖壓成形，同樣對BH量也給予2%變形，然后卸載，在相當(dāng)于熱處理的170℃，20min烤漆后，再次進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，求出2%變形應(yīng)力與再拉伸后屈服強(qiáng)度的差。

 原來的BH鋼板強(qiáng)度以340 MPa級(340BH) 為主流，而最近開發(fā)和應(yīng)用的是440 MPa級BH鋼板(440BH) ，表1(略)所示為440BH的機(jī)械性能與一般440 MPa級高強(qiáng)度鋼(440W) 及340BH的比較。

 在對340BH外面板進(jìn)行0.05mm薄壁化處理時(shí)，必須把抗成穴性指標(biāo)提高50 MPa。但對固溶強(qiáng)化的超低碳鋼340BH主要是以Mn等合金元素固溶強(qiáng)化，初期是YP上升，隨固溶C增加，實(shí)現(xiàn)BH增加，致使出現(xiàn)抗時(shí)效性問題。

 因此，440BH歷來主要都是使用590MPa以上的車體骨架用高強(qiáng)度DP鋼，DP鋼由質(zhì)軟鐵素體相和質(zhì)硬馬氏體相組成，具有低YR(YR=YP/TS) 、高韌性和BH性。如圖2(略)所示可通過馬氏體相比例和分散形態(tài)對YP進(jìn)行控制。

 圖3(略) 是440BH組織與590DP的比較?？梢钥闯?/span>590DP的馬氏體相的比例高，而且微細(xì)彌散分布，DP鋼的YP低，主要原因可以認(rèn)為是由于馬氏體相周邊出現(xiàn)了鐵素體相位錯(cuò)，該位錯(cuò)能在低應(yīng)力下產(chǎn)生移動。

 但是當(dāng)馬氏體相彌散分布時(shí)，各領(lǐng)域的位錯(cuò)相互形成障礙，使YP升高。另一方面，在440BH氏體相比例低并呈均勻、粗大分布，如圖2所示第2相比例在很大范圍內(nèi)340BH的YP相當(dāng)?shù)汀?/span>

 通過控制第2相比例和分布狀態(tài)，如圖4所示，得到了穩(wěn)定而高的BH量。另外，如圖5所示，DP鋼為主的440BH鋼時(shí)效性也優(yōu)良，在原來使用340BH有問題的高溫地區(qū)可使用440BH鋼或?qū)ν獬隹凇?/span>

 利用這樣的特長，440BH也開始在車門和車蓋等部位上使用。

3.2 車體骨架用高強(qiáng)鋼

 車體骨架主要使用590~980 MPa級一般加工用高屈服比型高強(qiáng)鋼和低屈服比型復(fù)合組織(DP) 高強(qiáng)鋼。

 前者用于輕度加工構(gòu)件，后者用于凸肚加工等大延伸率加工構(gòu)件。為了提高強(qiáng)度減薄板厚，有增大使用冷軋鋼板的傾向。

 想要強(qiáng)度超過980 MPa，不利用硬質(zhì)馬氏體則很難達(dá)到。作為DP鋼，主要采取提高馬氏體比例或增加鋼中C量提高馬氏體硬度的方法。

 但當(dāng)增加鋼中的C量時(shí)，點(diǎn)焊接處的十字拉伸強(qiáng)度會降低，所以在盡可能往低控制C量的同時(shí)，在生產(chǎn)鋼板的過程中充分淬火。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，在部分連續(xù)退火線上采用退火后鋼板直接在水中淬火(WQ)。

 表2(略) 是980 MPa級WQ高強(qiáng)鋼的典型機(jī)械性能。

 要想進(jìn)一步提高DP鋼的延伸率，使用了利用殘留奧氏體彌散分布的鋼板。板條狀殘留奧氏體比體積率和碳濃度相同的塊狀殘留奧氏體穩(wěn)定，可得到比原來更低C含量的TRIP鋼。

 另方面，因?yàn)樵?/span>GA高強(qiáng)鋼生產(chǎn)時(shí)，受電鍍液浸漬和合金化熱過程制約，對EI和λ的均衡控制比冷軋高強(qiáng)鋼時(shí)更難。近年來，經(jīng)過鋼成分和熱過程的控制，使EI和λ的均衡得到改善，開發(fā)了GA高強(qiáng)度鋼。表3 (略) 是980 MPa級GA高強(qiáng)鋼性能例子，圖6(略) 是用模擬中心柱的模型進(jìn)行沖壓評價(jià)的結(jié)果。

 可以看出，高EI型高強(qiáng)鋼的凸肚部分裂紋減少。另外，高EI一λ型高強(qiáng)鋼的凸緣部分的裂紋也減輕了。

3.3 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)鋼

 關(guān)于車門內(nèi)防護(hù)橫梁等補(bǔ)強(qiáng)部件除前文提到的拉伸強(qiáng)度超過1180 MPa的WQ高強(qiáng)鋼外，還使用了模壓淬火把0.2%C鋼的拉伸強(qiáng)度提高到1500MPa的鋼板。

 模壓淬火法就是把鋼板加熱到900~1000℃后，用冷模具沖壓成形和淬火幾乎同時(shí)進(jìn)行。如圖7(略) 所示為通常沖壓加工時(shí)伴隨原材料拉伸強(qiáng)度增加，沖壓過程回彈量增大，而在熱成形時(shí)使用模壓淬火法與鋼種無關(guān)，幾乎不發(fā)生回彈。

3.4 走行機(jī)構(gòu)用高強(qiáng)鋼

 走行機(jī)構(gòu)主要使用熱軋高強(qiáng)鋼，下部扶手等部件大多使用去毛剌加工，所以擴(kuò)孔性很重要。一般延性與擴(kuò)孔性應(yīng)折衷選擇。例如延伸高的DP鋼其擴(kuò)孔性差，而擴(kuò)孔性優(yōu)良的貝氏體單相鋼延伸卻很低。

 因此，最近開發(fā)了以具有優(yōu)良延伸性的鐵素體單相組織的超微細(xì)析出的粒子彌散強(qiáng)化的新型熱軋高強(qiáng)度鋼。780MPa級超微細(xì)析出強(qiáng)化型組織例子和延性、擴(kuò)孔性與其它鋼種的比較示于圖8(略) 、圖9 。

  非常高的屈服比是該鋼種的特點(diǎn)，并且，由于增加了碳化物量，該鋼板的強(qiáng)度可達(dá)到980 ~1180MPa級。

4 高強(qiáng)鋼使用上的課題

4.1 尺寸精度

 現(xiàn)在高強(qiáng)鋼成形時(shí)最大的問題就是成形品的尺寸精度。如圖10(略) 所示，回彈量隨著高強(qiáng)鋼強(qiáng)度的升高而增大。尤其是應(yīng)用590MPa以上的高強(qiáng)鋼時(shí)問題最多，成形品的尺寸精度不良，不僅會導(dǎo)致后步點(diǎn)焊不良而且也會對車體剛性等性能帶來惡劣影響。  因此，必須采取相應(yīng)措施。

 從加工工藝觀點(diǎn)，有把成形方法由深沖方式變成難以發(fā)生回彈的彎曲方式和圖11所示的強(qiáng)力控制成形方式。如前所述，利用熱沖壓成形已在歐洲為中心的廣大地區(qū)普遍應(yīng)用。

 另方面，近年來，利用急速發(fā)達(dá)的成形模擬技術(shù)預(yù)測回彈量，把金屬模具形狀做得最佳化也已經(jīng)進(jìn)行開發(fā)。

4.2 電阻點(diǎn)焊焊接性

 隨著高強(qiáng)度化，鋼的組成也高合金化，所以關(guān)心點(diǎn)焊焊接性也很重要。對點(diǎn)焊處的評價(jià)是采用剪切拉伸和十字拉伸檢驗(yàn)連接強(qiáng)度，以及焊接處的斷面形態(tài)進(jìn)行評價(jià)。

 一般剪切拉伸強(qiáng)度隨母材強(qiáng)度增加而增加，但十字拉伸強(qiáng)度與母材強(qiáng)度不一定成比例關(guān)系，特別當(dāng)鋼中含C量高時(shí)，斷囗形態(tài)由母材斷裂轉(zhuǎn)向焊點(diǎn)內(nèi)斷裂，甚至發(fā)生十字拉伸強(qiáng)度下降的情況。

 因此，拉伸強(qiáng)度超過980 MPa的超高強(qiáng)鋼大多用作車體補(bǔ)強(qiáng)材料。這時(shí)焊接處成為外板、補(bǔ)強(qiáng)材和內(nèi)板的三重結(jié)構(gòu)。在電阻點(diǎn)焊時(shí)，焊接板組的中間會形成焊點(diǎn)，故薄板一厚板一厚板組合中，厚板比大時(shí)，薄板一厚板間焊點(diǎn)很難形成，板厚比的上限為4~5。

 由于緩和了這種施工上的限制，擴(kuò)大了高強(qiáng)鋼在汽車車體上的應(yīng)用。這種焊接技術(shù)是近來開發(fā)的智能點(diǎn)焊技術(shù)。

 該技術(shù)如圖12(略) 所示是采用加壓和通電流二級控制，即第1階段用低壓力、高電流短時(shí)間通電使軟鋼薄板一超高強(qiáng)厚板間快速發(fā)熱。

 通電初期當(dāng)電極下的軟鋼薄板產(chǎn)生發(fā)熱膨脹時(shí)，在加壓非常低的情況下，因熱膨脹，通電處的板子浮起，接觸徑減少。結(jié)果，增加了電流密度促進(jìn)了軟鋼薄板一超高強(qiáng)厚板間發(fā)熱。繼續(xù)第2階段用高加壓、低電流、長時(shí)間通電，使超高強(qiáng)厚板一高強(qiáng)厚板間形成焊點(diǎn)。對于通電中加壓力變化時(shí)，適合使用伺服馬達(dá)加壓式電阻點(diǎn)焊機(jī)。

5 遲延斷裂

 當(dāng)鋼板的TS超過1200 MPa時(shí)，擔(dān)心會發(fā)生遲延破壞。遲延斷裂一般發(fā)生在高強(qiáng)度部件受到靜負(fù)荷經(jīng)過一定時(shí)間后發(fā)生的突然脆性斷裂現(xiàn)象。對汽車部件認(rèn)為這是從外部浸入了氫的緣故。

 至于沖壓加工，汽車薄板的遲延破壞，認(rèn)為下列4個(gè)主要因素∶

 (1) 材料顯微組織；

 (2) 加工變形應(yīng)力；

 (3) 殘余(負(fù)荷) 應(yīng)力；

 (4) 環(huán)境氫含量。

 也就是根據(jù)材料把擔(dān)心發(fā)生遲延斷裂的使用條件(變形、應(yīng)力、氫浸入) 領(lǐng)域預(yù)先在試樣明確化，并將試樣與實(shí)際沖壓件的加工狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)和浸入氫含量進(jìn)行比較，預(yù)測沖壓件在實(shí)際使用環(huán)境下遲延斷裂的危險(xiǎn)性。

  非常高的屈服比是該鋼種的特點(diǎn)，并且，由于增加了碳化物量，該鋼板的強(qiáng)度可達(dá)到980 ~1180MPa級。