汽车用薄钢板工艺及特性
汽车用薄钢板工艺及特性
作者：中信微合金化技术中心孟繁茂
1 前言
环境保护要求汽车降低CO2排放量尽可能的减小，要求减轻车体重量。在确保安全的条件下减重，必然要发展高强度钢板。车体的刚度只靠钢的强度是不行的，还需要改进车体部件结构设计，采用补强材料。乘用四门车要求安全而且美观，因而对钢的成型性、耐撞击抗变形性、吸收撞击功能要高。众所周知，强度提高则加工困难。以上种种因素促成汽车用板材的发展，并且使其取得很大进步。
表1和表2分别列出日本JIS标准的冷轧带钢和热轧带钢，强度从270MPa到1180MPa。大体上说汽车内外板用钢有如下几种：（1）普通低碳铝镇静钢；（2）以Nb、Ti为碳氮化物形成元素的细化晶粒钢和沉淀强化钢；（3）铁素体基上弥散分布的马氏体复相组织强化的双相钢；（4）利用残余奥氏体产生高延性的TRIP钢（相变诱导）；（5）Nb、Ti固定超低碳（C<20ppm）的IF钢，是具有高r值的强化型IF钢。
表1 冷轧带钢
汽车钢材
用热轧板代替冷轧板时，板厚精度和材质的均匀性是重要因素。例如评价成型性因素之一的反弹性，它受板厚度、屈服强度、抗拉强度等的影响，它们的均匀性对控制反弹性是有利的。
表2 热轧带钢
表3列出镀锌钢带的强度级别牌号以及特性。
表3 镀锌钢带
2 汽车内外板的特性及其工艺方法
2.1 成型性
钢材成型性方式大致分为深冲、卷边、形状匹配以及压延性等，每种成型性都有其相应的特性要求，它们与屈服强度，抗拉强度，延伸率， n值，r值的密切相关，如r值对深冲，卷边性有效，屈服强度对形状匹配特别有效。各种成型性和材料特性的关系如表4。
表4 机械性能同成型性的关系
（有效←◎○△→ 无效）
2.2抗起皱性
对汽车外面板，成型后“起皱”是非常讨厌的。抗“起皱”成为外板的极重要特性，它与冲压件的原板厚度和屈服强度有依从关系。维持冲压件表面圆滑，钢板的高强度而壁的减薄需要高的屈强比，这样的钢板才能在冲压成型时减少起皱缺陷的发生。作为技术措施，开发了具有应变时效硬化现象的烘烤硬化型IF钢，也称BH钢。
塑性各向异性高度发展的IF钢，经过在强度方面的研发成为BH钢。典型IF钢冲压成形性极好，但屈服强度极低，容易产生“皱纹”。BH钢采用较高温度（例830℃），低于Ac3点，稍高于NbC→Nb+C溶解反应的温度进行退火使NbC部分溶解，这样的钢既具备高深冲性，又有适量的固溶C提供烘烤时效硬化。固溶C、N量太少时不足以产生应变时效硬化和烘烤硬化，太多时会降低r值。因此控制得当是关键。热轧母板时，NbC已完全固定了固溶C。在冷轧后连续退火时既使｛111｝织构组织高度发展，又有部分NbC溶解，产生一定量的残余C、N。这是340MPa级IF兼BH性钢板的生产工艺要点。
最新研究报告采用较高C，过量Nb/C比（化学比）生产高强度IF钢。利用过剩Nb强化晶界而提高钢的强韧性。
2.3 焊接性能
车体装配多采用高效率点焊，不仅要求焊缝强度而且要求不发生点内断裂。决定因素之一是按钢中P、S、C、Si、Mn等计算的Ceq。特别是S，必须尽量降低。其它元素是钢成分设计实行周密调控。
极低碳的钢应用广泛，特别是IF钢。焊缝疲劳性能和化学成分、机械性能见表5。
表5 实用钢的化学成分和机械性能
Ti-Nb-B钢的疲劳强度最好，不论是交变应力还是扭转应力都高于其它3种钢。其次是Nb-Ti钢，只加Ti的钢明显不好，HAZ组织显著粗大，强度低。
电阻焊时由于C量高，会引起焊缝区淬硬而性能劣化。特别是M+F双相钢，相变产生的残余应力会降低疲劳性能。
不同厚度不同强度钢板接合的部件在冲压成形前广泛使用激光焊，它对HAZ影响较少，可以达到高精度。
此外，也使用机械接合法。诸多的连接法也促进了钢板的多样性的发展。
2.4 涂镀性
高强度的应用主要是为减少厚度，这意味着还要提高抗腐蚀性。在严重腐蚀的环境下，提高耐蚀性也是重要课题。极低碳钢加P、Cu 可提高耐蚀性。更高要求的部件要使用镀锌板。镀锌板分电镀锌和合金化镀锌两种。
镀锌过程是连续的，在约550℃停留一定时间，这就要求钢的性能对此不敏感才好，所以极低碳钢对此有利。另外钢中Si、Mn比铁容易氧化成氧化物，它有害于Fe-Zn反应，产生缺陷，钢中P推迟Zn的合金化，有碍镀层质量。
2.5 强化机制
（1）固溶强化
由于合金化镀锌板对Si、Mn、P有上限要求，所以固溶强化Si、Mn、P的使用有上限限制。
（2）析出强化
作为析出强化元素Nb、Ti、V，它们的最佳使用量的绝对值很小，对镀锌层的质量无影响。析出强化钢的弯曲加工，卷边性都很优越，可以说是该类钢特长。
（3）相变组织强化
所谓相变组织强化在汽车板中就是复合组织强化。母相是柔软的铁素体，硬相是马氏体或贝茵体以及残余奥氏体。
以马氏体为主的第二相，马氏体-铁素体双相钢，从微观上看马氏体是应变不均匀的起因，因而导致良好的延伸特性，特别是均匀延伸性能更好。这是双相钢的超塑性在常温下的行为。如果含有残奥会更好。会产生PRIP现象。马氏体的存在降低屈服强度，对弯曲半径大的成形，对形状固定有利，即反弹性小。贝茵体含量多时，局部延伸性好，对卷边性的加工有改善作用。
总之，适当控制软相基体中弥散分布的第二相、第三相，就会取得各种特性。
（4）烤漆硬化
此即为应变时效硬化，极低碳钢对加热曲线不敏感，对烤漆硬化有利。
表6该出440MPa以内的内外板的性能。
表6 成形用钢板样品的机械性能
BH(烘烤硬化) : 2%预应变170°C×20min时效
3、超高r值钢板生产技术与成形性
用以往的方法生产的用于深冲成形的冷轧板，r值最高达到2.4。调整成分的Ti-Nb复合IF钢冷轧退火后{111}再结晶织构组织发达，r 值达到3.0。其生产工艺要点是在γ区下部温度初轧，在α区上部温度精轧，为防止垂直板面方向的不均匀变形，热轧时加强润滑，这样热轧母板的再结晶{111}织构组织发达。
直角筒状深冲成形高r值是有效。防止深冲件侧面裂纹，Δr值越大越好。
以上主要叙述日本汽车内外板用薄钢板情况。
3.1 高强度薄钢板的特征
（1）高强度及其强化机理
表7列出了TS440MPa级到1180MPa级各类钢标准牌号及强化机理。
作为高强化的强化方法有：①Si Mn P的固溶强化；②Ti Nb等的碳氮化物的析出强化；③细化晶粒强化；④钢中硬质相马氏体或贝茵