隨著全社會對汽車節能環保及安全性要求的不斷提高,汽車輕量化和碰撞安全性已成為汽車制造業關注和亟待解決的焦點問題。高強度鋼因其優異的性能在汽車減重和碰撞性能提升方面發揮了重要的作用,且相比其他輕量化材料具有明顯的成本優勢。
然而,在采用傳統的冷沖壓方式制造高強度鋼零件時,回彈控制難,零件尺寸穩定性低,且一直存在沖壓開裂問題,因此也限制了更高強度此類材料的應用。在這種情況下,熱沖壓成形技術得以快速發展。
熱沖壓成形是先對鋼板進行奧氏體化(加熱至850～950℃)處理,然后在700～850℃高溫軟態下進行沖壓成形,通過模具快速導熱對成形后的構件進行淬火處理,得到超高硬度的馬氏體組織。
隨著汽車安全和輕量化的需求,熱成形鋼及熱沖壓成形零部件的需求量日益增大。基于巨大的市場需求,熱成形鋼 新材料開發也得到了快速的發展。
熱成形鋼的開發進展
涂層熱成形鋼
熱成形鋼的成型過程本質上是一個熱處理工藝過程,熱成形雖然加熱爐有一定的保護氣體,但還會因為少許氧氣的存在導致鋼板表面被氧化而出現氧化鐵皮。在后續的熱沖壓過沖中,氧化鐵皮會脫落到模具中,影響零件的尺寸精度,也會降低模具的使用壽命,大大影響生產效率。
為較少鋼板在熱沖壓成形過程中熱成形的表面氧化,一般會通過改善熱成形鋼的成分體系,開發抗氧化的熱成形鋼。而另一種途徑,則是通過增加鋼板的鍍層,目前產業化應用的熱成形鋼鍍層技術主要有Al—Si鍍層 和鋅基鍍層。
Al—Si 鍍層
在熱成形加熱高溫氧化環境 下,鋁—硅(Al—Si)系合金涂層的表面可生成一種連續、均勻且致密的薄膜,該薄膜的主要成分為氧化鋁、氧化硅等,起到保護基體的作用。Al—Si系合金涂層的耐高溫性能顯著優于其他類型涂層,在950℃的高溫環境下仍可保持涂層的形態和性能。
Al—Si鍍層技術最早由安賽樂—米塔爾公司開發,并成功應用于熱成形鋼的涂層。增加Al—Si鍍層后,可有效避免熱沖壓鋼板在加熱過程中的表面氧化的問題,可有效提高模具壽命,改善零件的零件尺寸精度。
新型薄 Al—Si 鍍層
一般認為,Al—Si涂層熱成形鋼 的斷裂應變、抗冷彎角比無鍍層鋼板性能差,其原因是由無鍍層板熱沖壓表面脫碳引起。高韌性的薄Al—Si鍍 層技術,通過控制Al—Si總量降低,降低合金化層中Al與Fe金屬間化合物的配位數,降低基體表面的C富集程度,從而提高Al—Si鍍層熱成形鋼的塑性、抗冷彎和抗延遲開裂性能。該薄Al—Si鍍層熱成形鋼的熱成形前后鍍層結構見圖。
鋅基鍍層
目前,全球Al—Si涂層熱成形鋼材料及制造工藝方面專利已被阿賽洛米塔爾申請,為了避開相關專利保護技術,2008年,奧鋼聯集團推出了純鋅鍍層的熱沖壓成形鋼板。Zn具有較好的陰極保護作用,能夠防止熱成形加熱過程中鋼的氧化和脫碳,但是Zn基涂層熱沖壓鋼在還有一系列的技術問題有待解決。
首先是熱成形高溫加熱過程中,容易產生揮發。二是Zn基鍍層板會發生液態金屬脆化。在較大的熱沖壓外力的作用下,脆化的晶界會產生表面微裂紋,進而降低零件的塑性、抗疲勞壽命以及抗冷彎等服役性能。
早期工業化生產熱成形鋼板,是通過間接熱成形的方法避免液態金屬脆化現象,也即“兩步法”熱沖壓成型(見圖)。
其工藝過程是在板坯加熱前,先通過冷沖壓的模具進行零 件的預成型,然后再加熱和熱沖壓,減少熱沖壓狀態的變形量,進而避免液態金屬脆化的問題。為進一步提高生產效率,Gestamp等提出了新型鋅基熱成形工藝,被俗稱“一步鍍鋅法”熱成形工藝(見圖)。其省去了預沖壓的步驟,與鋁硅涂層工藝基本一致,目前該技術已在寶馬等汽車公司量產應用。
熱成形鋼的微合金化
微合金化技術是提高鋼材性能的重要手段之一,微合金元素主要包括 Ti、Nb、V等單一元素組合。
Mo+Nb 復合微合金化
韓國浦項工業大學和中信金屬顧問邊箭博士等聯合開發了鈮鉬合金化的1.9GPa級熱沖壓成形鋼,并系統研究了其抗氫致延遲斷裂性能。通過鈮微合金化,奧氏體晶粒尺寸 (PA G S)從9pm降至4.7pm,而(鈮+鉬)合金化的晶粒細化作用比鈮合金化更強(細化能力高約10%)。
低成本熱成形鋼
熱軋 CSP 熱成形鋼
緊湊式帶鋼生產(Compact Strip Production,CSP)是薄板坯連鑄連軋生產工藝之一,是將傳統流程的連鑄、加熱、軋制等工序進行有機結合的新工藝,具有流程簡約高效,投資少、節能環保等特點。
熱成形鋼采用CSP技術軋制坯料,可以實現熱軋替代冷軋,實現成本的降低,但是其對厚度范圍有一定的要求。CSP熱成形鋼是熱成形技術降低成本的一個有效途徑,是未來熱成形鋼的一個發展趨勢,應用前景廣泛。
無頭軋制ESP
無頭帶鋼生產ESP(Endless strip production)是在意大利Acciaieria ArvediSpA公司原在線帶鋼生成 (Inline strip production,ISP)技術。多年操作經驗基礎上優化改進合作開發的新一代熱軋帶鋼生產技術,是薄板坯連鑄連軋工藝之一。是由鋼水澆 鑄成薄板坯后直送軋機軋成帶鋼,生產線連續運行。目前已經證明ESP技術可以生產的鋼種包括低碳鋼、高強度汽車鋼板,含硼鋼熱成形鋼等汽車鋼。
熱成形汽車鋼的發展展望
由于中國汽車產量的持續攀升,輕量化節能減排的要求以及嚴格的
汽車安全法規,為熱沖壓成形產品提供
了廣闊的市場,并由此為熱成形鋼和熱
沖壓成形設備等提供了巨大的商機。但
熱沖壓成形零部件存在著韌性不足以
及潛在的氫致延遲斷裂問題也不可忽
視。這些風險意味著汽車在設計時,將
熱沖壓成形零部件作為一個高結構強
度和高剛度的構件,以期達到保護乘員
安全和減少碰撞損傷的目的。隨著熱成形新鋼種的不斷涌
現,高強韌的熱成形在未來汽車輕量
化和汽車安全性方面將發揮越來越重
要的作用。
(文章來源:《透視》,作者:陳云霞
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