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影响高强钢汽车板发展的主要问题及其对策

摘要:随着我国汽车工业的快速发展以及汽车保有量的不断增长,汽车减重、节能、小型化、安全、环保等受到人们的普遍关注,高强钢汽车板将是今后汽车板发展的主流,大量使用高强钢是解决汽车减重、节能、安全、环保的重要途径。为此,介绍了高强钢汽车板在钢厂各工序生产中存在的主要问题和汽车厂使用高强钢中存在的主要问题,并对加快发展中国高强钢汽车板提出了相应的解决措施。

关键词:汽车板  高强钢  生产  对策

1、前言

进入21世纪以来,中国汽车工业的发展呈加速发展态势。2002年之后,汽车产量平均每年约增加100万辆。随着我国汽车工业的快速发展以及汽车保有量的不断增长,道路、停车场、交通安全和燃油紧张等问题也日趋突出。因此,汽车的减重、节能、小型化、安全、环保等备受人们普遍关注,而高强钢汽车板的大量采用对解决上述问题都有帮助。研究结果表明,汽车板抗拉强度从220MPa提高到700MPa,材料厚度从1.8mm减小到1.4mm,而材料可吸收冲击能指数则基本保持不变。汽车减重也与材料强度密切相关。研究表明,材料抗拉强度从300MPa左右提高到900MPa左右,汽车减重率则从25%左右提升到40%左右。近10年来,汽车用高强钢的发展速度很快。为了适应汽车板高强化的发展趋势,世界各国纷纷开展了高强钢的研发并取得了令人瞩目的进展。

2、汽车用高强钢板的研究发展

20世纪90年代初,欧洲试生产了全铝汽车。由于可以减轻车重,降低油耗,铝材有跻身汽车行业取代钢材的可能。1994年,国际钢铁学会(简称“IISI”,International Iron&steel Institute)组织主要由北美和西欧35家钢厂和汽车厂组成的联合攻关课题,开展了超轻钢车身项目ULSAB(ultra Light Steel Auto Body)的研究。其主要成果如下:车身结构的抗扭和抗弯强度分别提高80%和52%,车重减少25%,车身结构造价降低15%。1998年,在完成ULSAB项目后,又实施一项被称为先进概念车超轻钢车身计划ULSAB—AVC(Advance Vehicle Concept)。上述项目的研究结果表明,为了延续钢材对其它竞争材料的优势地位,必需大量使用高强钢,在代表汽车用钢未来发展方向的新车型C级车和PNGV级车中,相变强化的双相钢(DP钢)占整个结构用钢的74%左右,600MPa以上的超高强钢占75%以上。

在完成ULSAB相关项目(包括ULSAS和ULSAC)后,阿赛洛(Arcelor)公司和蒂森(Thyssen)公司分别设计制造了大量采用高强钢的概念车车身,使车身减重分别达到20%和24%。分析其用钢情况,发现未来车身用软钢大幅度下降,而高强钢,特别是强度等级大于80kg级的超高强钢显著增加。

纵观汽车厂在高强钢使用方面的发展,尤其是宝马(BMW)汽车公司,近几年的发展速度在欧美地区是较快的,宝马3系列在不同年代上市的车身用材料的平均最低屈服强度从1997年版的178MPa猛增到2004年版的294MPa,增长了65%,屈服强度在400MPa以上的高强钢的使用比例也大幅度增加,而深冲软钢用量却大幅减少。

日本在高强度汽车板生产和使用方面原本就有较明显的优势。为保持这种优势,日本于1997年启动了“超级钢铁材料”的国家研究计划,为期10年,其主要目的是实现钢铁材料的“强度翻番,寿命翻番”。同年,日本通产省基础产业局又安排由日本5大钢铁公司为骨干的“超级金属”研发项目,其目标是通过新工艺细化钢的金相组织来提高钢的强韧性能,并计划在5年内形成“材料微观领域显微组织的控制制造技术”。

在日本超级钢项目的影响下,韩国在1998年启动了“21世纪高性能结构钢”的国家项目,为期10年,这是以POSCO钢铁公司为主体的国家项目。欧盟则在2001年启动“超细晶钢”项目,由意大利、英国、德国和比利时等国的研究机构参加,欧洲一些公司从工业界加以推进。

中国于1997年启动了“新一代微合金高强高韧钢的基础研究”国家攀登项目(1997~2000年)。1998年,启动“973”重大基础研究项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”。宝钢作为国内汽车板生产企业的排头兵也参加了国际ULSAB计划,并在高强汽车板研究开发和生产方面有了较大的投入,做了大量工作,取得了一些成果,走在全国同行业前列。

众所周知,钢的强度和塑性一般是矛盾的,钢强度的提高必然导致塑性下降。对于传统的高强钢,如碳锰钢(CMn)、高强低合金钢(HSLA)、各向同性钢(IS)、烘烤硬化钢(BH)、高强IF钢(HSSIF)等,其强度等级很难突破600MPa。即使通过添加大量合金元素来提高其强度,用户在使用过程中也会出现焊接性能不良等问题,从而影响其使用。现代超高强钢的发展趋势是通过适当的热处理工艺控制钢的显微组织,以得到高强度、高塑性的所谓先进高强钢(AHSS)。例如,低屈强比的在铁素体基体中分布有5%~30%马氏体的双相钢(DP钢),在铁素体和贝氏体基体中含5%~15%残余奥氏体的相变诱导塑性钢(TRIP钢),含铁素体、贝氏体、马氏体及弥散第二相粒子的复相钢(CP钢)以及主要含马氏体强化相的马氏体钢(M钢)。在新钢种方面,已开发出常用于热冲压成形的具有良好淬透性的含硼高强钢(B Steel)及其它合金含量较高的不锈钢和铁锰系孪晶诱导塑性钢(TWIP)等。

钢板厚度变薄后,耐腐蚀性变得非常重要。因此,镀锌高强钢,特别是热镀锌高强钢有了较快的发展。

3、高强钢汽车板在生产和使用中的主要问题

3.1 高强钢的生产技术问题

3.1.1 炼钢问题

高强钢的力学性能与化学成分关系密切。由于高强钢对钢的化学成分控制要求较高,不允许出现较大的波动,例如,某些钢种的含碳量控制范围要求达到ppm(1ppm=10-4%)级,否则,其性能就不合格。由于高强钢,特别是超高强钢的合金含量较高,锭坯化学成分易偏析,且锭坯在冷却过程中特别容易开裂,因此,高强钢对板坯的热装热送、锭坯堆放及保温都有较高的要求。另外,这种锭坯因存在某些缺陷而需进行火焰清理或切割时也很容易开裂。

3.1.2 热轧问题

高强钢在热轧生产过程中也较容易出问题。首先,在板坯加热过程中,要严格控制对合金含量较高板坯的加热速率和加热均匀性,以免板坯在加热过程中产生开裂或变形;其次,高强钢对热轧温度控制要求较高,因为热轧相关温度的波动将导致高强钢材质性能的波动;第三,高强钢制品力学性能的波动又反过来影响后工序热轧过程的稳定性和最终热轧板成品的力学性能、尺寸精度、板形以及表面质量。

3.1.3 酸洗问题

高强钢,特别是超高强钢热轧卷表面氧化铁皮的厚薄及特性对温度较为敏感。而且,酸洗难易程度也不同,加上超高强钢热轧板拉矫延伸率很难达到要求,因此,超高强钢的酸洗困难。除了酸洗表面质量问题外,还有高强钢的头尾焊接困难等问题,由于板形差、有时边裂也较严重,高强钢的稳定通板及切边碎边也较困难。在高强钢中添加的各种合金元素还可能影响酸再生的副产品氧化铁粉的纯净度和磁性能。

3.1.4 冷连轧问题

高强钢的合金含量高,焊接困难,焊缝处易开裂,甚至断带。由于变形抗力大,硬化速率快,轧制力过大,很容易超过轧机马达负荷,因而,不得不减小轧制变形量,降低轧制速度。而且,超高强钢在轧制过程中易出现打滑、边裂、板形不良,甚至断带等问题。由于高强钢热轧来料的力学性能和厚度波动较大,轧硬材的厚度波动也较大。在热轧和冷轧过程中,轧制力大,轧辊弯曲严重,由此引起轧硬材横断面凸度较大,边缘降较严重,轧辊易爆裂和断辊等。

3.1.5 热处理及涂镀工序的主要问题

退火及平整工序最终决定了高强钢的力学性能、板形及表面质量,特别是对于以相变强化为主的先进高强钢,热处理制度(退火曲线)和平整延伸率最终决定了材料的组织结构和力学性能。目前,国内几乎所有的大型连续热处理机组在生产相变强化的高强钢时,其冷却速度总显得不足。与国外先进机组相比,在生产相同强度等级的高强钢时,要添加更多的合金元素,有时甚至根本无法生产出希望获得的组织结构和性能。此外,还有焊缝开裂问题,由于轧硬材及快冷后的带钢板形不良易引起通板困难问题,以及高温退火造成合金元素易在带钢表面富集而引起测温不准问题。在热镀锌工序中,除上述问题之外,还有高强钢可镀性较差及合金化较困难问题。在平整工序中,无论是普冷高强钢,还是热镀锌高强钢,特别是当材料强度等级较高时,很难达到要求的平整延伸率,因此,高强钢平整前本来就较差的板形也很难通过有限的平整变形而得以明显改善。而且,超高强钢表面粗糙度的控制能力也较差,有时在平整工序中粗糙度几乎不变。

在电镀锌工序中,高强钢较差的板形很容易损坏电极板等电镀锌设备,也影响带钢的稳定通板和镀层的均匀性。此外,电镀锌机组辊系的设计依据是钢带强度等级、规格及机组速度。当强度等级超出设计较多且厚度也较大时,不仅通板困难,还会影响产品质量。

3.1.6 精整及其它问题

高强钢,特别是超高强钢的精整问题主要是剪切能力问题,国内几乎所有精整线都只能剪切80kg级以下高强钢。更高强度等级高强钢的切板或分卷、分条需新增机组或对旧的机组进行优化改进。其它问题,如检化验分析和各工序生产组织接续问题,也是较难解决的,特别是超高强钢拉伸样的制备和试样拉伸断裂后对引伸仪的振动冲击问题,都是很棘手的。而且,超高强钢还需追加其它特殊检化验项目。各种强度等级和各种规格的高强钢在连轧机和连续热处理机组的生产接续问题也很难解决,这对机组的正常生产和状态的稳定影响很大。

3.2 高强钢使用过程中的主要问题

3.2.1 高强钢的成形问题

由于高强钢的塑性较差,变形时易开裂,变形抗力大,成形后的回弹也大,零件尺寸精度不良。因而,在对冲压和滚压模具进行设计时,要充分考虑到高强钢变形能力小、变形抗力大及回弹较大的特点,以准确预测形状尺寸。另外,高强钢对模具的磨损也较大,有时甚至会卡模具,因此,需对模具表面进行涂镀(如TiN)处理。为了解决高强钢成形困难问题,研发了高强钢板的激光拼焊板,使变形较大的部位由软钢或成形性较好的高强钢来承受,而变形量较小或需要承受较大负荷的部位则使用强度等级较高的高强钢。除此之外,研发了新的成形技术,如液压成形、温成形和热冲压成形等。

3.2.2 高强钢的焊接问题

高强钢的焊接性能一直是影响高强钢冷轧生产和使用的非常核心的问题。由于生产工艺技术不同,特别是热处理冷却速率不同,若要获得用户需要的强度等级,其合金元素的添加量也要有所不同。当冷却速度较低时,必须添加较多的合金元素,但由此也会引起焊接性能恶化。除了冷却速度外,其它生产工艺及设备条件也影响材料设计时合金元素的添加量,影响高强钢的焊接性能。对于高强钢涂镀产品来说,涂镀层成分及其组织结构和镀层厚度均影响其焊接性能。

3.2.3 高强钢的涂装问题

高强钢合金元素的表面富集和氧化则影响其磷化等涂装性能。就涂镀产品而言,涂镀层化学成分及镀层表面形貌等也影响材料的涂装性能。然而,改善高强钢涂装性能的方法有:通过热处理过程中炉内气氛控制来控制高强钢合金元素的表面富集和氧化;采用酸洗方法将扩散到镀层表面的合金元素清洗干净,有的经过酸洗之后,还需进一步电镀一层极薄的镍,以改善其涂装性能。

4、发展高强钢汽车板的对策及建议

4.1 加强钢铁厂与汽车厂的合作研究开发

新一代性能更优的汽车设计制造需要有新的先进高强钢材料的支持。钢铁厂作为最主要的汽车用材供应商理应在新一代汽车减重、节能和安全环保方面有所贡献。因此,钢铁厂与汽车制造厂之间应加强合作,在汽车设计、模具设计和零件选材与用材方面多进行研讨磋商。现在,自主创新是新的国家战略,提高自主创新能力已成为汽车行业在“十一五”发展规划中的核心词汇。同样,在技术含量较高的汽车用高强钢生产工艺技术与设备研究开发和高强钢使用技术研究方面,钢铁厂也有大量的技术创新工作要做,这都为将来钢铁厂与汽车制造厂的合作研究开发带来契机。

4.2 高强钢生产工艺设备的自主研究开发

目前,商业用高强钢生产冶金原理近几年并没有新的发现,但在1200MPa以上超高强钢工艺方面,国际上出现了2条途径:其一,钢铁厂通过热处理方法获得1500MPa左右超高强钢,而后通过滚压等成型方法加工成保险杠、防撞杆等汽车零件;其二,钢铁厂只提供强度只有800MPa左右但化学成分能满足进一步热处理要求的板卷,由零部件厂或汽车厂通过热冲压成形而获得1500MPa左右超高强钢零部件。前者的优势是,超高强钢的热处理集中在钢厂完成,生产效率高,成本低,对环保也有利,但在滚压成形中必须解决零件成形过程的回弹问题,以确保零件尺寸精度。后者的优势在于,热成形后的形状稳定,尺寸精度高,对于形状较复杂的零件也较易生产,但该方法的生产效率低,每种车型、每个超高强钢零件都需要专用水冷模具,投资巨大,而且,还要在后工序配备喷丸或在前工序镀铝或涂镀其它材料,生产成本较高。对于钢铁厂科技人员来说,应该更多地关注前者。

上文提到高强钢的生产在炼钢、热轧、酸洗和冷连轧等工序中都有困难,因此,各工序都必须对现存的生产工艺技术问题进行研究,以优化其生产工艺。对于某些设备,还要进行技改或改善。对于热处理和涂镀工序,国内各钢厂在高强钢,特别是超高强钢的生产工艺设备能力方面还有较大的差距,其中最突出的问题是连续热处理机组的冷却速率太低,热镀锌机组缺乏改进高强钢可镀性的手段。围绕连退和热镀锌的核心技术-快冷技术(问题),必须开发出具有自主知识产权的快冷关键技术,为更经济、更合理地开发先进高强钢和超高强钢创造条件。针对高强钢,特别是超高强钢合金元素含量高,焊接性能差的问题,酸轧及连续热处理机组都宜配备激光焊机。针对超高强钢可镀性差的问题,热处理线宜采用直火加热和高氢快冷技术。针对超高强钢板形差、平整延伸率难以提高的问题,宜采用板形控制能力强、工作辊辊径较小的六辊平整机。

4.3 加快先进高强钢新产品的研究开发

以相变强化机理为主的各种强度等级的双相钢、相变诱导塑性钢、马氏体钢和复相钢等先进高强钢将在未来的新车型中大量使用,为此,需加快这些新产品开发的速度。高强钢成品性能与生产工艺参数,特别是热处理工艺技术参数的关系密切,因此,新产品开发一定要结合工艺流程和生产线进行。在新产品开发中,除进行大量必要的模拟试验外,还要摸索出各工序关键性的工艺技术参数范围,最好还有一条功能强大的中试机组,以便通过中试机组验证规定的生产工艺参数范围是否合理,新产品材质性能及其它质量能否满足用户要求。只有通过验证,才能在大生产机组上进行批量试生产及优化改进。由此可见,中试机组在新产品开发中起着极其重要的桥梁作用。目前,国内非常缺乏这种中试机组,特别是连续热处理中试机组尤为突出。然而,这种机组的投资庞大,国家及省市相关部门应大力支持并鼓励钢铁企业在这方面的投入,以提升钢铁企业的自主创新能力。

4.4 高强钢产线的优化

在大型钢铁联合企业中,产线都是比较多的,每条产线都有其自身特点,适合生产相应的产品。为了最大限度地发挥各条产线优势,就必须对各产线进行分工。高强钢,特别是超高强钢主要用于制造汽车安全件和内部结构件,对材质性能要求很高,但对表面质量要求不高。机组生产超高强钢之后,对辊面质量和炉况均有不良影响。因此,较理想的产线分工是生产汽车外板的机组与生产超高强钢的机组分开,高强钢与超高强钢在专用线上集中生产便于接续过渡。在生产高强钢的机组中,由于不同钢种对机组各段的温度、时间和冷却速率的要求不同,在设计新的机组时,应根据其主要目标产品特点进行设计。对于已有的机组,则可根据其能力进行分工。一般而言,TRIP钢对冷却速率要求不高,但却要求有较高的过时效温度和较长的时效时间,DP钢和M钢则要求较高的冷却速度和较低的冷却终点温度,但要求过时效的温度低,过时效时间短。因此,必须尽可能把上述2类钢分开生产,以免机组设计不合理以及实际生产时工艺过渡时间长。

4.5 加强高强钢汽车板的用户使用技术研究

用户在高强钢汽车板使用过程中必然会碰到许多与材料相关的技术问题。对于这些问题,用户总寄希望钢厂帮助解决。因此,钢厂除研究高强钢本身的基本材料特性之外,还要研究高强钢的成形问题、各类激光拼焊及拼焊板的成形问题、高强钢零件之间的点焊问题、高强钢零件的磷化和后续涂装问题。钢厂只有把高强钢的相关问题研究透了,才能更好地满足汽车用户的需要。

5 结语

中国汽车工业正处于高速发展时期,还有较大的发展空间。高强钢汽车板将是今后汽车板发展的主流,大量使用高强钢是解决汽车减重、节能、安全、环保的重要途径。钢厂在研究开发及推广应用高强钢汽车板方面还有很多问题要解决,彩票送38:而自主创新、产销研一体化、与用户互动研发是解决这些问题的根本出路。

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