隨著全社會對汽車節(jié)能環(huán)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(yè)關(guān)注和亟待解決的焦點問題。高強度鋼因其優(yōu)異的性能在汽車減重和碰撞性能提升方面發(fā)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(yōu)勢。
然而,在采用傳統(tǒng)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(wěn)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(yīng)用。在這種情況下,熱沖壓成形技術(shù)得以快速發(fā)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(tài)下進行沖壓成形,通過模具快速導(dǎo)熱對成形后的構(gòu)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(fā)也得到了快速的發(fā)展。
熱成形鋼的開發(fā)進展
涂層熱成形鋼
熱成形鋼的成型過程本質(zhì)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(dǎo)致鋼板表面被氧化而出現(xiàn)氧化鐵皮。在后續(xù)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的熱成形鋼鍍層技術(shù)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(huán)境 下,鋁—硅(Al—Si)系合金涂層的表面可生成一種連續(xù)、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(yōu)于其他類型涂層,在950℃的高溫環(huán)境下仍可保持涂層的形態(tài)和性能。
Al—Si鍍層技術(shù)最早由安賽樂—米塔爾公司開發(fā),并成功應(yīng)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(yīng)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(shù),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(shù),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(jié)構(gòu)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(guān)專利保護技術(shù),2008年,奧鋼聯(lián)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(shù)問題有待解決。
首先是熱成形高溫加熱過程中,容易產(chǎn)生揮發(fā)。二是Zn基鍍層板會發(fā)生液態(tài)金屬脆化。在較大的熱沖壓外力的作用下,脆化的晶界會產(chǎn)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(yè)化生產(chǎn)熱成形鋼板,是通過間接熱成形的方法避免液態(tài)金屬脆化現(xiàn)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(yù)成型,然后再加熱和熱沖壓,減少熱沖壓狀態(tài)的變形量,進而避免液態(tài)金屬脆化的問題。為進一步提高生產(chǎn)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(yù)沖壓的步驟,與鋁硅涂層工藝基本一致,目前該技術(shù)已在寶馬等汽車公司量產(chǎn)應(yīng)用。
熱成形鋼的微合金化
微合金化技術(shù)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(fù)合微合金化
韓國浦項工業(yè)大學和中信金屬顧問邊箭博士等聯(lián)合開發(fā)了鈮鉬合金化的1.9GPa級熱沖壓成形鋼,并系統(tǒng)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(chǎn)(Compact Strip Production,CSP)是薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)工藝之一,是將傳統(tǒng)流程的連鑄、加熱、軋制等工序進行有機結(jié)合的新工藝,具有流程簡約高效,投資少、節(jié)能環(huán)保等特點。
熱成形鋼采用CSP技術(shù)軋制坯料,可以實現(xiàn)熱軋?zhí)娲滠?實現(xiàn)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(shù)降低成本的一個有效途徑,是未來熱成形鋼的一個發(fā)展趨勢,應(yīng)用前景廣泛。
無頭軋制ESP
無頭帶鋼生產(chǎn)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(shù)。多年操作經(jīng)驗基礎(chǔ)上優(yōu)化改進合作開發(fā)的新一代熱軋帶鋼生產(chǎn)技術(shù),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(chǎn)線連續(xù)運行。目前已經(jīng)證明ESP技術(shù)可以生產(chǎn)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(fā)展展望
由于中國汽車產(chǎn)量的持續(xù)攀升,輕量化節(jié)能減排的要求以及嚴格的
汽車安全法規(guī),為熱沖壓成形產(chǎn)品提供
了廣闊的市場,并由此為熱成形鋼和熱
沖壓成形設(shè)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(shè)計時,將
熱沖壓成形零部件作為一個高結(jié)構(gòu)強
度和高剛度的構(gòu)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(xiàn),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(fā)揮越來越重
要的作用。
(文章來源:《透視》,作者:陳云霞
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