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国际钢铁企业高强度冷轧汽车板研发实践

2019-10-09 22:02:35来源:励志吧0次阅读

  国际钢铁企业高强度冷轧汽车板研发实践

  【摘要】伴随着汽车制造的不断更新,先进企业汽车板新产品的研发速度也明显加快,并从轻量化、耐腐蚀性、环境友好型这三个角度取得突破。

  伴随着汽车制造的不断更新,先进企业汽车板新产品的研发速度也明显加快,并从轻量化、耐腐蚀性、环境友好型这三个角度取得突破。近十年来,我国的钢铁企业在开发冷轧汽车板新产品上取得了快速发展,然而国内高端产品与国际先进水平仍然有一定差距,国内乘用车生产企业每年还需要从日本、韩国等国进口汽车板100万吨以上。为此,本文针对我国汽车产业的实际需求,选择了日本新日铁公司、JFE公司和韩国浦项集团这三家先进企业进行冷轧汽车板产品研发特点进行分析,并阐述了其最新产品进展情况。在此基础上,结合汽车厂家的实际需求预测了下一步汽车板产品的研发热点。

  汽车行业发展对冷轧汽车板的要求

  目前,汽车减重成为减少二氧化碳排放和降低燃油消耗的关键手段,而在新能源汽车领域,复合动力车和电动车更加要求车身减重。所以从技术和经济的角度考虑,钢铁企业研发汽车用先进高强钢非常有应用前景。世界各大汽车公司也逐步增加了高强钢的使用量,预测先进高强钢在汽车上的占比从2009年的7%增加到2015年的30%。而据国际钢协未来钢质汽车FSV项目预测,到2020年抗拉强度级在980MPa及更高的高强度钢将占整体车身用材的50%以上。

  总体认为,汽车发展对冷轧汽车板新产品的要求有以下三点:

  先进高强度和超高强度产品研发。为了考虑更高的冲撞安全性,在车身前部、侧面下部和侧面上部等部位产品等级均达到或超过980MPa。其中,前保险(放心保)杠用钢最高强度等级为1470MPa,前悬置固定架为980MPa,立柱为1180MPa。

  汽车板表面处理产品研发。针对汽车制造商降低车体总制造成本以及应对新型车体制造技术的要求,需要在合金化热镀锌钢板上进行表面处理,以此来实现汽车板优良的成形性、点焊性和涂装性能等。

  适应减量化加工的冷压加工高强度冷轧产品研发。随着汽车超高强钢的逐渐普及,研发超高强度钢并在室温拥有优良变形能力的新产品是汽车厂家的新需求。2013年,英菲尼迪Q50采用了新日铁公司开发的冷冲压1.2GPa(1180MPa)级高强度钢板,用在车身骨架的中柱加强件、侧车顶纵梁及前车顶纵梁等车身构件,未来该钢种将逐步扩大采用范围。

  先进企业冷轧汽车板产品开发情况

  日本新日铁公司。目前,新日铁公司通过冶金学、分析技术、数值解析及应用数学等基础学科来支撑冷轧汽车板开发。随着钢板强度的提高,冲压成形性及焊接性能会有所下降。为了抑制这一现象,新日铁通过微观组织的控制来提高材料强度,同时还重视通过加工模式来改善材料的加工成形性。具体的表现方式有:

  (1)当关注产品整体延伸率时,通过添加有利于铁素体组织生成的元素以及对连退设备的退火温度模式进行优化,开发在软质铁素体基体组织上分布着通过淬火得到的硬质马氏体组织的产品。

  (2)当关注产品扩孔性时,采用较低碳含量设计,同时抑制较硬的粗大碳化物生成,得到均匀单一的组织结构来保证产品扩孔性能和弯曲加工性能。

  (3)当需要产品具有整体延伸性能和扩孔性能相平衡时,通过降低硬质相和软质相的硬度差来确保复相组织整体延伸性。

  新日铁冷轧DP钢覆盖了490MPa~1270MPa的7个级别,其中开发了DP490、DP540、DP590、DP780、DP980和DP1180共6个级别的电镀锌产品和DP590、DP780、DP980共3个级别的热镀锌产品。在热镀锌DP钢中,有约70%为合金化热镀锌产品。采用超高强钢专用生产线,新日铁还开发了DP1180。研发的TRIP钢强度级别为590MPa、690MPa和780MPa,其中,60%以上为合金化热镀锌产品。

  日本JFE公司。为了制造高强度钢板,JFE新建了专门的连续退火装备用于开发高强钢板,这些产品应用在前后保险杠部件RF、车门防撞梁、座椅框架等部件。

  为适应汽车减量化的需求,JFE公司采用低合金成分设计方案和具有水淬方式的连续退火产线(JFE-WQ-CAL)研发出了抗拉强度在780MPa~1470MPa的高强度冷轧汽车板产品。开发的水淬工艺是从高温开始用喷流水连续进行淬火,具有1000℃/s的高冷速,在板幅方向具有冷速均匀的优点。通过优化水淬温度和加热回火温度可以在很大范围内调整硬质第二相的体积分数和硬度,开发的双相钢具有大范围的强度变化值。

  应对车体成形性能要求的产品开发。对于强度在590MPa的冷轧汽车板,JFE根据成形需求开发了相应产品,并根据加工方法以及所使用部件形状来设计钢板的性能。例如,对以中间柱为代表的冲压成形部件,主要要求具有扩张成形性,应该开发延伸率较高的钢板。前防撞梁要求具有扩张成形和法兰特性的复合要求,开发了延伸性能和法兰性能兼备的产品。

  对于980MPa及以上的超高强产品,JFE采用以弯曲加工为主的成形工艺,即使在严酷弯曲加工条件下也能防止钢板表面发生龟裂。

  开发具有耐延迟破坏特性的产品。由于钢中氢的侵入引起了产品脆化,JFE针对1180MPa级高强钢制定了耐延迟破坏三元图谱。因为延迟破坏都在负载应力、塑性应变和氢侵入的较高条件下发生,根据三元图谱的范围,可以定量的评价延迟破坏发生的危险性,确定钢板发生延迟破坏的区域。JFE通过这个手段为后续产品的零件设计提供耐延迟破坏标准。

  目前,JFE能提供规格齐全并且具有良好的成形性、表面质量和尺寸精度的冷轧产品,产品厚度范围为0.2mm~3.2mm。

  韩国浦项集团。浦项在2002年将汽车用钢定位为战略产品,为了保障冷轧汽车板的研发能力,浦项在两个制铁所不断提升汽车板产线保障能力。其在汽车板产品研发突出超轻型高强度汽车用钢和强化镀层质量技术,具体包括以下两点:

  (1)研发超轻型高强度汽车用钢减轻汽车重量。浦项对于汽车用钢的研发重点已经由片面追求高强度转向高强度与轻量型兼备。通常汽车总重量减轻10%会使CO2排放量减少5%~8%。浦项研发的高强度汽车用钢板抗拉强度大于590MPa,而厚度比中等强度钢板还薄。浦项钢铁公司开发的超轻型高强度汽车用钢新产品主要有:汽车立柱1470MPa级超高强度TWIP钢,可减轻车体重量;汽车加固梁用980MPa级冷轧DP钢,产品具有极好的延展性和成形性。

  (2)突出镀层质量技术开发。热冲压成形钢表面需要镀锌,但是锌基涂层在热冲压过程中容易氧化和蒸发,并且发生断裂。浦项正在研发新的含Zn涂层技术使得在加热过程中能够形成稳定的Fe-Zn镀层,合金层中富Zn的区域很小,形成的涂层在热冲压过程中不会出现液态金属脆性敏感问题,而防止冲压裂纹。

  目前,浦项可以提供从DP490~DP980这五个级别的冷轧和镀锌双相钢,成形性能优良的TRIP780和980钢。冷轧CP1180和CP1470也已经商业化。

  同时,浦项在孪晶诱导塑性钢TWIP钢产品研发领域走在世界前列。浦项研发的TWIP钢主要化学成分大致为C:0.03%~1.5%、Mn:5%~35%、Al3%、Si3%,其余为Fe。此外,在实际生产中还可添加其他各种合金化元素。研发的TWIP钢延伸率为30%~95%,抗拉强度在600MPa~1924MPa,其抗拉强度和延伸率数值是TRIP钢的两倍。

  同时,随着汽车超高强钢逐渐普及,研发超高强度钢并在室温拥有优良变形能力新品是汽车厂家需求。日本开发的1.2GPa的超高强钢采用了冷压加工工艺,减少后续加工工序和降低生产成本,具有潜在的市场需求,相关产品的研发也将成为热点。

  汽车镀层板的Zn和Zn合金镀层板是简单和经济的保护汽车板不易被腐蚀的材料,在汽车工业的使用越来越多。但是,随着Zn和Zn合金镀层板在后续加工中的缺点,锌基复合镀层的发展也很快,尤其是在欧美和日韩。如Zn-Mg-Al镀层具有与GA相当的抗冲压擦伤性能(远优于GI),同时又不发生粉化,很多先进企业已经有商业化产品。以浦项为例,从2012年开始,浦项在新装的热浸镀锌生产线上开发生产Zn-Mg-Al涂镀钢板PosMac。加大Zn-Mg-Al复合镀层的高强度汽车板产品研发可以应对汽车行业对耐腐蚀性能的要求。

  结论

  (1)中国汽车行业进入了稳定发展的阶段,钢铁企业应该抓住这个机遇,进行冷轧汽车用钢新产品的开发,获得更高的产品附加值。

  (2)国外先进企业均结合产线条件和研究实力进行差异化产品的开发。新日铁通过微观组织的控制来提高材料强度,并采用超高强钢专用生产线来开发DP1180。JFE通过低碳当量成分设计和水淬工艺,开发具有优良点焊性能和耐延迟破坏特性的高强度产品,产品抗拉强度为1320MPa和1470MPa,应用在保险杠R/F和钢管门柱等关键部位。韩国浦项研发超轻型高强度汽车用钢来减轻汽车重量,包括汽车立柱1470MPa级超高强度TWIP钢、加固梁用980MPa级冷轧DP钢等。

  (3)结合汽车厂家的需求,下一步冷轧汽车板研发将集中在兼顾高强度和一定成形性DP980和1180钢、具有冷冲压性能的高强度钢和优良耐腐蚀性能的Zn-Mg-Al镀层高强度钢产品。

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