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国内外常用金属板材料的标准牌号与性能简介
浏览: 发布日期:2019-09-12
冲压材料的开发和使用是实现制造业可持续发展的前提和基础。目前常见的冲压材料包括钢铁材料(热轧钢板、冷轧钢板、不锈钢板、涂镀层板等)、铝合金板、镁合金板、钛合金板等。传统的低强度钢板包括软钢、无间隙原子钢,冲压性能非常好,但强度较低。传统的高强度钢板包括高强度无间隙原子钢、烘烤硬化钢、各向同性钢、高强度低合金钢、马氏体钢等,虽然强度较软钢有所提高,冲压性能也不错,但强度仍然偏低。铝合金、镁合金、钛合金等材料具有密度较小,比强度、比刚度较高,成形性、加工性能优良的优点,在材料的节能、减重、安全过程中起着至关重要的作用,但这些材料也具有一些目前无法克服的缺点,如焊接性差、冲压成形性不好、原材料成本和技术成本均较高等,这些因素决定了在目前乃至今后较长一段时间内铝、镁合金等材料不能完全替代钢板在汽车中的使用。为提高钢铁材料的竞争能力,包括提高汽车的功能,满足节能降耗要求,并使汽车制造成本下降,就必然导致先进高强度钢AHSS的开发和应用。2005年以后面市的轿车中,高强度钢、超高强度钢的使用比例达到45%~68%。
 
 
 
因此,国内外钢铁企业十分注重先进高强度汽车钢板AHSS的开发研究,DP钢、TRIP钢、CP钢和MART钢等先进高强度钢在汽车部件上的用量明显增加,第二代先进高强度钢TWIP、第三代先进高强度钢QP等钢种的开发与商业化生产也在积极探索中。先进高强度钢都具有各自的特点,可以根据实际需要来确定使用的材料。
 
 
 
双相钢(Dual Phase Steel,DP)是由软的铁素体和硬的马氏体两种相组成的,但在实际生产过程中也可能存在少量残留奥氏体。由于金相组织的基体为铁素体,所以它的伸长率相当高,塑性相当好,接近于添加P等元素形成固溶体的传统高强度钢板。由于钢中硬质相马氏体和软质相铁素体之间的应变不协调,进行压力加工时会引起相当高的加工硬化,致使DP钢具有高的抗拉强度,良好的延展性和成形性。因此它被用于对加工性有严格要求的薄板冲压件,如车门加强板、行李箱盖板和保险杠等。
 
 
 
相变诱导塑性钢(Transformation Induced Plasticity,TRIP),在铁素体和贝氏体构成的基体相中,分散着马氏体以及体积分数为百分之几到30%的残留奥氏体,这些残留奥氏体在加工时,会再转变为马氏体,引起材料强度的提高,并且抗冲击性大大提高。目前世界各大钢铁公司生产的DP钢和TRIP钢的抗拉强度均已达到590~980MPa,已进入实用化阶段。TRIP钢主要用来制作汽车的挡板、底盘部件、车轮轮辋、车门冲击梁、前端车架纵梁、转向拉杆下臂以及各车身立柱等。此外,DP和TRIP钢板也作为热镀锌和Zn-Ni电镀锌的基板,以生产高强度、高塑性、高拉深胀形性以及高耐蚀性的镀锌板。
 
 
 
复相钢(Complex Phases Steel,CP)的金相组织主要以铁素体和(或)贝氏体为基体,并且通常分布少量的马氏体、残留奥氏体和珠光体组织。通过添加微合金元素Ti或Nb,形成细化晶粒或析出强化的效应。这种钢具有非常高的抗拉强度,与同等抗拉强度的双相钢相比,其屈服强度明显要高很多。通过相变强化以及析出强化的复合作用,CP钢的强度可达800~1000MPa,具有较高的冲击吸收能量和扩孔性能,特别适合于汽车的车门防撞杆、保险杠和B立柱等安全零件。
 
 
 
马氏体钢(Martensitic Steel,MART)的显微组织几乎全部为马氏体组织。主要是通过高温奥氏体组织快速淬火转变为板条马氏体组织,可通过热轧、冷轧、连续退火或成形后退火来实现,马氏体钢具有较高的抗拉强度,最高可达1600MPa,需进行回火处理以改善塑性,使其在如此高的强度下,仍具有足够的成形性能,是目前商业化高强度钢板中强度级别最高的钢种。通常只能用辊压成形生产或冲压形状简单的零件,主要用于成形要求不高的车门防撞杆等零件以代替管状零件,降低制造成本。
 
 
 
铁素体-贝氏体钢(FB)也称为延伸翻边(凸缘)钢(Stretch Flangable Steel)或高扩孔钢(High HoleExpansion Steel),这是因为它具有良好的扩孔性能(即凸缘翻边能力)。FB钢的金相组织由铁素体和贝氏体组成。FB钢可用来制造热轧产品,其主要优点是具有良好的扩孔性能、抗碰撞性能和优良的抗疲劳性能。与HSLA钢相比,FB钢在同等屈服强度的情况下,增大了总的伸长率,同时也具有较高的加工硬化指数n。此外由于FB钢具有良好的焊接性,所以它被考虑用来生产冲压大、中型车身覆盖件的激光拼焊板坯或汽车底盘、车轮等载重件。
 
 
 
孪晶诱导塑性钢(Twinning Induced Plasticity,TWIP)室温下的显微组织为稳定的奥氏体,而在变形过程中由于应变的作用使其晶粒内部产生机械孪晶并诱导塑性(即TWIP效应),从而保证了其优良的塑性。TWIP钢的成分通常主要是Fe,添加质量分数为25%~30%的Mn,并加入少量Al和Si,也可再加入少量的Ni、V、Mo、Cu、Ti、Nb等微合金元素。TWIP钢兼有极高的强度和极高的成形性,其抗拉强度高于1000MPa,最新的研究成果表明,它的伸长率可达60%~95%,n值增至0.4。高的加工硬化率使其具有很强的能量吸收能力,所以该钢种是非常有前途的汽车用结构材料。但TWIP钢的冶炼、连铸工艺,钢材的延迟断裂、切口敏感性以及可涂镀性能都是阻碍此钢得到广泛应用的生产技术难题。
 
 
 
热成形钢(Heat Forming Steel,HFS)是为了解决高强度钢在热处理过程中和热处理后,难于保持其几何形状的问题而开发的高强度钢。主要工艺过程是将高强度钢制品先在模具中夹紧,而后在加热炉中加热或是采用感应加热,并随即在模具中冷却硬化。这种钢都具有良好的焊接性,且适合后续进行电镀锌和热浸锌处理。常见钢种牌号为22MnB5。目前达到U-NCAP碰撞4星级或5星级水平的乘用车型,其安全件(A、B、C柱,保险杠,防撞梁等)大多数采用了抗拉强度为1500MPa、屈服强度为1200MPa的热成形高强度钢。
 
 
 
淬火分离钢(Quenching and Partitioning,QP)是J.G.Speer等人提出的,是一种具有良好成形性和断裂韧度的高强度钢。Q-P工艺的机理是基于碳在马氏体和奥氏体混合组织中扩散规律的一种新的认识与理解。主要是控制完全奥氏体化后淬火形成部分马氏体的量,然后通过碳分配热处理工艺使得碳从过饱和的马氏体中转移到残留奥氏体中,使残留奥氏体稳定存在于室温条件下。在受到外力作用时,发生类似TRIP效应,获得高强度的同时获得高伸长率。QP钢属于第三代先进高强度钢AHSS,通常可以达到的力学性能范围为:抗拉强度800~1500MPa,伸长率15%~40%。目前,国内外对Q-P工艺的研究还处于起步阶段,主要研究集中于中碳高硅合金棒材,或在TRIP钢的基础上使用Q-P工艺进行改进研究,
 
不够系统深入,而相关的理论研究仅处于初步探索阶段。由于Q-P钢具有高强度和高塑性的综合性能,作为汽车结构用钢,可大大减轻车体重量,增强车体抵抗撞击的能力,提高汽车运行的安全性,具有很好的发展前景。
 
 
 
虽然高强度钢的种类较多,强度和塑性匹配也好,具有良好的发展前景,但是要大规模使用AHSS还存在一些困难,主要的限制性因素有:
 
1)制造工艺复杂,获得较为困难。
 
2)传统的成形技术不适合加工高强度钢,汽车制造厂需要改造或更换现有设备,在设备方面进行大规模投资。
 
3)目前还有一些应用性能试验需要完善,需要大量实践数据来指导生产,需要研究适合于高强度钢的冲压成形方法,解决各类高强度钢的激光拼焊及拼焊板成形,高强度钢零件之间的点焊,高强度钢零件的磷化、后续涂装、回弹、延迟断裂等问题。