超高强度热成型钢技术是啥?据说能给汽车“减肥”

subtitle 了不起的中国制造03-01 07:04 跟贴 2001 条
汽车车身用钢板必须满足成型容易、回弹小、冲压过程中对模具的磨损小等要求,而这些热成型钢恰恰都能满足。它通常被用于车身的防侵入零件上,以保证汽车在发生碰撞时也不会有大的变形,从而保证人员安全。而且,在安全性不变的情况下,热成型钢可以让汽车车身减重30%。

出品| 网易新闻

作者| 甘亚平,汽车行业高级工程师

在大多数人眼里,汽车的车身足够重才能保障行驶的稳定和安全,因此,高端车型的整车质量非常大,却得到不少人青睐。大家对这类车的普遍评价是开起来很带感,但油耗太高了。

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其实,汽车的稳定性主要来源于空气动力而非自重,在保证汽车的强度、刚度、模态以及安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,能够有效降低能耗,提高汽车的动力性和操控性,减少排气污染。研究显示,车重每减少100千克,每百公里可节省燃油0.3-0.5L,重量减轻,可以提高车辆的加速度和操控性,使车辆获得更好的制动响应并缩短制动距离。

中国已经连续9年成为全球汽车第一大生产国,对汽车的轻量化方面的需求,显然也最为迫切。

那么,在车重降低的情况下不降低、甚至还要提高安全标准,需要怎么做呢?对汽车用钢的热处理就是非常有效的一种办法。

(一)汽车为什么必须使用热成型钢?

汽车是大批量生产的产品,对车身钢板的要求除了强度外,还要求良好的工艺性,也就是加工成型成本低。

汽车生产的主要工艺是冲压。汽车车身用钢板要求成型容易,回弹小,冲压过程中对模具的磨损小。汽车用钢板从屈服强度350MPa的软钢一路发展,经历了双相钢、相变诱导塑性钢、多相钢、马氏体钢,屈服强度一路增长到了900MPa。整个发展过程的规律就是强度越来越高,金相组织中的马氏体成分越来越多,但是与此同时,可加工性越来越差,成型难度越来越高,而且冲压回弹非常大。

分析钢板的金相组织,成型容易要求钢板中的铁素体和奥氏体成分尽可能得多,但是铁素体和奥氏体的强度很低;高强度则要求马氏体成分尽可能得多,但是马氏体脆性大,变形困难,汽车用钢板的技术发展一时陷入了瓶颈状态。

这时,全铝车身结构出现了,它被最早用于奥迪A8车型上面。但是,全铝车身结构成本非常高昂,限制了大规模应用,只能用在顶级车型上面。于是,人们的目光最终还是回到了钢材上面。

其实,汽车钢板中的马氏体组织除了钢板变形相变可以得到外,还可以通过热处理得到,于是新的思路产生了。

人们开发了一系列新材料的钢板,典型的牌号为22MnB5,成分如下图所示。由于这些钢板的主要强化元素为硼,它们也被称为硼钢。

22MnB5原始金相组织为铁素体+珠光体,加热到900摄氏度左右转变成为奥氏体,在模具中液压成型并淬火,转变成为100%的高强度马氏体组织,成型性能好,成型后强度高,性能非常优越。

热成型钢最突出的特性,一个是强度特别高,一个是成型性能好,还有一个就是没有冲压回弹。

1. 超高强度。

热成型后屈服强度可1000~1200MPa,抗拉强度可达1400~1600MPa,减重效果非常明显。

2. 成型性能好,可以用于复杂几何形状的零件。

在颜值决定一切的今天,汽车外形的设计越来越偏向时尚化,年轻化。

汽车外形曲面设计越来越复杂,对于材料的成型性能要求越来越高,热成型钢刚好可以适应这种趋势。而且,热成型钢制成的复杂车身零件可以用一个零件取代几个小的冲压件,实现车身结构的整体化,减少焊接,进一步减重。

3. 无回弹。

通常钢板的强度越高,冲压回弹就越大。热成型钢通过加热后成型,然后在模具中完成淬火得到马氏体组织,基本上没有回弹,工艺性能非常好。

(二)汽车的哪些部位会用到热成型钢?

俗话说,好钢要用在刀刃上,热成型钢并不便宜,因此最初主要用于车身防侵入零件上,后来慢慢开始向着能量吸收和平台零件扩展。

热成型钢的使用区域通常都是看不见的部位,相反,消费者看得见的车身覆盖件使用的都是易成型的低强度钢板。

热成型钢轻量化潜力可达30%,也就是说安全性不变的情况下可减重30%,或者重量不变的情况下提升强度30%。

防侵入零件是包裹汽车乘员座舱的结构件,在汽车发生碰撞的时候要保证不能有大的变形,从而保护乘员。

在汽车上,防侵入零件主要包括A\B\C柱、车顶和车底侧梁、地板梁、前后车身吸能区域等等。

热成型钢的使用量已经成为了评价汽车被动安全的重要指标,通常使用量越大,汽车被动安全性越好。汽车被动安全性的重要指标是异物侵入量,也就是汽车发生碰撞后乘员舱向内部变形的量。

热成型钢是目前唯一兼顾轻量化、安全性要求和生产成本的车身结构,这种技术大量应用后,直接取代了全铝车身结构、钢铝混合车身结构,成为了市场主流。

(三)热成型钢是怎样生产出来的?

典型的热成型生产线如下图所示,钢板料片进入带保护气氛的加热炉中加热到880~930摄氏度,通过传动带和取料机械手进入热成型工序,这时候料片自然降温至830摄氏度左右。

高温料片进入热成型模具后,在液压压力机的压力下通过模具成型,同时,模具中的冷却水道使零件快速降温淬火,最终得到100%马氏体组织的高强度成型零件。

加热的料片进入模具成型后,必须在10秒之内冷却到400摄氏度以下,否则就得不到100%的马氏体组织。考虑到生产节拍的要求和生产实际情况,实际生产过程中模具对料片的冷却速度要达到100摄氏度/秒,3~5秒之内必须将料片温度从800多摄氏度降低到400摄氏度以下。如下图所示。

那么,热成型工艺怎样在冲压成型的同时实现对零件的淬火的呢?秘诀就在于模具上的冷却流道。

设计热成型模具的时候,不但要做传统冲压模具的成型分析,同时也要做热分析,通过CAE软件分析冷却流道的分布,使得模具在成型的同时快速冷却零件,实现对零件的淬火功能。

热成型工艺目前已经发展了两代,分别是间接工艺法和直接工艺法。

(间接工艺法和直接工艺法对比)

间接工艺法使用的是无镀层的钢板,由于钢板是在高温状态下进行成型的,表面不可避免地会产生氧化皮。零件成型后需要做喷砂去氧化皮处理。这会影响零件的精度,所以还需要做冷冲压校正,而且最终零件还要涂油防锈,工艺非常复杂。

直接工艺法使用的是带铝硅涂层的硼钢,由于有涂层的保护,整个过程不产生氧化皮,加热过程无需惰性气体保护。另外,钢板表面无需脱碳处理,无需喷砂处理,没有喷砂造成的零件变形,成型精度高,不需要冷整形和上油防锈,生产工艺简化了许多,成本大幅降低。

结语

硼钢热成型工艺是目前最具应用价值的车身轻量化的材料和工艺技术,目前研究人员正在开发屈服强度1500MPa、抗拉强度超过2000MPa的硼钢材料,以及延伸率更高的硼钢材料。材料和工艺的进步使得汽车在方便人们出行的同时满足日趋严苛的排放法规和安全法规,硼钢热成型工艺是其中最重要的一块拼图。

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编辑| 史文慧

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