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工業規模生產汽車用軟質深沖成形鋼板生產工藝的研究

中國產業競爭情報網  2015-09-10  瀏覽:


  汽車外板用薄板要求美觀并且具有優良沖壓成形性。為了制造能產生大變形的軟質鋼板,須除去鋼中的碳和雜質或以生成化合物的形式進行無害化處理,以精確控制鐵的晶體方位。在前述的鋼板軟質化原理和結構的基礎上,介紹以工業規模生產汽車用軟質深沖成形鋼板而進行的技術開發。


  1 軟質鋼板制造歷史


  汽車外板用深沖成形薄鋼板須有易加工的柔軟度。越接近純鐵就越軟,制造純鐵的主要障礙就是碳。在軟鋼板的制造過程中,須去除鐵中的碳和雜質,并綜合多種技術,以控制鐵(原子)晶體方位,使之易于加工。


  首先,在煉鋼工序以去除碳和雜質為目標,調整了鋼液成分而制造出低碳鋼,再控制鐵晶體方位;然后在熱軋、冷軋中調整形狀和材質,并在退火工序使鐵的晶體方位一致的同時,將溶入的固溶碳變成碳化物固定,以實現無害化,從而獲得軟質鋼板。從轉爐冶煉的350t鋼水到精軋成0.8mm厚度薄板的整個生產流程,進行了上述貫徹始終的材質控制。


  2 退火是晶體控制的關鍵


  制造深沖鋼板時,退火是最重要的工序。由于冷軋薄板變硬,故須經退火處理將之軟化。此軟化是將在冷軋中變硬的晶粒逐一變軟,被稱作“再結晶”的現象。為了經退火處理提高深沖性能,利用再晶體控制晶體排列方向,同時還為了抑制鋼板材質時效劣化而設法降低最終制品中的固溶碳量。


  退火方法可分為“裝箱退火”(也稱間隙或分批退火)與“連續退火”。前者歷史悠久,至今仍在繼續使用。板卷加熱需1天,冷卻需3天,屬緩慢充分的熱處理。后者從加熱到冷卻共計10min即可完成,是高效連續退火。兩者的不同之處在于加熱冷卻速度的差異。


  在裝箱退火充分加熱過程中Al與N結合,由于再結晶出的晶粒中僅選擇能提升深沖成形性的四面體型晶粒,故即使含碳量較高的鋼板也能確保良好的深沖成形性。況且,因冷卻充分,在高溫下溶出的碳也可再以滲碳體的形式被固定,從而減輕了鋼板材質的時效劣化。然而,如此退火需耗時3~4天,且板卷加熱又冷卻,也存在均勻性差的問題。


  3 改進退火后的冷卻確保車用外板性能


  車用外板須保證加工性優良,表面光潔美觀,除無各種缺陷之外,還應避免沖壓在表面產生的小皺紋(又稱面應變)。


  鋼中溶進的微量C和N,即使在室溫下也會在鋼中到處流動,在深沖變形時聚集到滑移變形部位而阻礙鋼板變形,此現象稱作“時效”。隨著時間的延長,就會出現鋼的延性變差或變硬等材質劣化,即時效劣化。若經加工時效后的鋼板,就會產生局部變形集中的筋狀皺紋而損害外觀,也就失去了作為汽車外板用材的商品價值。另外,若鋼板變硬,沖壓的車門把手部位就會產生變形等折皺。因此,為了防止鋼中殘余固溶碳引起的時效劣化,須使鋼板退火后無殘余固溶碳。新日鐵在退火冷卻后進行了“過時效處理”,以將碳固定成Fe3C而進行了無害化處理。


  所謂過時效處理,就是在700℃以上進行高溫退火控制晶體方向后,將鋼板快冷至300℃附近而產生許多Fe3C種子,在短時間內即能聚集鋼中固溶碳而促進Fe3C的生長。為獲得此Fe3C種子,可彌散鋼中硫化物或降低冷卻溫度等,這樣就可以持續生產無時效劣化的鋼。


  4 控制Mn含量和熱軋卷取溫度使材質最佳化


  為了提高鋼板的深沖成形性,除沒有固溶碳之外,在有滲碳體存在的條件下進行加工時,須將其影響降至最低。為此,調整鋼的成分并控制軋制溫度。


  以往在冷軋之前,一直采用將熱軋鋼板高溫卷取的方法。因卷取后冷卻極慢,故生成的滲碳體粗大,在加工時可減少發生湍流的場所,并在慢冷過程中將大部分碳聚集到滲碳體中。


  然而,熱軋板卷越是高溫卷取,其表面和內部冷速差異就越大,從而使滲碳體的彌散程度和固溶碳量產生波動,甚至使部分鐵原子的晶體方向未能充分一致。為了避免出現這種情況,降低熱軋卷取溫度最有效。另外,詳細分析了滲碳體長大的速度,結果表明:降低鋼中的Mn含量時,即使在低溫卷取,滲碳體也易粗大。因此,即使在較低溫卷取熱軋板卷,也能控制碳和滲碳體的理想形態,從而穩定鋼板的深沖成形性。


  5 利用成分調整、溫度管理和控軋獲得理想晶體方位的IF鋼


  由于車體形狀的復雜化和分離部件的一體化,要求車用外板須有苛刻的深沖成形性,故在煉鋼工序中須將較低碳(0.01%~0.05%)鋼進一步降低,達到超低碳化(純鐵化)。


  純鐵化工藝的關鍵在于將碳和雜質降至極限。采用真空脫氣二次精煉工藝,將由轉爐吹煉終了的鋼水進一步在真空槽中脫氣(包括脫H、脫N和脫O),脫碳并將鋼液中的碳含量降至10ppm(即0.001%)以下。


  像這樣在近似純鐵的鋼液中加入適量的Ti和Nb等微合金化元素,鋼中僅存無害化的碳,這就是IF鋼。若觀察從冷軋中變硬的晶粒在退火中的再晶體過程,發現在冷軋前晶粒之間的邊界(即晶界)所產生的晶粒具有能促進深沖性提高的高r值的四面體形晶體方位。 為了提供盡可能多的晶體晶界,冷軋前應盡可能將晶粒控制得小些。為此,應在開始熱軋時降低加熱溫度,并盡可能在低溫下熱軋,以使鋼在晶粒度大前冷卻。


  另外,將Ti和Nb的加入量調整到最佳的條件下進行細化晶粒。IF鋼與低碳鋼不同之處是鋼中的碳被微合金元素Ti和Nb固定了,故不用擔心殘余的碳會引起時效劣化。


  現在,以新日鐵為代表的不少日本鋼鐵廠家采用煉鋼、軋制技術以及從熱軋到連續退火的高度精確溫控技術,正持續批量生產滿足苛刻深沖成形要求的高質量IF鋼。


  6 柔軟而堅固的BH鋼板


  汽車用外板須柔軟而美Mn含量觀,成車后還須有耐沖擊的特性,例如在有小塊石頭撞擊或在停車場與鄰車的車門間接觸碰撞時不發生凹陷。為了使<1mm厚度的薄板具有此特性,鋼板須硬;但硬鋼板成形困難,且沖壓成形時所產生的局部折皺也有損外觀。


  為此,開發了BH鋼板。其特點是成形時軟但成品使用時變硬。這是由于鋼板中殘存有極微量的固溶碳,在涂漆車體的干燥(170℃×20min)燒結工序中,在鋼中遷移,抑制了鋼的滑移變形(即使鋼板變硬)。新日鐵控制了Ti和Nb的加入量并實現最佳化,產品在室溫下存放6個月后性能也穩定。所開發的BH鋼板已經實用化,正在為車用外板的薄壁化和輕量化做出貢獻。

 

 

 

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