為提升汽車碰撞安全性并通過(guò)輕量化減少二氧化碳排放，目前正在探討將高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用于汽車零部件。在已采用1470MPa級(jí)鋼板的零部件中，還期望實(shí)現(xiàn)更高強(qiáng)度。日本神戶制鋼利用水淬式連續(xù)退火設(shè)備開發(fā)的1700MPa級(jí)鋼板，雖為低合金鋼，卻擁有馬氏體單相組織，解決了因高強(qiáng)度化帶來(lái)的諸如彎曲性、焊接性、抗延遲斷裂性等應(yīng)用性能劣化的難題。水淬時(shí)，快速冷卻產(chǎn)生的熱應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致鋼板平直度惡化，不過(guò)通過(guò)強(qiáng)力拉伸矯直機(jī)矯正，平直度達(dá)到甚至優(yōu)于1470MPa級(jí)鋼板的水平。本文將介紹該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路及鋼板特性。
1前言
為提升汽車碰撞安全性并通過(guò)輕量化減少尾氣排放，高強(qiáng)度鋼板在汽車零部件中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。汽車零部件使用高強(qiáng)度鋼板的成型方法，主要有以熱沖壓為代表的熱成型，以及以輥壓成型等為代表的冷成型。例如，保險(xiǎn)杠加強(qiáng)件（以下簡(jiǎn)稱“保險(xiǎn)杠R/F”）、橫梁、縱梁等部件，采用輥壓成型的1470MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼板。另外，1470MPa級(jí)鋼板在諸如前圍板以及對(duì)尺寸精度要求嚴(yán)苛的車身骨架等壓力成型零部件中的應(yīng)用也在不斷拓展。近年來(lái)業(yè)內(nèi)迫切需要比1470MPa級(jí)強(qiáng)度更高的鋼板。
為了順應(yīng)零部件不斷高強(qiáng)度化的需求，日本神戶制鋼開發(fā)了1700MPa級(jí)馬氏體組織鋼。該開發(fā)鋼利用連續(xù)退火生產(chǎn)線，配備高速冷卻功能的水淬設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度化過(guò)程中，也保證了加工性、焊接性以及抗延遲斷裂性等必要特性。本文將介紹該開發(fā)鋼的設(shè)計(jì)思路、主要特性，同時(shí)著眼于車身應(yīng)用，介紹了在改善影響零部件尺寸精度的平直度方面所做的工作。
2開發(fā)鋼的設(shè)計(jì)思路
在保險(xiǎn)杠R/F等通過(guò)輥壓成型的部件中，需要對(duì)鋼板進(jìn)行多次輥壓以逐步彎曲成型，從而加工成部件的斷面形狀，因此，鋼板需具備良好的彎曲性能。此外，成型時(shí)部件產(chǎn)生的殘余應(yīng)力可能引發(fā)延遲斷裂，所以在材料設(shè)計(jì)時(shí)，不能僅追求強(qiáng)度提升，還需兼顧上述特性。
為實(shí)現(xiàn)這些特性，采用低合金成分設(shè)計(jì)獲得高強(qiáng)度的馬氏體單相組織被認(rèn)為是有效的方法。馬氏體組織是在奧氏體均勻化處理后，通過(guò)快速冷卻生成。神戶制鋼利用具備水淬設(shè)備的連續(xù)退火爐實(shí)現(xiàn)快速冷卻，無(wú)需添加大量合金元素，就能抑制冷卻過(guò)程中諸如鐵素體和貝氏體等軟質(zhì)組織的混入。因此，可以減少對(duì)焊接性和延遲斷裂性產(chǎn)生不良影響的元素添加量，實(shí)現(xiàn)有利于特性改善的成分設(shè)計(jì)。以下詳細(xì)闡述神戶制鋼實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)特性的設(shè)計(jì)思路。
2.1強(qiáng)度
在保險(xiǎn)杠R/F等部件中，從碰撞時(shí)保護(hù)乘客的角度出發(fā)，要求部件在碰撞時(shí)不發(fā)生塑性變形，因此，除了需要1700MPa以上的抗拉強(qiáng)度，還需要較高的屈服強(qiáng)度。馬氏體組織因碳在間隙位置過(guò)飽和固溶而非常堅(jiān)硬，但淬火態(tài)的韌性和屈強(qiáng)比較低。在開發(fā)鋼中，為確保韌性并實(shí)現(xiàn)高屈服強(qiáng)度，進(jìn)行了較低溫度的回火處理，獲得了回火馬氏體單相組織。
2.2彎曲加工性
回火引起的組織變化對(duì)彎曲加工性影響很大，因此，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。隨著回火溫度升高，針狀長(zhǎng)大的滲碳體數(shù)量密度增加，會(huì)導(dǎo)致彎曲加工性變差，故而在不會(huì)導(dǎo)致加工性惡化的溫度區(qū)間進(jìn)行回火處理，以確保彎曲性。此外，鋼板表層的夾雜物會(huì)成為彎曲加工時(shí)的應(yīng)力集中源，是裂紋萌生的起點(diǎn)，會(huì)惡化彎曲性，因此，通過(guò)優(yōu)化成分設(shè)計(jì)來(lái)改善這一問(wèn)題。
2.3延遲斷裂性
延遲斷裂是指材料在承受一定拉應(yīng)力一段時(shí)間后突然發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，已知這是由氫脆引起的。其破壞過(guò)程一般認(rèn)為包括①氫侵入、②氫擴(kuò)散、③裂紋萌生、④裂紋擴(kuò)展。因此，針對(duì)①-④各過(guò)程采取措施，被認(rèn)為對(duì)抑制延遲斷裂有效。
在開發(fā)鋼中，除了通過(guò)添加在1470MPa級(jí)鋼板中也使用的提高耐蝕性的元素來(lái)抑制①氫侵入，還通過(guò)提高回火溫度生成的碳化物的氫陷阱作用來(lái)抑制②氫擴(kuò)散，同時(shí)通過(guò)抑制合金碳化物形成導(dǎo)致的晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒，以此來(lái)抑制③裂紋萌生和④裂紋擴(kuò)展。為確認(rèn)這些改善抗延遲斷裂性的效果，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究。
通過(guò)添加合金元素并調(diào)整制造條件，增加了表1中所示的回火碳化物的鋼種A、B，以及細(xì)化了原奧氏體粒徑的鋼種B、C。采用圖1所示的U型彎曲-鹽酸浸漬法對(duì)這些鋼種的延遲斷裂性進(jìn)行評(píng)估。將尺寸為150mm（垂直于軋制方向）×30mm（軋制方向）的帶狀鋼板，將其端面進(jìn)行機(jī)械加工處理，以彎曲棱線與軋制方向一致的方式，在彎曲半徑為10mm的條件下進(jìn)行U型彎曲加工，并通過(guò)螺栓緊固施加應(yīng)力，制成試件。螺栓緊固施加的應(yīng)力大小，通過(guò)將應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)變量乘以楊氏模量，使其達(dá)到預(yù)定應(yīng)力值。將制作好的試件在0.1N鹽酸溶液中浸漬200h，評(píng)估是否出現(xiàn)裂紋。結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)在1500MPa和2000MPa兩種應(yīng)力下進(jìn)行，每種條件下進(jìn)行3次（N=3）評(píng)估，未出現(xiàn)裂紋記為“〇”，出現(xiàn)裂紋記為“×”。鋼種B相較于鋼種A，原奧氏體粒徑更細(xì)小，相較于鋼種C，碳化物含量更多。在延遲斷裂性評(píng)估中，鋼種B未出現(xiàn)裂紋，而鋼種A和C出現(xiàn)了裂紋，結(jié)果表明鋼種B的延遲斷裂性更優(yōu)。因此，通過(guò)增加回火碳化物和細(xì)化原奧氏體粒徑，可以確認(rèn)延遲斷裂性得到了改善，并將這些成果反映在開發(fā)鋼的設(shè)計(jì)中。
3開發(fā)鋼的主要特性
3.1力學(xué)性能及合適的焊接電流范圍
開發(fā)鋼和傳統(tǒng)鋼的典型組織如圖2所示。可以看出，開發(fā)鋼呈現(xiàn)出細(xì)小的針狀組織，為均勻的馬氏體單相組織。與傳統(tǒng)鋼相比，開發(fā)鋼組織更細(xì)小，從抗延遲斷裂性的角度來(lái)看，達(dá)到了預(yù)期的組織形態(tài)。
表2展示了力學(xué)性能的評(píng)估結(jié)果。其中，拉伸性能通過(guò)制作JIS5號(hào)試件，按照J(rèn)ISZ2241標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拉伸試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。為研究擴(kuò)孔性能，依據(jù)JISZ2256標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的擴(kuò)孔試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。彎曲性能則根據(jù)JISZ2248規(guī)定的90度V型彎曲試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，彎曲時(shí)以彎曲棱線與軋制方向一致為標(biāo)準(zhǔn)，以彎曲表面不產(chǎn)生裂紋的最小彎曲半徑除以板厚得到的R/t作為指標(biāo)。
開發(fā)鋼與1470MPa級(jí)傳統(tǒng)鋼一樣，具有高屈強(qiáng)比（YR）特性，除了1700MPa以上的抗拉強(qiáng)度外，屈服強(qiáng)度（YS）也較高，適合用于高強(qiáng)度零部件。此外，總延伸率（EL）、擴(kuò)孔性能（λ）、彎曲性能（R/t）與1470MPa級(jí)鋼基本處于同一水平。因此，對(duì)于已采用1470MPa級(jí)鋼的零部件，從成型性角度考慮，使用開發(fā)鋼不存在問(wèn)題。
圖3展示了合適的焊接電流范圍。用于車身的開發(fā)鋼需要具備點(diǎn)焊性能，因此使用板厚1.4mm的試樣，按照表3所示的條件進(jìn)行點(diǎn)焊，評(píng)估從熔核直徑達(dá)到4√t（t為板厚）時(shí)的電流值到產(chǎn)生飛濺時(shí)的電流值范圍。高強(qiáng)度化可能導(dǎo)致飛濺臨界電流降低，但開發(fā)鋼的焊接電流范圍為7kA-10kA，范圍較寬，與1470MPa級(jí)鋼相當(dāng)，這表明在相同焊接條件下，開發(fā)鋼能夠確保預(yù)定的熔核直徑。
3.2延遲斷裂性
延遲斷裂會(huì)因塑性變形和殘余應(yīng)力而加劇，因此，在汽車零部件中，引入較大塑性變形的成型加工部位以及翻邊加工時(shí)的切斷端部，存在發(fā)生延遲斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。為確認(rèn)開發(fā)鋼在這些易發(fā)生延遲斷裂部位的抗延遲斷裂性能，對(duì)模擬汽車零部件成型加工部位的U型彎曲加工部位和剪切加工端部進(jìn)行了評(píng)估。
U型彎曲加工部位的評(píng)估方法為：將尺寸為150mm（垂直于軋制方向）×30mm（軋制方向）的帶狀鋼板，其端面經(jīng)機(jī)械加工處理后，以彎曲棱線與軋制方向一致的方式，在彎曲半徑為5mm的條件下進(jìn)行U型彎曲加工，并通過(guò)螺栓緊固施加應(yīng)力，制成試件。應(yīng)力施加方式與之前相同，將制作好的試件在0.1N鹽酸溶液中浸漬300h，評(píng)估是否出現(xiàn)裂紋。評(píng)估結(jié)果如表4所示?？梢源_認(rèn)，在1700MPa的應(yīng)力下未出現(xiàn)裂紋，即使施加超過(guò)彈性極限的更高應(yīng)變，也不會(huì)產(chǎn)生裂紋。
剪切加工端部的抗延遲斷裂性評(píng)估方法為：將試樣沿垂直于軋制方向剪切成長(zhǎng)度為15mm、寬度為30mm的尺寸，在0.1N鹽酸溶液中浸漬24h后，通過(guò)目視或顯微鏡觀察垂直于軋制方向的端面，確認(rèn)是否有裂紋，以此進(jìn)行評(píng)估。剪切加工的示意圖如圖4所示。評(píng)估的端面為垂直于軋制方向的端面，即剪切后被下刀片和壓邊圈夾住的鋼板端部。剪切加工在剪切角為0°，間隙分別為5%、10%、15%、20%、25%的條件下進(jìn)行。評(píng)估結(jié)果如表5所示。每種條件下進(jìn)行3次（N=3）試驗(yàn)，結(jié)果表明，在所有條件下均未出現(xiàn)裂紋，確認(rèn)開發(fā)鋼具有良好的抗延遲斷裂性能。
4鋼板平直度改善
水淬制造的馬氏體鋼，由于快速冷卻產(chǎn)生的熱應(yīng)力，鋼板平直度會(huì)惡化。對(duì)于諸如立柱等車身部件，對(duì)尺寸精度要求較高，因此，平直度問(wèn)題可能較為突出。因此，最后介紹一下神戶制鋼在平直度矯正方面的工作。
神戶制鋼引入了矯正能力強(qiáng)的拉伸矯直機(jī)，能夠?qū)ν嘶鸷蟾邚?qiáng)度鋼板的平直度不良進(jìn)行矯正。此前，針對(duì)尺寸精度要求嚴(yán)格的車身部件，在1470MPa級(jí)馬氏體鋼板上，已經(jīng)確立了兼顧材料特性和良好平直度的矯正技術(shù)。由于預(yù)計(jì)1700MPa級(jí)鋼板未來(lái)也將應(yīng)用于車身部件，因此，將在1470MPa級(jí)材料上積累的矯正技術(shù)應(yīng)用于1700MPa級(jí)材料，以改善其平直度。圖5、圖6展示了拉伸矯直機(jī)矯正前后平直度的變化以及矯正后的外觀。平直度指標(biāo)采用將鋼板沿軋制方向切割成長(zhǎng)度為500mm后，放置在平板上時(shí)的最大翹曲高度。通過(guò)拉伸矯直機(jī)進(jìn)行形狀矯正后，翹曲高度降低，獲得了良好的平直度。開發(fā)鋼和1470MPa級(jí)材料的平直度在縱向大致呈一定形狀。此外，水淬時(shí)不僅會(huì)產(chǎn)生形狀不良，還會(huì)在板面內(nèi)形成較大的殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致從鋼卷上切割落料時(shí)發(fā)生較大變形。通過(guò)拉伸矯直機(jī)矯正，殘余應(yīng)力能夠得到充分降低，所開發(fā)的1700MPa鋼的特點(diǎn)是切割落料時(shí)變形較小。
5結(jié)語(yǔ)
為滿足更高強(qiáng)度的需求，本文介紹了神戶制鋼新開發(fā)的1700MPa級(jí)馬氏體鋼板在成分、組織控制方面的設(shè)計(jì)思路、主要特性，以及在平直度改善方面所做的工作。該鋼板不僅彎曲加工性和抗延遲斷裂性良好，通過(guò)矯正還具備優(yōu)異的平直度。
