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从汽车轻量化趋势看JFE高强度钢研发进展
2020-08-01 11:35:20 点击数：
刘成
为满足人们日益增长的美好生活需要，燃油效率和排放相关法规要求日趋严格，而汽车的二氧化碳排放量与其重量成正比，因此，减轻汽车重量成为实现碳减排的一大关键。即使是对相对绿色环保的电动汽车来说，由于需要安装100千克~200千克重的电池，推动车身轻量化，也有助于其进一步提高燃油效率，延长续航里程。由于汽车60%以上的重量是钢制零件的重量，推广使用高强度钢可以有效减轻汽车重量。近10年来，抗拉强度超过980兆帕级的高强度钢应用不断取得突破，本文将以日本JFE钢铁为例，介绍汽车轻量化、高强度钢的研发进展。
不同年份和用途的汽车用钢强度变化
图1展示了汽车部件用钢的抗拉强度。图1中的灰色区域表示2007年汽车部件用钢的抗拉强度，深色区域表示近10年汽车部件用钢的抗拉强度。此前汽车外板多使用抗拉强度为340兆帕的钢板，但目前已呈现出使用440兆帕级钢板的倾向。由于在汽车外板制造中使用的440兆帕级钢板厚度仅为0.6毫米，如何保持足够的刚度和抗凹陷性能是一大关键。
目前汽车吸能部件多使用有良好加工硬化性能的440兆帕级~780兆帕级钢板，后期将倾向于采用抗拉强度超过780兆帕的高强度钢板。
对于保护车厢内乘客的支柱、摇臂和其他部件来说，目前多使用590兆帕级~1180兆帕级的高强度钢板。这样的话，即使是在较大的碰撞载荷下，也能有效防止变形。另外，目前通过热冲压成型工艺生产的高强度汽车部件数量也在增加。热冲压成型工艺通过将钢板加热到950摄氏度左右并用模具进行淬火来获得热冲压成型高强钢。汽车保险杠和防撞梁早期使用高强度钢板，现已开始使用热冲压成型高强钢。
与冷冲压成型工艺相比，热冲压成型工艺具有明显优势，不仅可以得到超高强度的汽车部件，而且成型性相对较好，部件表面硬度、抗凹性和刚度好。不过，热冲压成型工艺也存在一些缺点，比如，生产节奏相对较慢、制造成本较高、受形状限制等。电阻点焊过程中的液态金属所致脆化（LME）、延迟断裂和模具寿命较短是这两种工艺共同存在的问题。
JFE汽车用高强度钢的轻量化和高韧性
多年来，JFE钢铁积极推进各种高强度钢板的技术开发、优化和应用。本文将对JFE钢铁开发出的汽车面板用高强度冷轧钢和镀锌钢（440BH）、结构件用冷轧钢板和可改善成型性的表面处理技术进行介绍。
汽车面板用高强度冷轧钢和镀锌钢（440BH）
图2显示了用于汽车面板的BH（烘烤硬化）钢在生产过程中屈服强度的变化。这些钢板因冲压成型而表现出加工硬化，同时由于涂料烘烤的热量而时效硬化。在压制成型中，可通过降低屈服强度获得优异的表面质量。与常规340BH和普通440W钢板相比，440BH的屈服强度低于440W，与340BH大致相同；经烘烤处理后的440BH屈服强度高于340BH，接近440W。考虑到抗凹陷性与厚度的1/2次方成正比，使用440BH钢代替340BH钢，可使厚度减小0.05毫米。440BH钢的低屈服强度归因于铁素体基体中的马氏体含量少。
然而，使用高强度钢并不一定能提高刚度，因为刚度仅由板厚和杨氏模量（描述固体材料抵抗形变能力的物理量）决定。因此，JFE钢铁开发出一种提高面板刚度的新技术，具备了轻量化高性能面板零件生产能力。
结构件用冷轧钢板
为防止钢板出现面内开裂和剪切边开裂的情况，汽车结构件必须具有较高的成型性。高强度钢板的这些性能可以用延伸率和扩孔率来表示。延伸率（EL）是当钢板以凸起形状（称为拉伸成型或凸起成型）成型时的可成型性指标。扩孔率（λ）是钢板剪切边成型性的一个指标，表示为在冲孔时扩孔到钢板边缘产生裂纹时的孔径增加量。对于这两个指标来说，数值越高表示成型性越高。
JFE钢铁通过精细的微观结构控制开发出了高成型性钢板，形成了名为JEFORMATM的产品阵容。其中，1型产品具有比普通钢板更高的延伸率（EL）和出色的拉伸成型性（深冲）。2型产品比1型产品具有更高的扩孔率（λ）和出色的拉伸凸缘性。3型产品比1型产品具有更高的延伸率，并可进行更深的拉伸。通过开发该系列产品，JFE钢铁可实现复杂汽车零件的生产。
改善成型性的表面处理技术
高强度钢的延伸率不可避免地低于低强度钢。JFE钢铁开发了一种汽车用高润滑热浸镀锌层（JAZTM），可补偿因延伸率低而导致的可成型性降低，减小钢板与模具间的摩擦阻力，旨在改善低碳钢的可成型性。目前，该技术已实现广泛应用，可有效应用于高强度钢板。
使用了JAZTM的热镀锌钢板的拉伸程度高于不使用JAZTM的热镀锌钢板。拉伸程度随钢板延伸率的增加而线性增加。
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