高性能汽车用钢及其应用技术的研发

　　近几年，为应对地球温暖化引发的CO2减排要求，既保证车体安全性又提高燃料利用率的技术研发就成为汽车行业的一项最重要的研究课题。另外，为应对世界各国日益严格的环境法规的要求，汽车工业的环保技术开发也有了很大进展。同时，降低汽车制造成本的各种技术也在不断地进步。作为钢铁企业必须进一步开发延性、拉伸凸缘性、焊接性优良的高强度薄钢板，冷锻性优良的中、高碳钢棒，这些高强度钢的成型新技术、焊接接头性能提高技术，以焊接区为重点的耐腐蚀技术、超高强度钢氢脆抑制技术都将是钢铁业重点研究的领域。

　　1汽车领域相关的技术开发

　　1.1 提高车体安全性和燃料利用率技术

　　提高汽车的车体安全性和提高燃料利用率是两个相互矛盾的要求，日本新日铁公司作为汽车用钢生产企业，为同时满足这两项要求开展了一系列的研发工作。

　　1）提高燃料效率和提高冲撞安全性技术

　　影响汽车燃料效率的因素很多，除了提高发动机效率和采用新的动力系统，减轻车体重量在任何情况下对提高燃料效率都是有效的。因此，一方面扩大铝合金、树脂等低比重材料在汽车上的应用，一方面通过提高强度，实现汽车用钢的减薄化。汽车抗冲撞能力的大小主要是由汽车的骨架结构件来决定的，因此，新日铁对汽车骨架部件的高强度化开展了研究。

　　钢板的成型性可以按4种变形方式的成型性进行分析：钢板的厚向异性指数（r值）决定的深冲成型性、延性（加工硬化率）决定的胀出成型性、与局部变形能有关的拉伸凸缘成型性和弯曲成型性。钢的高强度化一般会导致这些成型性下降，从而降低了部件形状设计的自由度。因此，迫切要求开发出不降低成型性的高强度钢板。一般来说，提高高强度钢板的r值是比较困难的，所以以延性、拉伸凸缘性和弯曲性为重点，对提高高强度钢板的特性开展了研究。

　　前后冲撞安全性所要求的塑性变形吸收冲击能随钢材强度提高而增大，但另一方面，钢材强度越低，冲压成型性越好。因此，要求钢板在冲压时柔软，在使用时刚硬，即要求这种钢板的强度具有较大的应变速率依赖性。钢板强度对应变速率依赖性随强度升高而降低，但软质铁素体作为变形主体的复相钢，其强度对应变速率依赖性大于析出强化等传统钢。软质铁素体和硬质第2项的复合化有利于延性的提高。因此，这种钢适于制作形状复杂的承受前后冲撞的部件。

　　代表性的复相组织钢板是铁素体+马氏体的双相钢（DP钢），进一步提高延性的钢板是在铁素体和贝氏体中弥散分布着残余奥氏体的低合金TRIP钢板。图1是冲压成型性指标延性和方形筒体压溃吸收能的关系。复相组织钢板显示出良好的延性和较大的冲击吸收能。复相组织钢板具有较大冲击吸收能的原因一方面是软质铁素体的存在，另外也与较大的烘烤硬化性，以及低合金TRIP钢在高速变形时残余奥氏体向马氏体的转变有关。

　　对于侧面冲撞安全性部件的要求是具有很高的强度，为此新日铁开发出780MPa、980MPa甚至1180MPa级超高强度钢板。对于这些钢板要求具有良好延性的同时，还要求有良好的拉伸凸缘性，良好的拉伸凸缘性可使钢板切断断口部位具有良好的成型性和弯曲性。提高拉伸凸缘性最重要的是钢板微观组织的均匀性。对于复相组织钢来说，减少各相间的硬度差是有效的，这一点与提高延性相反。此外，高强度钢板用于车体下部部件时还要求具有良好的耐蚀性。为满足这一要求，对上述各种高强度钢板进行合金化镀锌以提高耐蚀性。

　　对于侧面冲撞安全性部件和保险杠等要求更高强度的部件，采用模压硬化技术，将钢板加热到奥氏体化温度，冲压入模具并进行淬火，以提高部件强度。模压硬化技术可使部件强度达到1500MPa。采用这种成型方法，为使成型后的部件硬度波动小，在钢的成分设计时，应注意选用适宜的成分，使部件部位不同造成冷却速度的差异不会对硬度产生影响。此外，由于是在模具拘束状态下进行的马氏体相变，残余应力得到释放，在高强度条件下使部件仍具有很高的形状稳定性，这也是模压硬化技术的一个优点。新日铁对模压硬化成型的解析技术进行了开发，在成型解析中包括了钢板力学性能、摩擦系数随温度的变化以及成型件与模具之间的热传导等因素对成型的影响。

　　2）高强度钢板的应用技术

　　在将高强度钢板用于冲撞安全性部件时，要求有高精度冲压成型技术和良好的接合技术。为了弥补高强度化导致的成型性下降，在提高钢板延性和拉伸凸缘性方面不断地努力，由于部件形状稳定性与变形应力和弹性模量有很大关系，所以从高强度钢板材质方面避免成型性下降有一定困难。

　　提高部件形状稳定性的技术有：①通过调整模具间隙量和凸模圆角，利用间隙内发生的反弯曲的技术；②在冲压成型后期，利用可变刚性筋冲头提高BHF，对部件纵壁施加张力的技术；③施加板厚方向应力的技术；④采用降低抗拉强度的中温成型技术；⑤采用冷弯成型和二次拉延成型技术。冷弯折成型不用压边圈施加防皱压力，冲模肩部处的弯曲变形小，可以抑制成型件侧壁翘曲，但有产生裂纹的危险性。在冷弯成型的下死点前施加张力，将张力施加到冲压件纵侧壁的成型方法是二次拉延成型。通过改进成型方法可以使高强度钢板部件具有良好的成型性。

　　在表征冲撞安全性的吸收能和变形特性方面，接合部的质量与材料本身的特性具有同样的重要性。在汽车装配中常常使用点焊焊接方法，此外还使用激光焊、粘接、机械咬合以及底盘的电弧焊等接合方法。钢的高强度化会导致点焊焊接区剥离强度的降低，因此在采用高强度钢时必须对此给予注意。将接合方法由点焊改为激光连续焊可以抑制方形筒体压溃时凸缘部的变形，从而提高冲撞吸收能。

　　3）其他轻量化措施

　　除了车体骨架结构，对汽车其他部件也采取轻量化措施，以提高燃料效率。汽车车轮部件是采用较厚热轧钢板制作，因此，要求钢板具有良好的延性和拉伸凸缘性，此外，由于支撑车体重量的车轮在行驶时要承受各种力矩的作用，所以要求车轮具有良好的耐疲劳性，以及在苛刻环境条件下的耐腐蚀性。汽车底盘部件广泛采用440MPa级钢板。目前，新日铁已经开发出轮盘轻量化用590MPa、780MPa级DP钢、高拉伸凸缘性540MPa级以上高拉伸凸缘性热轧钢板，正在推进这些开发钢的实用化。最近还开发出固溶强化的低碳780MPa级热轧钢板，钢板的组织是硬度差别小的铁素体+贝氏体双相组织，适用于底盘下梁。这种钢不仅有良好的延性和拉伸凸缘性，而且由于强度提高，耐疲劳性也相应提高。

　　高强度钢帘线在高性能轻量化的钢子午线轮胎中具有重要作用。1970年直径0.2mm钢帘线的强度为2800MPa，1998年就达到4000MPa。实现这个极限高强度的方法是：①对铅浴淬火后的珠光体组织进行控制，使钢具有高强度和加工硬化性；②提高钢的表面润滑性和改进模具，增大拔丝变形量；③提高钢的均匀变形能力，增加拔丝加工时的加工硬化率。这些方法的前提条件是利用高洁净钢制造技术将钢中的中心偏析和非金属夹杂物降低到极限程度。

　　阀簧是使发动机阀门动作，控制发动机吸气、排气的精密弹簧。为实现发动机轻量化，对阀簧提出了高强度化的要求。提高阀簧强度的方法是：细化非金属夹杂物并控制其形态、氮化处理提高阀簧表面硬度、喷丸处理对阀簧附加残余压缩应力。为使氮化处理有显著效果，在钢成分设计上应使钢在氮化温度下具有抗软化能力（内部硬度不降低）。为此，新日铁开发出添加Cr、V、Mo的阀簧用钢，开发钢阀簧的疲劳强度比传统阀簧提高了35%以上。由于硬度升高会增加对瑕疵的敏感性，所以采取提高钢的延性等措施是十分重要的。

　　齿轮是汽车变速箱等传动系统的重要部件，在汽车重量中占有很大比例，AT、CVT等变速机结构改进时，都力图采用高强度钢达到结构轻量化和紧凑化。对齿轮的强度要求有齿根疲劳强度和齿面强度（抗剥蚀强度）。钢在渗碳时形成的表面异常层（晶界氧化层和不完全淬火层）对渗碳钢的弯曲疲劳强度有不利影响，减少钢中Mn等氧化倾向强的元素含量，可以提高渗碳钢弯曲疲劳强度。提高齿轮钢的抗剥蚀强度的有效方法是在钢中添加Cr等元素，提高钢的回火软化抗力。在上述思路的基础上，新日铁开发出具有高齿根疲劳强度和齿面抗剥蚀强度的高强度齿轮钢。喷丸处理对齿轮附加残余压缩应力也是一种提高齿根疲劳强度的有效方法。经气压喷射法硬质喷丸处理的高强度齿轮钢的弯曲疲劳强度比喷丸处理的现行钢材提高30%以上。

　　1.2 提高环保性部件的汽车用钢

　　1）气体排放部件用钢

　　关于气体排放的环境保护法规对一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、黑烟、粒子状物质等大气污染物的排放做了限制性规定。

　　为了减少汽车排气对大气的污染，在汽车上安装了触媒转换器排气净化系统，该系统可将碳氢化合物和一氧化碳转换为二氧化碳，将NOx转换为氮和氧。触媒载体用的是陶瓷载体和铁素体不锈钢金属载体。金属载体热冲击性差、热容量小。金属载体铁心要求具有良好的高温特性和抗氧化特性，为解决这个问题，新日铁开发出Fe-20%Cr-5%Al钢，开发钢提高了氧化膜的密着性，已经作为载体铁心不锈钢得到实际应用。

　　排气系统其他部位也使用各种不同的不锈钢。例如排气集管、触媒转换器前管、触媒转换器中管等使用的是具有良好高温特性和耐蚀性的铁素体不锈钢和加工性良好的奥氏体不锈钢。

　　2）无Pb化钢的开发

　　环境保护有关法规对环境污染和有害人体健康的化学物质的使用做了限制性规定，代表性的物质是Pb。

　　传统的汽车油箱用材是使用性能良好的Pb-Sn合金镀层钢板。要求油箱用钢具有的特性是：①保证油箱里面耐汽油腐蚀；②保证油箱外面耐盐腐蚀；③可进行钎焊和电阻焊；④良好复杂形状的成型性。新日铁开发出符合上述要求的，加工性与传统油箱用钢一致，且耐久性更优良的热镀Sn-Zn钢板。镀层的Zn含量为7%-9%，Zn弥散分布在镀层中，使镀层中的Zn发挥牺牲阳极的作用，同时镀层中的Sn发挥提高延性和耐蚀性的作用。为了降低钢的制造成本，新日铁开发出在热镀锌钢板（GI）上电镀耐变质汽油腐蚀性良好的Ni的双镀层钢板，这种钢板在低负荷腐蚀环境下，与Pb-Sn镀层具有同等的特性。

　　利用Pb可以提高钢的切削性。Bi和S被提出作为提高切削性元素，但在可锻性和疲劳特性方面还有一定问题，目前尚不能说是Pb的替代元素。在这种情况下，通过对MnS形态和尺寸进行控制，新日铁开发出不含Pb的力学性能良好的易切削钢。在这类钢中S含量从传统易切削钢的0.02% 增加到0.15%，不改变MnS颗粒的尺寸和长宽比，仅增加MnS颗粒的数量，就获得良好切削性的无Pb高强度易切削钢，对这种钢进行深钻孔时，切削阻力和钻头寿命与传统易切削钢钻孔情况相同，抗拉强度和疲劳强度也与传统高强度易切削钢相同。

　　1.3 促进降低汽车制造成本的相关技术

　　新日铁作为汽车用钢制造厂，为与汽车制造厂建立双赢的关系，在进行降低汽车制造成本的技术开发，促进汽车制造厂提高竞争力方面作出了诸多努力。

　　1）成型性计算机辅助工程（CAE）技术开发

　　利用CAE技术对各种塑性加工工艺进行研究，可以减少汽车制造工艺最佳化所进行实验的次数、可以缩短开发周期、可以减少模具的修正次数，因此具有显著的经济意义。在利用CAE进行研究时，最重要的是建立各个不同材料的数学模型和运用FEM进行分析。如果没有CAE技术，上述高强度钢的应用是很难实现的。

　　如果在冲压成型前，可以对冲压部件发生裂纹或皱折的现象进行预测，那么在模具制作前就可以对模具形状进行调整，使之达到最佳化，从而大大减少了工艺实验量。通过将表示各种变形模式的成型极限曲线（FLD）与FEM解析得到的应变进行比较，可以对冲压成型裂纹进行判断。但是，当冲压成型的变形路径发生变化时，不能直接应用比例负荷时的FLD。针对这个问题，新日铁提出了应力FLD方法，利用应力FLD即使变形路径发生变化也可以用同一个FLD对冲压裂纹进行判断。利用应力FLD方法不仅可以对冲压成型时的破断进行预测，而且可以对冲撞时的破断进行预测。

　　扩孔试验是传统的拉伸凸缘性评价方法，但在实际部件成型过程中常常出现因应变梯度而发生的破断，这一点与扩孔试验情况是不同的。针对这种情况，新日铁提出了一种试验方法，即用不同的凸缘翻边半径和翻边高度的试样测定出钢板的拉伸凸缘成型性，并做出拉伸凸缘成型的成型极限曲线，将该曲线与部件成型形状进行比较，判定是否产生裂纹。

　　在高强度钢板的应用中，提高部件形状的稳定性是非常重要的。如上所述，已开发出各种提高部件形状稳定性的成型技术。如果能够在冲压加工前通过FEM解析对部件形状的回弹进行预测，就可以在成型前改进加工方法和调整部件形状。对于承受弯曲变形的部位，应考虑到包辛格效应和应力卸载时表观弹性模量下降对回弹的影响（见图2）。

　　CAE技术运用成功的一个实例是汽车冲撞特性的评价。在利用CAE技术进行汽车冲撞特性评价中，根据对各种车体用钢的高速变形特性，对部件的压溃特性进行解析，提出材料的最佳配置和最佳形状方案。实际车体冲撞时，点焊区的破断对冲撞能量的吸收会产生影响，而点焊区的破断受到钢板材质、板厚、焊接条件、部件形状等多个因素的影响。新日铁开发出利用应力集中系数描述点焊破断现象的方法，在该方法中的应力集中系数考虑了焊核周围的变形拘束情况。该方法显著提高了解析精度。

　　2）降低汽车制造成本的技术开发

　　除了上述的CAE技术，新日铁还开发出降低制造成本的各种技术。汽车制造成本降低的措施之一是一体化成型，以减少模具数量和部件接合线的长度。

　　新日铁通过细化高纯度钢热轧钢板晶粒和析出物控制开发出高r值和高n值的外面板等形状复杂的汽车部件用钢板。由于汽车不同部位对耐蚀性和板厚的要求不同，为此新日铁开发出事前将不同部位所用钢板焊接在一起，可进行一体化成型的钢板拼焊技术（TB）。拼焊焊接中采用的焊接方法有激光焊接、压平缝焊接和等离子焊接等。拼焊板成型时由于板厚和强度的差异，常常发生变形向一侧钢板集中的现象。对此，新日铁开发出事前预测拼焊板成型变形情况的FEM技术。

　　在钢管成型方面新日铁开发出液压成型工艺，对钢管施加内压的同时，沿钢管轴向施加压缩力，使钢管成型为复杂的形状，该工艺由于减少了部件个数，大大缩短了部件接合的焊接线长度。该技术已经成功用于发动机拖架等多种部件的制造。

　　普遍使用的GA等镀层钢板有时会发生表面与成型模具发生粘结导致成型性下降的现象。为解决这个问题，新日铁开发出Mn-P系无机高润滑涂膜。在钢板上涂敷这种涂膜提高了钢板的成型性和冲压生产效率，并减少了冲压模具的检修次数。这种涂膜还适用于低档次的薄板，为降低汽车制造成本做出了贡献。

　　在降低汽车制造成本方面，对汽车驱动系统的齿轮等部件加工工艺改进也提出了迫切要求。通常的齿轮制造流程是，对机械结构用合金钢热轧棒材进行热锻粗加工后，通过机械加工成要求的形状，然后进行渗碳淬火表面硬化处理。降低齿轮制造成本的关键是采用冷锻工艺和改变表面硬化的热处理方法。

　　齿轮的加工费用占其成本的一大半，简化切削加工降低切削成本是迫切需要解决的问题。与热锻相比，冷锻锻件具有高精度的形状和良好的表面性状，可大大减少齿轮的切削加工量。在用冷锻方法制造齿轮时，冷锻前需对钢料进行软化退火处理。新日铁采用低温轧制和轧后加盖缓冷的方法，使轧材软质化，开发出可省略软化退火工序的软质冷锻用钢（见图3）。低温轧制是厚钢板高强度化所采用的一种工艺方法，新日铁将低温轧制用于冷锻钢棒线材制造是一种全新的软质化方法。

　　新日铁利用成分优化和TMCP工艺相结合的方法，开发出进一步软质化的、可省略球化退火的冷锻齿轮用钢。钢的开发原理是利用TMCP工艺，抑制轧制状态下贝氏体的生成，使钢成为铁素体+珠光体组织的软质钢，钢中添加B和进行低温轧制增加了铁素体分量，进一步促进了钢的软质化。此外，B的添加可有效提高钢的淬透性，提高最终产品的晶界强度，从而使疲劳强度提高。如图4所示，轧制状态开发钢的冷变形抗力等于或小于传统的球化退火钢（SA钢）。

　　此外，新日铁利用TMCP工艺与球化退火相结合的方法，开发出具有优良延性的冷锻钢，这种钢适用于延性是锻造过程决定因素的冷锻用钢。

　　冷锻状态渗碳时容易发生晶粒粗大的现象是冷锻用钢另一个需要解决的问题。产生这种现象的原因是，冷锻加工使原始奥氏体晶粒细化，导致渗碳时异常晶粒长大驱动力的增加。为解决这个问题，新日铁将AlN、Nb(CN)、TiC等弥散析出物作为钉扎粒子，开发出可防止渗碳时晶粒粗大化的冷锻用钢。

　　降低齿轮制造成本的一个有效途径是改变齿轮表面硬化热处理的方法。齿轮通常采用渗碳淬火法进行表面硬化热处理，但为了提高在线生产效率，采用齿轮高频表面淬火法替代传统的渗碳淬火法。高频表面淬火法通过超快速加热沿齿轮表面轮廓形成硬化层，在齿轮表面产生很大的压缩残余应力，使0.53%C的中碳钢也能具有很高的弯曲疲劳强度。高频表面淬火法要求被处理钢在超快速加热条件下具有均匀固溶化的特性，新日铁开发出具有这种特性的高频表面淬火用钢。

　　3）高强度钢接合技术开发

　　钢板高强度化会导致点焊区剥离强度的下降。汽车冲撞时点焊区是否发生破断对吸收冲撞能有很大影响。因此，需要开发高剥离强度的接合技术。用弹塑性断裂力学方法研究点焊接头十字拉伸试验得出的结论是，钢板高强度化导致点焊接头韧性下降是点焊接头剥离强度降低的原因。新日铁开发出在通电进行点焊之后，再进行第2次通电加热的点焊方法，提高了点焊接头的剥离强度。其原因是第2次通电加热使点焊区凝固组织中的杂质偏析程度减小，从而提高了点焊区的韧性。

　　在汽车制造中如采用高强度钢板以达到减少加强部件的目的，就要采用薄的外面板和2张厚的高强钢板的结构，因此要进行3张钢板的接合。采用点焊接合时，由于热量向水冷铜电极传递，很难在薄的外面板和厚的高强钢板的界面上形成熔核。为解决这种3张钢板组合部件的接合问题，新日铁开发出在2张厚钢板之间采用点焊，外板和厚板之间用远距离激光焊进行焊接的方法。

　　另一方面，由于在焊接时使钢板熔融，所以无论怎样降低焊接热量，钢板的组织都会发生变化，为此，新日铁对高强度钢板隐蔽式铆接机械接合法进行了研究，目前已经确认，这种机械接合方法，保持了钢板的强度，并且钢板强度越高，剥离强度也越高。

　　2汽车用钢的未来发展动向

　　2.1 HV、EV进入市场

　　在论及汽车今后的发展方向时，应对汽车动力源的变化给予特别关注。在汽车领域将会出现传统的活塞式燃油发动机汽车、燃油发动机和电动机的混合动力车（HV）、单一电动机的电动汽车（EV）。燃油发动机又有汽油发动机和欧洲普遍使用的柴油发动机。此外，还有将乙醇混合到汽油中以减排CO2的做法。在电动机电力供给方面，是采用电池供电，还是利用氢直接发电目前尚不明确，但CO2减排和减少化石燃料用量已经日益受到人们的重视。为适应这种发展趋势，电机用电工钢板、电池及电动机周围机械用钢将会进一步发展。

　　对电动机用电工钢板的主要要求是高磁感应强度和低铁损，高磁感应强度是汽车启动和低速行驶时电动机大扭矩的要求，低铁损是汽车高速行驶时电动机高速转动时的要求。随着混合动力车、电动汽车的增加，新日铁开发出高功能电动机用电工钢板并实现了实用化（见图5）。此外，发动机高速运转要求电工钢板高强度化，为适应这种需求，新日铁开发出铁损无明显降低的高屈服强度电工钢板。

　　2.2今后的展望

　　混合动力车、电动汽车不断增加无疑是今后的发展趋势，但活塞式燃油发动机汽车仍是目前的主流汽车。混合动力车、电动汽车用的电池的低成本化和充电系统等基础设施的建设对混合动力车、电动汽车的发展速度起着重要作用。

　　此外，对于各种动力车来说，节能（提高燃料效率）和提高冲撞安全性都是永恒的课题。因此，今后的汽车产业将与以前一样，在实现其经济性的同时，将进一步实现轻量化、进一步提高冲撞安全性。为此，汽车用材将进一步高强度化，汽车结构将进一步合理化。因此，必须进一步开发出成型性和应用性更加优良的高强度钢,并提高高强钢的应用技术水平。

　　作为钢铁企业必须进一步开发延性、拉伸凸缘性、焊接性优良的高强度薄钢板，冷锻性优良的中、高碳钢棒，这些高强度钢的成型新技术、焊接接头性能提高技术，以焊接区为重点的耐腐蚀技术、超高强度钢氢脆抑制技术。此外，由于汽车是钢材和铝材、钛材、塑料等多种材料复合构成的结构体，所以还要进一步开发与其相关的各种技术（如成型技术、接合技术、耐腐蚀技术等）。

信息来源：《世界金属导报》