汽車(chē)車(chē)輪用沖壓鋼板成形性能研究

文/董瑞峰·內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

汽車(chē)車(chē)輪用沖壓鋼板成形性能研究

文/董瑞峰·內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

一輛汽車(chē)中鋼板的重量約占整個(gè)車(chē)體重量的83%以上，因此采用低合金高強(qiáng)度鋼板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低碳鋼板，對(duì)于提高汽車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減輕汽車(chē)質(zhì)量、降低油耗都具有非常重要的意義。早期的低合金高強(qiáng)度鋼板，常采用固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化等手段，雖然也達(dá)到了強(qiáng)化的目的，但卻犧牲了塑性，給構(gòu)件成形帶來(lái)了困難。雖然在鋼板成形工藝上也作了許多努力和改進(jìn)，但屈服強(qiáng)度大于450MPa的低合金高強(qiáng)度鋼板的成形問(wèn)題仍然難以解決。隨著汽車(chē)減重和安全性要求的不斷提高，汽車(chē)用鋼材的選擇正面臨更大的挑戰(zhàn)。汽車(chē)減重主要通過(guò)減薄來(lái)實(shí)現(xiàn)，許多新鋼種的研發(fā)計(jì)劃集中在開(kāi)發(fā)具有良好成形性能的先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼。這類(lèi)鋼在保持或改善抗沖擊性能的同時(shí)，也為車(chē)身的減重提供了巨大的潛力。雙相鋼（Dual-phase Steel）是指主要由馬氏體和鐵素體所構(gòu)成的高強(qiáng)度高延性低合金鋼。由于雙相鋼具有低屈服點(diǎn)、高抗拉強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比、高初始應(yīng)變硬化率以及強(qiáng)度和延性良好配合等優(yōu)點(diǎn)，因而成為制造汽車(chē)用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件的理想材料。二十多年來(lái)，雙相鋼產(chǎn)品在美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家已大量應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)。

在已經(jīng)開(kāi)發(fā)的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板系列化產(chǎn)品中，高強(qiáng)度雙相鋼在汽車(chē)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用面最寬。DP280/600、DP300/500、DP350/600、DP400/700、DP500/800和 DP700/1000等不同強(qiáng)度級(jí)別雙相鋼可用于制造各種汽車(chē)輔助構(gòu)件、車(chē)身結(jié)構(gòu)件、封閉件、底盤(pán)件和車(chē)輪。而在這些結(jié)構(gòu)件中，尤其以轎車(chē)、卡車(chē)車(chē)輪用量最大。根據(jù)生產(chǎn)工藝不同，雙相鋼又分熱軋雙相鋼、冷軋雙相鋼、熱鍍鋅雙相鋼等，其中熱軋雙相鋼由于規(guī)格較厚，主要用于制作轎車(chē)和卡車(chē)的車(chē)輪、橫梁、縱梁等結(jié)構(gòu)件，而冷軋雙相鋼和熱鍍鋅雙相鋼主要用于車(chē)門(mén)防撞橫梁、轎車(chē)保險(xiǎn)杠等加強(qiáng)件。下面重點(diǎn)介紹用于制作汽車(chē)車(chē)輪的熱軋雙相鋼DP590的組織、性能特點(diǎn)。

雙相鋼的組織特征

雙相鋼的組織是在較軟的鐵素體基體上彌散分布著少量強(qiáng)化相馬氏體或貝氏體。強(qiáng)化相賦予材料高的抗拉強(qiáng)度，鐵素體基體賦予材料良好的塑性和韌性。研究結(jié)果表明，雙相鋼的顯微組織隨其化學(xué)成分和獲得雙相組織的方式而有所不同。已獲得的雙相鋼組織有無(wú)序組織和定向纖維組織兩大類(lèi)。目前發(fā)展的雙相鋼基本上都是無(wú)序組織的雙相鋼，可將無(wú)序的組織分為彌散分布組織、纖維狀雙相混合型組織、高位錯(cuò)亞晶結(jié)構(gòu)型組織三種情況，最為常見(jiàn)的是彌散分布型雙相組織。

圖1為硝酸酒精溶液腐蝕的厚度4～11mm雙相鋼DP590光學(xué)顯微組織照片，雖然不能區(qū)分鐵素體和馬氏體相，但可以清晰地測(cè)出雙相鋼中鐵素體晶粒細(xì)小、均勻。

圖1 雙相鋼DP590經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕光學(xué)顯微組織

雙相鋼的性能特點(diǎn)

由于雙相鋼有相變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化及利用殘留奧氏體等強(qiáng)韌化手段，使其具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

⑴雙相鋼具有很好的強(qiáng)度和塑性匹配，具有較低的屈強(qiáng)比（Rp0.2/Rm）、較高的均勻延伸率和高的初始加工硬化率。低的屈服強(qiáng)度使沖壓構(gòu)件易于成形，回彈小，同時(shí)沖壓模具的磨損也較小。無(wú)屈服延伸，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈平滑的拱形，可避免成形零件表面起皺，因而不需要附加的精整軋制或其他附加操作。高的抗拉強(qiáng)度可以使構(gòu)件具有較高的帽形機(jī)構(gòu)壓潰抗力、撞擊能量吸收能力和疲勞強(qiáng)度。雙相鋼與相同強(qiáng)度級(jí)別低合金高強(qiáng)度鋼相比均勻延伸率和總延伸率較大，其均勻延伸和總延伸率可提高1/3甚至1倍。雙相鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線的最大載荷附近有平坦區(qū)，并覆蓋了較寬應(yīng)變范圍，表明雙相鋼在單向拉伸時(shí)形成的縮頸是擴(kuò)散的。雙相鋼具有高的初始加工硬化率，如果以0.2%應(yīng)變的條件變形抗力來(lái)判斷，屈服強(qiáng)度為280～350MPa的雙相鋼并非是高強(qiáng)度鋼，然而由于其初始加工硬化率高，在應(yīng)變達(dá)到3%～4%以后，雙相鋼變形抗力一般可達(dá)500～550MPa。因此，只需較小變形，就可使由雙相鋼制成的沖壓構(gòu)件的變形抗力達(dá)到低合金高強(qiáng)度鋼的水平，從而使雙相鋼構(gòu)件可像低合金高強(qiáng)度鋼一樣使用。

⑵雙相鋼板材具有沿板面縱向與橫向力學(xué)性能差異小的特點(diǎn)，即具有良好的各向同性。

⑶雙相鋼具有良好的抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能，這是由于處于鐵素體中的高硬度的強(qiáng)化相阻止了裂紋的擴(kuò)展，從而提高了雙相鋼的沖擊韌性。

⑷雙相鋼具有良好的焊接性能。這種鋼具有適中的淬透性，焊點(diǎn)強(qiáng)韌性配合較好。其成分設(shè)計(jì)采用了低的碳當(dāng)量和裂紋敏感系數(shù)，從而使其具有較好的焊接性能。雙相鋼顯微組織對(duì)點(diǎn)焊引起的軟化并不敏感，低的屈強(qiáng)比可以保證材料在低于斷裂應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)塑性變形，從而使焊點(diǎn)周?chē)膽?yīng)力集中影響減小。

拉伸性能

實(shí)測(cè)熱軋雙相鋼力學(xué)性能見(jiàn)表1。屈服強(qiáng)度取均勻變形最初0.2%處的應(yīng)力值（Rp0.2），可以看出，從4.0～11.0mm所有規(guī)格鋼帶力學(xué)性能，均滿(mǎn)足日本標(biāo)準(zhǔn)JIS G 3134：2006 中SPFH590Y的各項(xiàng)指標(biāo)要求。不同厚度規(guī)格鋼板屈服強(qiáng)度均大于325MPa，抗拉強(qiáng)度大于590MPa，尤其延伸率均在30%以上，遠(yuǎn)大于厚度6mm的日本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的延伸率要求，各規(guī)格強(qiáng)塑積高達(dá)18000～20825MPa%，說(shuō)明材料兼具高強(qiáng)度和高塑性的特點(diǎn)。

表1 熱軋雙相鋼力學(xué)性能

圖2 雙相鋼拉伸試驗(yàn)載荷—位移關(guān)系曲線

圖3 雙相鋼DP590冷彎照片

雙相鋼拉伸試驗(yàn)載荷—位移關(guān)系曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，拉伸曲線上無(wú)屈服平臺(tái)，具有較快的初始硬化速率，表明鋼帶具有良好的沖壓成形性能。

工藝性能

厚4mm，寬60mm的雙相鋼DP590冷彎試驗(yàn)照片，如圖3所示。試驗(yàn)鋼帶經(jīng)寬冷彎后未出現(xiàn)任何微裂紋，具有良好的冷加工成形能力。

沖擊韌性

不同厚度規(guī)格雙相鋼系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示。厚度為6～10mm鋼帶沖擊試樣尺寸為5mm×10mm×55mm，厚度為11.0mm鋼帶沖擊試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，實(shí)驗(yàn)方向?yàn)榭v向。由圖4可見(jiàn)，6～10mm鋼帶在-60℃時(shí)沖擊功仍然大于69J，11.0mm鋼帶在-40℃時(shí)沖擊功值仍大于50J，表明試驗(yàn)鋼帶均具有良好的低溫沖擊韌性。

圖4 不同厚度規(guī)格雙相鋼系列溫度沖擊韌性

厚度為6mm的雙相鋼DP590沖擊斷口掃描照片，如圖5所示。掃描電鏡分析結(jié)果從0℃～-40℃均全部為韌窩，-60℃時(shí)準(zhǔn)解理面約占30%，說(shuō)明試驗(yàn)鋼的韌脆轉(zhuǎn)折溫度低于-60℃，同時(shí)表明試驗(yàn)雙相鋼具有良好的沖擊韌性。

圖5 沖擊試驗(yàn)斷口掃描形貌

雙相鋼的應(yīng)用

雙相鋼在轎車(chē)車(chē)輪中的應(yīng)用

圖6為熱軋雙相鋼制作的轎車(chē)車(chē)輪照片。用4.0mm厚熱軋雙相鋼制作的轎車(chē)車(chē)輪，沖壓合格率為100%，且動(dòng)態(tài)彎曲疲勞性能達(dá)到了25萬(wàn)次，是GB/T 5334-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限（3萬(wàn)次）的8.3倍。

雙相鋼在卡車(chē)車(chē)輪的應(yīng)用

近年來(lái)，能源，環(huán)境和安全問(wèn)題受到普遍關(guān)注，汽車(chē)行業(yè)尤為突出。減輕汽車(chē)自重是提高汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性、降低能耗、提高安全性能的重要措施之一。輪轂作為汽車(chē)上的一個(gè)重要部件，對(duì)汽車(chē)節(jié)能、環(huán)保、安全性、操控性都有重要的影響，因此如何選材及加工成形，達(dá)到輕量化意義深遠(yuǎn)。

圖7為用雙相鋼制作的高強(qiáng)度重載車(chē)車(chē)輪實(shí)物照片。用厚度11.0mm雙相鋼DP590代替厚度14.0mmQ235B普碳鋼制作重型卡車(chē)的減量化高強(qiáng)度車(chē)輪，動(dòng)態(tài)彎曲疲勞性能達(dá)到142.1萬(wàn)次，比試驗(yàn)大綱要求（30萬(wàn)次）多了112.1萬(wàn)次；徑向疲勞性能達(dá)到180.1萬(wàn)次，比試驗(yàn)大綱要求（100萬(wàn)次）多了80.1萬(wàn)次；路試試驗(yàn)車(chē)輪已行駛了13000多公里，其中壞路行駛了7500公里左右，達(dá)到了試驗(yàn)大綱的路試要求（壞路7000公里），該試驗(yàn)車(chē)使用的所有輪輞（裝車(chē)10個(gè)，備胎1個(gè)）沒(méi)有一個(gè)輪輞出現(xiàn)故障，使用情況良好。

汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)反映，用熱軋雙相鋼制作的車(chē)輪比原來(lái)使用的其他鐵素體/珠光體型鋼更易加工，冷彎、沖壓成形性能好，回彈小。在制作汽車(chē)輪輞、輪輻過(guò)程中未出現(xiàn)開(kāi)裂、焊接性能不好等現(xiàn)象，產(chǎn)品沖壓合格率達(dá)到100%。熱軋雙相鋼已在中國(guó)一汽、東風(fēng)汽車(chē)、濟(jì)寧車(chē)輪廠等企業(yè)的產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。

圖6 雙相鋼用于制作轎車(chē)車(chē)輪照片

圖7 雙相鋼制作的輕量化車(chē)輪照片

結(jié)束語(yǔ)

高強(qiáng)度轎車(chē)和卡車(chē)車(chē)輪制造用鋼板主要為熱軋雙相鋼。這類(lèi)鋼的組織特點(diǎn)主要是在鐵素體的基體上彌散分布著島狀馬氏體，馬氏體的含量約占5%～20%，使鋼板在具有高強(qiáng)度的同時(shí)又保持了良好的塑性和韌性。熱軋雙相鋼的拉伸性能具有低屈強(qiáng)比、高加工硬化速率、拉伸曲線無(wú)屈服平臺(tái)等適合沖壓用鋼的典型特征。雙相鋼已成為汽車(chē)實(shí)現(xiàn)輕量化最重要的材料之一。