精沖材料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

文／陳璐·法因圖爾精密部件（太倉(cāng)）有限公司

精沖工藝是在普沖技術(shù)上發(fā)展起來的一種把精密沖裁和板料成形相結(jié)合的制造精密、復(fù)雜沖壓件的高效而經(jīng)濟(jì)的加工技術(shù)。精沖需要使用具有良好的塑性、低屈強(qiáng)比、高延伸率、良好的球化細(xì)晶粒度組織結(jié)構(gòu)的材料，一般抗拉強(qiáng)度在600MPa 以下。

精沖材料概況

精沖材料分類

精沖材料是精沖技術(shù)的核心要素之一，精沖要求材料材質(zhì)均勻且硬度適中。目前精沖材料主要有鋼、鋁或鋁合金、銅或銅合金三大類，其中鋼占比90%、鋁或鋁合金占比8%、銅或銅合金占比2%。鋼材是應(yīng)用最多的精沖材料，按照鋼材類型的不同可分為碳素鋼、合金鋼、冷成形高屈服鋼、不銹鋼四類。

⑴碳素鋼分為低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼。

1)低碳鋼中SPCC、SPCC-1B、DC01、SAE1010、SPHC，廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)硬盤音圈馬達(dá)支架、變速箱摩擦材料、空調(diào)閥板等。其特點(diǎn)有：低硅(≤0.05%)、低碳(≤0.1%)，不存在層片狀珠光體，都是游離滲碳體，因此熱處理再結(jié)晶退火有利于材料的精沖成形，即使是熱軋態(tài)沖壓也能得到良好的光亮帶。

低碳鋼中S20C、SAE1018、C15、20MnB5、SAE1020、S35C，主要應(yīng)用在變速箱摩擦片、座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)齒板零件、發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪等零件。其特點(diǎn)是：碳含量為0.13%～0.25%，錳含量為0.5%～0.9%，材料經(jīng)過球化退火后，片狀珠光體轉(zhuǎn)化成球狀，具有良好的塑性變形能力，利于精沖齒類零件，材料的錳含量要高于超低碳的材料，后續(xù)通過淬火滲碳處理，達(dá)到強(qiáng)度與耐磨的要求。

2) 中碳鋼較常用的是S45C、S55C、C45E、SAE1055，主要應(yīng)用在汽車門鎖、安全帶、鏈條行業(yè)等。其特點(diǎn)是含碳量較高(0.43%～0.58%)，材料必須經(jīng)過球化退火才具有比較好的塑性，材料強(qiáng)度較高后續(xù)沖壓后一般做普通淬火處理。

3)高碳鋼中C60E、SAE1060、SK85，含碳量很高，需要多次熱處理、多次軋制才能達(dá)到良好的球化狀態(tài)。主要應(yīng)用在安全帶、軸承等領(lǐng)域。

⑵合金鋼類中典型鋼種有16MnCr5、SCM435、42CrMo4、51CrV4，材料一定要經(jīng)過球化處理才能獲得很好的塑性，不處理容易脆斷，一般以生產(chǎn)形狀不太復(fù)雜的平面零件為主，不太適合復(fù)雜變形的零件，主要以CrMo 合金為主。主要應(yīng)用于汽車門鎖系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，離合器系統(tǒng)等。

⑶冷成形高屈服鋼類中典型鋼種有QSTE420TM、QSTE550、S460MC、SAPH440，此類材料屬于低碳細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼，就是在高錳低碳鋼中加入了鈮、釩、鈦等合金細(xì)化了組織，增加了強(qiáng)度，有利于精沖成形。主要應(yīng)用在座椅調(diào)節(jié)器導(dǎo)向板、撥叉、蓋板等零件。

⑷不銹鋼類典型鋼種有1.4016，必須有很好的碳化物結(jié)構(gòu)才有利于沖壓，主要用于制造排氣管法蘭。

國(guó)內(nèi)外精沖材料性能與價(jià)格的對(duì)比

隨著國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展，精沖材料國(guó)產(chǎn)化腳步加快，很多零部件巨頭急需零件或材料的本土化供應(yīng)，減輕降本與交期的壓力，國(guó)內(nèi)大鋼廠也意識(shí)到了這個(gè)需求，走在前沿的如寶鋼、寶鋼股份研究院、梅鋼技術(shù)中心，都投入了大批人力對(duì)新的精沖熱軋材料進(jìn)行研發(fā)。第二梯隊(duì)如首鋼，第三梯隊(duì)如湖南婁底漣鋼等都在精沖原材料上投入了大量人力、物力。材料價(jià)格的走向已經(jīng)趨于透明，國(guó)外的材料價(jià)格已經(jīng)明顯下降；性能上，國(guó)內(nèi)的材料已經(jīng)接近國(guó)外的材料。以汽車行業(yè)為例，詳情見表1 汽車典型零件國(guó)產(chǎn)化比例及國(guó)外優(yōu)勢(shì)。

企業(yè)選擇優(yōu)質(zhì)精沖材料的標(biāo)準(zhǔn)

企業(yè)選擇優(yōu)質(zhì)精沖材料的標(biāo)準(zhǔn)主要考慮價(jià)格導(dǎo)向、材料應(yīng)用領(lǐng)域、企業(yè)戰(zhàn)略三個(gè)因素。歐美系、日系以品質(zhì)為主導(dǎo)，會(huì)根據(jù)不同的材料應(yīng)用，選擇不同精沖材料狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)。一般歐美系有一套成熟的材料標(biāo)準(zhǔn)供材料生產(chǎn)廠家參考，日系一般會(huì)提供技術(shù)要求，國(guó)內(nèi)企業(yè)沒有形成精沖材料的標(biāo)準(zhǔn)體系。作為精沖材料生產(chǎn)企業(yè)，一般會(huì)根據(jù)材料的應(yīng)用領(lǐng)域以及精沖廠家的后續(xù)工藝來推薦合適的材料。具體情況見表2。

國(guó)內(nèi)精沖材料的發(fā)展

發(fā)展概況

隨著煉鋼技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)精沖材料正逐步進(jìn)行低碳鋼向中高碳鋼的轉(zhuǎn)變，類似SK5 這種要求的高碳鋼已經(jīng)在寶鋼股份成功生產(chǎn)，從非金屬夾雜到球化率都有很好的控制，且材料的硫含量控制到0.005%以內(nèi)，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水準(zhǔn)；從合金鋼來看，Cr、Mo、Ni 合金的大量應(yīng)用，為了材料沖壓后的淬火滲透性加入硼元素，有利于后續(xù)的熱處理；冷成形高屈服鋼抗拉強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到1000MPa 以上級(jí)別，并在汽車座椅滑軌領(lǐng)域應(yīng)用中不斷改進(jìn)與優(yōu)化。當(dāng)然目前國(guó)內(nèi)精沖鋼的發(fā)展迅猛，很多小型鋼廠也在不斷推陳出新，我們的關(guān)注度不僅僅要在材料成形性能上下功夫，還要考慮材料的應(yīng)用領(lǐng)域與工況條件，材料的后續(xù)深加工的要求，逐步將中國(guó)的材料推向全新的高度，趕超國(guó)際領(lǐng)先水準(zhǔn)。

表1 汽車典型零件國(guó)產(chǎn)化比例及國(guó)外優(yōu)勢(shì)

表2 歐美企業(yè)、日本企業(yè)、價(jià)格導(dǎo)向、國(guó)內(nèi)民營(yíng)企業(yè)材料比較

表3 我國(guó)精沖材料的性能分析

性能分析

高端精沖材料的成分范圍目前還無法完全滿足。尤其是要求碳含量在0.03%范圍內(nèi)波動(dòng)，抗拉強(qiáng)度要求在60MPa 以內(nèi)都很難做到，目前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件用鋼晶界氧化的常規(guī)水準(zhǔn)控制在10μm 以內(nèi)，客戶要求比較高的必須控制在5μm 以內(nèi)。表3 為目前可以實(shí)現(xiàn)的精沖材料要求。

精沖材料發(fā)展趨勢(shì)

厚規(guī)格材料將異軍突起

隨著精沖設(shè)備的更新?lián)Q代，模具技術(shù)水平的大幅提升，鍍層技術(shù)與油品技術(shù)的發(fā)展，之前傳統(tǒng)的鍛壓、機(jī)加工、澆鑄等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的手段，未來將可能通過厚規(guī)格材料的精沖工藝來實(shí)現(xiàn)。采用精沖工藝，不僅僅能提升生產(chǎn)效率，而且還有效節(jié)約了成本。

材料強(qiáng)度不斷提升

汽車輕量化如今已經(jīng)成為汽車領(lǐng)域不斷發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，在追求低碳環(huán)保經(jīng)濟(jì)的今天，如何通過減重來降低車輛的油耗是每個(gè)車企不斷探索的方向。以一輛乘用車為例，平均重量1.2t 左右，約85%的重量來源于鋼板，這些鋼板則主要來自于車身結(jié)構(gòu)件（如底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、座椅等）。通過研發(fā)高強(qiáng)度的材料，不僅可以提高車輛主動(dòng)安全性，而且可以降低精沖材料的厚度，有效地減少車重?？梢灶A(yù)見，未來5 ～8 年內(nèi)，一些經(jīng)特殊處理的中高碳鋼、合金鋼、冷成形汽車高強(qiáng)鋼還是會(huì)占主導(dǎo)地位。

技術(shù)發(fā)展對(duì)未來精沖材料的要求

中國(guó)的沖壓輔助行業(yè)隨著沖壓業(yè)的長(zhǎng)足進(jìn)步，不斷的發(fā)展，涌現(xiàn)出了越來越多做電氣設(shè)備一體化的公司與工作室，未來傳統(tǒng)的人工送料將全面被自動(dòng)送料系統(tǒng)、機(jī)械手等取代，這也對(duì)精沖材料提出了越來越高的要求。

寶鋼相關(guān)部門對(duì)沖壓行業(yè)進(jìn)行調(diào)研后得知，目前做精沖零件的設(shè)備主要有三種：⑴精沖機(jī)及精沖模具，這是目前所了解的效率最高最先進(jìn)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)手段；⑵大噸位高速?zèng)_床配合精密模具，普遍應(yīng)用于僅對(duì)產(chǎn)品功能面有要求而對(duì)產(chǎn)品沖裁面光亮帶要求不高的場(chǎng)合；⑶多臺(tái)沖床組合成連續(xù)生產(chǎn)線，通過機(jī)械手導(dǎo)軌等手段配以PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)，也可以有效提升沖壓的效率。

以上三種沖壓生產(chǎn)模式對(duì)材料的要求非?？量?，材料的厚度精度將影響成形的一致性、精密模具的沖次，良好的表面質(zhì)量可以降低后續(xù)處理的成本，優(yōu)良的加工性能又是材料成形、模具壽命的基礎(chǔ)。因此，高精度的尺寸，良好的表面質(zhì)量，優(yōu)良的加工性能成為評(píng)判精沖材料優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。未來必須要有良好的材料與沖壓設(shè)備、模具做匹配，打破傳統(tǒng)用模具去遷就材料不足的劣勢(shì)。