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工业规模生产汽车用软质深冲成形钢板生产工艺的研究

汽车外板用薄板要求美观并且具有优良冲压成形性。为了制造能产生大变形的软质钢板,须除去钢中的碳和杂质或以生成化合物的形式进行无害化处理,以精确控制铁的晶体方位。在前述的钢板软质化原理和结构的基础上,介绍以工业规模生产汽车用软质深冲成形钢板而进行的技术开发。

1 软质钢板制造历史  

汽车外板用深冲成形薄钢板须有易加工的柔软度。越接近纯铁就越软,制造纯铁的主要障碍就是碳。在软钢板的制造过程中,须去除铁中的碳和杂质,并综合多种技术,以控制铁(原子)晶体方位,使之易于加工。 

首先,在炼钢工序以去除碳和杂质为目标,调整了钢液成分而制造出低碳钢,再控制铁晶体方位;然后在热轧、冷轧中调整形状和材质,并在退火工序使铁的晶体方位一致的同时,将溶入的固溶碳变成碳化物固定,以实现无害化,从而获得软质钢板。从转炉冶炼的350t钢水到精轧成0.8mm厚度薄板的整个生产流程,进行了上述贯彻始终的材质控制。

2 退火是晶体控制的关键  

制造深冲钢板时,退火是最重要的工序。由于冷轧薄板变硬,故须经退火处理将之软化。此软化是将在冷轧中变硬的晶粒逐一变软,被称作“再结晶”的现象。为了经退火处理提高深冲性能,利用再晶体控制晶体排列方向,同时还为了抑制钢板材质时效劣化而设法降低最终制品中的固溶碳量。 

退火方法可分为“装箱退火”(也称间隙或分批退火)与“连续退火”。前者历史悠久,至今仍在继续使用。板卷加热需1天,冷却需3天,属缓慢充分的热处理。后者从加热到冷却共计10min即可完成,是高效连续退火。两者的不同之处在于加热冷却速度的差异。 

在装箱退火充分加热过程中Al与N结合,由于再结晶出的晶粒中仅选择能提升深冲成形性的四面体型晶粒,故即使含碳量较高的钢板也能确保良好的深冲成形性。况且,因冷却充分,在高温下溶出的碳也可再以渗碳体的形式被固定,从而减轻了钢板材质的时效劣化。然而,如此退火需耗时3~4天,且板卷加热又冷却,也存在均匀性差的问题。

3 改进退火后的冷却确保车用外板性能 

车用外板须保证加工性优良,表面光洁美观,除无各种缺陷之外,还应避免冲压在表面产生的小皱纹(又称面应变)。 

钢中溶进的微量C和N,即使在室温下也会在钢中到处流动,在深冲变形时聚集到滑移变形部位而阻碍钢板变形,此现象称作“时效”。随着时间的延长,就会出现钢的延性变差或变硬等材质劣化,即时效劣化。若经加工时效后的钢板,就会产生局部变形集中的筋状皱纹而损害外观,也就失去了作为汽车外板用材的商品价值。另外,若钢板变硬,冲压的车门把手部位就会产生变形等折皱。因此,为了防止钢中残余固溶碳引起的时效劣化,须使钢板退火后无残余固溶碳。新日铁在退火冷却后进行了“过时效处理”,以将碳固定成Fe3C而进行了无害化处理。 

所谓过时效处理,就是在700℃以上进行高温退火控制晶体方向后,将钢板快冷至300℃附近而产生许多Fe3C种子,在短时间内即能聚集钢中固溶碳而促进Fe3C的生长。为获得此Fe3C种子,可弥散钢中硫化物或降低冷却温度等,这样就可以持续生产无时效劣化的钢。

4 控制Mn含量和热轧卷取温度使材质最佳化  

为了提高钢板的深冲成形性,除没有固溶碳之外,在有渗碳体存在的条件下进行加工时,须将其影响降至最低。为此,调整钢的成分并控制轧制温度。 

以往在冷轧之前,一直采用将热轧钢板高温卷取的方法。因卷取后冷却极慢,故生成的渗碳体粗大,在加工时可减少发生湍流的场所,并在慢冷过程中将大部分碳聚集到渗碳体中。

然而,热轧板卷越是高温卷取,其表面和内部冷速差异就越大,从而使渗碳体的弥散程度和固溶碳量产生波动,甚至使部分铁原子的晶体方向未能充分一致。为了避免出现这种情况,降低热轧卷取温度最有效。另外,详细分析了渗碳体长大的速度,结果表明:降低钢中的Mn含量时,即使在低温卷取,渗碳体也易粗大。因此,即使在较低温卷取热轧板卷,也能控制碳和渗碳体的理想形态,从而稳定钢板的深冲成形性。

5 利用成分调整、温度管理和控轧获得理想晶体方位的IF钢  

由于车体形状的复杂化和分离部件的一体化,要求车用外板须有苛刻的深冲成形性,故在炼钢工序中须将较低碳(0.01%~0.05%)钢进一步降低,达到超低碳化(纯铁化)。 

纯铁化工艺的关键在于将碳和杂质降至极限。采用真空脱气二次精炼工艺,将由转炉吹炼终了的钢水进一步在真空槽中脱气(包括脱H、脱N和脱O),脱碳并将钢液中的碳含量降至10ppm(即0.001%)以下。 

像这样在近似纯铁的钢液中加入适量的Ti和Nb等微合金化元素,钢中仅存无害化的碳,这就是IF钢。若观察从冷轧中变硬的晶粒在退火中的再晶体过程,发现在冷轧前晶粒之间的边界(即晶界)所产生的晶粒具有能促进深冲性提高的高r值的四面体形晶体方位。 为了提供尽可能多的晶体晶界,冷轧前应尽可能将晶粒控制得小些。为此,应在开始热轧时降低加热温度,并尽可能在低温下热轧,以使钢在晶粒度大前冷却。 

另外,将Ti和Nb的加入量调整到最佳的条件下进行细化晶粒。IF钢与低碳钢不同之处是钢中的碳被微合金元素Ti和Nb固定了,故不用担心残余的碳会引起时效劣化。 

现在,以新日铁为代表的不少日本钢铁厂家采用炼钢、轧制技术以及从热轧到连续退火的高度精确温控技术,正持续批量生产满足苛刻深冲成形要求的高质量IF钢。

6 柔软而坚固的BH钢板  

汽车用外板须柔软而美Mn含量观,成车后还须有耐冲击的特性,例如在有小块石头撞击或在停车场与邻车的车门间接触碰撞时不发生凹陷。为了使<1mm厚度的薄板具有此特性,钢板须硬;但硬钢板成形困难,且冲压成形时所产生的局部折皱也有损外观。 

为此,开发了BH钢板。其特点是成形时软但成品使用时变硬。这是由于钢板中残存有极微量的固溶碳,在涂漆车体的干燥(170℃×20min)烧结工序中,在钢中迁移,抑制了钢的滑移变形(即使钢板变硬)。新日铁控制了Ti和Nb的加入量并实现最佳化,产品在室温下存放6个月后性能也稳定。所开发的BH钢板已经实用化,正在为车用外板的薄壁化和轻量化做出贡献。

 

 

 

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