在無間隙原子鋼板(IF鋼)使用以前,汽車覆蓋件都用低碳沸騰鋼板(08F)和鋁鎮靜鋼(08AL)沖制。沸騰鋼由于沖壓成形性能差和容易失效等缺陷現已較少使用。而鋁鎮靜鋼板仍作為沖壓用鋼板大量應用,特別是對于成形要求不高的車身零件,采用鋁鎮靜鋼板仍然占多數。
(1)鋁鎮靜鋼板(08AL)
①鋁鎮靜鋼板的化學成分。08AL作為一種傳統的沖壓鋼板,其強度要求不高,但要求有良好的沖壓成形性能,為此要求鋼板有較高的塑性,鋼板中的合金元素越低越好。
a.碳。碳在一般鋼材中是主要元素,但是在深沖薄板中,它卻是有害元素。鋼中碳的質量分數增加,會使低碳鋼的強度提高而使成形性能降低。因此,我國的GB/T5213-2001中規定深沖壓用鋼的碳質量分數應低于0.08%。
b.錳。錳質量分數高時,使鋼板的強度升高,所以一般鋁鎮靜鋼的錳質量分數應低于0. 4%。
c.硫。硫質量分數對薄鋼板的沖壓性能有不利影響,因此其質量分數越低越好。一般08AL鋼板規定的硫質量分數應低于0.025%。
d.磷。磷元素的作用是顯著提高鋼板強度,除高強度鋼板中提高其含量外,在一般冷軋鋼板中都限制其質量分數,深沖薄板中磷的質量分數低于0. 020qo。
e.硅。硅的作用主要是提高鋼板強度,但會惡化沖壓性能,所以其質量分數越低越好,硅質量分數應低于0. 030%。
f.鋁。鋁加入沖壓用冷軋鋼板中提高其沖壓性能,所以08AL規定鋁質量分數應在0. 02%一0.07%之間。
08AL鋼板屬于低碳鋼,有較好的塑性,合適的強度,具有一定的時效性,在3—6個月內使用時,不能破壞其沖壓性能。
鋁鎮靜鋼結相組織簡單,一般由鐵素體、游離碳化鐵和少量非金屬夾雜物組成,游離的碳化鐵和非金屬夾雜物對鋼板的沖壓性能影響很大,其中以方形夾雜物影響最大,圓形點狀夾雜物影響最小,在沖壓過程中會引起制件開裂。
鐵素體晶粒的大小和晶粒的均勻性對沖壓性能影響也很大,晶粒過小,強度升高而塑性降低,對沖壓性能不利;晶粒過大,沖壓后零件的表面差,會出現桔皮狀表面,晶粒度以7~8級最為理想。若晶粒不均勻,會引起零件整個變形的不均勻性,從而導致開裂。
在沖制復雜零件時,因零件各部位的變形量不同,會在零件表面出現滑移線,嚴重地降低零件的表面質量,這對于汽車的覆蓋件,這種現象是不允許出現的。一般要進行調質軋制處理,消除沖壓中出現的滑移現象。
綜上所述,08AL鋼板適合沖壓強度、表面質量要求不高的、變形均勻的一般零件。而對于深沖件和復雜零件,要慎用。
(2)無間隙原子鋼板(IF鋼板) 汽車車身由沖壓件焊接組成。轎車車身的形狀為了減少空氣阻力和外形美觀而日趨復雜,對鋼板的沖壓性能要求日益提高,因此對影響沖壓成形性能的指標有一定要求,如高的塑性應變比、適當的應變硬化指數、高的伸長率、低的屈服強度,只有符合上述要求的鋼板才能沖出形狀復雜的零件。
以普通沸騰鋼為代表的第一代冷軋鋼板和以鋁鎮靜鋼為代表的第二代冷軋鋼板都難以完全滿足現代轎車沖壓件的要求。已能大規模生產的第三代冷軋無間隙原子鋼(IF鋼板)能滿足上述要求,由IF鋼衍生出的新型鋼板如IFBH鋼、IF高強度鋼、IF鍍層鋼等,再加上雙相鋼(DP鋼)和塑性變形誘導相變鋼(TRIP鋼),使汽車用冷軋鋼板達到了新的水平,基本上滿足了轎車生產的需要。
在低碳鋼中加入足夠數量的鈦后,鋼中的碳、氮間隙原子就完全被鈦固定,形成鈦碳化合物,此時鋼就成為無間隙原子鋼而具有優異的成形性能。因鈦價格昂貴,鋼的生產成本太高,因此無法大批量生產。20世紀60年代后期,真空脫氣技術的成功應用,使得鋼中的碳、氮含量大幅度降低,而減少了鈦的用量,從而降低了IF鋼的生產成本。到了70年代,鋼板生產采用連續退火機組,大大降低了生產成本,又出現了加鈮及復合添加鈦和鈮的IF鋼,擴大了IF鋼的生產和應用。
①IF鋼的化學成分。鋼的化學成分是其性能的基礎,對IF鋼而言,首先是降低對成形性能有害的碳和氮的質量分數,同時加入鈦和鈮。
IF鋼中碳、硅等元素的作用同08A1鋼,鈦和鈮是IF鋼中的重要元素,通過鈦和鈮的處理使固溶體中的間隙原子碳和氮得以清除,從而清除間隙原子的不利影響。工業生產中的超低碳鋼若不經過加鈦和鈮的處理消除間隙原子,其塑性應變比不高,成形性能不好。
工業生產的IF鋼有三種,即單一加Ti的Ti-IF鋼、單一加Nb的Nb-IF鋼和同時加Ti和Nb的復合Ti-Nb-IF鋼。
上述三種IF鋼的特點如下:
a.Ti-IF鋼。就工藝參數而言,低的加熱溫度、高的卷取溫度、高的退火溫度和大的冷軋壓下率有利于Ti-IF鋼成形性能的提高。合金成分對Ti-IF鋼延伸率的影響沒有Nb-IF鋼敏感,一般鈦穩定鋼延伸率較高。高的卷取溫度和退火溫度會得到粗大的TiC顆粒,因此強度級別低。對Ti-IF鋼性能產生重要影響的TiS和Ti4C2S2等析出物一般在加熱過程和熱軋初始階段就開始析出,所以工藝參數對Ti-IF鋼影響不是很敏感,工藝過程的可操作性強,性能穩定。但是這種成分體系的鋼平面各向異性大而且鍍層抗粉化能力較差,不適用于鍍鋅板。
b.Nb-IF鋼。與Ti-IF鋼相比,由于細小NbC粒子析出,可以提高鋼的強度,故Nb-IF鋼具更高的強度水平。Nb的添加,改善鋼的織組結構,各向異性值降低,提高了塑性應變比(r)平均值;Nb偏析到晶界,可防止冷加工脆性,提高可鍍性和抗粉化性能。但由于Nb-IF鋼的析出過程發生在熱軋冷卻階段或退火階段,力學性能對工藝參數比較敏感,而且Nb-IF鋼有較高的再結晶溫度,其力學性能不如Ti-IF鋼好。
c.( Nb +Ti) -IF鋼。鈮鈦穩定的IF鋼延伸率比Ti-IF鋼低,但r。值和r45 0值都比較高,具有較強的可成形性。鈮鈦穩定的IF鋼比鈦穩定鋼具有較好的涂層粘附性,具有良好的合金化及熱鍍鋅鋼板抗粉化,而且力學性能對工藝不敏感,整卷性能均勻,適合于在連續退火工藝下生產高強鋼及熱鍍鋅鋼,也是電鍍鋅IF鋼和熱鍍鋅IF鋼基板的最佳選擇。
②IF鋼板的特點。與廣泛使用的鋁鎮靜低碳深沖鋼比,IF鋼板在性能上最明顯的特點是優秀的成形性能和永不時效性。
a.優秀的成形性。
b.無時效性。一般鋼板都具有時效性。所謂時效性就是鋼板的屈服應力和延伸率隨時間的推移而變化,經過一段時間后鋼板的拉延性能曲線上會出現明顯的屈服平臺,此時鋼板的成形性能下降。鋼板的這種時效性是由于鋼板中存在著碳、氮等間隙固溶原子造成的。盡管深沖鋼板使用了鋁鎮靜,其時效性已經不明顯了,但它的存在仍是一個客觀事實。所以,還仍然有這樣的規定,即軋制后的深沖鋼板的時效期為個3月,也就是說,軋制后的深沖鋼板必須在3個月內用完,否則成形性就會下降。
③IF鋼板的應用。由于IF鋼板具有優秀的成形性能和獨特的不時效性,所以在汽車工業特別是轎車工業中得到了廣泛的應用。其應用概括起來,有以下幾個方面。
a.用于形狀復雜的沖壓件。有些沖壓件形狀復雜,拉延較大,即使使用最好的鋁鎮靜深沖鋼也難以完全滿足要求。例如發動機的油底殼對鋼板的拉延性要求很高,過去一直使用進口的深拉延級鋼板,但效果不太理想。自從使用了國產的深沖IF鋼板之后,這個問題便迎刃而解。用國產Ⅲ鋼板取代進口的深沖鋼板生產一些形狀比較復雜的沖壓件,效果很好,值得進一步推廣。
b.用于制造高強度的汽車車身覆蓋件。為了節約能量和滿足日益嚴格的環保要求,高強度鋼板正在汽車工業中得到廣泛的應用。例如,轎車車身的許多外覆蓋件在原設計中就廣泛地采用了高強度鋼板,降低了鋼板的厚度,從而降低了車身的質量,降低了汽車燃油消耗,也降低了汽車的有害排放。
IF鋼板具有非常優秀的成形性。在此基礎上通過固溶強化等方式開發出來的高強度IF鋼板在獲得了較高強度的同時仍然保留著較高的成形性。
在強度級別相同的情況下,高強度IF鋼板的成形性指標的綜合水平要明顯優于傳統使用的高強度鋼板,加上這種IF鋼板不具有時效性,沖壓過程中不會在表面上出現影響板件外觀質量的滑移線,所以用這種鋼板生產汽車外覆蓋件非常適宜。
c.作為高性能鍍鋅鋼板的基板。鍍鋅鋼板在汽車上的應用越來越廣,如奧迪等歐洲車型和北美的一些車型中甚至整個車身都是用鍍鋅鋼板制成的。鍍鋅鋼板得到廣泛應用的原因一是北歐和北美等氣候寒冷的國家,冬日雪后路面噴灑鹽水對車身件腐蝕嚴重,二是為了提高汽車使用壽命,各國對汽車板材不發生銹蝕的年限一再延長,一般裸鋼板不能滿足這些要求,所以鍍鋅鋼板受到了重視。
一般都采用深沖鋼板作為基板生產鍍鋅板,由于熱鍍鋅時需要加熱到500C左右的高溫,基板因發生嚴重時效而使成形性變壞,從而使鍍鋅板的應用產生了局限性,不能用于比較復雜的沖壓件。IF鋼板的問世成功地解決了這個問題。由于IF鋼板本身具有很高的成形性,加之沒有時效性,所以在熱浸鍍鋅后仍能保持著很好的成形性。表3.7是兩種以職鋼板為基板生產出來的鋼板的實測性能,我們從中可以看出這兩種鋼板基本上保持了它原板的特點,具有很好的成形性。
另外,由于用鈦作為微合金化的IF鋼板平面上各向異性較大,以此種鋼板為基板生產出來的鍍鋅鋼板在沖壓過程中,有可能因鋼板各個方向的應變程度不同而發生粉化。以鈮為微合金化元素時,情況要好得多,所以在實際生產中一般使用添加Nb或者Ti +Nb的IF鋼板作為鍍鋅板的原板。