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工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)汽車用軟質(zhì)深沖成形鋼板生產(chǎn)工藝的研究
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時(shí)間：2015-08-28
汽車外板用薄板要求美觀并且具有優(yōu)良沖壓成形性。為了制造能產(chǎn)生大變形的軟質(zhì)鋼板，須除去鋼中的碳和雜質(zhì)或以生成化合物的形式進(jìn)行無(wú)害化處理，以精確控制鐵的晶體方位。在前述的鋼板軟質(zhì)化原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)汽車用軟質(zhì)深沖成形鋼板而進(jìn)行的技術(shù)開發(fā)。
?汽車外板用薄板要求美觀并且具有優(yōu)良沖壓成形性。為了制造能產(chǎn)生大變形的軟質(zhì)鋼板，須除去鋼中的碳和雜質(zhì)或以生成化合物的形式進(jìn)行無(wú)害化處理，以精確控制鐵的晶體方位。在前述的鋼板軟質(zhì)化原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)汽車用軟質(zhì)深沖成形鋼板而進(jìn)行的技術(shù)開發(fā)。
1?軟質(zhì)鋼板制造歷史??
汽車外板用深沖成形薄鋼板須有易加工的柔軟度。越接近純鐵就越軟，制造純鐵的主要障礙就是碳。在軟鋼板的制造過(guò)程中，須去除鐵中的碳和雜質(zhì)，并綜合多種技術(shù)，以控制鐵（原子）晶體方位，使之易于加工。?
首先，在煉鋼工序以去除碳和雜質(zhì)為目標(biāo),調(diào)整了鋼液成分而制造出低碳鋼，再控制鐵晶體方位；然后在熱軋、冷軋中調(diào)整形狀和材質(zhì),并在退火工序使鐵的晶體方位一致的同時(shí)，將溶入的固溶碳變成碳化物固定,以實(shí)現(xiàn)無(wú)害化，從而獲得軟質(zhì)鋼板。從轉(zhuǎn)爐冶煉的350t鋼水到精軋成0.8mm厚度薄板的整個(gè)生產(chǎn)流程,進(jìn)行了上述貫徹始終的材質(zhì)控制。
2?退火是晶體控制的關(guān)鍵??
制造深沖鋼板時(shí)，退火是最重要的工序。由于冷軋薄板變硬，故須經(jīng)退火處理將之軟化。此軟化是將在冷軋中變硬的晶粒逐一變軟,被稱作“再結(jié)晶”的現(xiàn)象。為了經(jīng)退火處理提高深沖性能，利用再晶體控制晶體排列方向，同時(shí)還為了抑制鋼板材質(zhì)時(shí)效劣化而設(shè)法降低最終制品中的固溶碳量。?
退火方法可分為“裝箱退火”（也稱間隙或分批退火）與“連續(xù)退火”。前者歷史悠久，至今仍在繼續(xù)使用。板卷加熱需1天，冷卻需3天，屬緩慢充分的熱處理。后者從加熱到冷卻共計(jì)10min即可完成，是高效連續(xù)退火。兩者的不同之處在于加熱冷卻速度的差異。?
在裝箱退火充分加熱過(guò)程中Al與N結(jié)合，由于再結(jié)晶出的晶粒中僅選擇能提升深沖成形性的四面體型晶粒，故即使含碳量較高的鋼板也能確保良好的深沖成形性。況且，因冷卻充分，在高溫下溶出的碳也可再以滲碳體的形式被固定，從而減輕了鋼板材質(zhì)的時(shí)效劣化。然而，如此退火需耗時(shí)3～4天，且板卷加熱又冷卻，也存在均勻性差的問(wèn)題。
3?改進(jìn)退火后的冷卻確保車用外板性能?
車用外板須保證加工性優(yōu)良，表面光潔美觀，除無(wú)各種缺陷之外，還應(yīng)避免沖壓在表面產(chǎn)生的小皺紋（又稱面應(yīng)變）。?
鋼中溶進(jìn)的微量C和N,即使在室溫下也會(huì)在鋼中到處流動(dòng)，在深沖變形時(shí)聚集到滑移變形部位而阻礙鋼板變形，此現(xiàn)象稱作“時(shí)效”。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，就會(huì)出現(xiàn)鋼的延性變差或變硬等材質(zhì)劣化,即時(shí)效劣化。若經(jīng)加工時(shí)效后的鋼板，就會(huì)產(chǎn)生局部變形集中的筋狀皺紋而損害外觀，也就失去了作為汽車外板用材的商品價(jià)值。另外,若鋼板變硬，沖壓的車門把手部位就會(huì)產(chǎn)生變形等折皺。因此，為了防止鋼中殘余固溶碳引起的時(shí)效劣化，須使鋼板退火后無(wú)殘余固溶碳。新日鐵在退火冷卻后進(jìn)行了“過(guò)時(shí)效處理”，以將碳固定成Fe3C而進(jìn)行了無(wú)害化處理。?
所謂過(guò)時(shí)效處理,就是在700℃以上進(jìn)行高溫退火控制晶體方向后，將鋼板快冷至300℃附近而產(chǎn)生許多Fe3C種子，在短時(shí)間內(nèi)即能聚集鋼中固溶碳而促進(jìn)Fe3C的生長(zhǎng)。為獲得此Fe3C種子，可彌散鋼中硫化物或降低冷卻溫度等，這樣就可以持續(xù)生產(chǎn)無(wú)時(shí)效劣化的鋼。
4?控制Mn含量和熱軋卷取溫度使材質(zhì)最佳化??
為了提高鋼板的深沖成形性，除沒(méi)有固溶碳之外，在有滲碳體存在的條件下進(jìn)行加工時(shí),須將其影響降至最低。為此，調(diào)整鋼的成分并控制軋制溫度。?
以往在冷軋之前，一直采用將熱軋鋼板高溫卷取的方法。因卷取后冷卻極慢，故生成的滲碳體粗大，在加工時(shí)可減少發(fā)生湍流的場(chǎng)所，并在慢冷過(guò)程中將大部分碳聚集到滲碳體中。?
然而,熱軋板卷越是高溫卷取，其表面和內(nèi)部冷速差異就越大，從而使?jié)B碳體的彌散程度和固溶碳量產(chǎn)生波動(dòng)，甚至使部分鐵原子的晶體方向未能充分一致。為了避免出現(xiàn)這種情況，降低熱軋卷取溫度最有效。另外，詳細(xì)分析了滲碳體長(zhǎng)大的速度，結(jié)果表明：降低鋼中的Mn含量時(shí)，即使在低溫卷取，滲碳體也易粗大。因此，即使在較低溫卷取熱軋板卷，也能控制碳和滲碳體的理想形態(tài)，從而穩(wěn)定鋼板的深沖成形性。
5?利用成分調(diào)整、溫度管理和控軋獲得理想晶體方位的IF鋼??
由于車體形狀的復(fù)雜化和分離部件的一體化，要求車用外板須有苛刻的深沖成形性，故在煉鋼工序中須將較低碳（0.01%～0.05%）鋼進(jìn)一步降低，達(dá)到超低碳化（純鐵化）。?
純鐵化工藝的關(guān)鍵在于將碳和雜質(zhì)降至極限。采用真空脫氣二次精煉工藝，將由轉(zhuǎn)爐吹煉終了的鋼水進(jìn)一步在真空槽中脫氣（包括脫H、脫N和脫O），脫碳并將鋼液中的碳含量降至10ppm（即0.001%）以下。?
像這樣在近似純鐵的鋼液中加入適量的Ti和Nb等微合金化元素，鋼中僅存無(wú)害化的碳，這就是IF鋼。若觀察從冷軋中變硬的晶粒在退火中的再晶體過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在冷軋前晶粒之間的邊界（即晶界）所產(chǎn)生的晶粒具有能促進(jìn)深沖性提高的高r值的四面體形晶體方位。?為了提供盡可能多的晶體晶界，冷軋前應(yīng)盡可能將晶粒控制得小些。為此，應(yīng)在開始熱軋時(shí)降低加熱溫度，并盡可能在低溫下熱軋，以使鋼在晶粒度大前冷卻。?
另外，將Ti和Nb的加入量調(diào)整到最佳的條件下進(jìn)行細(xì)化晶粒。IF鋼與低碳鋼不同之處是鋼中的碳被微合金元素Ti和Nb固定了，故不用擔(dān)心殘余的碳會(huì)引起時(shí)效劣化。?
現(xiàn)在，以新日鐵為代表的不少日本鋼鐵廠家采用煉鋼、軋制技術(shù)以及從熱軋到連續(xù)退火的高度精確溫控技術(shù)，正持續(xù)批量生產(chǎn)滿足苛刻深沖成形要求的高質(zhì)量IF鋼。
6?柔軟而堅(jiān)固的BH鋼板??
汽車用外板須柔軟而美Mn含量觀，成車后還須有耐沖擊的特性，例如在有小塊石頭撞擊或在停車場(chǎng)與鄰車的車門間接觸碰撞時(shí)不發(fā)生凹陷。為了使＜1mm厚度的薄板具有此特性，鋼板須硬；但硬鋼板成形困難，且沖壓成形時(shí)所產(chǎn)生的局部折皺也有損外觀。?
為此，開發(fā)了BH鋼板。其特點(diǎn)是成形時(shí)軟但成品使用時(shí)變硬。這是由于鋼板中殘存有極微量的固溶碳，在涂漆車體的干燥（170℃×20min）燒結(jié)工序中，在鋼中遷移，抑制了鋼的滑移變形（即使鋼板變硬）。新日鐵控制了Ti和Nb的加入量并實(shí)現(xiàn)最佳化，產(chǎn)品在室溫下存放6個(gè)月后性能也穩(wěn)定。所開發(fā)的BH鋼板已經(jīng)實(shí)用化，正在為車用外板的薄壁化和輕量化做出貢獻(xiàn)。
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