汽车钢新品种的一些特点.doc

阿塞洛公司汽车用钢新品种简介
Michel Babbit

本文对汽车用钢近期的一些发展进行评述。一种新型预涂板特别适用于经热冲压加工的防渗透部件。另一种与预涂板有关的新工艺为新型无机处理法（NIT），能够有效地提高预涂板的冲压生产率。在防腐方面，新一代薄型有机涂层已经得到应用；将来Zn-Mg镀层推广后会有助于汽车制造商节省二次防腐成本（蜡、乳香脂等）。为了获得高刚性低重量的钢材，阿塞洛已开发出一种高刚性的新型夹芯板，显示出应用于大块车身板的潜力。最后对一些突破性新产品概念在中长期未来的应用前景进行了探讨。

1．前言
钢材是汽车最主要的组成材料，为了巩固这一地位，钢铁工业必须不断地满足汽车制造商新的需求。通过降低车身重量来减少CO2排放，同时还要提高汽车的被动安全性，是该领域的主要挑战之一。超高强度钢正是满足这两项要求的候选材料。一个相对较新的方法是将预涂板进行热冲压。就减轻大型汽车板的重量而言，出现了一种高刚性的新型多层钢材料，不失为一种有趣的创新型解决方案。另外，成本效益是高竞争性汽车市场中极其重要的因素，因此，任何能够协助汽车制造商提高生产率的方案（如降低汽车耐腐蚀性加工成本）都会大受欢迎。为此，开发出了更薄的有机和锌镁镀层。可以预见，汽车工业还会有重大的发展变化，钢铁业需要突破性的创新技术来满足未来新的要求。

2．用于热冲压加工的高强度钢
阿塞洛公司开发出了称为Usibor 1500P的高强度钢，完全用于热冲压工艺。该材料促进了欧洲、美国和日本在热冲压技术上的进步。它的化学成分示于表1，机械性能示于表2。
表1 Usibor 1500P的化学成分 质量%
元素
C
Mn
Si
Cr
B
上限%
0.25
1.4
0.35
0.3
0.005

表2 Usibor 1500P的典型机械性能 YS：屈服强度，
UTS：极限抗拉强度，El：延伸率

YS（MPa）
UTS（MPa）
El（%）
供货状态
400
600
25（ISO）
热冲压后
1000
1500
6（ISO）

在热冲压工艺中，先以880～950℃给坯料加热5～10min，使钢板奥氏体化，然后快速转移到冲床（5～7s）并在600～800℃下冲压；最后在冲压设备之间以＞30℃/s的冷却速率淬火。
Usibor 1500P是一种预涂材料，有约25μm厚的Al-Si热浸镀层（90%Al，称为Alusi镀层），该镀层能够承受加热和淬火工艺。Usibor的奥氏体显微组织使其在冲压温度下仍具有很高的可成形性。图1显示出在热冲压过程中涂镀区域显微组织的演变，图2则给出了Usibor的主要性能指标。
Usibor 1500P特别适于冲击弯曲应用领域。图3对Usibor 1500P与低碳钢和高强度钢的三点冲击弯曲试验结果进行了比较，试验速度为29km/h，动能为10kJ。可以看出，它的最大弯曲力比1000MPa UTS钢（M1000）高20%，比800MPa UTS钢（M800）高50%，比600MPa UTS钢（TRIP 600）高75%。这种优异的性能使Usibor 1500P最适用于汽车保险杠和门梁、A柱和B柱、横梁、门槛、车顶和厢底地板的加强件等。

热处理（900～950℃—5～10min）期间镀层转变为金属间化合物合金层（Al、Fe、Si）
→高附着性
→高粗糙度
→无鳞皮
图1 Usibor 1500P预涂板在热冲压期间及热冲压前后的情况。中间的小图显示出钢与Alusi镀层间的边界层，右下图显示出奥氏体化后镀层表面的形貌。

上乘的焊接性能

（点焊、MIG和MAG焊）
¨ 焊条使用期延长
¨ 均匀或非均匀组合
¨ 大电流波瓣（＞＞1kA）

优良的耐腐蚀性
¨ 部件热冲压后即可涂漆
¨ 表面粗糙度使油漆附着性极佳，与电镀产品相媲美

优秀的耐冲撞性能
¨ 高韧性（夏氏冲击试验）
¨ 三点弯曲试验中极佳的表现（防渗透试验）

图2 Usibor 1500P的主要性能指标

图3 各种低碳钢和高强度钢在29km/h（10kJ）三点弯曲试验中的极限弯曲力

3．改善预涂产品的冲压性能
“新型无机处理法（NIT）”是一种表面处理技术，最初的开发目的是处理电镀（EG）基材，以改善电镀产品的冲压性能。由于NIT在电镀产品上取得了突出的效果，便在其他金属基材上进行了试验，尤其是热浸镀锌（GI）和镀锌层扩散退火处理（GA）材料。
通过测定经NIT处理的GI和GA板的性能，对NIT应用于这两种材料的可行性进行了实验室评估。如表3所示，对主要性能进行了研究。在用户的冲压车间进行的试验表明达到了主要目的，产品获得了附加值，并且为解决锌污染问题和锌窝缺陷找到了一个途径。即使在小涂油量的情况下润滑剂的表现也很均匀（图4c）。如图4a和4b所示，NIT在GI材料上的沉淀层使预涂板的深冲性能明显改善。
因为处理过程的沉淀层在脱脂工序中被清除，所以涂漆性能与未处理基材相同。这一点已被不同用户的涂漆间所证实。
NIT处理GI板的附着性能在极个别条件下需要一定的改善，以提高时效性能和对特定附着剂的适应性。
NIT工艺产生的效果鼓舞人们对其应用于所有工业性镀锌线的可能性进行研究。应该不会遇到太大的问题，因为应用NIT可能不需要更换原有的设备。

表3 NIT处理薄板的性能与未处理基材的比较：+表示较好，-表示较差，=表示相同，*表示配合用户附着剂检查
产品性能
性能
基材+NIT较之于未处理材
摩擦性能
+
拉伸性能
+
去湿敏感度
+
润滑剂自然敏感度
+
对工具的污染程度
+
点焊性能
+=/-
粘结性
=/-*
脱脂性
=
磷化处理性
=

图4（a）冲压600个由NIT处理GI板制造的部件后防护板的外貌；（b）相同冲压条件下冲压10个由未处理GI板制造的部件后同一防护板的表面缺陷：可见擦伤和划痕；（c）NIT处理GI板具有良好的摩擦性能，具体取决于涂油量（0.25g/m2/每侧～2.5g/m2/每侧），但总是优于未处理GI板

4．薄型有机涂层
阿塞洛公司生产汽车用薄有机膜预涂板已有几年历史。连续电镀带钢穿过一条涂镀线，将这种薄有机涂层施涂到电镀薄板上。薄有机涂层可显著地提高对渗透性腐蚀的防护性能，对于汽车的镶边件尤其有效，使汽车商无须或大大减少对孔眼和边缝的昂贵的二次防腐措施。
目前生产的薄膜有机涂层（Henkel公司生产的Granocoat ZE和Chemetall & Andre公司生产的GardoProtect TH 9493）采用锌粉着色，以改善材料的点焊性能。这种有机涂层的目标厚度位于2.5μm～4.5μm的范围。薄有机涂层领域的新进展围绕着进一步提高耐渗透腐蚀性和可成形性，Henkel公司开发的Granocoat X
涂层向实现这一目标又跨近了一步，而且其涂镀方法与Granocoat ZE或GardoProtect TH 9493相同。对Granocoat X涂层薄板的耐腐蚀性进行了评估，并按照《SEP 1160第一部分》中规定的程序将之与标准Granocoat ZE涂层作了比较。耐腐蚀性试样采用了汽车玻璃的镶边件，按照《VDA 621-415》的程序进行试验。
Granocoat X的耐腐蚀性（即红锈出现于试样前的VDA腐蚀循环数）为15～20个VDA循环，具体取决于有机涂层的厚度；而标准Granocoat ZE涂层的耐腐蚀性为8～10个VDA循环（见图5）。因此，Granocoat X的耐腐蚀性约为Granocoat ZE涂层的两倍。
通过摩擦试验和杯突试验研究了Granocoat X的可成形性。摩擦试验显示Granocoat X具有上佳的摩擦性能，如图6所示，其摩擦系数低于标准薄有机涂层和电镀层。该摩擦系数不受润滑剂数量和质量的影响（即使没有润滑剂也保持良好的摩擦系数），也不受工具材料质量的影响。
杯突试验（图7）证实了与标准Granocoat ZE涂层相比Granocoat X具有更优的可成形性：Granocoat X涂层薄板折断前的最大坯件夹持力约为Granocoat ZE薄板的两倍（图8）。连续深冲了25个杯形后未发现工具污染，期间未作任何清理工作。
在焊接性、粘结适应性等其他性能方面，与标准薄有机涂层相比未有变化。优于材料薄有机涂层（Granocoat ZE或GardoProtect TH 9493）的另一点是较低的养护温度，使Granocoat X与烘烤硬化钢兼容。
由于新型薄有机涂层Granocoat X具有优质的耐腐蚀性和可成形性，与标准型薄有机涂层相比它更易于加工，在二次防腐处理方面更节省成本。因此，该产品在不久的将来应能成为汽车工业的标准涂层。

图5 红锈出现前的VDA腐蚀循环数

图6 Granocoat X的摩擦性能与其他薄有机涂层和电镀层的比较

图7 用Granocoat X涂镀板制作的帽形

图8 ：Granocoat X、标准Granocoat ZE和电镀板（EG）在杯突过程中最大冲压力与坯件夹持力。曲线末端为折断前的最大夹持力（Granocoat X的值大于EG）

5．利用PVD技术开发的ZnMg镀层
数年来阿塞洛公司一直在研究利用真空沉积技术（PVD技术）开发新型镀层的方法。主要目标是提供具有更高耐腐蚀性的钢板镀层，使汽车制造商能够减少通常采用的二次防腐措施（如给空心部件施涂密封胶和蜡、涂镀一定厚度的Ed-漆等）。
在阿塞洛试验过的各种不同的方案中，利用PVD技术的锌镁（ZnMg）沉积镀层目前被认为最具前景，它能显著提高钢板的耐腐蚀性，简化汽车制造商的涂漆工艺。
用真空沉积法将一薄层纯镁沉积到电镀锌钢板（EG）表面，再实行一次热处理使锌和镁熔合，便获得了ZnMg镀层（图9）。锌层和镁层的厚度在热处理之前分别为7.5和1.5μm。
经过热处理以后，形成了一个双分子金属层：上层由约3μm厚的Zn2Mg合金组成，下层为约5.5μm的EG钢板的残留锌。
最初通过实验室PVD设备开发出ZnMg镀层，2005年以后，位于比利时Liege市的阿塞洛PVD中试生产线可以连续生产这种镀层。
在“汽车用产品中心”的设施上进行的试验中，ZnMg镀层显示出极佳的耐腐蚀性。
对比较不同镀层的耐腐蚀性，对未涂漆ZnMg试样与7.5μm厚镀锌层和3μm厚第一代薄有机涂层（TOC）的标准EG板进行了循环腐蚀试验（图10）。试验结果清楚地显示出ZnMg产品具有更佳的耐腐蚀性。红锈在ZnMg试样上出现的时间比EG+TOC试样延迟3个系数，比EG试样延迟10个系数。深冲试验证实了这些结果。
在涂漆的EG试样上所做的循环腐蚀试验（图11）同样表明，ZnMg产品对切边腐蚀的耐受力明显优于常规镀锌层。
ZnMg镀层的直接好处是能够减少汽车生产商的二次防腐措施，降低汽车制造中的防腐成本。事实上，考虑到这种镀层极好的耐腐蚀性，减少甚至完全取消在切边部位和空心件施用防腐密封胶和蜡的做法是非常可能的。
在耐渗透腐蚀性应用上，也可以考虑将ZnMg镀层与较便宜的薄有机涂层结合使用。一些空心件通常要求特定的设计和较难掌握的涂漆方式，两者结合使用就可能在这些空心件上完全替代EG镀层。
新型ZnMg镀层品种具有许多优势，可根据用户的需要提供量身定做的防腐方案，为用户带来附加值。由于它具有很高的耐腐蚀性，ZnMg镀层确实可能通过取消二次防腐措施或白色设计中车身的简化（从而缩短设计周期）来大大降低汽车制造成本。
阿塞洛ZnMg镀层的开发工作已进入向用户提供样品的阶段，今后几个月时间里阿塞洛将与汽车制造商用户紧密合作，以充分实现这一令人期待的镀层的巨大潜力。与此同时，阿塞洛也在为该产品的工业化生产做准备工作。2007年阿塞洛有望通过其Arceo厂推出ZnMg带卷。

图9 新型ZnMg镀层的生产路线

图10 红锈在未涂漆ZnMg试样上的演化

图11 红锈在阴极浸漆ZnMg试样上的演变

6．复合材料薄板（夹芯板）
阿塞洛公司开发出一种称为Usilight的三层复合材料，它由一个0.25～2.0mm厚的刚性聚合物芯层和两个相同的超薄镀锌钢表层组成（图12）。聚合物为特殊设计，刚性高，耐火并附着于钢；其厚度范围为0.2～2mm,根据所造部件或模块的功能要求来选择。两个0.25mm厚的DDQ级钢表层使复合材料具有与常规钢板相同的外表，但加工性能更优。
这种夹芯薄板具有极高的刚性/重量比，其挠曲刚性直接取决于两层钢皮间的距离，即聚合物芯的厚度。由于聚合物的密度大大小于钢的密度，夹芯板的刚性随厚度的增加而大幅提高，但对重量的影响却很小；因此，即使刚性很高时比重仍能保持较低。图13描绘了夹芯板刚性与重量的关系，并与实心铝板和钢板进行了比较。由于内含粘弹性材料，该夹芯板显示出良好的声学性能和热性能；粘弹性材料的热膨胀系数与钢相同，避免组装到钢结构上时产生变型。聚合物经专门设计，使夹芯板的形状非常稳定。
Usilight有两种型号的聚合物，在热应力下表现出不同的机械性能：（1）B型—非常适于经EG涂漆的外露板（200℃下1h以内确保强度不退化）；（2）A型—较便宜，但高温下该聚合物的机械性能较差（160℃确保强度）。
如前所述，这种夹芯板的主要特点是重量轻刚性大，此外，它还显示出良好的抗凹性能、声学和耐冲撞性能，它的耐腐蚀性也是一流的。
就Usilight对汽车报废（ELV）时回收率的影响，在开发之初就通过破碎试验和高温试验（包括在仪表化中试电弧炉中的熔融试验）进行了彻底调查，结论是Usilight的回收率可达到100%，与已经过循环利用的有机涂镀产品相同。
在阿塞洛公司不懈的努力和用户的密切配合下，用高刚性夹芯板在工业条件下制造汽车部件的可行性已得到证实。该产品主要应用于要求刚性的大型车身板（即车项、车盖、后盖板等），但良好机械性能使它也可应用于其他特定部件，如驾驶室结构等。

图12 夹芯钢板示意图

图13 夹芯钢板与实心钢板和铝板挠曲刚性的比较

7．未来的发展方向
为了不断地满足汽车制造商未来的要求，阿塞洛正在研究下一代超高强度钢，目标在于中长期工业应用。然而，从一项新产品的冶金概念形成之初，就必须确认其最终性能，以向汽车制造商提供其使用性能和工业化应用可行性方面的信息。钢厂生产工艺（从炼钢至最终涂镀）方面的可行性也要同时研究，以确保新产品能够进行工业化生产。
下面列举一些研发方向的例子：
——采用独特的合金和显微组织设计可获得具有超高强度的韧性钢。极限抗拉强度高达1200～1500MPa；多相和奥氏体显微组织是主要兴趣所在；显微组织的设计应改善耐破损性能；研发早期便考虑到焊接性能。
——通过新法热机械处理或合适的化学成分配方，可生产出超细晶钢。 这样，即使采用较贫的化学成分也可获得很高的强度，既而提高其他性能，如焊接性等。显微组织细化也是改善耐破损性能的一种途径。
——低密度超高强度钢是保持厚度的情况下减轻重量的最直接答案。一个建议是钢与轻元素（Al或Si）合金化。通过调整合金化元素的成分可获得各种强度。轻元素的添加量直接关系到密度的降低程度。
钢基复合材料（图14）被提出用于同时提高杨氏模数E和降低密度ρ，两者在结构定尺寸中非常重要。由于对增强颗粒的参数（性质、体积分数、尺寸等）有充分的选择余地，所以E/ρ比率能够得到显著改善。而且，材料的延展性及耐破损和耐疲劳性能与常规超高强度钢处于同一范围。

图14一种改善杨氏模数的钢基复合材料的显微组织（黑色区：陶瓷颗粒；亮区：铁素体）

刘友存 译自《steel research》2006，（9-10）：620～626
校对