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新日鐵住金汽車(chē)用鋼技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司bt990.com.cn
更新時(shí)間：2015-05-14
新日鐵住金是日本大型鋼鐵公司之一，也是亞洲地區(qū)汽車(chē)用鋼最具競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)，其汽車(chē)用鍍鋅板和高性能車(chē)用鋼材相關(guān)技術(shù)在世界上處于先進(jìn)水平。
新日鐵住金是日本大型鋼鐵公司之一，也是亞洲地區(qū)汽車(chē)用鋼最具競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)，其汽車(chē)用鍍鋅板和高性能車(chē)用鋼材相關(guān)技術(shù)在世界上處于先進(jìn)水平。新日鐵住金高度關(guān)注汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，近年來(lái)在汽車(chē)用鋼的工藝、材料、涂層、解決方案等方面進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，在汽車(chē)的輕量化、電氣化、節(jié)能、安全性、舒適性等方面發(fā)揮了重要作用。
工藝創(chuàng)新瞄準(zhǔn)安全與輕量化
近年來(lái)，在汽車(chē)用鋼的工藝技術(shù)研發(fā)中，新日鐵住金主要的技術(shù)創(chuàng)新包括熱壓成型技術(shù)、三維熱彎淬火(3DQ)量產(chǎn)加工技術(shù)等。
熱壓成型技術(shù)。新日鐵住金開(kāi)發(fā)的熱壓成型技術(shù)，通過(guò)材料技術(shù)和利用技術(shù)的結(jié)合，保證了部件淬火硬度的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了熱壓成型鋼板的穩(wěn)定生產(chǎn)。以往的汽車(chē)用鋼成型技術(shù)是將高強(qiáng)鋼板進(jìn)行冷沖壓加工，使用的鋼板強(qiáng)度級(jí)別越高，塑性變形越大，容易引起鋼板尺寸精度不良等諸多問(wèn)題。新日鐵住金開(kāi)發(fā)出汽車(chē)用高強(qiáng)鋼熱壓成型技術(shù)，有效解決了這些問(wèn)題，而且運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，可生產(chǎn)出強(qiáng)度級(jí)別更高的汽車(chē)部件。
新日鐵住金開(kāi)發(fā)的熱壓成型技術(shù)具體為：將鋼板加熱到900℃左右，使之在軟質(zhì)化狀態(tài)下進(jìn)行淬火處理，同時(shí)，利用模具與鋼板間的接觸冷卻，強(qiáng)化淬火效果，可滿足1500MPa級(jí)的強(qiáng)度要求，實(shí)現(xiàn)良好的尺寸精度。利用沖壓模具進(jìn)行沖壓并冷卻淬火時(shí)，由于模具內(nèi)部件的各個(gè)部位不一定是均勻冷卻，熱壓成型部件容易出現(xiàn)硬度不均現(xiàn)象，新日鐵住金開(kāi)發(fā)了多種處理技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
三維熱彎淬火(3DQ）量產(chǎn)加工技術(shù)。新日鐵住金開(kāi)發(fā)的三維熱彎淬火技術(shù)（3DQ，3?Dimensional?Hot?Bending?and?Quench)集合了材料開(kāi)發(fā)技術(shù)、各種斷面形狀的鋼管制造技術(shù)、二次加工技術(shù)等各項(xiàng)技術(shù)，是一種劃時(shí)代的技術(shù)創(chuàng)新。三維熱彎淬火處理技術(shù)是對(duì)各種形狀的鋼管進(jìn)行加熱，并用冷卻水有順序淬火的連續(xù)工藝。通過(guò)使用這種技術(shù)，鋼管可以實(shí)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度在1500MPa以上的水平。采用這項(xiàng)技術(shù)制造汽車(chē)零部件，將顯著降低車(chē)輛的重量，并提高汽車(chē)碰撞安全性。
一般而言，使用高張力鋼板制造汽車(chē)部件能夠使部件更薄且確保相同的強(qiáng)度，可大幅減輕車(chē)身重量。但若單純減薄，剛性就會(huì)下降，導(dǎo)致行駛時(shí)車(chē)身振動(dòng)變大，還會(huì)對(duì)方向盤(pán)操縱帶來(lái)不良影響。因此，新日鐵住金開(kāi)發(fā)部門(mén)將著眼點(diǎn)放在了確保剛性的鋼管提高強(qiáng)度，將經(jīng)過(guò)高頻加熱處理軟化的鋼管高速且高精度地加工成復(fù)雜的三維形狀，然后進(jìn)行水冷處理，再采用可將強(qiáng)度提高至1500MPa級(jí)的3DQ技術(shù)進(jìn)行加工，并設(shè)計(jì)了部件的最佳截面形狀、板厚和形狀，由此開(kāi)發(fā)出了輕量、堅(jiān)固且剛性高的橫梁支架，以及穩(wěn)定制造橫梁支架的工藝。該技術(shù)首次用在了馬自達(dá)的MVP“普力馬(PREMACY)”上，利用3DQ技術(shù)加工的1500MPa級(jí)超高強(qiáng)度方形鋼管具體用在第三排坐席下部的橫梁支架上，該部件在確保與原來(lái)同等剛性和強(qiáng)度的同時(shí)，減輕了約50%的重量。
利用3DQ技術(shù)可制造出強(qiáng)度為1.5GPa的封閉斷面部件，取得30%~50%的輕量化效果，并能大幅度提高車(chē)輛的沖撞安全性。另外，3DQ技術(shù)在成型時(shí)不需要使用模具，因此還可減少設(shè)備投資。
材料創(chuàng)新提高強(qiáng)度減重延壽
近年來(lái)，在汽車(chē)用鋼材料研發(fā)中，新日鐵住金主要的技術(shù)創(chuàng)新包括汽車(chē)排氣管用鋼-YUS450-MS的開(kāi)發(fā)、成型性能良好的超高強(qiáng)鋼-1.2GPa鍍鋅高張力鋼板的開(kāi)發(fā)等。
汽車(chē)排氣管用鋼-YUS450-MS。新日鐵住金開(kāi)發(fā)的排氣管材料YUS450-MS，特點(diǎn)在于Nb-Ti的混合添加，由此可以提高高溫特性，尤其是可以提高熱疲勞特性。為了使該材料能夠在高達(dá)950℃溫度下使用，新日鐵住金添加了Nb、Mo、W和Ti等元素來(lái)提高屈服強(qiáng)度。同時(shí)，使用該材料還可使汽車(chē)自重顯著減輕。
成型性能良好的超高強(qiáng)鋼-1.2GPa鍍鋅高張力鋼板。新日鐵住金開(kāi)發(fā)的拉伸強(qiáng)度為1.2GPa級(jí)、經(jīng)過(guò)合金化熔融鍍鋅處理的高張力鋼板，與普通冷軋鋼板相比，其開(kāi)發(fā)需要鍍鋅退火生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)難度較大，其最大強(qiáng)度通常限定在980MPa，被率先應(yīng)用于鈴木新款輕型車(chē)“Spacia”的主要骨架部件上，是日本汽車(chē)廠商首次采用1.2GPa鍍鋅高張力鋼板。
新日鐵住金開(kāi)發(fā)的1.2GPa鍍鋅高張力鋼板時(shí)，考慮到鍍鋅因素而調(diào)整了成分，并提高了制造工藝，最終實(shí)現(xiàn)了兼顧強(qiáng)度和成型性的微細(xì)金屬組織。這種鋼板能夠?qū)崿F(xiàn)包括防銹性能在內(nèi)的汽車(chē)骨架部件所需要的性能指標(biāo)，因此，還可用于地板側(cè)梁以外的其他骨架部件。
涂層創(chuàng)新更節(jié)能環(huán)保
近年來(lái)，在汽車(chē)用鋼涂層研發(fā)中，新日鐵住金主要的技術(shù)創(chuàng)新包括ECOKOTE-S熱鍍錫一鋅合金板、SuperDyma熱鍍鋅一鋁一鎂一硅合金鋼板的開(kāi)發(fā)等。
ECOKOTE-S熱鍍錫-鋅合金板。ECOKOTE-S熱鍍錫-鋅合金板是新日鐵住金開(kāi)發(fā)出的汽車(chē)燃料箱用鋼乏，其典型皮膜結(jié)構(gòu)分為：無(wú)鉻酸鹽處理特殊皮膜、Sn-Zn合金層、預(yù)處理層、基體等。其主要特點(diǎn)如下：一是與以往的燃料箱金屬材料相比，具備更高的耐蝕性；二是對(duì)于生物質(zhì)燃料等也具備優(yōu)異的耐蝕性；三是符合碳?xì)浠衔锿高^(guò)限制規(guī)定，無(wú)環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)；四是優(yōu)異的再生利用性。
SuperDyma熱鍍鋅一鋁一鎂一硅合金鋼板。SuperDyma是新日鐵住金開(kāi)發(fā)出的熱鍍鋅一鋁一鎂一硅合金鋼板，它的表面鍍層成分主要是鋅、約11%的鋁、約%的鎂和微量的硅合金，其典型皮膜結(jié)構(gòu)分為無(wú)鉻酸鹽處理特殊皮膜、Zn-Al-Mg-Si合金層、基體等。其主要特點(diǎn)包括：一是與熱鍍鋅鋼板相比，具有較高的耐蝕性，而且具有端面防蝕性；二是具備耐堿性，可與砂漿、混凝土接觸：三是可替代對(duì)氯較弱的不銹鋼、對(duì)堿較弱的鋁；四是可選擇與鉻酸鹽處理同等性能的無(wú)鉻酸鹽處理鋼板。
解決方案創(chuàng)新注重整體效果
新日鐵住金注重向用戶提供包括產(chǎn)品以及與產(chǎn)品相三套的應(yīng)用技術(shù)在內(nèi)的整體解決方案，在汽車(chē)用鋼領(lǐng)域通過(guò)與汽車(chē)行業(yè)用戶的合作，開(kāi)發(fā)出了一系列汽車(chē)用高強(qiáng)鋼及相應(yīng)的成型技術(shù)、焊接技術(shù)和汽車(chē)性能評(píng)價(jià)技術(shù)，形成了汽車(chē)用鋼整體解決方案。
成型性計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)。利用CAE技術(shù)對(duì)各種塑性加工工藝進(jìn)行研究，可以減少汽車(chē)制造工藝最佳化所需要實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，縮短開(kāi)發(fā)周期，減少模具的修正次數(shù)，因此具有顯著的經(jīng)濟(jì)意義。在利用CAE進(jìn)行研究時(shí)，最重要的是建立各個(gè)不同材料的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)用FEM進(jìn)行分析。
通過(guò)將表示變形模式的成型極限曲線(FLD)與FEM解析得到的應(yīng)變進(jìn)行比較，可以對(duì)沖壓成型裂紋進(jìn)行判斷。但是，當(dāng)沖壓成型的變形路徑發(fā)生變化時(shí)，不能直接應(yīng)用比例負(fù)荷時(shí)的FLD。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，新日鐵住金提出了應(yīng)力FLD方法，利用應(yīng)力FLD，即使變形路徑發(fā)生變化也可以用同一個(gè)FLD對(duì)沖壓裂紋進(jìn)行判斷。利用應(yīng)力FLD方法不僅可以對(duì)沖壓成型時(shí)的破斷進(jìn)行預(yù)測(cè)，而且可以對(duì)沖撞時(shí)的破斷進(jìn)行預(yù)測(cè)。
在高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用中，提高部件形，狀的穩(wěn)定性非常重要，新日鐵住金已開(kāi)發(fā)出各種提高部件形狀穩(wěn)定性的成型技術(shù)。新日鐵住金在利用CAE技術(shù)進(jìn)行汽車(chē)沖撞特性的評(píng)價(jià)中，根據(jù)對(duì)各種車(chē)體用鋼的高速變形特性，對(duì)部件的壓潰特性進(jìn)行解析，提出材料的最佳配置和最佳形狀方案。實(shí)際車(chē)體沖撞時(shí)，點(diǎn)焊區(qū)的破斷對(duì)沖撞能量的吸收會(huì)產(chǎn)生影響，而點(diǎn)焊區(qū)的破斷受到鋼板材質(zhì)、板厚、焊接條件、部件形狀等多個(gè)因素的影響。
新日鐵住金還開(kāi)發(fā)出利用應(yīng)力集中系數(shù)描述點(diǎn)焊破斷現(xiàn)象的方法，在該方法中的應(yīng)力集中系數(shù)考慮了焊核周?chē)淖冃尉惺闆r，顯著提高了解析精度。
沖擊性能評(píng)價(jià)模型。落錘試驗(yàn)是一種沖擊試驗(yàn)方法，重錘從不同高度落到試樣上，利用落下高度與試樣破壞率的關(guān)系等不同衡量指標(biāo)來(lái)表示試樣的抗沖擊能力。
新日鐵住金擁有日本國(guó)內(nèi)最大的落錘試驗(yàn)機(jī)，在進(jìn)行車(chē)體落錘實(shí)驗(yàn)時(shí)，可通過(guò)對(duì)車(chē)體下落時(shí)的沖擊速度、沖擊力的控制，得到正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并基于這些數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)出汽車(chē)車(chē)身強(qiáng)度、沖擊能量吸收的解析數(shù)據(jù)模型。這些數(shù)據(jù)模型對(duì)滿足汽車(chē)安全性、輕量化的未來(lái)汽車(chē)設(shè)計(jì)貢獻(xiàn)很大。
新日鐵住金在沖擊性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出能夠吸收沖擊能量的一種緩沖裝置，將其裝在汽車(chē)車(chē)身上，已被實(shí)際應(yīng)用。
點(diǎn)焊焊接部位斷裂預(yù)測(cè)軟件（NSafe-SPOT）。汽車(chē)撞擊時(shí)，點(diǎn)焊部位斷裂有可能引起車(chē)體損傷、司乘人員受傷等一系列問(wèn)題，因此對(duì)汽車(chē)點(diǎn)焊部位斷裂預(yù)測(cè)十分重要。新日鐵住金結(jié)合已開(kāi)發(fā)的沖撞解析用軟件(LS-DYNA，PAM-CRASH)，開(kāi)發(fā)了可預(yù)測(cè)點(diǎn)焊部位斷裂情況的軟件-NSafe-SPOT。NSafe-SPOT的主要特點(diǎn)是利用應(yīng)力集中的原理，可對(duì)多種模式的斷裂進(jìn)行高精度預(yù)測(cè)。
彎曲成型技術(shù)。新日鐵住金開(kāi)發(fā)了能夠?qū)?fù)雜斷面結(jié)構(gòu)彎曲加工成型技術(shù)，減少了以往繁瑣的焊接環(huán)節(jié)，改善了形狀精度，減少了焊接工序，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件的焊接。
新日鐵住金開(kāi)發(fā)的彎曲成型技術(shù)，是通過(guò)液壓成型法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。鋼板經(jīng)過(guò)軋制，長(zhǎng)度延伸而厚度變薄，體積不變?；谶@個(gè)原理，彎曲成型技術(shù)是將置于模具內(nèi)的鋼管進(jìn)行水壓通脹延伸的同時(shí)，管壁變薄，在鋼管長(zhǎng)度方向上壓縮成型的技術(shù)。該技術(shù)在有效利用鋼管的強(qiáng)度特性實(shí)現(xiàn)薄壁化的同時(shí)，使多個(gè)零部件的接合部件成為一體，這樣就省略了接合端部的法蘭盤(pán)等，實(shí)現(xiàn)了輕量化和零部件數(shù)量減少、節(jié)省工藝的過(guò)程。這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用化，給車(chē)身的框架材料、排氣系統(tǒng)的零部件等帶來(lái)很大變化，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)復(fù)雜零部件焊接技術(shù)的進(jìn)步。?
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