采用烘烤硬化钢板BH钢改善汽车车身外表零件的抗凹陷性能.docx
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采用烘烤硬化钢板BH钢改善汽车车身外表零件的抗凹陷性能
2000年第4期 宝 钢 技 术 1
综 述
采用烘烤硬化钢板（BH钢）
改善汽车车身外表零件的抗凹陷性能
姚贵升（长春第一汽车厂）
摘要 为了减轻汽车自重,节约能耗,国外广泛采用高强度钢板,并研究了采用BH钢板后对车身外表零件抗凹陷性能的影响。
结果表明:
BH钢冲成零件油漆烘干后的屈服强度显著提高,如果零件使用钢板的厚度不变,可以明显地提高其抗凹陷性能;如果减薄钢板厚度（减轻车重）可以保持其抗凹陷性能达到原用钢板的水平,。
关键词 车身外板 BH钢 抗凹陷性能
thePanel
BHSteelSheet
YaoGuisheng
（FirstAutomobileWorksChangchun）
ABSTRACT Highstrengthsteelsheethasbeenincreasinglyusedabroadinordertoreducethedeadloadofautomobilesandsaveenergy.ThestudyontheeffectofBHsteelsheetonthedent2resistanceofautobodypanelindicatedthattheyieldstrengthofBHsteelpartisincreasedafterstampingandpaintbakingandthedent2resistanceimprovedsignificantlywiththethicknessofthesheetunchanged,andthatthedent2resistanceoftheexistingsheetcouldbemaintainedandtherequirementsofusereachedifthegaugeofsheetreduced（carweightreduced）.
KeyWords Autobodypanel BHsteel Dent2resistance
1 前言
据资料介绍,汽车自重每降低1%,燃油消耗可下降016%～110%[2]。
轿车车身的钢板消耗量约占整车钢材消耗量的75%,因此,采用烘烤硬化的
高强度钢板（BH钢）,减薄厚度以减轻汽车自重便是降低油耗的主攻方向。
大量采用BH钢给钢厂的生产和汽车厂的使用都带来一些问题,对钢厂来讲,要探求适合的生产工艺生产有一定烘烤硬化值（
BH值）而又能延迟时效的钢板,其质量稳定而性能又满足用户要求;对汽车厂来讲要研究采用厚度减薄的BH钢板对车身零件使用性能如刚度（Stiffness）、起伏负荷（OilCanningload）
Ξ
当今国内外汽车工业的发展目标是减轻汽车自重节约能耗,降低排放改善环境,采取措施提高安全性,为此开展了新技术、新材料、新工艺和新产品的开发。
节约能耗是汽车工业发展的首要问题。
欧美各国正在开发不减小汽车尺寸、不降低乘坐舒适性、不增加售价,但燃料效率是目前三倍,即每百公里油耗在3升左右的汽车[1],预计在下个世纪初即可投入生产。
减轻汽车自重是降低油耗的主要措施之一,
姚贵升 研究员级高工 1930年生 1952年毕业于唐山铁道学
院 现从事金属材料专业 电话 5904893 邮编
130011
和抗凹陷性能（Dentresis2
Ξ在外加负荷的作用下,车身外板就会像油壶底部用力时出现起伏现象一样,起伏负荷（OilCanningload）是指产生这种现象的最低负荷。
宝 钢 技 术 2000年第4期2
tance）的影响。
近年来,国外广泛研究了采用BH钢板后对车身外表零件使用性能的影响,笔者对近来国外发表的部分文献进行编译整理,以期对国内正在开展的BH钢板的开发应用有所帮助。
2 车身外表零件抗凹陷性能测试方法
人[5]测定了不同强度的钢板冲制的门外板不同部
位的刚度,测定的结果表明,零件不同部位的刚度不同,弯曲半径小的部位刚度高,比较平坦的部位刚度低。
在同一部位屈服强度不同的门外板有几乎相同的刚度,说明钢板的屈服强度对零件的刚度没有影响。
各种钢板的弹性模量几乎相同,所以要改善汽车车身板件的刚度只能通过增加钢板厚度、改变零件形状或改变零件的焊装部位（改变边界条件）来实现,不能用提高钢板的屈服强度来提高零件的刚度
。
212 起伏负荷
—,1的。
它与钢板的厚度有密,钢板越厚,其起伏负荷越高。
钢板减薄后其起伏负荷的降低可以通过外板设计的改变如增加外板的弯曲程度、改变外板的装配方式等措施加以补偿。
213 抗凹陷性能
测试方法的原则是将要试验的钢板冲压成实
际零件（如门外板、翼子板、发动机盖板等）装配成总成,或在试验室冲制成特殊的形状作为抗凹陷性能试验的样品,将它固定在一个特殊底架上,在不同的试验装置[3～8]上用静止的、
准静止的和动态的负荷（即不同速度的负荷）将直径为2514mm的钢球或半圆压头垂直地压入试件不同部位的表面上,,,J1A1[3]的加负荷和卸负荷的负荷—变形曲线示于图1,根据该图可以测得试验板件的刚度、起伏负荷和表征抗凹陷性能的压陷深度。
抗凹陷性能是指车身外表零件抵抗外加负荷（静负荷或动负荷）在其表面产生压痕的能力。
这种性能对于车身外表零件有实际意义,因为汽车行驶时不可避免地要有飞溅的石头等杂物打在汽车上而在零件表面产生压痕,破坏其外观并打掉油漆而增加锈蚀的机会。
车身外板的抗凹陷性能与钢板的屈服强度、厚度和零件的刚度有关,屈服强度越高,厚度越大,其抗凹陷性能越好,而零件的刚度越高,其抗凹陷性能越差。
214 抗凹陷性能试验方法
图1 抗凹陷性能试验时的负荷—变形曲线
Fig.1 Load2deflectioncurveindent2resistancetest
211 刚度
前边已经介绍了抗凹陷性能测试方法的原则,下面再简要介绍一种具体的试验方法。
在M.A.McCormick等人发表的文章中提供了准静负荷抗凹陷性能试验方法[9]。
有固定负荷法和增量负荷法两种方法来评价板件的抗凹陷性能,用一个直径为2514mm的钢球压头以13mm/min的速度垂直地压向试验板件的表面,压陷深度的测量精度为010127mm,试件采用在试验室胀形成形的板形,试验装置示意图如图2所示。
21411 固定负荷压陷试验
刚度为加负荷时直线部分的斜率,它可以考虑为试验板件的弹性常数,是材料的弹性模量
（E）、板厚（t）、试验件的形状和给定的边界条件（与装配情况有关）的函数。
由于零件不同部位的形状和边界条件不同,所以零件不同部位的刚度也不同。
Ronald.P等
姚贵升 采用烘烤硬化钢板（BH钢）改善汽车车身外表零件的抗凹陷性能
意义,因为车身外板在实际行驶时遇到的典型物
体的冲击速度在0～46m/s的范围内,在这样高速物体的冲击下产生的抗凹陷性能与静负荷试验时所得到的结果会有区别。
图2 压陷试验示意图
Fig.2 Schematicillustrationofdenttest
试验步骤如下:
（1）在试验位置预加负荷215N,的位置;
（2）;
（3）215,与。
用固定负荷（也称一次负荷）
作用下的压陷深度表示板件的抗凹陷性能。
在上述试验过程中记录下负荷—变形数据画成曲线（Load2deflectioncurve见图1）,从该图上可以计算出试验部位的刚度、起伏负荷和产生的压陷深度。
21412 增量负荷压陷试验
试验步骤如下:
（1）在试验位置预加负荷215N,记录下开始的位置;
（2）在试验位置加初始负荷67N;（3）后加负荷215N并记录下位置;
（4）在同一位置不断加增量负荷1313N,在每次加增量负荷前后都预加和后加负荷215N,测量压陷深度,直至压痕深度达到0
125mm。
采用可见的压陷深度011mm的负荷表示板件的抗凹陷性能;也有的试验把压陷深度为0106mm作为可见压陷深度,用产生0106mm
压陷深度的负荷作为抗凹陷性能[6]。
图3示出负荷—压陷深度的曲线,压陷深度为011mm时的负荷为160N,用它表示抗凹陷性能。
21413 动态抗凹陷性能
提高加负荷的速度测得的抗凹陷性能即动态抗凹陷性能。
这种性能对车身外板来讲更有实际
图3 负荷—压陷深度曲线
Fig.3 Typicalloadvsdentdepthfortheincrementaldenttestprocedure
J.A.Dicello等人的试验结果[3]指出:
提高加
负荷的速度,钢板产生可见压陷的能量增加,即钢板的抗凹陷性能较高。
M.F.Shi等人[8]用不同试验速度对4种钢材（一种IF钢、一种加P的IF钢、二种BH钢）冲制的门外板进行了压陷试验,了解试验速度对抗凹陷性能的影响。
试验速度分别为012m/min和2618m/min,采用压陷深度为011mm的最低负荷
表示抗凹陷性能,试验结果示于图4。
图4 试验速度对抗凹陷性能的影响
Fig.4 Effectofthetestspeedonthedent2resistance
试验结果表明:
提高试验速度即采用动态抗
宝 钢 技 术 2000年第4期4
凹陷性能试验,产生011mm压陷深度的负荷增加,即提高了钢板的抗凹陷性能。
3 采用BH钢板减轻车重和抗凹陷性能试验结
果311 采用高强度钢板或BH钢的减重情况
此处讨论采用减薄的高强度钢板代替一般低碳钢板而不影响抗凹陷性能的情况,钢板代替后保持相同的抗凹陷性能的需要。
采用高强度钢板后其屈服强度与原用材料屈服强度的比值与重量降低近似呈直线关系（图5）,屈服强度增加,降低的重量也增加。
例如钢板的屈服强度从170MPa增加34MPa,即增加20%,降低重量可达716%;增加68MPa,即增加40%,降低重量可达13
16%,图5 5ofbetweenhighstrengthsteelsheetandthat
ofplainlowcarbonsteelsheet
312 采用BH钢板的抗凹陷性能的试验结果,现列举几例供参考。
（1）Chung2HsinChen等人[6]用4种钢板冲制4种车门外板、2种翼子板和1种发动机盖板进行抗凹陷性能的试验。
试验时将零件装在一个刚性的架子上,用2154mm/s的加荷速度将直径为
2514mm的半圆压头垂直压入试件表面,试验位
置选择最容易压陷的部位,门外板选择4个部位,翼子板和发动机盖板选择3个部位。
用压陷深度为0106mm的负荷为抗凹陷性能,钢板的成分和力学性能列于表1,此处只将4种车门外板4个部位抗凹陷性能试验结果的平均值列于表2。
表1 试验用BH钢板的成分及力学性能
Table1 CompositionandmechanicalpropertiesofBHsteelsheetexamined
化学成分,%
钢种
DQAKHF40MMD210CMD280
C010*********
Mn0120013001200120
P
S
Si
l010*********
N010*********
YS180********9
TS302370370418
力 学 性 能
El45383835
rm
n
YSBH备注
≤01020106≤01020106≤0102≤0102≤0102≤0102≤0103
≤0103≤0103≤0103
210117111111
0123012101170117
226对比钢288329384
罩式退火
连续退火连续退火
试验结果表明,采用BH钢后,如果钢板厚度不减薄,外门板的抗凹陷性能可以显著地提高（为原用DQAK钢板的160%）;如果钢板厚度由原用DQAK钢板0180mm厚减薄至0175mm（即减薄6125%）,各类门外板的抗凹陷性能仍有不同程度的提高,但是刚度和起伏负荷却由于钢板厚度减薄而略有降低。
（2）PaulBucklin等人[10]用一般超低碳、加磷超低碳和加磷超低碳BH钢冲成门外板装配成门外板总成,油漆烘干后进行抗凹陷性能试验,试验
用钢板的成分和力学性能列于表3。
用固定负荷法和增量负荷法二种方法测定抗凹陷性能。
固定负荷用加载178N后将直径为2514mm的钢球压入门外板的压陷深度表示抗凹陷性能;增量负荷法用产生011mm压陷深度的负荷表示抗凹陷性能。
在门外板的3个点（A,B,C）上进行试验。
结果示于图6和图7,用增量负荷法测定的结果表明:
加磷的BH钢的抗凹陷性能最好,比一般的超低碳钢提高75%;加磷的超低碳钢次之,
姚贵升 采用烘烤硬化钢板（BH钢）改善汽车车身外表零件的抗凹陷性能
表2 4种钢板制造的4种车门抗凹陷性能
Table2 Dent2resistanceofthefourkindsofcardoormadeoffourdifferentsteelsheet车门类型
A
材料
DQAK-BHF40M-WHF40M-B1HF40M-B2DQAK-BHF40M-WHF40M-B1HF40M-B2HF40M-B1HF40M-B2DQAK-BHF40M-WHF40M-B1HF40M-B2-B1-B2
厚度
mm018001750175017501800175017501750180018001800175017501750750175
刚度
N/mm63-58-84-82-98-91-91-63--
起伏负荷
N76-62-85-80-85-80-76-6762-
抗凹陷性能
压痕深度为0106mm的力,N
96961151179710511311015815510899117119
增减率,%
100100120122100108117113163160100100117138140
轿车右前门
B
轿车左前门
C
小轿车左前门
D
注:
W:
成形,未油漆烘烤;B:
油漆烘烤;B1和B2重复试验。
表3 试验用钢板的化学成分和力学性能
Table3 Compositionandmechanicalpropertiesofsteelsheetexamined
钢种
厚度
mm
C
Si
Mn
化学成分,%
P
S
Ti
Nb
N
YSMPa
TSMPa
力学性能1）
El%
n
rm
BH值2）--31
一般超低碳钢0183801002201008011580100620100650102301027001003315714319194514012381
175加磷超低碳钢0183801002201007401154010610010061010210102400100362051
8386163615012261174加磷BH钢018130100200101301150010660010050010130100510100352311636114
3718012031167 注:
（1）样品取自纵向,BH钢平整量为113%,其他二种为017%;
（2）BH值为预应变2%后在177℃烘烤20min的屈服强度与预应变2%后未烘烤的屈服强度的差值。
图7 增量负荷压陷试验结果
图6 固定负荷压陷试验结果
Fig.6 Resultsoffixedloaddenttest
Fig.7 Resultsofincrementalloaddenttest
160、180和240MPa的钢板冲制成门外板装在一
比一般超低碳钢提高35%,这充分显示出烘烤硬化钢板在提高抗凹陷性能上具有很大优越性。
（3）RonaldP.Krupitzer等人[5]用屈服强度为
个基板上,在9个位置进行抗凹陷性能试验,采用固定负荷法即加负荷178N将直径为2514mm的钢球垂直压入试件表面,用压陷深度表示抗凹陷
宝 钢 技 术 2000年第4期6
性能,试验结果表明钢板的屈服强度提高,压陷深度减小,即抗凹陷性能提高。
上述三例说明:
钢板的屈服强度提高,可以明显地改善抗凹陷性能,从而可以减薄钢板厚度以减轻车重。
4 BH钢的应用情况
采用BH钢板在冲压时有较低的屈服强度,可以冲出形状复杂的零件,在油漆烘干时由于烘烤硬化可以使屈服强度提高,使零件用钢板厚度减薄后还能保持良好的抗凹陷性能,对降低车重节约油耗起很大作用,
近来得到了广泛的应用。
德国大众公司向中国一汽-大众公司提供的AudiC5轿车用料一览表中有门栏加强板、顶盖横梁内板、左/烘烤硬化钢板,-等。
[12]也列出了3种正式生产和2种试生产的镀锌BH钢板,它们的化学成分和力学性能列于表4。
根据日本发表的资料介绍[2],预计将来汽车车身主要外表零件采用BH钢的厂家情况示于图8,可见汽车车身外表零件采用BH钢的厂家将日益增多。
图8 车身外表零件未来采用BH钢的日本厂家
Fig.8 PredictionoffutureapplicationofBHsteelsheet
（J-1990）、热镀（3302-1994）（JISG）。
年由日本钢铁联盟制定发布的汽车用钢标准（JFS）中在冷轧钢板（JFSA2001-1996）、热镀锌钢板（JFSA3011-1996）、电镀锌铁合金钢板（JFSA3031-1996）、电镀锌镍合金钢板（JFSA3041-1996）和电镀锌镍并涂有机复合物钢板（JFSA3051-1996）均列有BH钢,足以说明在日本BH钢的应用日益广泛。
日本钢铁联盟公布的汽车用钢板标准中所列的BH钢板的牌号及力学性能列于表5[11]。
表4 德国的镀锌烘烤硬化钢板的化学成分和力学性能[12]
Table4 CompositionandmechanicalpropertiesofthegalvanizedBHsheelsheetmadeinGermany
钢号
ZSTE180BHZSTE220BHZSTE260BHZSTE300BH33
退火
工艺
BABACACAHDG
化学成分,×10-3%
C5530302
Mn200200220220220
Si2020202020
P3*******
S99666
N315315*********
Al4040404040
YSMPa210240*********
TSMPa320360360440300
力 学 性 能
El（l0=80mm）
4037382540
BH2WH2+BH2MPa4845545540
MPa>70>70>60
rm
n
1161151131131
15
01220118011801180119
注:
退火工艺:
BA———罩式炉退火;CA———连续退火;HDG———热浸镀锌;3:
试生产;BH2:
预应变2%,170℃烘烤20min屈服强度增加值。
我国宝钢与一汽合作开展了BH钢的开发工作,先在载重车的应用起步,探求采用BH钢后减薄钢板厚度的可能性。
5 结束语
于材料的弹性模量、板材的厚度、零件的形状和装
配状况（影响零件的支撑状况）,而与材料的屈服强度无关;抗凹陷性能受板材厚度、屈服强度和零件刚度的影响。
采用屈服强度高的烘烤硬化钢板代替一般低碳软钢板,可以减薄钢板厚度从而减轻车重并保证抗凹陷性能达到原用钢板的水平,满足使用要求。
汽车车身外表零件的使用性能包括刚度、起伏负荷和抗凹陷性能。
刚度和起伏负荷主要决定
姚贵升 采用烘烤硬化钢板（BH钢）改善汽车车身外表零件的抗凹陷性能表5 1996年日本钢铁联盟汽车用钢行业标准中列入的烘烤硬化钢板的力学性能
Table5 MechanicalpropertiesofBHsteelsheetlistedin1996AutoSheetIndustrialStandardsofJISF
力 学 性 能
标准号
钢板种类
牌号
TSMPa
YS,MPa
El1）,%
JFSA2001-1996JFSA3011-1996JFSA3031-1996JFSA3041-1996JFSA3051-1996
冷轧钢板
JSC270AJSC340HJAC270HJAC340HJFC270HJFC340HJYC270HJYC340H
≥270≥340≥270≥340≥270≥340≥≥340≥270≥340
热镀锌
钢板
电镀锌铁合金钢板电镀锌镍合金并涂有机复合物钢板
厚度范围,mm≥014≥018≥110<018<110≤312≥135≥125≥115≤215≤215≤205≥185≥175≥165≤285≤275≤265≥135≥125≥115≤225≤215≤205≥195≥185≥175≤295≤285≤275≥135≥125≥115≤225≤215≤205≥185≥≤≥≤≤205≥185≥175≥165≤285≤275≤165≥135≥125≥115≤225≤215≤205≥185≥175≥165≤285≤275≤265力 学 性 能
1）
≥014
<016≥40≤50≥34≤44≥40≤50≥33≤43≤48≥32≤42≥38≤48≥32≤42平均r值
≥016
<018≥41≤51≥35≤45≥41≤51≥34≤44≥≤≥39≤49≥33≤43≥39≤49≥33≤43
厚度范围,mm
≥018≥110<110<112≥42≥43≤52≤53≥36≥37≤46≤47≥42≥43≤52≤53≥35≥36≤45≤46≥≥≥≤≤47≥40≥41≤50≤51≥34≥35≤44≤45≥44≥41≤50≤51≥34≥35≤44≤45
≥112
<116≥44≤54≥38≤48≥44≤54≥3747≥≤≥38≤48≥42≤52≥36≤46≥42≤52≥36≤46
≥116
<312≥45≥39≥45≥38≥45≥39≥43≥37≥43≥37
2）标准号
JFSA2001-1996JFSA3011-1996JFSA3031-1996
JFSA3041-1996JFSA3051-1996
厚度范围,mmBH值厚度
≥014≥016≥018≥110≥112≥116MPa>015<016<018<110<112<116<312≤110
≥114≥30
≥111
2）>110>015>110≤116≤110≤116≥113
试样备注
JIS5号
≥110
轧制方向
JIS5号
无镀层
≥113≥112≥30
≥111≥110
≥38
≤48≥32≤42≥37≤47≥31≤41≥37≤47≥31≤41
≥40
≤50≥34≤44≥38≤48≥32≤42≥38≤48≥32≤42
≥41
≤51≥35≤45≥39≤49≥33≤43≥39≤49≥33≤43
≥43
≤53≥37≤47≥40≤50≥34≤44≥40≤50≥34≤44
≥44
≤54≥38≤48≥41≤51≥35≤45≥41≤51≥35≤45
≥45
≥30
≥39≥42
≥30
≥36≥42
≥30
≥36
≥019≥018≥018≥017≥019≥018≥018≥017≥112≥111≥111≥110≥110≥110≥019≥019≥112≥111≥111≥110≥113≥113≥112≥112
轧制方向
JIS5号垂直轧向JIS5号轧制方向JIS5号垂直轧向JIS5号轧制方向JIS5号垂直轧向JIS5号轧制方向JIS5号垂直轧向
采用冷轧原板时
1）两面镀层量17～34g/m2
2）两面镀层量>34～2
1）两面镀层量17～50g/m2
2）两面镀层量>50～2
1）两面镀
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