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

1、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thePanelBHSteelSheetYaoGuisheng(FirstAutomobileWorksChang

2、chun)ABSTRACTHighstrengthsteelsheethasbeenincreasinglyusedabroadinordertoreducethedeadloadofautomobilesandsaveenergy.ThestudyontheeffectofBHsteelsheetonthedent2resistanceofautobodypanelindicatedthattheyieldstrengthofBHsteelpartisincreasedafterstampingandpaintbakingandthedent2resistanceimprovedsignif

3、icantlywiththethicknessofthesheetunchanged,andthatthedent2resistanceoftheexistingsheetcouldbemaintainedandtherequirementsofusereachedifthegaugeofsheetreduced(carweightreduced).KeyWordsAutobodypanelBHsteelDent2resistance1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),

4、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)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

5、,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2tance)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

6、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

7、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38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,J1A13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

8、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.1Load2deflectioncurveindent2resistancetest211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

9、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046m/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

10、荷试验时所得到的结果会有区别。图2压陷试验示意图Fig.2Schematicillustrationofdenttest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

11、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0125mm。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.3Typicalloadvsdentdepthfortheincrementaldenttestproced

12、ureJ.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.4Effectofthetestspeedonthedent2resistance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

13、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1316%,图55ofbetweenhighstrengthsteelsheetandthatofplainlowcarbo

14、nsteelsheet312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Table1Compositionan

15、dmechanicalpropertiesofBHsteelsheetexamined化学成分,%钢种DQAKHF40MMD210CMD280C010*Mn0120013001200120PSSil010*N010*YS180*9TS302370370418力学性能El45383835rmnYSBH备注0102010601020106010201020102010201030103010301032101171111110123012101170117226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D

16、QAK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

17、。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24种钢板制造的4种车门抗凹陷性能Table2Dent2resistanceofthefourkindsofcardoormadeoffourdifferentsteelsheet车门类型A材料DQAK-BHF40M-WHF40M-B1HF40M-B2DQAK-BHF40M-WHF40M-B1HF40M-B2HF40M-B1HF40M-B2DQAK-BHF40M-WHF40M-B1HF40M-B2-B1

18、-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,N96961151179710511311015815510899117119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

19、和力学性能Table3Compositionandmechanicalpropertiesofsteelsheetexamined钢种厚度mmCSiMn化学成分,%PSTiNbNYSMPaTSMPa力学性能1)El%nrmBH值2)-31一般超低碳钢0183801002201008011580100620100650102301027001003315714319194514012381175加磷超低碳钢01838010022010074011540106100100610102101024001003620518386163615012261174加磷BH钢01813010020010130

20、11500106600100500101301005101003523116361143718012031167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.6ResultsoffixedloaddenttestFig.7Resultsofincrementalloaddenttest160、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

21、)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。4BH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。

22、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.8PredictionoffutureapplicationofBHsteelsheet(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(JFSA

23、2001-1996)、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511。表4德国的镀锌烘烤硬化钢板的化学成分和力学性能12Table4CompositionandmechanicalpropertiesofthegalvanizedBHsheelsheetmadeinGermany钢号ZSTE180BHZSTE220BHZST

24、E260BHZSTE300BH33退火工艺BABACACAHDG化学成分,10-3%C5530302Mn200200220220220Si2020202020P3*S99666N315315*Al4040404040YSMPa210240*TSMPa320360360440300力学性能El(l0=80mm)4037382540BH2WH2+BH2MPa4845545540MPa707060rmn11611511311311501220118011801180119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

25、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51996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Ta

26、ble5MechanicalpropertiesofBHsteelsheetlistedin1996AutoSheetIndustrialStandardsofJISF力学性能标准号钢板种类牌号TSMPaYS,MPaEl1),%JFSA2001-1996JFSA3011-1996JFSA3031-1996JFSA3041-1996JFSA3051-1996冷轧钢板JSC270AJSC340HJAC270HJAC340HJFC270HJFC340HJYC270HJYC340H270340270340270340340270340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,m

27、m014018110018110312135125115215215205185175165285275265135125115225215205195185175295285275135125115225215205185205185175165285275165135125115225215205185175165285275265力学性能1)014016405034444050334348324238483242平均r值01601841513545415134443949334339493343厚度范围,mm0181101101124243525336374647424352533536

28、45464740415051343544454441505134354445112116445438484454374738484252364642523646116015016018110112116110015110116110116113试样备注JIS5号110轧制方向JIS5号无镀层11311230111110384832423747314137473141405034443848324238483242415135453949334339493343435337474050344440503444445438484151354541513545453039423036423036019018018017019018018017112111111110110110019019112111111110113113112112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1734g/m22)两面镀层量3421)两面镀层量1750g/m22)两面镀层量5021)两面镀