汽车钢板材料技术及发展趋势

汽车钢板材料技术及发展趋势前言在汽车中，钢板用量一般占汽车钢材总用量的55~80%。一般汽车中钢、铝、塑料所占比例分别为51∶12∶10。构成车身的部件大致分为面板部件、结构部件、行走部件及增强部件。这些部件对应不同的用途要求，具有不同的性能。例如，面板部件要求板材具有良好的成型性、强度、延伸性、抗凹陷性、耐腐蚀性等；结构部件要求板材具有良好的成型性、强度、碰撞能量吸收能力、疲劳耐久性、耐腐蚀性、焊接性；行走部件要求具有良好的成型性、刚性、疲劳耐久性、耐腐蚀性、焊接性；而优良的碰撞能量吸收能力、焊接性对增强部件来说特别重要。节能、环保、安全是当今世界汽车发展的主题，为此，世界主要汽车大国都积极应对，如美国1993年9月启动的新一代汽车伙伴项目（PNGV），其目标是在十年内通过提高热效率、降低汽车重量和实现再生等技术战略开发出三倍燃料效率的先进轿车。此外，欧洲和日本也相继制定了自己的环保型汽车发展计划。图1车重和油耗之间的关系车重（Kg）油耗（Km/L）车重（Kg）油耗（Km/L）在降低油耗、减少排放的诸多措施当中，降低汽车的重量已越来越得到汽车行业的重视，资料表明，车重减轻10%可节省燃油3～7%，图1给出了车重和油耗之间的关系。为了降低汽车的重量，近年来，世界各大汽车厂越来越多地使用铝或塑料等非钢铁材料，并有代替钢铁材料的趋势。这对一直作为汽车首选材料的钢铁构成了严峻的挑战，也使高强度汽车钢板的生产与使用成为一个世界范围内关注的热点问题。1国际汽车钢板材料领域发展现状及趋势1.1世界范围内各类钢板的产量根据CRU最新统计，2003年全球成品钢材产量为85475万吨，与2002年相比增加5496万吨，增长6.9%。中国2003年钢材产量为23581万吨，增加4177万吨，增长21.53%，钢材净进口增量为1117万吨。中国钢材产量占全球钢材产量的27.5%，2003年中国钢材产量增加量占全球钢材产量增加量的76%，是中国钢材产量的增长带动了全球钢材产量上升。2003年全球薄板（主要包括热轧薄板、冷轧薄板和涂镀板，产品规格以CRU为准）产量为33976万吨，比2002年同期增加1960万吨，增长6.1%。中国薄板总产量为4291万吨，比上年增加679万吨，增长18.8%。除中国以外，世界其他地区的薄板产量为29685万吨，比上年增加1281万吨，增长4.5%。2003年中国薄板净进口增量为812万吨，除中国以外的全球薄板表观消费总量上升了469万吨左右，中国薄板表观消费总量增加了1491万吨，比2002年增长29.2%。在中国对薄板的强劲需求下，其他市场的富余资源大部分通过出口进入到中国市场。1.1.1热轧薄板（指厚度小于4.75mm的热轧卷板、热轧板、热轧带）2003年全球热轧薄板产量为16538万吨，比2002年增加1026万吨，增长6.6%，中国热轧薄板产量为2541万吨，增加363万吨，增长16.7%。除中国以外世界其他地区的热轧薄板与去年同期相比增加663万吨，而中国同期净进口热轧薄板增量312万吨，除中国以外世界其他地区的热轧薄板表观消费量增加了351万吨，中国热轧薄板的表观消费量增加了675万吨，中国对热轧薄板的需求旺盛，通过进口吸收了国际其他市场大量的富余资源。中国强劲的需求抬高了热轧薄板的进口价格，2003年中国进口独联体国家的热轧卷C＆F平均价格为316美元/吨，比2002年高66美元/吨；进口非独联体国家的热轧卷C＆F平均进口价格为341美元/吨，比2002年高76美元/吨。1.1.2冷轧薄板（指冷轧卷板、冷轧板、冷轧带）2003年全球冷轧薄板产量8589万吨，比2002年增加576万吨，增长7.2%，中国冷轧薄板产量为1557万吨，与2002年相比增加291万吨，增长23%。除中国以外世界其他地区的冷轧薄板与2002年相比增加285万吨，中国2003年净进口冷轧薄板增量262万吨，除中国以外全球冷轧薄板表观消费量上升了23万吨，中国冷轧薄板表观消费量增加553万吨。尽管2003年中国国内冷轧板产量显著增加，但仍不能满足需要，世界新增冷轧卷资源绝大部分流向了中国市场。2003年中国进口独联体国家的冷轧卷C&F平均价格为416美元/吨，比2002年高96美元/吨；进口非独联体国家的冷轧卷C&F平均进口价格为460美元/吨，比2002年高122美元/吨。2003年美国冷轧卷FOB平均进口价格为426美元/吨，比2002年低45美元/吨；西欧各国的冷轧卷FOB平均价格均略高于2002年。1.1.3涂镀层钢板（指具有金属涂镀层的卷板、平板和钢带，不包括镀锡产品）2003年全球涂镀层钢板产量8848万吨，比2002年增加358万吨，增长4.2%，其中美国下降2.5%，欧盟增长0.8%，日本增长6.2%，韩国增长16.9%。中国涂镀层钢板产量为193万吨，比2002年增加25万吨，增长14.9%。除中国以外世界其他地区的涂镀层钢板产量与2002年相比增加333万吨，而中国2003年净进口涂镀层钢板增量为236万吨，所以除中国以外地区的涂镀层钢板表观消费上升97万吨，中国表观消费量增加261万吨。可见，中国对涂镀层钢板需求的增长主要通过进口满足，这说明国内新增涂镀层钢板产能在短期内还不能满足中国需求的增长。2003年中国进口非独联体国家的热镀锌C&F平均价格为531美元/吨，比2002年高127美元/吨；美国热镀锌FOB平均进口价格为437美元/吨，比2002年低41美元/吨；2003年西欧各国的热镀锌FOB平均价格均略高于2002年。1.2汽车钢板材料的种类及应用状况1.2.1汽车钢板材料的种类汽车用钢板从生产工艺特点划分为热轧钢板、冷轧钢板和涂镀层钢板；从强度角度可划分为：普通钢板（软钢板）、低合金高强度钢板（HSLA）、普通高强度钢板（高强度IF钢、BH钢、含磷钢和IS钢等）和先进高强度钢板（AHSS）等。在以强度划分的钢板中，前两类钢种目前国内外应用均已趋于成熟；第三类钢种在国际上已批量商业化应用，国内也处于研制、试用（IS钢）和推广应用阶段；第四类钢种在国际上处于研制趋于成熟和推广应用阶段，国内处于研制起步阶段。由于高强度钢板是汽车钢板材料发展的主题之一，因此在高强度钢板中重点介绍第三和第四类钢种，同时对涂镀层钢板进行简要介绍。1.2.1.1高强度钢板1.2.1.1.1普通高强度钢板高强度IF钢板：使钢材在保证良好塑性和冲压性能的同时，拥有较高的强度，满足复杂形状轿车冲压件性能要求。烘烤硬化钢板(BH钢)：钢板冲压成形前具有较低的屈服强度，通过冲压成形后的涂漆烘烤工艺使钢板的屈服强度增加。含磷钢板：利用磷在钢中的固溶强化作用进行强化，可以用来冲制一些形状比较复杂的汽车冲压件。超低碳含磷钢板：该钢具有良好的深冲性、塑性和韧性。各向同性钢板（IS钢）：主要用于汽车外板。1.2.1.1.2先进高强度钢板（AHSS）双相（Dual-Phase简称DP）钢：一般用于需高强度、高的抗碰撞吸收能且成形要求也较严格的汽车零件，如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等，随着钢种性能和成型技术的进步，DP钢也被用在汽车的内外板等零件上。贝氏体钢板：适合冲压汽车支撑类部件，这类部件较厚且要求翻边性能良好。相变诱导塑性（TransformationInducedPlastic简称TRIP）钢：特别适合要求具有高的胀型情况。复相（ComplexPhase简称CP）钢：具有高的吸收能和好的扩孔性能，特别适合于车门防撞杆、保险杠和B立柱等安全零件。马氏体钢：是目前商业化高强度钢板中强度级别最高的钢种。主要用于成型要求不高的车门防撞杆等零件代替管状零件，减少制造成本。1.2.1.2涂镀层钢板1.2.1.2.1汽车工业对涂镀层钢板的性能要求在汽车制造过程中，涂镀层钢板要经过冲压成型、焊接、表面处理、涂漆、烘烤工序，因此汽车工业对涂镀层钢板有如下性能要求：1）、成型性：基板适合成型的要求，镀层附着力强、抗剥落、抗粉化；2）、耐蚀性：抗冬季道路撒盐的腐蚀，抗海洋性气候大气腐蚀；3）、涂漆性：磷化和电泳涂漆性能好；4）、焊接性：对电极损伤小、焊接参数范围宽；5）、表面质量：表面平整、镀层厚度均匀；6）、公差尺寸：板形平整，公差小。1.2.1.2.2汽车用涂镀层钢板的主要品种汽车车体使用的各类镀层板，主要包括热镀锌（热镀纯锌GI，合金化热镀锌GA等）钢板、电镀锌（电镀纯锌、电镀锌镍合金以及合金化电镀锌等）钢板和有机、无机涂镀层钢板等。1.2.2汽车钢板材料的应用状况1.2.2.1汽车高强度钢板的应用1.2.2.1.1高强度钢板在商品化汽车上的应用情况日本的应用情况20世纪70年代，日本开始在汽车上应用高强度钢板，最早用于车身表面件，然后才用到内部零件和结构件。目前日本悬架结构件和支撑件的强度已达800-1000Mpa。抗拉强度410Mpa的高强度钢板多用于内部件，即将采用590Mpa的内部件。日本NKK公司于1999年开发的440Mpa级高强度钢板，已在新车型上采用，该钢种是通过超细晶粒获得高强度的。川崎制钢公司开发的TS980Mpa级高强度钢板（CHLY980），是以铁素体为主相的复合组织钢板，目前已应用于挡泥板、冲击梁等要求高冲击安全性的零件。日本NKK公司开发的热轧780Mpa级双相钢（DP钢）和贝氏体析出强化钢（PH钢），具有良好的成形性能和抗疲劳性能，光滑试样的疲劳强度分别达到600Mpa和640Mpa。特别适合于制造卡车大梁。日本川崎制铁公司新开发的440Mpa级涂装烘烤硬化型高强度热轧板，解决了高强度与高成形性相矛盾的问题，所以不仅可以用作汽车外板，还可以用作抗冲击部件和加强件，并可以达到减薄降重的效果，装车使用结果表明，这种钢在提高耐变形载荷方面是有效的，成功地使部件减轻10%以上。日本新日铁、神户制铁、住友金属等钢厂已为日本汽车工业生产了多种规格的热轧双相钢，用于制造车轮成型性好，可提高构件的疲劳寿命。通用和福特汽车公司用双相钢制造轮辐，除重量减轻11%外，疲劳寿命也达到普碳钢的2倍。韩国的应用情况韩国浦项钢铁公司已成功批量生产80kg级热轧TRIP钢，再经冷轧后成型性能很好，可以加工成具有复杂形状的汽车部件。欧洲的应用情况瑞典SSAB公司开发出的DOMEX系列特高强度钢板，铁素体为主要基体，含少量珠光体，晶粒细小（达到13级），其屈服强度达到600-700Mpa。用于卡车的车尾保险板、纵梁、横梁、发动机悬置支架及轿车的保险杠、车门防撞梁及座椅支架等零件。德国SALZGITTER开发了I-Steel钢板St250i（屈服强度256Mpa，抗拉强度350Mpa，r=1.1，△r=0.2，n=0.21）。其成形性能优于DDQ级的DC04钢板，成形极限试验显示该材料具有更高的成形潜力。适于制造车门、顶盖等零件。法国USINOR公司开发的DP450-DP750和TRIP800等系列高强度钢板，具有良好的成型性能，其TRIP800具有良好的吸收冲击能量的能力，特别适合于防撞梁和保险杠等零件。美国的应用情况高强度钢板的应用比逐年增加，表1为美国汽车应用高强度钢板的变化情况。表1美国汽车应用高强度钢板情况年度197719871992199719982002比例（%）61315171845通用汽车公司和福特汽车公司用双相钢制造轮辐，除重量减轻11%外，疲劳寿命也达到普碳钢的2倍。1.2.2.2汽车涂镀层钢板的应用大量应用涂镀层钢板，主要出于车身使用寿命考虑，也是大量应用减薄的高强度钢板、追求汽车轻量化后面临的主要问题之一。1.2.2.2.1汽车涂镀层钢板的生产情况为保证汽车使用10年无锈斑无穿孔，镀锌钢板在汽车车身上的使用在过去20年里大幅度增加。欧洲的镀锌板产量在这期间翻了两番。在发达国家中，涂镀层钢板的产量占薄板的产量从过去的20%上升到32%左右，近年来还有增加的趋势。为了防止汽车车身钢板的腐蚀，20世纪70年代开始采用镀锌薄钢板，德国首次推出全热镀锌薄钢板的车身后，镀锌薄钢板的增长率不断上升。特别是汽