汽车用超高强度钢板的开发现状

1 概述

随着人们对防止地球变暖意识的不断提高，正在加快推进汽车节能工作。例如，日本制定到2015年（目标值16.8km/L）汽车的燃耗比2004年减少20%以上。为减少燃耗，有效的办法之一是减轻车身重量。另一方面，由于对汽车碰撞安全性的规定越来越严格，因此不得不对汽车车身骨架增加加固部件，由此导致了车身重量的增加。

为解决车身轻量化和提高汽车碰撞安全性的矛盾，最有效的方法之一是提高钢板的强度（使用高强度钢板）。基于这个原因，开发了高强度钢板。近年来，已开发了抗拉强度在980MPa以上的冷挤压用超高强度钢板和热态成形后可以获得1470MPa的热冲压材料。这些材料已应用于车身骨架部件的制作。随着今后对汽车碰撞安全性规定的进一步提高，为进一步减轻车身重量、降低燃耗，预计将有更多的高强度钢板应用于车身骨架部件的制作。

本文就冷挤压用980MPa以上钢板和热冲压材的开发现状进行概述，并在介绍其特性的同时，还就其今后的发展趋势进行介绍。

2 冷挤压用超高强度钢板

2.1 钢板成分及显微组织控制的思路

如果提高钢板的硬度，钢板的成形加工性和焊接性就会变差。为解决这一问题，有效的办法是不能单纯地提高钢板强度，而应该通过控制显微组织来确保钢板的成形加工性。

在考虑超高强度钢板加工的情况下，如果提高有助于凸肚成形的总延伸率，有助于拉伸凸缘和弯曲成形的扩孔性等局部延伸率的控制特性会变差，说明总延伸率和局部延伸率具有相反的特性（图1）。因此，为提高钢板的不同特性，就必须控制不同的钢板显微组织。

图1 总延伸率和扩孔性的关系

在重视钢板总延伸率的情况下，使钢的组织复合化是有效的控制方法。即，要有效地使作为硬质淬火组织的马氏体等在软质且延性好的铁素体组织中分散。为此，必须添加铁素体的生成元素，优化连续退火设备的退火温度曲线。

在重视钢板扩孔性的情况下，在显微组织为单相、不均匀的钢板中会产生局部应变集中，容易发生缩孔和显微裂纹，使扩孔性和弯曲性变差。因此，为使组织单相均匀，可以采用低碳的方法抑制硬质粗大碳化物的生成，并在高温下进行加热促进组织的均匀。

为使总延伸率和扩孔性达到平衡，通过组织的复合化不仅可以确保总延伸率，而且可以减少软质相和硬质相的硬度差，这是很重要的。

由于具有不同特性的钢板已实施订单化生产，因此可以根据部件所要求的特性选择不同的超高强度钢板进行制作。

2.2 钢板的各种特性

2.2.1 主要成分和主要显微组织

表1示出超高强度钢板的主要成分和主要显微组织的构成。其中，冷轧钢板是采用连续退火生产线生产的，合金化镀锌钢板是采用连续热镀锌生产线生产的。

表1 主要化学成分和显微组织构成

钢种 扩孔性 冷轧钢板（CR） 达到平衡的和El 延伸率：El 冷轧系列钢种的基本成分为C-Si-Mn，电镀系列钢种因考虑表面质量，因此其基本成分为C-Mn。另外，重视扩孔性能的钢板为抑制硬质碳化物的形成，不仅要将碳控制比较低，而且要形成硬质贝氏体的单相。另一方面，重视延伸率的钢板以软质铁素体和硬质马氏体的复合组织为主。马氏体的硬度取决于马氏体所含的碳量，碳含量越高，硬度越高。重视延伸率的钢板为促进软质铁素体和硬质马氏体的组织复合化，需要比较高的碳。尤其是为使扩孔性和延伸率达到平衡，可以通过优化铁素体、贝氏体和马氏体的组织百分率，控制各组织间的硬度差，并控制材质的平衡。

2.2.2 力学特性

上述各钢板的力学特性示于表2。

C-Si-MN 主要化学成分 主要显微组织 贝氏体 铁素体、贝氏体、马氏体 铁素体、马氏体 表2 超高强度钢板的力学特性

钢种 扩孔性 冷轧钢板 达到平衡737 的和El 624 电镀钢板 关于980MPa级钢板的总延伸率，从重视延伸率的钢板来看，冷轧钢板和电镀钢板的总延伸率都在16%-17%左右，比其他钢板高。另一方面，从重视扩孔性的钢板来看，冷轧钢板的扩孔率在90%，具有良好的扩孔弯边加工性。总延伸率和扩孔性平衡的钢板，其材质特性取上述钢板的中间值。

另外，关于屈服强度（YP），重视延伸率的钢板的屈服强度低，随着扩孔性的改善，屈服强度会提高。这与各显微组织间的硬度差有关。因此，通过选择不同类型的钢板，即使在抗拉强度相同的情况下，也可以获得不同要求的屈服应力、成形加工性和抗锈性。

即使是1180MPa级的钢板也具有与980MPa级钢板相同的抗拉强度和延伸率，如图2所示。

延伸率 632 777 1008 1013 1199 17 16 13 43 35 32 0.62 0.62 0.65 1012 13 55 0.73 YP，MPa TS，MPa 843 1011 El，% 10 ，% 93 屈服比 0.83

图2 超高强度钢的抗拉强度和延伸率的关系

2.2.3 点焊接性

图3示出注重延伸率的冷轧钢板和电镀钢板的点焊接接头强度。点焊接的条件为加压力500kgf，点焊熔核直径5t（t：板厚）。接头强度为抗拉剪切强度（TSS）和十字抗

拉强度（CTS），随着抗拉强度的提高，TSS会提高，但即使母材的CTS提高，接头强度也不会提高。另外，在本条件下不论何种情况，母材都发生断裂。

图3 超高强度钢板的点焊接头强度

2.2.4 碰撞特性

使用冲击落锤试验机对带有帽型断面试验材料进行弯曲式落锤冲击试验，在测定和计算冲击吸收能后对碰撞特性进行评价。试验条件为锤：75-160kgf，高度：4-9m。试验材料为在70mm×50mm的帽型断面的两端焊接电镀钢板的物体。试验表明钢板的冲击吸收能随钢板强度的提高而提高。由于使用超高强度钢板后碰撞时的冲击吸收能提高了，因此有希望减薄钢板厚度，降低车身重量。

2.2.5 电镀密合性

图4示出软钢和超高强度钢板在V形弯曲时敷粉的剥落量。由图可知，电镀密合性与钢板强度的相互关系小，即使是超高强度钢板，其敷粉的剥落量也与软钢的相同。

图4 软钢和超高强度钢板弯曲后的镀层敷粉量

3 热冲压用钢板

3.1 热冲压用钢板及其工序

为使零部件具有1470MPa级的强度，使用了被称作热冲压的成形法。该成形法的优点是，钢板被加热到900℃左右的奥氏体区域温度后，采用常温金属模进行成形，在淬火后可提高钢板强度，同时可确保热态加工的形状稳定性。

作为热冲压用坯料，表3示出可获得1470MPa级钢板的成分和淬火前后的力学特性。钢板出厂时的强度为490-590MPa级，淬火后可提高到1470MPa级以上。

表3 热冲压用坯料的化学成分和淬火前后的力学性能 化学成分，% C 0.22 图5示出冷却速度和硬度之间的关系。为提高淬火性，该钢板添加了Mn和B，在加热温度为950℃的情况下，当冷却速度为20℃/s以上时，可以将硬度控制在HV450-500范围。这种淬火速度取决于冷却中避免组织向铁素体、珠光体和贝氏体相变的条件。

Mn 1.2 Cr 0.15 B 0.0015 涂敷坯料 成形坯料 力学性能 YP，MPa 394 1280 TS，MPa 615 1530 El，% 26 8

图5 热冲压材的冷却速度和维氏硬度的关系

3.2 点焊接性

研究了焊接电流对抗拉剪切强度和十字抗拉强度的影响。结果显示，随着焊接电流的提高和点焊熔核的成长，焊接接头强度呈提高的趋势。十字抗拉强度的值比抗拉剪切强度的低。即使在现有的高强度钢中也存在着同样的趋势。

3.3 形状稳定性

对成形开始温度为800℃的热挤压材的形状稳定性和冷挤压材进行了研究。对帽型成形部件凸缘端部和水平面之间的间隙量进行测定后，对形状稳定性进行了比较。结果可知，热挤压材的形状稳定性明显比冷挤压材高。

4 发展趋势

以上就冷挤压用的超高强度钢板和采用热态成形的热冲压材的开发现状进行了介绍。另一方面，随着社会对环保要求的不断提高，降低车身重量已成头等大事。为满足这些要求，必须开发更高强度的钢板。

在冷挤压用材方面，已开发了成形性更高的980MPa级钢板，最近又开发了具有与780MPa级钢板相同成形性的1180MPa级钢板。另外，在热挤压材方面，还开发了强度超过1470MPa级的钢板。

在钢板强度不断提高的过程中，作为零部件来说，不仅要提高强度，而且对于以前不曾担心的利用技术，例如焊接性和氢脆化性等课题，必须在提高其评价方法和研究开发技术的同时，推进材料的开发。