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[汽车铝合金] 浅析汽车高强钢及铝合金成型工艺

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发表于 2021-8-20 14:46:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
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浅析汽车高强钢及铝合金成型工艺
张 鹏 张 瑾* 徐树杰 刘雪峰 (中国汽车技术研究中心有限公司,天津300300)
摘 要:高强钢和铝合金作为汽车车身的重要用材,其成型与应用情况直接影响着汽车轻量化技术水平。为此,从这两种材料的成型工艺入手,对其现状和趋势进行深入分析,研讨发展新能源汽车、提升节能技术的可行性路径。
关键词:车身;工艺;成型;铝合金
1 概述

[size=1em]当前汽车轻量化发展的大趋势下,高强钢和铝合金成为使用比重较高的两种材料,按照工艺的不同,高强钢包括双相钢(DP 钢)、复相钢(CP 钢)、铁素体- 贝氏体钢(FB 钢)、马氏体刚(MS 钢)、相变诱导塑性钢(TRIP 钢)、热成型钢(PH 钢)和孪生诱发塑性钢(TWIP 钢)等种类[1],而车用铝合金主要分为铸造和变形铝合金两部分。

[size=1em]其中,第一代和第二代先进高强钢可以满足部分汽车部件的性能要求。例如,双相钢和TRIP 钢具有很好的吸能性能,可用于生产汽车的碰撞区部件,起到一个吸能缓冲的作用[2];强度极高的马氏体刚和硼钢则被用于生产舱体部件,以保证安全性能[3]。能够实现汽车轻量化的成型工艺包括主要有高强度钢的热冲压成型、液压成型、辊压成型、激光拼焊成型等,铝、镁合金等的半固态成型、高真空压铸、等温挤压和等温锻造等,非金属复合材料的在线模塑成型、在线注射成型、在线模压成型等[4]。

2 高强钢热成型工艺

[size=1em]所谓热成型,全称为热冲压成型,是近年来出现的一项专门用于汽车高强度钢板冲压成型件的新技术,也是实现汽车轻量化生产的关键技术工艺之一。热冲压成型起步于高强度钢板。热成型技术是利用热处理和高温成型方式实现最终零部件强度提升,主要分为直接成型和间接成型两种工艺制造技术;具有成型精度高、成型性好等突出优点,适用于汽车中对于安全性要求较高的零部件,如防撞梁、A、B、C 柱加强板等[5]。

[size=1em]高强度钢代替低碳钢等低强度钢材虽然有助于汽车重量的减轻,但也给汽车制造带来新的困难。随着屈服强度和抗拉强度的提高,高强度钢的冲压成型性能在不断下降,各种成型缺陷凸显,不仅需要非常大的成型力,而且回弹特别严重,很难保证制件的尺寸精度[7]。在这种情况下,既要获得制件的超高强度,又要改善高强度钢的成型性,热冲压成型技术就应运而生。即钢板的强度越高,成型难度越大,当强度超过1000MPa 以上时,对于一些几何形状比较复杂的零件,使用常见的冷冲压工艺几乎无法成型[8]。而采用热冲压成型技术制得的冲压件强度可高达1500Mpa,且在高温下成型几乎没有回弹,具有成型精度高、成型性好等突出优点,这使得热成型技术逐渐成为汽车制造领域内的热门技术,广泛用于车门防撞梁、前后保险杠等安全件以及A 柱、B 柱、C 柱、中通道等车体结构件的生产。

[size=0.8em]表1 热冲压成型技术的优势与劣势[6]

[size=1em]总结来看,热成型技术的优势在于[9]:得到超高强度的车身零件,减轻车身重量,提高车身安全性、舒适性,改善冲压成型性、控制回弹、提高零件尺寸精度,高温时材料屈服强度降低、对冲压所需压机吨位的要求也相应降低,提高焊接性、表面硬度、抗凹性和耐腐蚀性等等。而不足之处为:设备投资大,模具设计和加工复杂,制造、保养成本高,零件单件成本相对较高,零件连接技术提出了新的挑战等等[10-12]。

[size=1em]热成型技术是在传统冲压工艺的基础上结合热锻技术特点,对材料进行加热处理后再进行产品成型制造。由于首先将板料加热至完全奥氏体化温度,再在磨具内成型淬火,故冲压热处理可一次性完成。

3 铝合金应用及成型工艺

[size=1em]铝合金可替代大部分零部件,汽车用钢铁比重较大,其中大部分钢铁材料零部件可以用铝合金代替,包括发动机、轮毂、热交换器、车身、转向轴、变速器支架、仪表板结构、悬架副车架等。铝合金目前在变速箱、轮毂、热交换器等领域渗透率较高,未来随着车身用铝技术的提升,汽车发动机、车身等用铝量有望逐步提升[13-17]。

[size=0.8em]图1 铝材替代铸铁件的质量对比[18-21]

[size=0.8em]图2 铝材替代钢制件的质量对比[18-21]

[size=1em]铝合金是仅次于钢材的汽车用金属材料,汽车用铝可分为两大部分:铝合金和铝基复合材料;而车用铝合金又分为铸造和变形铝合金两部分。其中,铸造铝合金是由液态金属转变为固态,即为液态成型;变形铝合金则是由固态粉末变固态金属,即为固态成型[22]。

[size=0.8em]图3 液压成型

[size=0.8em]图4 固态成型

[size=1em]目前,铝合金在汽车中应用的形式有铸造铝合金、锻造铝合金、挤压铝合金、铝合金板材4 种。铸造铝合金中又分为砂型铸造、消失模铸造、半固态铸造、挤压铸造以及永久模铸造等形式[23]。铸造铝合金常用材料牌号为A356,其铸态金相结构中的树枝状结晶组织,影响了铸件的强度和韧性皮牌,限制了在运动构件中的应用;优化成分后,有望代替做商用车的车轮,降低成本。锻造铝合金在汽车中有广泛的应用前景,如悬架支撑和车轮等;商用车车轮应用后,节能减排效果明显。挤压铝合金工艺简便、界面形状可设计性强,多用于乘用车的前后保险杠;既可以满足冲击、吸能的要求,又能减少构件重量,减重率达40%~50%。形变铝合金板材则多用于车身覆盖件以及前后保险杠防撞梁。

[size=1em]随着铝合金零部件的完善并投入使用,车用铝合金技术的逐渐成熟,各种结构复杂、性能符合要求的铸造件、挤压件能够批量生产,技术进步带动的成本下降,更多结构复杂、成本较高的铝合金零部件将引入到汽车上[24-25]。

4 结论

[size=1em]在发展新能源汽车、提升节能技术的同时,轻量化技术已经成为汽车企业应对节能减排的有效举措。相对传统燃油车,电动汽车增长迅猛,对材料价格的敏感性更低,对铝合金等轻型材料的需求也更大。预计未来,随着技术的普及以及成本的下降,铝合金车身的渗透率将逐步由中高端车往下逐步渗透,提升单车用铝量。如果充分发挥铝合金的应用潜力,单车用铝量可达454Kg。



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