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库存34CrNiMo6钢板接上文汽车材料漫谈系列之季 王者之心——钢铁材料(三)成本低廉的含磷冷轧高强钢板
烘烤硬化(Baking Hardening)钢,也称为BH钢,是一类非常有趣的汽车用钢。首先,什么是烘烤硬化?形象地说,就像烤吐司一样,在进入烤箱烘烤之前,面片是比较柔软的,很容易变形,而烤完后则变得比之前硬了许多,按一下也不会在表面形成凹坑。实际的烘烤硬化汽车钢板则是在冲压成型时具有较低的屈服强度,利于成型;而在后续涂漆之后的烘烤过程中,强度进一步提高,实现使用时的相对高强度,尤其是抗凹陷性能。
烘烤硬化钢板的需求来源于汽车车身外覆盖件的实际使用需求,这类零件常常是车门外板、前后翼子板,发动机罩外板及行李箱外板等,它们在零件冲压成形时由于变形量并不太大,实际的加工硬化现象并不显著,因此这一阶段的硬度提升并不明显。但是,这些零件往往又在使用过程中会受到砂石等物体的撞击而容易形成凹坑。提高抗凹陷性能是这类零件的迫切需求,,如果增加钢板的厚度,则会增加整车重量;如果提高钢板的强度,则降低了零件的冲压成形性能。
烘烤硬化钢板正是应此需求而生。通常使用的烘烤硬化钢板在冲压成形时具有的屈服强度为180-230MPa,冲压性能较好;冲压成型后强度通过加工硬化得到一定提升;此后,经过涂漆后的汽车外覆盖件在烤漆温度(160-180℃)下强度进一步提升(一般为30-50MPa)。这样,冲压性能和抗凹陷性能都得到了比较完满足。
经过烘烤能够使钢板强度提升这一神奇现象到底是怎么实现的呢?这里应用的是一种叫做高温应变时效的机理。首先,需要介绍的是钢中在固态溶解进钢材的Fe原子基体里的C、N,由于原子体积比Fe要小很多,因此它们占据的是Fe原子的间隙位置,所以我们称它们为间隙固溶原子。高温应变时效则是具有间隙固溶原子(C、N)的钢材在经过冷加工后,钢在较高的温度静置一段时间后,强度增加而塑性降低的现象。究其原因,由于冷加工变形的应变是钢中增加了大量的位错,而在油漆烘烤温度下,间隙固溶原子快速向位错周围扩散聚集,钉扎住位错限制其运动而表现出强度的提高。这一机理在以下图中得到比较清晰的展示。
下面这张图则以车门外板为例,展示了烘烤硬化钢板在不同工艺过程中强度的变化情况。通常,冲压成形带来的加工硬化提高约50MPa的强度,而烘烤硬化则进一步提高了约50MPa的强度。
以下列出了表格以宝钢、日本工业、德国钢铁工程师协会和日本钢铁联盟等标准中的烘烤硬化钢常用牌号,随着数字的增大,钢材的初始屈服强度和抗拉强度逐渐增大。
前面我们谈到,烘烤硬化钢主要用于汽车的外覆盖件。据统计,当今日本汽车厂家使用的烘烤硬化钢括了发动机盖板、门外板、行李箱外板、翼子板、顶盖、构件和前围外板等若干部件
而我们常见的奥迪、帕萨特等德系车型在门栏加强版、顶盖横梁内板、车门外板和发动机罩等若干零件上也采用了烘烤硬化钢板。
烘烤硬化钢 突出的性能就是抗凹陷性能,它是指车身的外覆盖件抵抗外部加载负荷在其表面形成压痕的能力。衡量抗凹陷性能 常用的方法就是采用压陷试验的方法,将烘烤硬化钢板制成实际的零件或者可比较的特殊形状试样,通过圆形压头在零件或试样表面垂直加在静止或动态载荷,并测量烘烤前后的凹陷深度来表示抗凹陷性能。
正如我们始终提到的,任何强化的方式必然都是有利有弊的双刃剑,烘烤硬化钢所依赖的时效机理也是如此。由于时效效应的存在,同样也加速了材料的常温时效。一旦发生室温时效的钢板在非常轻微的拉伸过程就会在钢材表面产生滑移线(见下图)。表面滑移线对于汽车外覆盖件来说,由于影响外观,的确是致命性的缺陷,严重的滑移线则会造成冲压报废。
中国由于处于亚热带,夏季气温可高达40℃,这使得烘烤硬化钢的生产和使用更经受巨大的考验。因此,烘烤硬化钢必须要尽量缩短库存周转时间,避免因为常温时效而产生滑移线缺陷。根据钢铁行业的经验,一般建议烘烤硬化钢在生产制造3个月内必须使用完毕。
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