De kern van de moderne autoproductie is veiligheid en milieubescherming, en de carrosserie vereist "toename van kracht en vermindering van gewicht". Geavanceerd hoogwaardig staal is in deze context sterk in opkomst en wordt veel gebruikt in structurele onderdelen en veiligheidsonderdelen van autocarrosserieën.
Soorten hoogwaardig staal voor auto's
1. DP-staal, tweefasig staal
2.CP-staal, complexe fasestaalsoorten
3. TRIP-staal, door transformatie geïnduceerde plasticiteitsstaalsoorten
4. MS-staal, martensitisch staal
5.QP staal, blus- en scheidingsstaal
6. Twinning-geïnduceerde plasticiteitsstaalsoorten (TWIP-staal)
7. Boriumstaal (PH-staal of B-staal, Press Hardening/Boron Steels)
Duplexstaal (DP-staal)
Prestatiekenmerken: geen opbrengstverlenging, geen veroudering bij kamertemperatuur, lage opbrengstverhouding, hoge werkhardingsindex en hoge bakhardingswaarde.
Typische toepassing: hoogwaardig staal uit de DP-serie is momenteel het geprefereerde staal voor structurele onderdelen en wordt veel gebruikt in structurele onderdelen, versterkingsonderdelen en antibotsingsonderdelen. Bijvoorbeeld dwarsbalken van de autobodem, rails, valbeugels, verstevigingsconstructies van de valbeugel, enz.
Complex fasestaal (CP-staal)
Kenmerken: kleine korrels, hoge treksterkte. De vloeigrens is aanzienlijk hoger dan die van tweefasige staalsoorten met dezelfde treksterkte. Het heeft goede buigprestaties, hoge gatenuitbreidingsprestaties, hoge energieabsorptiecapaciteit en uitstekende flensvormingsprestaties.
Typische toepassingen: chassisophangingen, B-stijlen, bumpers, stoelrails, enz.
Door transformatie veroorzaakt plasticiteitsstaal (TRIP-staal)
Prestatiekenmerken: De structuur bevat vastgehouden austeniet en heeft een goede vervormbaarheid. Tijdens het vormingsproces verandert het vastgehouden austeniet geleidelijk in hard martensiet, wat bevorderlijk is voor een uniforme vervorming. TRIP-staal heeft ook de kenmerken van een hoge impactabsorptie-energie, een hoogwaardig kunststofproduct en een hoge n-waarde.
Typische toepassingen: onderdelen met relatief complexe structuren, zoals B-stijl verstijvers, voorste langsbalken, etc.
Martensitisch staal (MS Steel)
Prestatiekenmerken: hoge opbrengstverhouding, hoge treksterkte, relatief lage rek, moet aandacht besteden aan de neiging tot vertraagd scheuren. Het heeft de kenmerken van een hoge impactabsorptie-energie, een hoogwaardig kunststofproduct en een hoge n-waarde.
Typische toepassingen: koudpersen van eenvoudige onderdelen en gerolvormde onderdelen met een relatief enkele doorsnede, zoals bumpers, dorpelverstevigingen en valbeugels in zijdeuren.
Gehard nodulair staal (QP-staal)
Prestatiekenmerken: Martensiet wordt gebruikt als de matrixfase en het TRIP-effect van vastgehouden austeniet in het vervormingsproces kan worden gebruikt om een hoger werkverhardingsvermogen te bereiken, dus het heeft een hogere plasticiteit en vervormbaarheid dan hetzelfde niveau van ultrasterk staal.
Typische toepassing: Het is geschikt voor auto-veiligheidsonderdelen en structurele onderdelen met complexe vormen, zoals A- en B-stijlversterkingen.
Dubbel geïnduceerd plasticiteitsstaal (TWIP-staal)
Prestatiekenmerken: TWIP-staal is een volledig austenitisch staal met een hoge C-, hoge Mn- en hoge Al-samenstelling. Door twinning-geïnduceerde dynamische verfijning kan een zeer hoog werkverhardingsvermogen worden bereikt.
TWIP-staal heeft een ultrahoge sterkte en een ultrahoge plasticiteit en het sterkte-kunststofproduct kan meer dan 50 GPa% bereiken.
Typische toepassingen: TWIP-staal heeft een zeer superieure vervormbaarheid en ultrahoge sterkte, en is geschikt voor onderdelen die hoge materiaaltrek- en uitpuilingseigenschappen vereisen, zoals veiligheidsonderdelen met complexe vormen voor auto's en structurele onderdelen.
Boorstaal (PH-staal of B-staal)
Prestatiekenmerken: ultrahoge sterkte (treksterkte boven 1500 MPa), waardoor crashprestaties effectief worden verbeterd, lichtgewicht carrosserie; complexe vorm van onderdelen, goede vervormbaarheid; hoge maatnauwkeurigheid.
Typische toepassingen: veiligheidsconstructiedelen, zoals: voor- en achterbumpers, A-stijlen, B-stijlen, middentunnels, enz.
Evolutie van autostaal
Staal wordt gebruikt in de autoproductie sinds het einde van de 19e eeuw, toen de Duitse ingenieur Karl Benz in 1885 de eerste auto ontwierp die werd aangedreven door een verbrandingsmotor.
Aan het begin van de 20e eeuw, met de opkomst van de technologie voor de productie van staalplaten/staalstrips en de doorbraak in de verwerkingstechnologie voor complexe vormen, werden houten componenten in autoconstructies geleidelijk vervangen door stalen platen/staalstrips.
In de eeuw die volgde, werd plaatstaal/strip het dominante materiaal in het productieproces van auto's. Met de verschillende historische perioden, gecombineerd met de overeenkomstige nationale strategieën, de vraag van de consument en technische capaciteiten, is een reeks autostaalmaterialen geëvolueerd, zoals weergegeven in figuur 1. Koolstofarm staal (LC) en Interstitial Free (IF) waren de eersten die worden gebruikt in auto's.
Destijds konden deze twee soorten staal met een lage sterkte voldoen aan de behoeften op het gebied van sterkte, vervormbaarheid, kosten en ontwerp. Tot de Noord-Amerikaanse oliecrisis rond 1970 begon de auto-industrie hoogwaardig staal te ontwikkelen om het gewicht te verminderen en energie te besparen als reactie op energieproblemen.
Sindsdien is het een periode van een deugdzame cyclus ingegaan waarin het sterkteniveau van stalen platen voor auto's voortdurend is verbeterd. Vooral onder de huidige wereldwijde trend van lichtgewicht auto's, zetten ook arbeiders in de staalindustrie zich er voortdurend voor in.
traditioneel hoogwaardig staal
Traditionele hogesterktestaalsoorten zijn voornamelijk door bakken hardbare (BH) staalsoorten en hun mechanische eigenschappen worden getoond in figuur 2. De toename in sterkte wordt bereikt tijdens het verfbakproces na het stampen. De mate van rekverharding tijdens het stampproces heeft een significant effect op de verbetering van de sterkte tijdens het daaropvolgende bakproces.
De rekverharding tijdens het vormen is voornamelijk gebaseerd op de toename van de dislocatiedichtheid veroorzaakt door de vervorming. De toename in sterkte tijdens het bakken is gebaseerd op de belemmering van daaropvolgende dislocatiebewegingen veroorzaakt door de diffusie van atomen tijdens het proces.
Het verschil in de vormmethode en de mate van spanning veroorzaakt door het vormproces zal een zekere invloed hebben op het bakverhardingseffect.
Typisch geavanceerd hoogwaardig staal van de eerste generatie en zijn besturingstechnologie
De eerste generatie geavanceerde hogesterktestaalsoorten wordt gedomineerd door Dual Phase (DP) en Transformation Induced Plasticity (TRIP).
DP-staal, vandaar de naam, bestaat uit twee fasen, die ferriet + bainiet of ferriet + martensiet kunnen zijn. Het schematische diagram van de structuur ervan wordt getoond in figuur 3.
Als zachte fase zorgt ferriet ervoor dat het een bepaalde plasticiteit heeft en makkelijk te vormen is; bainiet/martensiet wordt gebruikt als een harde fase om het een redelijke sterkte te geven. Schematisch diagram van de microstructuur van DP-staal
TRIP-staal, het schematische diagram van zijn microstructuur wordt getoond in figuur 4, die bestaat uit ferriet, martensiet (bainiet) en vastgehouden austeniet. Vanwege de momentane grote vervorming van de auto tijdens het botsingsproces, wordt een bepaalde mechanische energie gevormd in de stalen plaat. Gecombineerd met de interne energie die is opgeslagen in het oorspronkelijke behouden austeniet, ondergaat het een fasetransformatie en wordt een deel van het behouden austeniet omgezet in martensiet, wat het effect versterkt.
Schematisch diagram van de microstructuur van TRIP-staal
Typisch geavanceerd hoogwaardig staal van de tweede generatie en zijn besturingstechnologie
De tweede generatie geavanceerde hogesterktestaalsoorten wordt gedomineerd door Twinning Induced Plasticity (TWIP). TWIP-staal is gebaseerd op mechanische contracturen die worden gevormd door de verandering van de austenietfase tijdens vervorming, zoals weergegeven in figuur 5. Door de vorming van contractiele kristallen kan de energie tijdens de botsing worden geabsorbeerd.
De basissamenstelling is 18%Mn-3%Si-3%Al. Uiteraard kan de samenstelling passend worden aangepast, afhankelijk van de focus van verschillende componenten op de uitvoering van elke fase en het knelpuntprobleem in het productieproces.
contracturen gevormd tijdens vervorming
Ontwikkeling van de derde generatie geavanceerd hoogwaardig staal
Het geavanceerde hoogwaardige staal van de derde generatie is gebaseerd op de kloof tussen het hoogwaardige staal van de eerste generatie en de tweede generatie en ontwikkelt variëteiten met een hoge sterkte en hoge plasticiteit met uitstekende uitgebreide eigenschappen, zoals Q&P (Quenching and Partition) staal, een onderzoekshotspot in binnen- en buitenland.
De structuur bij kamertemperatuur van Q&P-staal is ferriet, martensiet en austeniet. Het ontwerpprincipe is dat na afschrikken tot een bepaalde temperatuur om een aanzienlijke hoeveelheid martensiet te vormen, er een secundair verwarmingsproces is, zoals weergegeven in figuur 6. Dit proces bereikt de diffusie van koolstofatomen in het martensiet in het vastgehouden austeniet, waardoor verbetering van de stabiliteit ervan.
Het door dit proces geproduceerde hogesterktestaal heeft een sterk kunststofproduct dat de eerste en tweede generatie geavanceerde hogesterktestaalsoorten ver overtreft.
Q&P Staalprocescontroleproces
Ontwikkelingstrend en onderzoekshotspot van Automobile Steel
Door toepassing van hoogwaardig staal kunnen diverse delen van de carrosserie worden uitgedund zonder aan kracht in te boeten. In Europa en de Verenigde Staten is afgesproken dat door toepassing van 600MPa/40% tot 1600MPa/20% hoogwaardig staal in de carrosseriestructuur het lichaamsgewicht met minimaal 5-8% kan worden verminderd, wat kansen met zich meebrengt voor de ontwikkeling van diverse series hogesterktestaalsoorten binnen dit prestatiebereik.
Voor de volgende ontwikkelingsrichting en onderzoeksonderwerpen van autostaal, de internationale NSF (National Steel Fabrication), het Amerikaanse DOE (Department of Energy) Department of Energy, het Amerikaanse AISI (American Iron and Steel Institute) en A/SP (Auto/ Steel Partnership), dat de volgende onderzoeksgebieden aan universiteiten en onderzoeksinstituten voorstelt:
Microstructuur en mechanische eigenschappen van geavanceerde hogesterktestaalsoorten;
Koolstofdiffusieproces in geavanceerd hoogwaardig staal;
Deeltjesgrootte en grensvlakeffecten van geavanceerde hogesterktestaalsoorten;
Nano-naaldvormig ferritisch tweefasig staal in geavanceerde hogesterktestaalsoorten;
Bainitisch staal met hoge weerstand en hoog plastisch;
Vervormbaarheid en terugveringsgedrag van geavanceerde hogesterktestaalsoorten;
Overeenkomstige modellen voor geavanceerde hogesterktestaalsoorten.
De vraag zal de vooruitgang van verwante technologieën bevorderen, en de technologische vooruitgang zal ook de toename van de vraag stimuleren. De algemene trend van lichtgewicht zal de voortdurende technologische vooruitgang in de staalindustrie bevorderen, waardoor voorwaarden worden gecreëerd voor de toepassing van meer geavanceerde staalplaten.
De ontwikkelingsrichting van autostaal in de volgende stap, of het meer ideale autostaalplaatmateriaal in dit tijdperk, zou de volgende voorwaarden moeten hebben: laag koolstofgehalte (hoge lasbaarheid), lage kosten (toevoeging van laag legeringsgehalte), hoge vervormbaarheid, gemakkelijk montage en onderhoud.
Tegenwoordig hebben verschillende series hogesterktestaalsoorten voor voertuigen over het algemeen bepaalde beperkingen, zoals grote verschillen in samenstelling en inconsistente oppervlaktekwaliteit, die bepaalde problemen met zich meebrengen voor de uiteindelijke coating. In de toekomst moet de evaluatie van verschillende materialen worden overwogen vanuit het perspectief van het hele proces, om goede en praktische producten te ontwerpen en te produceren.
