应用于卡车结构件中的热轧酸洗板

文/李凤华，常连霞，申强·一汽解放汽车有限公司卡车厂

应用于卡车结构件中的热轧酸洗板

文/李凤华，常连霞，申强·一汽解放汽车有限公司卡车厂

以降低卡车材料成本和提高冲压件强度为出发点，对热轧酸洗板的成分、性能试验及数据分析，结合实际生产零件情况，借助CAE模拟分析手段，选定以热代冷零件，并通过一系列的现场工艺试验和工艺验证，最终实现了在卡车中应用热轧酸洗板的目标。

随着汽车工业的不断发展，节能、轻量化、安全性等要求的不断提高，对汽车材料的设计提出了更高要求。面对激烈竞争的市场，提高质量、降低成本，已成为提升产品生命力，并在激烈市场竞争中制胜的法宝。研制、开发满足汽车制造需求的低成本、高强度的材料并应用到实际生产中，是实现汽车高质量、降低成本的有效途径。热轧酸洗板材料较普通冷轧板而言，具有强度高、成本低等优点，应用前景非常广泛。

酸洗板应用的背景与现状

热轧酸洗板是介于热轧板与冷轧板间的产品，是部分热轧板和冷轧板理想的替代产品，是汽车业广泛需要的新兴钢种。热轧酸洗板由于其成本低于冷轧板但强度指标优于冷轧板，在国外已得到了很好的发展与应用，如在日本、美国、韩国及欧洲一些国家，尤其在汽车行业应用广泛，如日本马自达系列轿车副车架、轮辋、加强梁等零部件，韩国现代集团生产的轿车系列中也有应用。随着轧钢工艺技术的不断进步，热轧薄板的性能正向冷轧板接近，使“以热代冷”在技术上得以实现。据国外统计，厚度大于1.2mm的热轧带钢可取代冷轧钢总量的21％，厚度大于1.0mm的热轧带钢可取代冷轧带钢总量的34％，热轧酸洗板替代部分冷轧板和热轧板，正成为一种趋势。

国内在一些轿车上如一汽捷达、奥迪系列、马自达6等车型正逐步应用热轧酸洗板，但在卡车上批量应用酸洗板尚属空白，而这些轿车应用的热轧酸洗板大部分为进口材料，2008年以前由于国内需求少，国内专业酸洗板生产线也比较少，产量较低。随着汽车、家电等行业对酸洗板需求的增加，国内一些大型钢厂相继建成投产了热轧酸洗板生产线，来满足不断增长的市场需求。

一汽解放系列卡车白车身在钢板选材上，依旧采用传统选材方案，以低碳冷轧板为主提高白车身的结构强度，仍主要采用增加板材厚度的手段。卡车白车身由各个总成通过焊接组装而成，因各部件承载、功能不同，对材料要求也不同。根据车身结构设计要求，为了达到节能、降重、降成本的目的，研究应用热轧酸洗板用来制造车身梁类等骨架件，既提高强度、加强安全性，又降低了成本。使整个白车身材料得到优选设计，从而达到实现提高卡车白车身的结构强度、降低成本的目的。

酸洗板研究和应用的预期目标

技术目标是在批量生产的前提条件下，冲压件废品率不高于千分之三。材料强度比低碳冷轧板提高15％～20％左右，伸长率达到零件成形要求，零件涂漆质量达到产品要求。

经济目标是现有车型部分零件实现酸洗板生产，每吨价格便宜300～500元，实现降成本目标。

研究思路和解决办法

根据目前本厂的现有条件，相关研究思路包括：分析产品结构、冲压工艺性和目前使用的材料特点，选择部分结构件作为研究和应用目标；选择相应酸洗板材料牌号替代原有牌号，通过一系列材料试验和工艺试验，验证材料技术指标和工艺适应性；选择零件的品种主要是现有车型驾驶室地板上1.5～3mm厚的梁类零件和保险杠、大灯支架等。

重点研究和解决的问题，包括：

⑴确定预计采用热轧酸洗板材料的机械性能及化学成分，进行成分优化并制定技术条件要求。

⑵研究零件的冲压性能与成形极限FLD曲线的关系。成形极限图（FLD）表示金属板材在各种应变比时所能承受的极限应变，试验方法是在板料试件表面预先印制一定形式的密集网格，对试件进行一定应变路径变形至失稳或将发生破裂，判断测量失稳和破裂网格的最大主应变和最小主应变，通过其应变比分析应变变形所处的区域。成形极限是判断和评价板材成形性的最为简单和直观的方法，是解决板材冲压成形问题的一个非常有效的工具。

⑶进行普通冷轧板和热轧酸洗板疲劳对比试验。

⑷建立CAE模拟平台，根据零件变形特点分类，对变形比较大、成形复杂的零件进行模拟分析，确认零件使用酸洗板的可成形性。

⑸利用模拟成形试验结果，初步确定试验零件品种，指导小批量生产。

⑹与钢厂合作，小批量订货，进行小批量工艺试验和试生产。

⑺达到现有车型部分梁类零件的批量生产。

具体材料试验和工艺试验情况

材料

材料试验与钢厂、技术中心和高校联合进行。

⑴金属板材的研发和优选。与钢厂合作，需要对钢板的工艺进行一定的改进，具体包括：在常规生产工艺的基础上，适当提高Mn和Als的含量，材料成分设计及检测见表1；在精炼和轧制过程中，采取特殊工艺保证得到稳定均匀晶粒组织结构；板卷进行热轧平整和酸洗后平整，平整采用恒延伸模式，保证板材板形质量的同时，更好地消除板材残余应力，同时得到较好的成形性能。经过优选后，拟采用热轧酸洗板BRC1、BRC2、SPHC-RS、SPHD-RS、SPHE-RS等牌号的钢板替代部分普通冷轧板ST13、ST14。

⑵材料试验结果分析。

①力学性能测试。通过对不同批次不同厚度的样品进行各种力学性能参数的检测，从其力学数据来看，热轧酸洗板屈服强度和抗拉强度均高于普通冷轧板，伸长率均大于35％，可以替代冷轧板。

表1 材料成分设计及检测

②模拟成形试验。

板料的扩孔试验结果见表2。杯突试验是试样尺寸选取90mm×500mm，压边力设定值10kN，试验速度10mm/min，凸模钢球直径φ为20mm。表3是1#样板杯突试验结果，板厚为1.5mm，试验方法按GB 4156，表4是2#样板杯突试验结果，板厚为2.0mm，试验方法按GB 4156。扩孔试验以及杯突试验的数据均证明，热轧板材料具有良好的成形性能，能够满足冲压件的加工需求。

表2 板料的扩孔试验结果

表3 1#样板杯突试验结果

表4 2#样板杯突试验结果

图1 加工试样尺寸

成形性能试验。对于成形极限图，按照GB/T 15825.8-1995《金属薄板成形性能与试验方法 成形极限图（FLD）试验》的技术要求，将板料按图1所示的尺寸加工成所需的成形极限试验试样，在BHB-80通用板材成形性能试验机上进行，凸模速度为20mm/min，压边力为80kN，成形极限试验件如图2所示，不同牌号的成形极限值见图3。成形性能分析结果：SPHD-RS热轧酸洗板成形性能优于ST13，BRC1热轧酸洗板成形性能与冷轧板ST14相当。

拉伸疲劳试验，按照GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法进行，通过30万次疲劳试验对应的应力水平对比，热轧酸洗板的应力水平高于普通冷轧板。

图2 成形极限试验件

图3 FLD曲线

零件的选择及工艺试验

卡车驾驶室中因各部件承载、功能、位置的不同，对材料的要求也不同。热轧酸洗板具有较好的表面质量、厚度公差、加工性能，同时试验数据也表明，研发的热轧酸洗板在保证成形性的同时，强度也有提高。在理论上，热轧酸洗板是完全可以满足普通梁类及加强板类零件对材料的要求。本厂重点选择了现生产车型中地板梁、保险杠、加强支架等零件进行工艺试验，对成形较复杂的零件提前做了CAE模拟分析，见图4。分别进行了冲压、焊接和涂装的现场工艺试验，冲压主要是验证成形性和对模具的适应性，焊装主要验证焊接性能及对焊接参数的影响，涂装主要验证涂漆质量和漆后表面质量是否有明显变化，特别是保险杠零件属外部零件，不能出现明显的区别与变化。对于冲压进行了多轮试验，为保证不影响正常生产，原则上是对原有工艺和模具不做大的改动。对焊装和涂装的试验结果表明，酸洗板对焊装没有明显影响，酸洗板表面的涂油油膜完全能在涂装前处理洗掉，对涂装质量同样没有影响。对于外表面件保险杠，也与冷板件漆后状态进行了相应的比较，没有明显区别，可以接受。

图4 CAE模拟分析结果对比

酸洗板应用情况

综合材料检验试验和工艺试验结果，总的情况是酸洗板较冷轧板强度指标好，塑性较冷轧板稍差，表面质量也不如冷轧板，不同厂家材料表现出的性能和特点也不一样。但总的来说，酸洗板完全可以用来冲制成形不是很复杂的横梁、支架等内部零件。前期工艺试验情况良好的零件都已投入批量生产，共有零件30种，每年可降成本约200万元。

经验分享及遗留问题

经验分享

用热轧酸洗板替代部分普通冷轧板，可以有效降低成本。材料开发应用方面，要加强与技术中心、钢厂和科研院校的合作，充分利用各方面的有利资源，缩短试制周期，提高工作效果和效率。本试验借助计算机辅助工程（CAE）分析手段，对所设计的零件在计算机上模拟板料冲压成形的全过程，判断产品设计和冲压工艺方案的合理性，显著地减少试模次数，缩短新产品开发周期，并降低开发成本。

遗留问题

目前所生产的以热带冷的零件都是生产中的零件，模具和工艺都是在冷轧板情况下进行调试和稳定生产，第一批只投产了试验效果很好的零件，但因为模具状态不好影响试验效果，有个别成形性复杂的零件出现了轻微裂纹和缩颈现象，为了不引起零件质量的波动，今后将会进一步完善冲压工艺和模具状态，逐步实现这部分冲压件的以热带冷。

结束语

目前的工作，仅限于现有产品的替代，今后应该进一步加强与技术中心产品设计人员的合作。在新车型设计中，确定使用热轧酸洗板零件品种，降低整车重量，同时冲压件从开始准备时就采用酸洗板，更有利于零件的质量和工艺的稳定。