2023-01-11|閱讀時間 ‧ 約 5 分鐘

材料科學技術:熱沖壓於汽車結構的應用趨勢 #1

熱沖壓是指材料透過熱處理中的淬火技術,使材料能得到高強度超高強度鋼,它在汽車部件中可以提高零件的機械性能,減少材料使用量同時也能夠達到較佳的燃油效率。本篇就先稍稍的簡單的介紹熱沖壓材料吧。

一. 前言:

隨著汽車產業不斷發展,熱沖壓技術也在不斷演進。目前,熱沖壓技術已經被廣泛應用于各汽車零件中,包括引擎室、 大樑、A/B/C柱、側結構、四門的防撞鋼樑...等。
隨著電動汽車和混合動力汽車的普及,熱沖壓技術也將在汽車供應鏈中扮演越來越重要的角色;由於電動汽車和混合動力汽車的動力系統與傳統汽車有所不同,因此其所使用的零件也更有挑戰;熱沖壓技術可以提高這些零件的強度與剛性,使有的材料能夠承受更大的強度負荷,以滿足電動汽車和混合動力汽車的特殊需求。
熱沖壓通常是碳錳硼合金鋼;在各地稱呼也有所差異,如下:
美洲術語,Press Hardening Steels (PHS, 沖壓硬化鋼)
亞洲術語, Hot Press Forming Steels (HPF, 熱沖壓)
中國術語, 硼鋼(Boron Steel, 這個名字也可能指其他鋼),但在汽車工業中硼鋼通常用於PHS
歐洲/韓國術語, Hot Formed Steel (HF,熱成形鋼)

二. AHSS的類別:

AHSS(先進高強度鋼,Advanced High Strength Steel)系列包括雙相鋼 (DP,Dual phase)、復相 (CP,Complex Phase)、鐵素體貝氏體 (FB)、麻田散鐵(MS 或 MART)、轉化誘導塑性 (TRIP,High-strength, low-alloy steels (HSLA))、熱成型 (HF) 和孿生誘導塑性 (TWIP,Twinning Induced Plasticity);這些第一代和第二代 AHSS 皆具有獨特的資格,可滿足某些部件的功能性能要求。(例如,DP和TRIP鋼因其高能量吸收而在汽車的碰撞區中表現出色)。
對於乘客艙的結構元件,馬氏體和硼基熱成形鋼(PHS)等高強度鋼可提高安全性能;最近,對“第三代”先進高強度鋼的開發進行了更多的資助和研究,這些鋼經過特殊合金化和熱機械加工,與現有牌號相比,可實現更高的強度-延展性組合,並有可能以更低的成本實現更高效的連接能力,圖中著名的鋼強度延展性圖最能說明廣泛的性能。

三.熱沖壓機械性質對於焊接的表現差異:

材料經過熱沖壓與焠火熱處理,除了Press加壓造成形體上的改變外,機械性質與微觀結構也會有所變化。在熱沖壓過程中,材料會受到高溫和高壓力的成型後,模具的冷卻迴路會將材料高速降溫,此時晶粒縮小、晶界增加、晶格插排…等生成一種硬度極高的麻田散鐵組織(Martensite)。
熱沖壓的機械性質除了主要取決於被加工的材料製程控制(加工溫度、壓力和時間以及加工後的冷卻方式等),主要就是其他合金原素添加,如下:
透過元素表換算碳當量
一般來說,合金元素的添加及約當碳量的提升,能是使材料的硬度大大提高,但同時也會使材料的韌性降低,與影響焊接關鍵的電阻值增加;此外,熱沖壓的製程通常會使材料的尺寸精度不易控制,而表面熱處理後表面粗糙度提高,更加劇了汽車熔接控制的困難度。
而對於日新月異的熱沖壓材,美國汽車鋼鐵協會(RWMA)尚無標準可以供依循;舊有的熔接條件設定參考表控制變得相當困難,原因是碳當量的差異影響了熔接的阻抗值,如下:
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