薄鋼板概況

薄鋼板沖裁

沖裁是利用沖模使材料分離的一種沖壓工序。沖裁，從廣義上說(shuō)，是分離工序的總稱(chēng)，它包括切斷、落料、沖孔、修邊、切口等多種工序。但一般來(lái)說(shuō)，沖裁工藝主要是指落料和沖出成品零件，又可為其他成形工序制備毛坯。

沖裁以后，板料分成兩個(gè)部分，即落料部分和帶孑L部分。若沖裁的目的是為了制取一定外形反沖落部分，則這種沖裁工序稱(chēng)為落料；若為了制取內(nèi)孔，則稱(chēng)為沖孔。

根據(jù)變形機(jī)理的不同，沖裁可以分為普通沖裁和精密沖裁兩類(lèi)。

薄鋼板彎曲

塑性彎曲乃是壓制成形工序中最為普遍的成形方法之一。彎曲成形的效果，表現(xiàn)為彎曲變形區(qū)曲率半徑R和角度x的變化（圖1）

塑性彎曲必須首先經(jīng)過(guò)彈性彎曲的階段。在“材料力學(xué)”中我們已經(jīng)熟知：彈性彎曲時(shí)，梁的外區(qū)纖維受拉， 內(nèi)區(qū)纖維受壓。拉，壓兩區(qū)以中性層為界，中性層恰好通過(guò)剖面的重心，其應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榱?。假定中性層、的曲率半徑為ρ，彎曲角度為α（參看圖1），則距中性層為y處的纖維，其切向應(yīng)變?chǔ)?sub>θ為

彈性彎曲時(shí)，切向應(yīng)力δ_θ為

所以材料的變形程度與應(yīng)力大小，完全取決于纖維至中性層的距離與中性層半徑的比值y/ρ，而與彎曲角度α的大小無(wú)關(guān)。在彎曲變形區(qū)的內(nèi)、外邊緣，應(yīng)力應(yīng)變最大。

對(duì)于厚度為t值的板料，當(dāng)其彎曲半徑為R時(shí)，板料邊緣的應(yīng)力(δ_θ)_max與應(yīng)變(ε_θ)_max為

假定材料的屈服應(yīng)力為δs，則彈性彎曲的條件是：

亦即

當(dāng)

薄鋼板拉伸

拉深成型，是把平板凸緣拉入凹?？變?nèi)而形成直壁的加工方法。

凸緣的流入，隨著凹模孔輪廓形狀的變形狀態(tài)的不同，可分(a)壓縮凸緣流入、(b)平行凸緣流入、(c)伸長(zhǎng)凸緣流入三類(lèi)，(圖2)。

由于拉深零件的形狀尺寸不同，毛坯在變形過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變分布也不一樣。故在確定工藝方案、工藝參數(shù)和模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況，進(jìn)行分析計(jì)算，以決定合理的毛坯尺寸和每一工步的幾何參數(shù)，模具結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)備型號(hào)，才能獲得質(zhì)量合格的零件。

大批量生產(chǎn)中使用最多的就是冷軋鋼板。冷軋薄鋼板的厚度在0.15~3.2mm之間，汽車(chē)車(chē)身多采用0.6~0.8mm的薄板。這種薄鋼板尺寸精度非常高，表面光滑，具有良好的力學(xué)性能和加工性，主要用于車(chē)身側(cè)圍板、頂蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、翼子板、行李箱蓋、車(chē)門(mén)板和儀表板等外覆蓋件，這些零件要求材料具有高的成形性能、良好的表面質(zhì)量和焊接性能。

薄鋼板一般沖壓用薄鋼板

在無(wú)間隙原子鋼板（IF鋼）使用以前，汽車(chē)覆蓋件都用低碳沸騰鋼板(08F)和鋁鎮(zhèn)靜鋼(08AL)沖制。沸騰鋼由于沖壓成形性能差和容易失效等缺陷現(xiàn)已較少使用。而鋁鎮(zhèn)靜鋼板仍作為沖壓用鋼板大量應(yīng)用，特別是對(duì)于成形要求不高的車(chē)身零件，采用鋁鎮(zhèn)靜鋼板仍然占多數(shù)。

(1)鋁鎮(zhèn)靜鋼板(08AL)

①鋁鎮(zhèn)靜鋼板的化學(xué)成分。08AL作為一種傳統(tǒng)的沖壓鋼板，其強(qiáng)度要求不高，但要求有良好的沖壓成形性能，為此要求鋼板有較高的塑性，鋼板中的合金元素越低越好。

a．碳。碳在一般鋼材中是主要元素，但是在深沖薄板中，它卻是有害元素。鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，會(huì)使低碳鋼的強(qiáng)度提高而使成形性能降低。因此，我國(guó)的GB/T5213-2001中規(guī)定深沖壓用鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)低于0.08%。

b．錳。錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高時(shí)，使鋼板的強(qiáng)度升高，所以一般鋁鎮(zhèn)靜鋼的錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)低于0. 4%。

c．硫。硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)薄鋼板的沖壓性能有不利影響，因此其質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低越好。一般08AL鋼板規(guī)定的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)低于0.025%。

d．磷。磷元素的作用是顯著提高鋼板強(qiáng)度，除高強(qiáng)度鋼板中提高其含量外，在一般冷軋鋼板中都限制其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，深沖薄板中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0. 020qo。

e．硅。硅的作用主要是提高鋼板強(qiáng)度，但會(huì)惡化沖壓性能，所以其質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低越好，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)低于0. 030%。

f．鋁。鋁加入沖壓用冷軋鋼板中提高其沖壓性能，所以08AL規(guī)定鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)在0. 02%一0.07%之間。

08AL鋼板屬于低碳鋼，有較好的塑性，合適的強(qiáng)度，具有一定的時(shí)效性，在3—6個(gè)月內(nèi)使用時(shí)，不能破壞其沖壓性能。

鋁鎮(zhèn)靜鋼結(jié)相組織簡(jiǎn)單，一般由鐵素體、游離碳化鐵和少量非金屬夾雜物組成，游離的碳化鐵和非金屬夾雜物對(duì)鋼板的沖壓性能影響很大，其中以方形夾雜物影響最大，圓形點(diǎn)狀?yuàn)A雜物影響最小，在沖壓過(guò)程中會(huì)引起制件開(kāi)裂。

鐵素體晶粒的大小和晶粒的均勻性對(duì)沖壓性能影響也很大，晶粒過(guò)小，強(qiáng)度升高而塑性降低，對(duì)沖壓性能不利；晶粒過(guò)大，沖壓后零件的表面差，會(huì)出現(xiàn)桔皮狀表面，晶粒度以7~8級(jí)最為理想。若晶粒不均勻，會(huì)引起零件整個(gè)變形的不均勻性，從而導(dǎo)致開(kāi)裂。

在沖制復(fù)雜零件時(shí)，因零件各部位的變形量不同，會(huì)在零件表面出現(xiàn)滑移線(xiàn)，嚴(yán)重地降低零件的表面質(zhì)量，這對(duì)于汽車(chē)的覆蓋件，這種現(xiàn)象是不允許出現(xiàn)的。一般要進(jìn)行調(diào)質(zhì)軋制處理，消除沖壓中出現(xiàn)的滑移現(xiàn)象。

綜上所述，08AL鋼板適合沖壓強(qiáng)度、表面質(zhì)量要求不高的、變形均勻的一般零件。而對(duì)于深沖件和復(fù)雜零件，要慎用。

(2)無(wú)間隙原子鋼板（IF鋼板） 汽車(chē)車(chē)身由沖壓件焊接組成。轎車(chē)車(chē)身的形狀為了減少空氣阻力和外形美觀而日趨復(fù)雜，對(duì)鋼板的沖壓性能要求日益提高，因此對(duì)影響沖壓成形性能的指標(biāo)有一定要求，如高的塑性應(yīng)變比、適當(dāng)?shù)膽?yīng)變硬化指數(shù)、高的伸長(zhǎng)率、低的屈服強(qiáng)度，只有符合上述要求的鋼板才能沖出形狀復(fù)雜的零件。

以普通沸騰鋼為代表的第一代冷軋鋼板和以鋁鎮(zhèn)靜鋼為代表的第二代冷軋鋼板都難以完全滿(mǎn)足現(xiàn)代轎車(chē)沖壓件的要求。已能大規(guī)模生產(chǎn)的第三代冷軋無(wú)間隙原子鋼（IF鋼板）能滿(mǎn)足上述要求，由IF鋼衍生出的新型鋼板如IFBH鋼、IF高強(qiáng)度鋼、IF鍍層鋼等，再加上雙相鋼（DP鋼）和塑性變形誘導(dǎo)相變鋼（TRIP鋼），使汽車(chē)用冷軋鋼板達(dá)到了新的水平，基本上滿(mǎn)足了轎車(chē)生產(chǎn)的需要。

在低碳鋼中加入足夠數(shù)量的鈦后，鋼中的碳、氮間隙原子就完全被鈦固定，形成鈦碳化合物，此時(shí)鋼就成為無(wú)間隙原子鋼而具有優(yōu)異的成形性能。因鈦價(jià)格昂貴，鋼的生產(chǎn)成本太高，因此無(wú)法大批量生產(chǎn)。20世紀(jì)60年代后期，真空脫氣技術(shù)的成功應(yīng)用，使得鋼中的碳、氮含量大幅度降低，而減少了鈦的用量，從而降低了IF鋼的生產(chǎn)成本。到了70年代，鋼板生產(chǎn)采用連續(xù)退火機(jī)組，大大降低了生產(chǎn)成本，又出現(xiàn)了加鈮及復(fù)合添加鈦和鈮的IF鋼，擴(kuò)大了IF鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用。

①I(mǎi)F鋼的化學(xué)成分。鋼的化學(xué)成分是其性能的基礎(chǔ)，對(duì)IF鋼而言，首先是降低對(duì)成形性能有害的碳和氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時(shí)加入鈦和鈮。

IF鋼中碳、硅等元素的作用同08A1鋼，鈦和鈮是IF鋼中的重要元素，通過(guò)鈦和鈮的處理使固溶體中的間隙原子碳和氮得以清除，從而清除間隙原子的不利影響。工業(yè)生產(chǎn)中的超低碳鋼若不經(jīng)過(guò)加鈦和鈮的處理消除間隙原子，其塑性應(yīng)變比不高，成形性能不好。

工業(yè)生產(chǎn)的IF鋼有三種，即單一加Ti的Ti-IF鋼、單一加Nb的Nb-IF鋼和同時(shí)加Ti和Nb的復(fù)合Ti-Nb-IF鋼。

上述三種IF鋼的特點(diǎn)如下：

a．Ti-IF鋼。就工藝參數(shù)而言，低的加熱溫度、高的卷取溫度、高的退火溫度和大的冷軋壓下率有利于Ti-IF鋼成形性能的提高。合金成分對(duì)Ti-IF鋼延伸率的影響沒(méi)有Nb-IF鋼敏感，一般鈦穩(wěn)定鋼延伸率較高。高的卷取溫度和退火溫度會(huì)得到粗大的TiC顆粒，因此強(qiáng)度級(jí)別低。對(duì)Ti-IF鋼性能產(chǎn)生重要影響的TiS和Ti4C2S2等析出物一般在加熱過(guò)程和熱軋初始階段就開(kāi)始析出，所以工藝參數(shù)對(duì)Ti-IF鋼影響不是很敏感，工藝過(guò)程的可操作性強(qiáng)，性能穩(wěn)定。但是這種成分體系的鋼平面各向異性大而且鍍層抗粉化能力較差，不適用于鍍鋅板。

b．Nb-IF鋼。與Ti-IF鋼相比，由于細(xì)小NbC粒子析出，可以提高鋼的強(qiáng)度，故Nb-IF鋼具更高的強(qiáng)度水平。Nb的添加，改善鋼的織組結(jié)構(gòu)，各向異性值降低，提高了塑性應(yīng)變比(r)平均值；Nb偏析到晶界，可防止冷加工脆性，提高可鍍性和抗粉化性能。但由于Nb-IF鋼的析出過(guò)程發(fā)生在熱軋冷卻階段或退火階段，力學(xué)性能對(duì)工藝參數(shù)比較敏感，而且Nb-IF鋼有較高的再結(jié)晶溫度，其力學(xué)性能不如Ti-IF鋼好。

c．( Nb Ti) -IF鋼。鈮鈦穩(wěn)定的IF鋼延伸率比Ti-IF鋼低，但r。值和r45 0值都比較高，具有較強(qiáng)的可成形性。鈮鈦穩(wěn)定的IF鋼比鈦穩(wěn)定鋼具有較好的涂層粘附性，具有良好的合金化及熱鍍鋅鋼板抗粉化，而且力學(xué)性能對(duì)工藝不敏感，整卷性能均勻，適合于在連續(xù)退火工藝下生產(chǎn)高強(qiáng)鋼及熱鍍鋅鋼，也是電鍍鋅IF鋼和熱鍍鋅IF鋼基板的最佳選擇。

②IF鋼板的特點(diǎn)。與廣泛使用的鋁鎮(zhèn)靜低碳深沖鋼比，IF鋼板在性能上最明顯的特點(diǎn)是優(yōu)秀的成形性能和永不時(shí)效性。

a．優(yōu)秀的成形性。

b．無(wú)時(shí)效性。一般鋼板都具有時(shí)效性。所謂時(shí)效性就是鋼板的屈服應(yīng)力和延伸率隨時(shí)間的推移而變化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后鋼板的拉延性能曲線(xiàn)上會(huì)出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)，此時(shí)鋼板的成形性能下降。鋼板的這種時(shí)效性是由于鋼板中存在著碳、氮等間隙固溶原子造成的。盡管深沖鋼板使用了鋁鎮(zhèn)靜，其時(shí)效性已經(jīng)不明顯了，但它的存在仍是一個(gè)客觀事實(shí)。所以，還仍然有這樣的規(guī)定，即軋制后的深沖鋼板的時(shí)效期為個(gè)3月，也就是說(shuō)，軋制后的深沖鋼板必須在3個(gè)月內(nèi)用完，否則成形性就會(huì)下降。

③IF鋼板的應(yīng)用。由于IF鋼板具有優(yōu)秀的成形性能和獨(dú)特的不時(shí)效性，所以在汽車(chē)工業(yè)特別是轎車(chē)工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用概括起來(lái)，有以下幾個(gè)方面。

a．用于形狀復(fù)雜的沖壓件。有些沖壓件形狀復(fù)雜，拉延較大，即使使用最好的鋁鎮(zhèn)靜深沖鋼也難以完全滿(mǎn)足要求。例如發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼對(duì)鋼板的拉延性要求很高，過(guò)去一直使用進(jìn)口的深拉延級(jí)鋼板，但效果不太理想。自從使用了國(guó)產(chǎn)的深沖IF鋼板之后，這個(gè)問(wèn)題便迎刃而解。用國(guó)產(chǎn)Ⅲ鋼板取代進(jìn)口的深沖鋼板生產(chǎn)一些形狀比較復(fù)雜的沖壓件，效果很好，值得進(jìn)一步推廣。

b．用于制造高強(qiáng)度的汽車(chē)車(chē)身覆蓋件。為了節(jié)約能量和滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，高強(qiáng)度鋼板正在汽車(chē)工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。例如，轎車(chē)車(chē)身的許多外覆蓋件在原設(shè)計(jì)中就廣泛地采用了高強(qiáng)度鋼板，降低了鋼板的厚度，從而降低了車(chē)身的質(zhì)量，降低了汽車(chē)燃油消耗，也降低了汽車(chē)的有害排放。

IF鋼板具有非常優(yōu)秀的成形性。在此基礎(chǔ)上通過(guò)固溶強(qiáng)化等方式開(kāi)發(fā)出來(lái)的高強(qiáng)度IF鋼板在獲得了較高強(qiáng)度的同時(shí)仍然保留著較高的成形性。

在強(qiáng)度級(jí)別相同的情況下，高強(qiáng)度IF鋼板的成形性指標(biāo)的綜合水平要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)使用的高強(qiáng)度鋼板，加上這種IF鋼板不具有時(shí)效性，沖壓過(guò)程中不會(huì)在表面上出現(xiàn)影響板件外觀質(zhì)量的滑移線(xiàn)，所以用這種鋼板生產(chǎn)汽車(chē)外覆蓋件非常適宜。

c．作為高性能鍍鋅鋼板的基板。鍍鋅鋼板在汽車(chē)上的應(yīng)用越來(lái)越廣，如奧迪等歐洲車(chē)型和北美的一些車(chē)型中甚至整個(gè)車(chē)身都是用鍍鋅鋼板制成的。鍍鋅鋼板得到廣泛應(yīng)用的原因一是北歐和北美等氣候寒冷的國(guó)家，冬日雪后路面噴灑鹽水對(duì)車(chē)身件腐蝕嚴(yán)重，二是為了提高汽車(chē)使用壽命，各國(guó)對(duì)汽車(chē)板材不發(fā)生銹蝕的年限一再延長(zhǎng)，一般裸鋼板不能滿(mǎn)足這些要求，所以鍍鋅鋼板受到了重視。

一般都采用深沖鋼板作為基板生產(chǎn)鍍鋅板，由于熱鍍鋅時(shí)需要加熱到500C左右的高溫，基板因發(fā)生嚴(yán)重時(shí)效而使成形性變壞，從而使鍍鋅板的應(yīng)用產(chǎn)生了局限性，不能用于比較復(fù)雜的沖壓件。IF鋼板的問(wèn)世成功地解決了這個(gè)問(wèn)題。由于IF鋼板本身具有很高的成形性，加之沒(méi)有時(shí)效性，所以在熱浸鍍鋅后仍能保持著很好的成形性。表3.7是兩種以職鋼板為基板生產(chǎn)出來(lái)的鋼板的實(shí)測(cè)性能，我們從中可以看出這兩種鋼板基本上保持了它原板的特點(diǎn)，具有很好的成形性。

另外，由于用鈦?zhàn)鳛槲⒑辖鸹腎F鋼板平面上各向異性較大，以此種鋼板為基板生產(chǎn)出來(lái)的鍍鋅鋼板在沖壓過(guò)程中，有可能因鋼板各個(gè)方向的應(yīng)變程度不同而發(fā)生粉化。以鈮為微合金化元素時(shí)，情況要好得多，所以在實(shí)際生產(chǎn)中一般使用添加Nb或者Ti Nb的IF鋼板作為鍍鋅板的原板。

薄鋼板汽車(chē)用高強(qiáng)度鋼板

為控制導(dǎo)致全球變暖的C02排放，汽車(chē)制造商以降低燃料消耗為目的，積極推進(jìn)汽車(chē)車(chē)身輕量化的設(shè)計(jì)。20世紀(jì)90年代初，汽車(chē)車(chē)身使用高強(qiáng)鋼板的比例增加到30%，減輕了車(chē)重。90年代后期，出于碰撞安全性考慮，汽車(chē)車(chē)身增加了加強(qiáng)件的使用量，從而增加了車(chē)重。為確保車(chē)身碰撞安全性和輕量化，用于汽車(chē)車(chē)身的高強(qiáng)鋼板強(qiáng)度從440MPa級(jí)提高到590MPa級(jí)，車(chē)身結(jié)構(gòu)件使用980MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼板，使用比例也在40%以上。從提高車(chē)身緩蝕性能來(lái)看，合金化熱鍍鋅鋼板具有與冷軋鋼板相同的高強(qiáng)度特性。

汽車(chē)用高強(qiáng)度冷軋鋼板主要用于車(chē)身零部件，大致分為3類(lèi)，即內(nèi)外面板、結(jié)構(gòu)件和加強(qiáng)件。表3-8列出了每一部件要求的鋼板強(qiáng)度和特性及需解決的問(wèn)題。

鋪設(shè)波形薄鋼板屋面時(shí)，相鄰薄鋼板應(yīng)順主導(dǎo)風(fēng)向搭接，搭接寬度不得少于一個(gè)波。上排波形薄鋼板搭蓋在下排波形薄鋼板上的長(zhǎng)度，應(yīng)根據(jù)屋面坡度而定，但不應(yīng)少于80毫米，上下排波形薄鋼板必須在檁條上搭接，在金屬檁條和鋼筋混凝土檁條上，波形薄鋼板應(yīng)用帶防水墊圈的鍍鋅彎鉤螺栓固定，在木檁條上，波形薄鋼板應(yīng)用帶防水墊圈的鍍鋅螺釘固定，固定薄鋼板螺栓(螺釘)應(yīng)設(shè)在波峰上，螺栓(螺釘)的效量，在波形薄鋼板四周的每一搭接邊上，均不宜少于三個(gè)，必要時(shí)，應(yīng)在波形薄鋼板的中央增加適當(dāng)數(shù)量的螺檢(螺釘)。山墻不高出屋面時(shí)，應(yīng)將波形薄鋼板伸出山墻封檐板部分對(duì)齊。屋脊、辯脊、天溝和屋面與突出屋面結(jié)構(gòu)連接處的泛水，均應(yīng)用搏鋼板鎊作，其與波形薄鋼板的搭接寬度不宜小于150毫米，薄鋼板的搭接縫和其它可能浸水的部位，應(yīng)用鉛油麻絲或油灰封固。