超高强度钢热成形技术

既轻量化又提高汽车性能的一个手段就是采用高强度轻量化材料。目前，乘用车为提升被动安全性，越来越多地在主要安全件（A、B、C柱和前保险杠防撞梁、门防撞杆及保险杠防冲柱等）中采用超高强度钢，其抗拉强度和屈服强度可分别达到1 500 MPa和1 200 MPa，如此高的强度之所以能够实现，在于热成形钢材与工艺技术的发展。材料的加工成形性与屈服强度和延伸率有密切关系，而材料的断裂应变和屈服强度与材料的温度有密切关系。在900 ℃时，热成形钢屈服强度下降至150 MPa，断裂应变达到50%以上，具有良好成形性和可加工性；在热成形之后，随之进行冷却淬火达到高强度，并固定了热成形状态下的零件形状。几年来，热成形制造零件的应用越来越广泛，而与国外汽车高强度钢板的应用相比，国内自主开发的车型，无论在高强度钢板的应用强度级别，还是应用比例方面，都存在着较大的差距。

超高强度钢热成形的产生，是由于用普通的成形工艺难以满足成形后零部件的要求。对于高强度汽车构件的冲压成形，主要有以下两种形式。

（1）采用提高钢厂交货状态下的钢板强度的方式，即钢板强度的提高主要在钢厂的制造过程中完成，采用这种方法可实现钢板最高抗拉强度达到1 500 MPa。当钢板原始抗拉强度大于1 000 MPa后，用传统的冷冲压方法就难以生产出结构和形状相对复杂的零件，尤其是当钢板抗拉强度达到1 500 MPa时，常规的冷冲压成形工艺几乎无法成形。因此，这种交货状态下就达到很高强度的钢板主要用于制造结构比较简单的零件，且多采用辊压成形，如图5-27所示。

图5-27 各类钢板的强度和延伸率及其所采用的成形工艺示意图

（2）采用钢厂交货状态下强度相对较低的钢板，通过热处理的方式实现最终零件的强度的方式，可分为以下两类。

①采用热成形方式，即钢板首先加热到900 ℃左右的奥氏体区，然后进行冲压，而冲压的模具通过水冷功能从而实现对零件的冷却，零件通过这种热循环，钢板的抗拉强度可以大大提高，由交货状态下的抗拉强度约500 MPa达到热成形后零件的抗拉强度约1 500 MPa，实现零件的高强度化。图5-28为典型热冲压成形工艺示意图。

②对零件进行热处理的方式，即钢板首先通过冷成形冲压成零件，然后再对零件进行热处理。常用的热处理方式是感应淬火，可对整个零件也可对零件的局部进行热处理，零件的形状可以是管状或其他较规整的形状。

图5-28 热冲压成形工艺示意图

基于此，热冲压成形技术应运而生。通过热处理的方式实现最终零件的高强度是其中的一种途径，而热冲压成形技术是通过热处理和高温成形相结合的方式来实现零件的高强度。

目前，公认的热成形工艺分为直接成形和间接成形两种，如图5-29所示。由于直接成形工艺成本低，使用越来越广泛，无镀层的热成形构件成形以及Al-Si镀层的热成形构件均可以使用直接成形工艺。但对于复杂的热成形构件，先进行预成形，再进行热冲压成形，可以避免成形开裂。镀锌的热成形钢板必须使用间接热成形工艺。

图5-29 直接和间接热成形工艺流程

热冲压成形工艺主要适用于制造汽车中对舒适性和安全性要求高、强度级别较高的零件，典型的热冲压成形零件有前、后门左右防撞杆（梁），前、后保险杠防撞梁，A柱加强板，B柱加强板，C柱加强板，地板中通道和车顶加强梁等。图5-30为宝马7系列车型使用热冲压成形零件的情况，图5-31为大众帕萨特轿车型使用热冲压成形零件的情况。

图5-30 宝马7系车型上热冲压成形零件应用情况

图5-31 大众帕萨特轿车上热冲压成形零件应用情况

瑞典SSAB公司曾最早申请了热冲压成形B钢的专利技术（22Mn B5），安赛乐米塔尔公司随之开发了表面涂铝硅镀层技术并获得相应的专利。目前，国际上热冲压成形公司有德国的本特勒（Bentler）公司、西班牙的Hitech和Cosma公司、加拿大的Magna公司、德国的蒂森金属成形TK-MF公司和韩国Posco公司。这些公司大体采用类同的热成形工艺路线：将板材下料→在保护气氛炉中加热→由机械手将料放入热冲压成形模具中并进行压制成形→通水冷淬火和回火→出模，进行切边和打孔→清理和涂装→出厂。

截至2011年，国外已建有110条热冲压成形生产线，主要分布在美国（19条）、德国（30条）、日本（10条）、法国、西班牙、瑞典等国；中国建有5条热成形生产线，分别为长春本特勒汽车系统公司、海斯坦普汽车组件（昆山）有限公司、上海本特勒汇众汽车零部件有限公司、卡斯马汽车系统（上海）有限公司以及宝钢集团有限公司从瑞典AP&T公司引进的热冲压成形线。热冲压成形生产线的供应商有德国的舒乐（SCHULER）集团公司以及瑞典的AP&T公司，这两家公司几乎垄断了热冲压成形生产线的市场。2011年后，长春伟孚特汽车零部件有限公司和湖北永喆热冲压零部件有限公司先后在大连理工大学以及中国汽车工程研究院的支持下，建立了热成形生产线。截至2013年，国内已建成和在建的热成形生产线有30～40条，2015年均可批量供货，热成形件的产量可达到5 000万件。

超高强度钢热成形技术在汽车零部件上的典型应用如图5-32所示。目前热冲压技术主要用于生产汽车上的A、B、C柱加强件，车门防撞梁，窗台板，框架件，保险杠防撞梁，顶框架，中通道等，这些零件热冲压前板材的厚度普遍为1.0～2.5 mm，如图5-33所示。近年来，欧洲车身会议展示的典型车型中除了全铝车身以外，均大量应用了热成形零件。

图5-32 热成形技术在汽车零部件上的典型应用

图5-33 部分汽车用热成形零件

预计未来5年左右，平均每个A级车型热成形构件质量占3%左右，B级车型热成形零件质量可达到10%左右，而豪华乘用车以及大型SUV可到11%～13%。根据目前国内产线的建设以及需求情况，预计未来5年内，中国将有40多条热成形生产线，按照每条产线的产能为150万件，2020年将需要热成形钢80万吨以上。