面向汽車輕量化的先進高強度鋼成型技術

李 琦，陽 林，賀紹華

（廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006）

1 引言

汽車輕量化是指在滿足汽車動力性、舒適性、安全性等基本性能不變的情況下，盡可能地減少汽車質量，以改善其燃油經濟性，減少排放，是緩解環境矛盾，實現現代汽車節能減排的重要方向。尤其對新能源汽車延長其續駛里程有著重大意義。要實現汽車輕量化，其基本途徑主要有以下四種：一是選擇合適的低密度材料，如鋁合金、鎂合金和鈦合金等替代鋼材料，雖然效果明顯，但是成本較高；二是選用更高強度的鋼板即高強度鋼，通過增加其強度來減小鋼板的厚度；三是采用先進的加工工藝和焊接手段，減少冗余材料、焊點等；四是采用先進的CAD/CAE軟件對汽車零部件及車身框架進行優化設計，改善零部件結構，減少零件數量。

其中，由于高強度鋼比汽車傳統車用鋼材有更高的強度，且成本較輕金屬低，通過減小構件厚度實現輕量化，效果良好。有研究表明，當鋼板厚度分別減少0.05 mm、0.10 mm和0.15 mm時，車身減重分別為6%、12%和18%[1-2]。另外，采用先進高強度鋼，還增加了車輛的安全性，降低了噪聲和振動，提高了燃油效率。目前汽車的碰撞安全性能凡是達到U—NCAP碰撞4星或5星級水平的汽車都在一些安全件中（如A、B、C三柱和保險杠防撞梁，門防撞桿，保險杠防沖柱等）采用了熱成型技術成型的抗拉強度為1 500 MPa、屈服強度為1 200 MPa的馬氏體鋼。總體來說，通過提高高強度鋼的應用比例，成本沒有增加多少，而加速性、安全性能卻有了較大的改善。

根據國際鋼鐵協會USL-AB項目的定義，屈服強度為210～550 MPa及抗拉強度從270～700 MPa的為高強度鋼（簡稱HSS），而屈服強度大于550 MPa及抗拉強度大于700 MPa的則稱為先進高強度鋼AHSS（也叫超高強度鋼）[3]。先進高強鋼（AHSS）主要包括雙相（DP）鋼、相變誘發塑性（TRIP）鋼、馬氏體級（M）鋼、復相（CP）鋼、熱成型（HF）鋼和孿晶誘發塑性（TWIP）鋼。

2 先進高強度鋼種類及其特性

先進高強鋼（AHSS）作為多相組織鋼，含有馬氏體、貝氏體或殘余奧氏體，采用了以相變強化為主的復合強化方法，其強度與高強度鋼相比有了很大的提高，特別是加工硬化指數高，有利于提高沖撞過程中能量的吸收，所以其在減重和安全性方面具有雙重優勢。因此，先進高強鋼成為汽車公司進行普通汽車輕量化設計的首選材料，已經廣泛應用于汽車工業。

2.1 雙相鋼

雙相鋼又叫DP鋼（Dual Phase Steels），是一種由馬氏體或奧氏體與鐵素體基體兩相組織構成的鋼。一般將鐵素體與奧氏體相組成的鋼稱為雙相不銹鋼，而將由鐵素體與馬氏體相組成的鋼稱為雙相鋼。其顯微組織如圖1所示[3]，軟質的鐵素體之間相互連續，硬質的馬氏體則呈島狀分布，這種結構使其具有良好的塑性。在加工變形時，應變集中在鐵素體周圍的馬氏體相上，表現出良好的加工硬化特性。隨著硬質馬氏體相體積分數的增加，雙相鋼的強度也隨之增強。

根據得到雙相組織的方法不同，雙相鋼可以分為熱處理雙相鋼和熱軋雙相鋼。在汽車用鋼中，熱軋雙相鋼應用比較廣泛，它是通過先將鋼坯加熱到1 200℃左右，待其完全奧氏體化后進行第一階段的軋制，單道次壓下量大于20%，第一階段壓下量大于70%，實現再結晶細化奧氏體晶粒；待溫到950℃以下進行第二階段的軋制，第二階段壓下量為80%左右，終軋溫度控制在800℃～850℃，低溫區軋制誘導析出抑制再結晶發生，奧氏體加工硬化可提高鐵素體相變驅動力并細化晶粒；軋后緩冷約 15 s，在鐵素體(α)和奧氏體（γ）的兩相區（α+γ）停留一定時間有α相大量析出，剩余γ相的碳濃度增加，而后采取快速冷卻至370℃以下，以防止珠光體和貝氏體相變的發生，使奧氏體組織轉化為馬氏體組織，從而得到鐵素體和馬氏體雙相組織。

由于雙相鋼中馬氏體是以島狀的形式分布在鐵素體之間，因此，DP鋼具有低屈強比、無屈服點和連續屈服、高延伸及初始硬化速率快的特性。在沖壓成型時，利于材料的均勻變形，能避免在深度拉伸和深沖壓加工時可能出現的局部頸縮及斷裂現象，從而得到大量應用。它主要應用在汽車的邊梁、側面構件、橫梁、支柱、底盤加強件、油箱支架及車體的結構件、加強件和防撞件中。

2.2 相變誘發塑性鋼

相變誘發塑性鋼即是TRIP鋼（Transformation-Induced Plasticity Steel），它是在鐵素體的基質上嵌入殘余奧氏體，且殘余奧氏體的含量在5%左右。而硬質相的馬氏體和貝氏體的含量則可以在一定的范圍內進行調節變化，其顯微組織如圖2所示[3]。在應力應變作用下，其結構中殘余的奧氏體向馬氏體轉變，從而誘發相變塑性，同時也提高了鋼的強度。與DP鋼不同的是，TRIP鋼的組織中還存在一定量（5%～15%）的殘余奧氏體。TRIP鋼就是通過相變誘發塑性效應使鋼板中的這些殘余奧氏體在塑性變形作用下，誘發馬氏體的生核及形成，并產生局部硬化，繼而變形不再集中在局部，使相變均勻擴散到整個材料，以提高鋼板的強度和可塑性，一定程度上解決了強度和塑性的矛盾。為此，TRIP鋼體內的殘余奧氏體必須具有足夠的穩定性，以實現漸進式的轉變，達到強度與塑性同步增長的目標。因此，TRIP鋼在動態拉伸過程中，其強度可以得到進一步的加強，而其韌性不會減弱。

TRIP鋼主要用來制作汽車的擋板、底盤部件、車門沖擊梁等，例如韓國浦項已經成功開發出的800 MPa和1 000 MPa級的TRIP鋼，其成型性能非常好，可以加工成復雜形狀的汽車部件。阿塞洛生產的4個（TRIP600、TRIP700、TRIP800和 TRIP1000） 冷軋品種和 1個（TRIP800）熱軋品種可用于汽車的座椅結構件、橫梁、縱梁、中后強化件、擋板和防護強化件等[4]。

2.3 馬氏體鋼

馬氏體鋼簡稱M鋼（Martensitic Steel），其生產是在出料輥道上或連續退火線的冷卻區快速冷卻，使熱軋或退火時存在的奧氏體幾乎全部轉變成馬氏體。其微觀組織是在板條狀的馬氏體基體上分布著少量的鐵素體和／或貝氏體[3]。在多相鋼家族中，馬氏體鋼具有最高的抗拉強度，可達1 700 MPa。在受到驟冷回火后可以提高其韌性，即使在最高強度下也能提供良好的塑性。

馬氏體鋼，隨著碳含量的增加，其淬透性與強度都會得到加強，另外，錳、硅、硼、鉻、鉬、釩、鎳等元素可以通過不同的組合來提高其淬透性。由于受成型性的限制，只能用滾壓成型生產或沖壓形狀簡單的零件，故主要用于成型要求不高的車門防撞桿等零件代替管狀零件，減少制造成本[3]。

2.4 復相鋼

復相鋼即CP鋼（Complex Phase Steels）是過渡到最高抗拉強度鋼中的典型鋼種。其顯微組織是在鐵素體/貝氏體的基質上包含有少量的馬氏體、殘余奧氏體、珠光體等多種金相組織。它主要是在Mn-Cr-Si合金成分的基礎上，依靠鈦、鈮、釩等元素微合金化產生的晶粒細化效應和析出強化效應，并結合適當的卷取工藝而生產。與DP鋼相比，CP鋼在同等抗拉強度（比如800 MPa）下具有更高的屈服強度，較高的吸收性能和擴孔性能。因此，特別適用于汽車的車門防撞桿、保險杠和中立柱等安全結構件[3]。

2.5 孿晶誘發塑性鋼

孿晶誘發塑性鋼即TWIP鋼（Twining-Induced Plasticity Steel），其含錳量高達17%～24%，因此，在室溫下就可以完全奧氏體化。由于在形變孿晶的成型過程中會誘發較大的變形量，故這種變形模式因此而得名。TWIP鋼的最大抗拉強度在1 000 MPa以上，不僅具有較高的強度，也具有較好的延展性。在孿晶形成過程中，其顯微組織變得越來越細，從而使得TWIP鋼具有較高的瞬時硬化指數（即n值）。當工程應變達到30%以上時，其n值可達0.4并保持恒定，直到總伸長率達到50%。

3 先進高強度鋼成型技術

如圖3所示，先進高強度鋼（DP鋼、CP鋼、TRIP鋼、M鋼）隨著強度的提高，其總伸長率（塑性）下降，導致其加工成型困難。相比普通高強度鋼而言，先進高強度鋼在加工成型時，容易產生裂縫、回彈、表面撓曲褶皺，從而導致其尺寸和形狀精度不良，要達到理想的沖壓成型性能實屬不易。為擴大先進高強度鋼的應用范圍，提高其應用比例，許多先進的加工工藝及方法不斷地應用到汽車工業中。

3.1 液壓成型技術

1）液壓成型技術原理。液壓成型技術主要是指依靠高壓液體（水或油）作為傳力介質，代替剛性的凹模或凸模，使坯料在傳力介質的壓力作用下貼合凸模或凹模成型的一種柔性加工工藝[5]。如圖4所示。先將管坯放入下模腔內，在液壓缸的作用下，將柱塞沖頭壓入管件兩端，使管件腔密封，然后通過沖頭內的液體通道將液體介質注入管件腔；此時，上模向下移動，與下模共同形成封閉的模腔，最后高壓泵與閥門控制液體壓力不斷增大，沖頭向內推動管件，管壁變形并逐漸與模具內壁貼緊，最終得到所需形狀的零件[6]。

2）液壓成型技術特點及其應用。液壓成型件主要為管材、板料和殼體三種。板料和殼體的成型壓力低，而普通管材液壓成型要求的介質壓力一般為400 MPa以上，故管材液壓成型又稱為內高壓成型技術。通過采用管材液壓成型技術，可以一次整體成型沿構件軸線截面有變化的空心構件，與傳統工藝相比[7]:

①節約材料，減輕質量。圖5所示的空心軸類內高壓成型件與機加工件相比可以減輕重量40%～50%，節約材料可達75%。

②減少了零件數量，也減少模具成本。通過液壓成型技術一次成型所需零件，沖壓成型的多個零件連接可以合成為一個單獨完整的零件。不僅提高了零件的強度與剛度，尤其是疲勞強度，而且減少了焊點和后續機加工。如散熱器支架的組成零件由17個減少到10個，而強度在垂直方向提高39%，水平方向則提高50%。

③成型零件的精度提高。成型零件的尺寸精度從原來的IT14提高到IT10。

由于先進高強度鋼與普通高強度鋼相比其強度得到提高，但總伸長率下降，導致成型困難，因此，AHSS管材液壓成型所需壓力較高，可達到600～1 000 MPa。一步成型比較困難。為提高成型精度，一般要分三步成型：首先是預彎曲，將管材彎曲成最終成型的大概形狀；其次是液壓成型；最后是修剪，主要是端部激光剪切。

目前，液壓成型技術在先進高強度鋼制零件中得到廣泛應用，尤其是結構件，例如汽車座椅骨架、側面撞擊橫梁、保險杠、發動機支架、散熱器支架、儀表板橫梁、散熱器支架和車頂橫梁等結構件。

3.2 熱成型技術

當鋼強度超過1 000 MPa時，一些形狀復雜的零件，常規的冷沖壓工藝幾乎無法成型。因此，需要采用新型的加工工藝。而熱成型技術正是一項專門用于極高強度鋼板沖壓件的新成型技術。

1）熱成型技術原理。熱成型工藝過程：首先將常溫下強度為500～600 MPa的硼合金鋼板加熱到880℃～950℃，使之均勻奧氏體化，然后送入內部帶有冷卻系統的模具內沖壓成型，最后快速冷卻，將奧氏體轉變為馬氏體，從而使沖壓件硬化，大幅度提高強度。圖6的這個過程被稱為“沖壓硬化”技術[8]。

2）熱成型技術特點及其應用。為解決先進高強度鋼強度與塑性的矛盾，可以通過將成型和強化分為兩個步驟來解決。熱成型技術正是這樣一種新工藝。為提高所得零件的尺寸精度，延長設備使用壽命，需注意如下幾點：

①鋼材的選擇。并不是任何鋼材都適用熱成型技術，目前普遍采用硼鋼進行加工，主要是因為微量的硼元素可以有效提高鋼的淬透性，使零件在模具中以適當的冷卻速度獲得所需的馬氏體組織，從而保證零件的高強度水平。

②鋼的表面鍍層。在成型過程中，由于與空氣接觸，容易導致氧化皮的產生。因此，必須在鋼的表面進行鍍層處理，使其具備抗高溫和耐腐蝕的能力。

③模具的選擇。在熱成型過程中，鋼板及模具都要經過從室溫到900℃以上的溫度變化，并且模具集板料成型與冷卻淬火過程于一身，所以模具設計是熱成型技術的另一個難點。模具材料不僅要求其具有良好的熱強度、熱硬度、高的耐磨性和疲勞性能，而且要能保證成型件的尺寸精度，同時要能夠抵抗高溫板料對模具產生的強大熱摩擦、脫落的氧化層碎片及顆粒在高溫下對模具表面的磨損效應，并且能夠穩定地在劇烈的冷熱交替環境下工作。另外，模具的凸凹模尺寸需要考慮到熱脹冷縮效應，才能保證成型零件的精確度。為保證模具在快速的冷熱交替過程中防止迅速冷卻導致模具開裂，可以采用模具內通過冷卻水的方式對成型后的零件進行冷卻[9-11]。

通過將強化與成型的分離，熱成型技術可以成型強度高達1 500 MPa的馬氏體鋼沖壓件，而且在高溫下成型幾乎沒有回彈，具有成型精度高、成型性能好等優點。因此，引起業界的普遍關注并迅速成為汽車制造領域的熱門技術。

4 結論

隨著先進高強度鋼成型技術的發展，克服了先進高強度鋼塑性不足、成型困難的缺點，使得先進高強度鋼在汽車輕量化中得到廣泛的應用。其最大的優勢是：大幅度地提高了材料的強度，在所要求性能不變或略有提高的前提下，減薄板材構件的厚度，降低構件的質量，實現汽車的輕量化目標。

1）液壓成型技術適合于雙相鋼、復相鋼、TRIP鋼等多種鋼材，應用范圍比較廣泛。但是對極高強度鋼，由于所需的成型壓力增大，導致成型設備成本加大，加工工藝復雜，回彈比較大。因此，適合于強度在1 000 MPa以下的高強度鋼材。

2）熱成型技術通過將零部件成型與強化分步實現，故對成型鋼材料的要求較低，是生產超高強度鋼構件的新型成型技術。目前主要使用硼鋼作為成型鋼材，通過“沖壓硬化”技術可以得到強度高達1 500 MPa的馬氏體鋼結構件。

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