高強鋼熱成形技術(shù)、工藝的研究與應(yīng)用

文/徐慧剛，蘇琦，樊艷俠·神龍汽車有限公司技術(shù)中心

高強鋼熱成形技術(shù)、工藝的研究與應(yīng)用

文/徐慧剛，蘇琦，樊艷俠·神龍汽車有限公司技術(shù)中心

徐慧剛，神龍汽車有限公司技術(shù)中心車身結(jié)構(gòu)設(shè)計室主管工程師，主要從事車身結(jié)構(gòu)件的設(shè)計、開發(fā)、技術(shù)降本及質(zhì)量改善工作，主導(dǎo)過T9、BZ3、P84、G95等多款車型的開發(fā)工作。

近年來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，著眼未來，節(jié)約資源、減少環(huán)境污染成為汽車工業(yè)界亟待解決的兩大問題。減輕汽車重量可以節(jié)約能源和減少排放，而采用高強鋼熱成形技術(shù)是達到輕量化目的的最基本途徑之一。熱成形技術(shù)是將傳統(tǒng)冷沖壓技術(shù)與熱處理技術(shù)相結(jié)合的最新制造技術(shù)，是同時實現(xiàn)汽車車身輕量化和提高碰撞安全性的最新技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用在汽車制造行業(yè)，具有廣闊的發(fā)展前景。

汽車輕量化趨勢與熱成形技術(shù)的發(fā)展

新一代汽車的發(fā)展趨勢是節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適，對汽車車身的開發(fā)提出了更高的要求。研究表明：汽車重量每降低15kg，百公里油耗可降低0.25L，每公里減少0.6g的CO2排放。

但是汽車減重會給汽車安全性帶來影響，如何設(shè)計出既安全又節(jié)能的車身，是汽車設(shè)計及制造業(yè)一直追求的目標(biāo)。近年來，為了減輕車身重量，一些新的高強度鋼板開始被不斷地應(yīng)用到汽車制造當(dāng)中。這些新材料強度高、性能優(yōu)越，但它們有一個共同的特點，就是在常溫下材料的塑性變形范圍很窄，所需成形力大、易開裂、回彈嚴重且成形困難，尤其是當(dāng)強度達到1500MPa時，常規(guī)的冷成形工藝幾乎無法進行。這導(dǎo)致原有的冷沖壓成形工藝不能完全滿足技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展的需要，因而新的技術(shù)——熱成形技術(shù)誕生了。

熱成形技術(shù)是利用金屬在高溫狀態(tài)下，其塑性和延展性會迅速增加，屈服強度迅速下降的特點，再用模具使零件成形的工藝。在熱沖壓成形過程中，將坯料加熱到再結(jié)晶溫度以上的某個適當(dāng)溫度，為的是使板料在奧氏體狀態(tài)時進行成形，降低板料成形時的流動應(yīng)力，從而大大提高板料的成形性。

將熱成形件用于車身骨架，在保證車身強度和剛度的同時能夠減輕車身重量，并帶來汽車車身的抗撞性能和抗凹性能的提高，由此顯著提高汽車的安全性。有資料顯示，采用高強鋼生產(chǎn)的汽車零件可以使同等強度、剛度的零件減重30%以上。

熱成形技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前熱成形技術(shù)在各汽車公司的應(yīng)用越來越普遍，使用的零件數(shù)量也越來越多。以神龍公司某新老平臺車型為例，熱成形零件從單一的中立柱發(fā)展到整個駕駛室及乘客艙框架，使用零件總重已達到36kg，達到車身結(jié)構(gòu)件總重10%以上（圖1、圖2）。

國內(nèi)其他主流車型也大量使用了熱成形技術(shù)，如奧迪A4、寶馬X6、大眾帕薩特等車型，熱成形件的使用比例都達到了10%以上（圖3）。

圖1 神龍某老平臺車型熱成形件使用情況（2個零件）

圖2 神龍某新平臺車型熱成形件使用情況（22個零件）

圖3 大眾某新車型熱成形件使用情況（22個零件）

熱成形工藝

將熱成形板料（屈服強度約400MPa，抗拉強度約600MPa，延伸率約25%）先放入加熱爐中加熱，當(dāng)板料的溫度達到奧氏體溫度（大約910～950℃）后，再放在帶冷卻系統(tǒng)的模具中壓制成形，然后經(jīng)過淬火、保壓，零件可獲得非常高的機械性能（屈服強度大于950MPa，抗拉強度大于1300MPa，延伸率大于6%），最終組織為100%馬氏體（圖4、圖5）。

圖4 熱成形前（鐵素體-珠光體）

圖5 熱成形后（馬氏體）

根據(jù)不同鍍層的熱成形材料，工藝也有所區(qū)別。裸板在加熱爐中加熱時需要采用保護氣體，在成形后需要采用噴丸工藝，去除表面的氧化皮，裸板件還需要涂防銹油處理，而且裸板件成形時會在模具上附著氧化皮，需定期對模具上的氧化皮進行處理。而鍍鋅板在加熱時不需要使用保護氣體，成形后也不需要進行噴丸、防銹處理和模具保養(yǎng)。圖6和圖7分別是鍍層板和裸板的熱成形工藝示意圖。

圖6 Al-Si鍍層板熱成形工藝示意圖

圖7 裸板熱成形工藝示意圖

表1 熱成形件的分類

熱成形件類型

按照料厚和鍍層的不同，熱成形件大致可以按照以下幾個方面分類（表1）。

目前這幾種熱成形件大部分在神龍公司新平臺車型上都已采用，根據(jù)不同的類型，輕量化結(jié)果對比如圖8所示。不同的熱成形方案對應(yīng)的材料、成本各有差異，需根據(jù)車型需要選擇合適的方案。

熱成形技術(shù)特點

熱成形技術(shù)優(yōu)勢

⑴減重節(jié)能：使用熱成形相比冷成形能減輕車身重量，減少油耗。

⑵提高碰撞性能：因熱成形技術(shù)能顯著提高材料的抗拉強度，使車輛碰撞時的防入侵及抗凹性能更好。

⑶提高成形能力：采用熱成形技術(shù)板料的延伸率能達到35%以上，可以成形較為復(fù)雜的零件。

⑷型面回彈小：熱成形零件回彈很小，型面尺寸容易保證。

⑸材料利用率高：熱成形是一次成形，模具內(nèi)有定位裝置，毛坯余量可以控制得很小，材料利用率高。

⑹模具數(shù)量少：熱成形只需一套模具，而且還可以一模出多件，能夠大大提高生產(chǎn)效率。

⑺設(shè)備噸位要求低：因熱成形板材加熱后，其屈服強度很低，因此對壓機噸位要求不高，相比冷成形，壓機噸位更低。

熱成形技術(shù)難點

⑴零件成形后冷卻速度和保壓時間難控制，模具冷卻水道設(shè)計難度大，不同部位冷卻速度不同會導(dǎo)致零件產(chǎn)生嚴重的變形。

⑵零件在模具中的定位要穩(wěn)定，最好用翻孔定位，避免板料在模具中成形時流動的不穩(wěn)定造成尺寸精度不好。

⑶由于熱成形零件后續(xù)加工難度大，只適用于一道工序即可成形的零件，如梁、柱等類型的零件。

⑷與普通沖壓模具相比，熱成形模具材料要求很高，硬度也很大，使得模具后續(xù)不能作大的更改，只可微調(diào)。而且受模具材料的強度、熱處理工藝、表面高溫軟化磨損等因素的影響，熱成形模具容易失效，導(dǎo)致模具使用壽命較低。

⑸薄板件（板厚t＜0.8mm）的困難點：由于零件較薄，冷卻速度快，需要在空氣中停留的時間比厚板料要短才能保證成形前板料的溫度，因此需要嚴格控制傳遞速度。

圖8 各種熱成形件的減重對比

熱成形工藝參數(shù)控制

為保證熱成形件有良好的合格率和穩(wěn)定性，消除因工藝過程不穩(wěn)定造成的尺寸差異、開裂、起皺等缺陷，需要制定合適的工藝參數(shù)。熱成形主要工藝參數(shù)如下：

⑴加熱溫度。板料需要加熱到930℃左右，使之轉(zhuǎn)化為奧氏體化組織。

⑵保溫時間。在板料達到奧氏體化溫度時，需要進行保溫，使奧氏體組織均勻細化。

⑶傳遞時間。板料從加熱爐到模具的時間需嚴格控制，保證在成形前達到要求的溫度。

⑷成形溫度。根據(jù)零件不同的形狀特征，需選擇合理的成形溫度，一般在780℃之前開始成形。

⑸熱沖壓速率。由于成形與淬火同時進行，需要嚴格控制沖壓速率，避免板料成形前過快冷卻，或避免沖壓速率過快導(dǎo)致零件撕裂。

⑹冷卻速度。熱成形冷卻速度是決定產(chǎn)品最終組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，快速冷卻至約200℃可獲得均勻的馬氏體。

熱成形過程中板料的溫度變化如圖9所示。

圖9 熱成形溫度變化曲線

熱成形技術(shù)產(chǎn)品設(shè)計要求

由于熱成形工藝的特殊性，需要對產(chǎn)品設(shè)計提出一些設(shè)計限制條件：

⑴由于熱成形為一次成形，產(chǎn)品定義不能為負角，否則無法成形。

⑵零件的R角應(yīng)大于5mm。

⑶對于薄板件，特別是厚度小于1mm的板料，材料定義最好選擇Al-Si鍍層，可避免由于后續(xù)噴丸造成的零件變形。

⑷對于產(chǎn)品要求不高的修邊線或者孔，公差最好定義為±2mm。對于±2mm的公差，供應(yīng)商可采用落料方式替代激光切割，從而降低成本。

⑸為保證零件成形的穩(wěn)定性，產(chǎn)品上需設(shè)計一些定位孔，用作熱成形料片的定位。

熱成形技術(shù)的發(fā)展方向

隨著對熱成形技術(shù)的需求越來越大，技術(shù)也不斷突破。新的熱成形方案已經(jīng)逐步應(yīng)用到汽車車身上。熱成形局部軟區(qū)技術(shù)通過控制不同區(qū)域的淬火速率，能夠決定軟區(qū)的強度（圖10）。基于FRP（纖維增強復(fù)合材料）補丁的熱成形技術(shù)通過FRP與熱成形材料的結(jié)合，能更有利于車身的輕量化（圖11）。

圖10 熱成形局部軟區(qū)技術(shù)

圖11 基于FRP補丁的熱成形技術(shù)

結(jié)束語

輕量化是解決汽車油耗、排放的有效途徑，而熱成形技術(shù)是解決輕量化又不會影響整車安全性的有效方法。

熱成形技術(shù)有其獨特的優(yōu)勢，但是也有很多技術(shù)難點需要掌握，在設(shè)計時考慮熱成形的技術(shù)要求，才能更好的發(fā)揮其優(yōu)勢。未來，先進的熱成形技術(shù)也會越來越多，只有掌握了這些新技術(shù)、新工藝，才有可能在競爭中覓得先機；只有不斷地研發(fā)和采用新技術(shù)、新工藝，才能促進汽車設(shè)計和制造業(yè)的發(fā)展。企業(yè)需根據(jù)自身實際需求選擇合適的熱成形方式。