王 輝 葛 銳 周少云 陳 寅 潘利波

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院 湖北 武漢：430080)

0 引言

隨著能源危機和環(huán)境問題的日益加劇，汽車輕量化已經成為世界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然道路。車身高強化，既可以減輕車身重量，又能提高安全性，是同時實現(xiàn)車身輕量化和提高碰撞安全性的最好途徑。

為滿足車身高強化發(fā)展需求，先進高強鋼和先進零部件成形工藝應運而生。雙相鋼、TRIP鋼、TWIP鋼等先進高強鋼，在1000MPa級以下的汽車零部件生產制造中得到廣泛應用。然而，當強度達到1000MPa級以上時，如果采用傳統(tǒng)冷沖壓成形工藝進行超高強度零部件生產制造，就必須很好解決、超高強鋼成形性能差、零件回彈嚴重及尺寸精度差、成形模具壽命短等技術問題。因此，如何實現(xiàn)高強度鋼板的生產和高精度沖壓成形，就成為汽車制造領域急需解決的技術難題。

作為多種新型成形工藝之一，熱沖壓成形技術既可以解決傳統(tǒng)高強度鋼冷沖壓成形難問題，又能獲得超高強度及高精度的成形零件，從而已引起業(yè)界的普遍關注，并迅速成為汽車制造領域的熱門技術。在20世紀80年代汽車工業(yè)開始使用熱成形技術，最早由在Lule的瑞典公司Plannja 申請專利。第一個安全部件是薩博9000的防沖擊側梁，目前熱成形技術已廣泛應用于汽車車身安全零件的制造[1-2]。圖1所示為目前熱成形零件的典型應用零件。

圖1 熱成形零件的主要應用范圍

1 熱沖壓成形簡介

熱沖壓成形是把特殊的熱成形鋼板加熱到900℃左右，使之奧氏體化，隨后將紅熱的板料送入有冷卻系統(tǒng)的模具內沖壓成形，同時被具有快速均勻冷卻系統(tǒng)的模具冷卻淬火，鋼板組織由奧氏體轉變成馬氏體，因而得到超高強度的熱成形零件。熱沖壓成形又稱為模壓淬火。熱成形鋼板常態(tài)下具有500-600MPa的抗拉強度，但是經熱沖壓成形、淬火冷卻后，抗拉強度可達到1500MPa以上。圖2所示為熱沖壓工藝過程示意圖。

熱沖壓成形的技術特征，決定了影響其零部件質量的因素。依據(jù)其工藝流程，板料形狀、加熱溫度、爐內保溫時問、板料的初始沖壓溫度、沖壓速度、保壓時間、冷卻速度等關鍵因素均對熱沖壓零件的成形性、力學性能、尺寸精度產生直接影響。針對上述因素，國內外零部件制造商主要是通過反復的工藝實驗，優(yōu)化其加工制造工藝參數(shù)，以確保熱成形零部件產品的質量可靠性和穩(wěn)定性。

圖2 熱沖壓工藝示意圖

2 熱成形技術現(xiàn)狀

隨著熱成形零件的大量應用，其行業(yè)競爭日趨激烈。汽車制造主機廠一方面希望降低零部件的采購成本，另一方面希望提高熱成形產品的應用性能，這就推動了熱成形技術不斷進步。目前，對于熱成形零部件生產關鍵技術主要集中于幾個方面：(1)熱成形用鋼材料開發(fā)；(2)熱成形模具設計技術；(3)鋼板加熱技術；(4)整套設備集成技術；(5)變強度熱成形零件開發(fā)技術。

2.1 熱成形鋼的開發(fā)

熱成形用鋼材料占零部件綜合成本的比例較高，是當前研發(fā)降成本的重點。按其熱成形鋼板表面鍍層狀況，熱成形用鋼可分為無鍍層熱成形鋼板和鍍層熱成形鋼板。熱成形鋼板表面鍍層主要功能是為了防止鋼板在加熱過程中的鋼板表面氧化問題。

對于傳統(tǒng)無鍍層熱沖壓鋼板，目前國內武鋼、寶鋼等鋼鐵企業(yè)均已成功開發(fā)出1300MPa級、1500MPa級以及1700MPa級無鍍層熱成形鋼，并開始批量生產。為了解決鋼板在加熱過程中無鍍層鋼板的表面氧化問題，目前結合熱成形零件生產工藝的開發(fā)，主要采用在加熱爐腔內通入氮氣、甲烷等氣體以減少爐腔氧含量的氣體保護方法，減少板料加熱時表面產生氧化與脫碳現(xiàn)象。生產零件后續(xù)通過表面處理(噴丸)工序，產品表面質量完全可以滿足汽車用戶需求。

熱沖壓鍍層鋼板，按其鍍層成分體系劃分，可分為鋁硅(Al-10Si)鍍層、電鍍鋅鎳(Zn-10Ni)鍍層、熱鍍純鋅(GI)層和合金化鋅鐵(GA)鍍層[3]。由于具有可直接防止成形過程中表面氧化和脫碳，甚至部分零件后續(xù)無需噴丸工序等優(yōu)勢，目前應用較為廣泛。但是，熱沖壓鍍層鋼板價格遠高于無鍍層冷軋板，從而零件的成本有所增加。

由于受專利保護影響，鋁硅鍍層僅有法國阿賽洛或其授權公司可以生產。鋅基鍍層板在具有防高溫氧化功能的同時，也具有陰極保護抗腐蝕性能，是車體底部熱成形零件的理想之選，也是目前各國積極研發(fā)的重點方向。然而，鋅基鍍層熱成形鋼存在奧氏體化加熱以及隨后熱沖壓過程中易產生微裂紋、熱沖壓工藝窗口狹窄等技術難題，目前產業(yè)化進展緩慢。據(jù)報道，奧鋼聯(lián)已成功開發(fā)生產熱鍍純鋅(GI)層和合金化鋅鐵(GA)鍍層熱成形鋼板；德國蒂森公司也開發(fā)了電鍍Zn-10Ni 層熱成形鋼板。隨著鋅基鍍層板的大規(guī)模生產，在突破現(xiàn)有鋁硅鍍層熱成形鋼板專利保護壁壘的同時，必將引起熱沖壓成形的技術變革，有著廣泛的應用前景。根據(jù)GM公司發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，其未來車型中60%熱沖壓零件將采用鋅基鍍層，另外40%熱沖壓零件采用無鍍層和Al-Si鍍層。

現(xiàn)階段，我國尚不具備熱成形鍍層鋼板的批量化生產能力，國內寶鋼、武鋼等鋼鐵企業(yè)正在積極開展熱沖壓成形用新型鍍層鋼板的技術研究與攻關，并已取得積極進展。

2.2 熱成形模具技術

模具設計水平是影響熱成形零件質量的核心因素。這是由于熱成形模具加工制造主要依據(jù)CAE模具設計結果準確性；而在高溫狀態(tài)下，材料的流動應力與應變、應變速率、摩擦系數(shù)三大因素相關，這些因素隨溫度在不斷的發(fā)生變化，從而導致熱成形CAE模擬結果的一致性遠低于傳統(tǒng)的冷沖壓設計。同時，板料與模具間的接觸熱阻與兩者之間的壓力和間隙緊密相關，CAE模擬需充分考慮該影響因素，并依據(jù)實際經驗，對模具型面進行補償，以得到尺寸合格的零件[4]。對于外形復雜的零件，需設計局部壓邊圈，以控制材料流動，確保成形結果。

目前，國內熱成形模具主要依賴于國外進口，價格相對比較昂貴。國內科研院校及零部件制造商一直致力于熱成形模具自主化設計與開發(fā)工作。武鋼——華科大聯(lián)合實驗室、大連理工大學、上海賽科利、寶鋼等單位，先后通過熱成形產線引進培訓及后期經驗的積累，培養(yǎng)了自己的模具設計團隊，并初步具備簡單型面零件的熱成形模具設計與制造能力。

2.3 整套設備技術

由于國外對熱沖壓生產裝備的技術壟斷與封鎖，國內現(xiàn)有熱成形生產線基本由德國Schuler、瑞典AP&T、西班牙Fagor、西班牙Loire Safe四家公司進口。這些花巨資引進的昂貴的熱沖壓生產線外資的管理成本相當高，這使立足于低成本國產設備的、機制靈活高效的民營公司在行業(yè)上具有無可爭議的低成本的產業(yè)化和進入市場的優(yōu)越條件。

近年來，國內大型鋼廠、重點院校、沖壓設備制造企業(yè)、汽車生產企業(yè)在熱成形生產裝備自主化開發(fā)領域方面開展了密切合作，并取得重大突破。2009年武漢鋼鐵(集團)公司與華中科技大學合作，共同開展熱成形生產裝備與技術研究，并于2011年成功開發(fā)了國內首條自主化的高效節(jié)能電動伺服壓力機熱成形實驗線。

2013年，中國汽車工程研究院、大連理工大學、國家機械裝備研究總院、山東大王金泰集團等四家單位也先后完成了高速液壓機熱成形生產裝備的自主化設計與開發(fā)。

隨著我國熱成形裝備設計和加工制造水平的的不斷提升，國產自主化熱成形生產線將逐步替代國外進口，這將大大降低熱成形設備采購和運營成本。

2.4 鋼板加熱技術

對于熱成形零件的加工制造而言，加熱是其生產能耗的主要要素，直接關系零件的生產成本。實現(xiàn)熱成形工藝流程的能耗平衡與節(jié)拍同步，是降低成本的最佳途徑。由于坯料加熱耗時300～330s，與沖壓成形-保壓耗時15～20s 相比，出現(xiàn)嚴重的節(jié)拍同步困難。為了實現(xiàn)加熱同步，多采用長流程的輥底爐，導致加熱設備的能耗遠遠大于零件的實際加熱所需能耗。

近年來，多層箱式爐與高速自動化輸送設備的結合，可以減少加熱能耗，并減少設備占地面積。由于多層箱式爐內沒有高溫下的運動部件，工作可靠性取決于自動化輸送設備的可靠性。機械伺服運動控制技術的進步，使得高可靠性的自動輸送機械備受關注。

與此同時，快速高效加熱方法(如感應加熱、直接導電加熱等)也都在研發(fā)中，其將是熱成形加熱技術的未來發(fā)展方向。

2.5 變強度熱成形零件開發(fā)技術

變強度熱成形零件制造技術是當前熱成形應用研究的熱點。這項技術可以使單一零件的不同區(qū)域獲得不同強度和延伸率，實現(xiàn)同一車體結構零件一方面能夠在抵抗碰撞侵入，同時局部具有良好的吸能性，吸收碰撞沖擊能量，大大提高碰撞安全性指標。

變強度熱成形零件制造技術包括[5]：(1)激光拼焊技術；(2)板料區(qū)域定制加熱技術；(3)不同傳熱系數(shù)模具設計技術；(4)零件局部回火處理技術等。

與此同時，基于激光拼焊技術以及不等厚軋制的變厚度熱成形零件開發(fā)技術也是目前研究的熱點。

3 熱成形零件未來發(fā)展前景

目前，熱成形零件廣泛應用于國內外汽車車身制造，且使用量及比率逐年劇增[6-8]。根據(jù)德國舒樂公司預測，未來三年，熱成形零件全球市場需求量將從目前的250萬件發(fā)展到突破600萬件，如圖3所示。

截至2013年底，全球共有熱成形生產線230余條，主要分布在德國、法國、西班牙、瑞典、美國、日本等發(fā)達國家。其中，近160余條生產線位于當前汽車輕量化普及程度較高的歐洲地區(qū)。截止2013年底，我國已建成投產的熱沖壓成形生產線僅20余條，且主要分布在華北和華東地區(qū)。

圖3 德國舒樂公司預測熱成形零件應用趨勢 (數(shù)據(jù)來源：Schuler-AG)

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計分析，2013年中國的汽車產銷雙雙超過2000萬，首次超過歐洲汽車總產量。預計2015年我國汽車產銷量將達到或接近3000萬輛，2020年達到4000萬輛。隨著我國汽車輕量化要求的不斷提高，熱成形零部件在我國乘用車上的應用將逐漸普及。按照中高級乘用車中平均每臺車4個熱成形件，且涉及熱成形零件的中高檔乘用車年產1500萬輛計算，到2015年我國的熱成形件的年市場需求量至少可達6000萬件以上，熱成形件市場前景極為廣闊。

未來，我國熱成形生產線將逐步向華中、西南、東南等汽車工業(yè)化地區(qū)蔓延。預計到2020年，我國熱沖壓成形零部件生產線將有望達100條以上，這將強力支撐我國汽車輕量化水平的逐步提升。專家預測，未來10年熱成形技術在我國汽車行業(yè)將有更多的應用，熱成形市場競爭也將更加激烈。

[1] 馬鳴圖，路洪洲，李 剛.論汽車輕量化和高強度鋼先進的加工成形技術[J].汽車工藝與材料，2008，(2)：45-54.

[2] 傅世樞.當代汽車用鋼和超輕鋼制汽車技術的開發(fā)[J].2008.

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[6] 徐偉力，管曙榮，艾健，等.鋼板熱沖壓新技術關鍵裝備和核心技術[J].世界鋼鐵，2009，(2)：30-33.

[7] 谷諍巍，姜超，單忠德，等.超高強度鋼板沖壓件熱成形工藝[J].汽車工藝與材料，2009，(4)：15-17.

[8] Barbara Schulz, Hot stamping finds its way into automobile construction[J]. Australian manufacturing technology April， 2007.