馬鳴圖 張宜生 宋磊峰 吳娥梅 王義林 路洪洲

2014年中國汽車總產(chǎn)量為2 372萬輛，保有量已達(dá)1.5億輛，中國石油消耗量已超過5億t，進(jìn)口超過3億t，對外進(jìn)口的依存度超過60%。汽車消耗石油占中國石油消耗的65%。每消耗1L汽油，將產(chǎn)生2.5kg的二氧化碳（CO2），2014年由汽車燃油的消耗量所產(chǎn)生的CO2排放量已超過10億t。隨著汽車工業(yè)產(chǎn)量的增多和保有量的增大，油耗和CO2排放量還會迅速增加，因此汽車工業(yè)節(jié)能減排刻不容緩。一系列的研究和試驗(yàn)均表明，汽車的油耗與汽車的自重呈線性關(guān)系，以乘用車為例，汽車自重每下降10%，油耗和排放下降6%～8%，汽車輕量化是節(jié)能減排的有效手段之一[1]。

汽車工業(yè)發(fā)展帶來的另一個問題是安全。為提升汽車的安全性，各類汽車的安全法規(guī)包括正碰、側(cè)碰、追尾、偏置碰、翻滾等等日益嚴(yán)格[2]。為保證汽車的安全性，就必須應(yīng)用高碰撞吸能的材料或采用厚度較高的材料，車子的質(zhì)量增加，雖然可提高安全性，但和油耗法規(guī)，節(jié)能減排有矛盾。既要輕量化，又要保證車輛的安全性，既要滿足油耗法規(guī)，又要滿足車輛的安全法規(guī)，一個有效的手段就是應(yīng)用高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼，但高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用帶來了成形困難、模具壽命低，回彈大等問題，熱沖壓成形是獲得超高強(qiáng)度構(gòu)件而又有效減少回彈，又能保證模具壽命和合理價格的一個有效的工藝技術(shù)和方法。正是在這種背景下，熱沖壓成形技術(shù)伴隨汽車工業(yè)的發(fā)展和各類法規(guī)的嚴(yán)格實(shí)施而迅速發(fā)展，并在汽車工業(yè)迅速擴(kuò)大應(yīng)用。

一、高強(qiáng)度鋼的發(fā)展及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[3-5]

汽車高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼緣起于20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)，當(dāng)時的石油輸出國組織提高石油價格，汽車工業(yè)領(lǐng)域開始推廣應(yīng)用高強(qiáng)度鋼，人們開始青睞于汽車的輕量化和節(jié)能減排。高強(qiáng)度、高成形性的第1代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼包括雙相鋼（DP鋼）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP鋼）、復(fù)相鋼（CP）、馬氏體級鋼、熱沖壓成形鋼，第1代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)塑積為10 000～20 000MPa·%。21世紀(jì)初，汽車構(gòu)件對更高強(qiáng)度和成形性鋼的需求推動了第2代和第3代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的誕生，其強(qiáng)塑積分別為60 000MPa·%和30 000～40 000MPa·%。第2代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼為高錳鋼，其強(qiáng)塑積值太高，只是個別深沖件有應(yīng)用價值，目前在汽車上應(yīng)用還有較多限制。第3代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，其強(qiáng)塑積比較適合于汽車工業(yè)中形狀復(fù)雜的沖壓件的應(yīng)用，由于這類鋼是靠相變誘發(fā)塑性來提升強(qiáng)韌性，雖然其生產(chǎn)工藝過程中的穩(wěn)定性和沖壓成形狀態(tài)中的各類應(yīng)力狀態(tài)的適應(yīng)性尚有大量的技術(shù)工作需要探討提升，但良好的成形性使這類鋼有望在汽車工業(yè)中得到應(yīng)用。目前應(yīng)用較多的仍然是普通高強(qiáng)度鋼和第1代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼。由于汽車輕量化的需求和發(fā)展，汽車用鋼的強(qiáng)度、水平在逐年提升，在文獻(xiàn)[2]提出用最小平均屈服強(qiáng)度的概念來展示寶馬公司用材強(qiáng)度提升的情況。由圖1可以看出，車身用金屬材料的最小屈服強(qiáng)度在逐年提升。

高強(qiáng)度鋼主要用于汽車的結(jié)構(gòu)件，提升汽車的安全性。如與汽車正碰、偏置碰及追尾有關(guān)的前、后保險杠、中通道，與汽車側(cè)碰相關(guān)的左、右門B柱和門內(nèi)的防撞桿，與汽車翻滾相關(guān)的背頂橫梁、A柱和C柱，這些件在承受碰撞時，不僅要求高的吸收碰撞能量的能力，而且為了保護(hù)車內(nèi)的成員安全，還要求碰撞部位較小的縮進(jìn)距離。因此，滿足這些部位的零件功能的超高強(qiáng)度鋼和成形工藝技術(shù)就是熱沖壓成形。雖然近年來馬氏體級的TRIP鋼，其抗拉強(qiáng)度已達(dá)1 180MPa，但對于一些復(fù)雜零件如B柱，用冷沖壓工藝成形仍然有較多困難；用輥壓成形技術(shù)，可以生產(chǎn)形狀簡單的構(gòu)件，如門內(nèi)的防撞桿等。當(dāng)抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 500MPa時，沖壓、輥壓的成形技術(shù)，均難以使構(gòu)件成形?？估瓘?qiáng)度大于1 200MPa的超高強(qiáng)度構(gòu)件，熱沖壓成形幾乎是唯一的一條技術(shù)路徑。熱沖壓成形鋼在奧迪A3上的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到21.7%[6]。熱沖壓成形零件不僅用于輕量化的汽車的安全件，同時也用于超高強(qiáng)度鋼的其他制件，中國汽車工程研究院股份有限公司（簡稱“中汽院”）等[7]應(yīng)用熱沖壓成形技術(shù)研發(fā)了輕量化的超高強(qiáng)度B級、C級防彈板，并在防彈、防暴車輛應(yīng)用中取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

三、熱沖壓成形材料的相關(guān)參量和工藝技術(shù)

1.材料

目前熱沖壓成形材料主要用22MnB5，包括鋁硅涂層、納米鋅涂層和裸板。圍繞提高熱沖壓成形零件的強(qiáng)韌性和擴(kuò)大材料的工藝窗口，以更好的保證熱沖壓成形工件性能的一致性和穩(wěn)定性，進(jìn)行相關(guān)材料的開發(fā)。中汽院和萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司曾研發(fā)出成分為碳（C：0.22%～0.25%），錳（Mn：0.8%～1.2%），鉬（Mo：0.10%～0.12%），硼（B≥0.005%）的熱沖壓成形用鋼[8，9]?？梢钥闯鲂?，該鋼的臨界冷卻速度明顯下降，這有利于工藝的實(shí)施。該鋼具有良好的抗氧化性，將該鋼與22MnB5材料抗氧化性能對比試驗(yàn)，采用相同的熱成形工藝（880～930℃保溫3～5min+模具成形冷卻），加熱過程中爐內(nèi)無保護(hù)氣氛，采用機(jī)械手運(yùn)送熱坯料，成形冷卻，完后清理出加熱、成形、冷卻、淬火全過程中所有的氧化皮，在AL204型精密電子天平上稱量，其質(zhì)量的測量精度為0.1mg。試驗(yàn)結(jié)果見表1，可以看出氧化物的質(zhì)量為22MnB5的1/3。

該鋼還具有良好的強(qiáng)韌性匹配，按正常的熱沖壓成形工藝，沖壓成形1.8mm厚的吉利汽車前保險杠，從樣件上取樣，所得力學(xué)性能對比見表2。

上海寶鋼等公司曾研究了含鈮（Nb）的熱沖壓成形鋼，由于Nb可以有效的細(xì)化晶粒，從而可以有效的提高熱沖壓成形件的強(qiáng)韌性，并有利于改善熱沖壓成形鋼的延遲斷裂抗力[10，11]。不同充氫條件下的含鈮鋼延遲斷裂抗力有明顯的提升。按照文獻(xiàn)[10，11]的結(jié)果，細(xì)晶?？梢越档脱有?脆轉(zhuǎn)變溫度和提高斷裂應(yīng)力，對于淬火回火鋼來說，細(xì)化的奧氏體晶?？梢越档痛慊鸢鍡l束的大小。在22MnB5中，加入Nb，可以使初始奧氏體晶粒從ASTM的5～6級細(xì)化到7～9級，從而改善22MnB5熱沖壓成形后的冷彎性能，即在抗拉強(qiáng)度1 500MPa的條件下，可使冷彎角度小于60°。文獻(xiàn)[12]曾研究了抗拉強(qiáng)度1 800MPa級的熱沖壓成形用鋼及其在汽車保險杠中的應(yīng)用，該鋼的力學(xué)性能見表3。表3中還列出了1 500MPa級的熱成形用鋼的性能，以進(jìn)行對比。該鋼晶粒度明顯細(xì)化，其晶粒直徑由1 500MPa級的12～15μm細(xì)化到5～8μm，相應(yīng)的拉伸斷口形貌也明顯的細(xì)化和均勻。

目前熱沖壓成形用的鋁硅涂層板基本為阿賽洛米塔爾所供應(yīng)，該公司擁有22MnB5的鋁硅涂層技術(shù)的專利，2012年該公司在國內(nèi)銷售13萬t以上，目前該公司與湖南華菱鋼鐵集團(tuán)有限公司共同建設(shè)熱沖壓成形鋼板的生產(chǎn)線已投入生產(chǎn)。

2.摩擦系數(shù)的測定

摩擦系數(shù)是進(jìn)行熱沖壓成形計(jì)算機(jī)模擬所必須的基本參量，文獻(xiàn)中難以查到熱沖壓成形板材在不同溫度下的摩擦系數(shù)，為此，國內(nèi)有關(guān)單位采用自制的摩擦系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了熱沖壓成形用鋼的高溫下的摩擦系數(shù)測定[13]，與文獻(xiàn)[14]類似。摩擦系數(shù)的計(jì)算方程為：

其中，P是正壓力，TF是拉伸力。

摩擦系數(shù)測定的試樣為30mm×2mm×（500～1500）mm，或者采取積分計(jì)算平均值的方法，即：

22MnB5的裸板和鋁硅涂層板不同溫度下的摩擦系數(shù)測定結(jié)果見表4。

文獻(xiàn)[15]研究了鋁-硅（Al-Si）鍍層板的熱機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)在加熱過程中，Al-Si涂層的表面將產(chǎn)生微裂紋，隨后的變形過程中，與拉伸方向垂直的微裂紋將率先擴(kuò)展，微裂紋寬度增大；與拉伸方面平行的微裂紋則變化較小。文獻(xiàn)[16]研究了22MnB5裸板的氧化性能，該試驗(yàn)所用的成分中鉻（Cr）+Mo為0.5，這一鋼種與本文第一作者、萊鋼合作鋼種成分類似，該文獻(xiàn)用納米硬度計(jì)測量的不同氧化物的硬度和彈性模量見表5，并且得出氧化物層的硬度比基體板材22MnB5高5倍，氧化物的產(chǎn)生主要是出爐到壓機(jī)的過程中產(chǎn)生，高硬度的氧化物層將會對熱沖壓工件和模具產(chǎn)生磨損。

3.熱沖壓成形的計(jì)算機(jī)模擬

（1）成形模擬

計(jì)算機(jī)模擬在熱沖壓成形中有廣泛的應(yīng)用，用熱機(jī)械的計(jì)算機(jī)模擬可以進(jìn)行零件的成形性模擬。由于熱沖壓狀態(tài)下必須考慮一些復(fù)雜的因素，都需要有相關(guān)的材料數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐，如材料在各種溫度下的流變曲線，各種溫度下的摩擦系數(shù)等。在進(jìn)行冷卻過程相變模擬時，還必須考慮相變前后的組織和性能，如鐵素體、奧氏體、馬氏體、貝氏體等組織對應(yīng)的性能數(shù)據(jù)以及奧氏體在有外加變形的條件下的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線等相變模型，有了材料性能數(shù)據(jù)，才有可能進(jìn)行各種工藝過程的計(jì)算機(jī)模擬。熱沖壓的典型構(gòu)件，如門B柱和前防撞梁是熱沖壓成形有代表性的構(gòu)件，文獻(xiàn)[17，18]基于熱-力相變耦合模型進(jìn)行了B柱熱沖壓成形全過程仿真，設(shè)定了有關(guān)熱沖壓成形的參數(shù)，選取了相關(guān)的材料模型以及材料的熱物理性能（導(dǎo)熱系數(shù)和比熱），由此計(jì)算了板料加熱和成形淬火后的溫度變化、板料的厚度變化，預(yù)測了顯微組織和性能，并對零件典型截面的厚度測量。

中汽院結(jié)合國家攻關(guān)項(xiàng)目，對吉利某車型的前防撞梁熱沖壓成形進(jìn)行了系統(tǒng)研究[19-21]，材料應(yīng)用22MnB5，材料的流變曲線和熱物理參數(shù)見文獻(xiàn)[19]，分析軟件采用LS-DYNA軟件，材料模型選用MAT-106號模型即熱彈粘塑性材料，熱沖壓成形過程計(jì)算中，采用單動拉延成形。對這類保險杠進(jìn)行成形模擬和冷卻模擬設(shè)計(jì)之后，還必須開展坯料的形狀設(shè)計(jì)[22]。在進(jìn)行坯料形狀設(shè)計(jì)時，首先根據(jù)零件的3D圖判定該零件成形工藝大類上屬于U型彎曲件，依據(jù)有限元的逆算法，通過零件的三維模型，快速反應(yīng)全板坯形狀。考慮零件法蘭邊及后續(xù)激光切邊處理的要求，對初始展開線進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

文獻(xiàn)[23，24]對門內(nèi)防撞桿也進(jìn)行了熱沖壓工藝過程中的數(shù)字模擬和工藝優(yōu)化的研究，包括模面設(shè)計(jì)，成形性分析，冷卻過程中的模擬，模具和工件指定點(diǎn)的溫度變化的模擬及模具中水流的模擬，成功設(shè)計(jì)和加工了模具，在試產(chǎn)線上進(jìn)行了批量試制，取得了良好效果。文獻(xiàn)[25]在金屬板材的冷、熱成形分析模擬方法及其在工程中的應(yīng)用也做了一些有益的工作，取得了一些進(jìn)展。

（2）不同溫度下的成形極限圖（FLD）測試

為進(jìn)行成形模擬，必須進(jìn)行不同溫度下的FLD測試，迄今為止，高溫FLD的測試尚沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和給定的測試方法，也缺乏相關(guān)裝備。已經(jīng)表明在進(jìn)行高溫FLD測試時，樣品破裂的位置和常溫下FLD的位置不同，中汽院設(shè)計(jì)和制造了高溫FLD的測試裝置。同時馬鳴圖等試圖根據(jù)常溫下FLD0的計(jì)算方程，考慮到高溫下的斷裂模式和摩擦力的影響，試圖找出高溫下的FLD0的計(jì)算方程（待發(fā)表工作），計(jì)算出各個不同溫度下的FLD0，為不同構(gòu)件熱沖壓成形時的計(jì)算機(jī)模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.熱沖壓成形零件強(qiáng)度的柔性分布及控制

某些汽車零件，如門B柱在不同的部位有不同的強(qiáng)度要求，以賦予零件較好的撞擊吸能，并可有效抵抗撞擊物體侵入的能力，即要零件有高的吸收撞擊能的能力，但在某些部位撞擊時要變形小，減少撞擊對人體的傷害，如B柱的下部只要求抗拉強(qiáng)度600MPa左右，具有高的延伸率，即一般高強(qiáng)度低合金鋼的性能，而上部則要求1 500MPa的熱沖壓成形鋼；達(dá)到零件這一功能要求的方法有：激光拼焊板技術(shù)，即在強(qiáng)度要求低的B柱的下部分拼接上淬透性低的一般低合金高強(qiáng)度鋼，上部分用淬透性好的熱沖壓成形鋼，如22MnB5，在零件熱沖壓成形時，淬透性較低的B柱的下部分，強(qiáng)度延性較好，上部分則可以達(dá)到1 500MPa的超高強(qiáng)度，這種方法雖然有效，但增加了激光拼焊工序和零件的成本。專利[26]提出了在構(gòu)件不同部位，采用不同的冷卻方式來達(dá)到構(gòu)件強(qiáng)度的柔性分布，即要求強(qiáng)度低的部分使工件的冷卻速度低于其淬火的臨界冷卻速度，使零件的這部分在熱沖壓成形后得到鐵素體、貝氏體和少量馬氏體組織；超高強(qiáng)度部分采用的冷卻速度是大于鋼的淬火臨界冷卻速度，在熱沖壓成形后得到超高強(qiáng)度部分。文獻(xiàn)[27]提出了熱沖壓成形強(qiáng)度的控制的方法為工件不同區(qū)域采用不同加熱溫度，同時用不同的冷卻速度，達(dá)到強(qiáng)度柔性控制、柔性分布的目的。這需要研究相變動力學(xué)、相變塑性、過渡區(qū)的組織演變、加熱時的傳熱性能及溫度控制方法、冷卻路徑及溫度控制宏觀和微觀相結(jié)合的多場力學(xué)和物理的耦合模擬，并預(yù)測零部件的力學(xué)性能的梯度分布及其對耐撞性的影響，最終達(dá)到不同部位的不同性能；文獻(xiàn)[28]已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的嘗試，取得了一定的效果。優(yōu)化后的門B柱的強(qiáng)度分布見圖2，采用這種方法所得到的零件性能變化的分布平緩，避免了用激光拼焊板陡峭的性能變化。2011年的歐洲車身會議[29]曾報道了福特汽車公司熱沖壓門B柱采用軋制差厚板以獲得不同部位不同零件功能的制造技術(shù)見圖3。上海寶鋼和東北大學(xué)都進(jìn)行了這些方面相關(guān)技術(shù)的嘗試，并取得了一定的進(jìn)展。

5.熱成形鋼加熱過程中的組織模擬

熱沖壓成形包含有加熱、工件傳遞、熱沖壓和冷卻等工藝過程，熱沖壓工藝過程中加熱工藝將影響到奧氏體的晶粒大小、合金含量，從而影響沖壓成形后的組織組成、奧氏體的淬透性以及沖壓成形件的力學(xué)性能，細(xì)晶粒組織的鋼將有利于構(gòu)件強(qiáng)韌性的改善，加熱過程中奧氏體晶粒隨加熱溫度升高和保溫時間的延長而粗化。因此這一過程中組織的模擬將對加熱工藝的制定和加熱工藝的選取都會產(chǎn)生影響。在雙相鋼物理和力學(xué)冶金[30]中曾對加熱過程中奧氏體的形成及其錳的擴(kuò)散過程進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并提出了相關(guān)模型，為了解奧氏體形成的動力學(xué)提供了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[31]對熱沖壓成形鋼加熱過程中的組織轉(zhuǎn)變的數(shù)字模擬進(jìn)行了有益的嘗試，取得了一些進(jìn)展。圖4展示出了奧氏體形成的3個階段的組織組成的變化。由圖可以看出，奧氏體長大分3個階段：第1階段、第2階段和溫度上升時的第3階段，模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相近。在900℃保溫5min后，模擬的顯微組織和光學(xué)顯微鏡的組織對比見圖5。

6.熱沖壓成形B柱的設(shè)計(jì)規(guī)范制定

零件的熱沖壓成形由于零件是在熱狀態(tài)下變形，材料的流變特性和冷狀態(tài)有很大的不同，表面的摩擦特性也和冷狀態(tài)下有很大的不同，這2種特性都是隨材料溫度的變化而變化，恰好熱沖壓成形過程正是這2種狀態(tài)動態(tài)變化過程，這正是和冷沖壓成形2個完全不同的方面，因此在熱沖壓成形零件的設(shè)計(jì)時必須考慮這2種因素。B柱是有代表性的熱沖壓成形零件，為此中汽院和華中科技大學(xué)根據(jù)科技部科技支撐計(jì)劃的要求起草了熱沖壓成形B柱的規(guī)范，并經(jīng)過有關(guān)專家審定，現(xiàn)已成為行業(yè)規(guī)范[32]。（未完待續(xù)）

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