文/徐慧剛，蘇琦，樊艷俠·神龍汽車有限公司技術(shù)中心

高強(qiáng)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(jì)室主管工程師，主要從事車身結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、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(guó)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(qiáng)鋼熱成形技術(shù)是達(dá)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(shí)實(shí)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(shì)與熱成形技術(shù)的發(fā)展

新一代汽車的發(fā)展趨勢(shì)是節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適，對(duì)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(huì)給汽車安全性帶來影響，如何設(shè)計(jì)出既安全又節(jié)能的車身，是汽車設(shè)計(jì)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(qiáng)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(qiáng)度高、性能優(yōu)越，但它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)，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(yán)重且成形困難，尤其是當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到1500MPa時(shí)，常規(guī)的冷成形工藝幾乎無法進(jìn)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(huì)迅速增加，屈服強(qiáng)度迅速下降的特點(diǎn)，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(gè)適當(dāng)溫度，為的是使板料在奧氏體狀態(tài)時(shí)進(jìn)行成形，降低板料成形時(shí)的流動(dòng)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(qiáng)度和剛度的同時(shí)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(qiáng)鋼生產(chǎn)的汽車零件可以使同等強(qiáng)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(tái)車型為例，熱成形零件從單一的中立柱發(fā)展到整個(gè)駕駛室及乘客艙框架，使用零件總重已達(dá)到36kg，達(dá)到車身結(jié)構(gòu)件總重10%以上（圖1、圖2）。

國(guó)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(dá)到了10%以上（圖3）。

圖1 神龍某老平臺(tái)車型熱成形件使用情況（2個(gè)零件）

圖2 神龍某新平臺(tái)車型熱成形件使用情況（22個(gè)零件）

圖3 大眾某新車型熱成形件使用情況（22個(gè)零件）

熱成形工藝

將熱成形板料（屈服強(qiáng)度約400MPa，抗拉強(qiáng)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(dá)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(jī)械性能（屈服強(qiáng)度大于950MPa，抗拉強(qiáng)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(shí)需要采用保護(hù)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(shí)會(huì)在模具上附著氧化皮，需定期對(duì)模具上的氧化皮進(jìn)行處理。而鍍鋅板在加熱時(shí)不需要使用保護(hù)氣體，成形后也不需要進(jìn)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(gè)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(tái)車型上都已采用，根據(jù)不同的類型，輕量化結(jié)果對(duì)比如圖8所示。不同的熱成形方案對(duì)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(diǎn)

熱成形技術(shù)優(yōu)勢(shì)

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(qiáng)度，使車輛碰撞時(shí)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(dá)到35%以上，可以成形較為復(fù)雜的零件。

⑷型面回彈?。簾岢尚瘟慵貜椇苄?，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(qiáng)度很低，因此對(duì)壓機(jī)噸位要求不高，相比冷成形，壓機(jī)噸位更低。

熱成形技術(shù)難點(diǎn)

⑴零件成形后冷卻速度和保壓時(shí)間難控制，模具冷卻水道設(shè)計(jì)難度大，不同部位冷卻速度不同會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生嚴(yán)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(shí)流動(dòng)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(qiáng)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(diǎn)：由于零件較薄，冷卻速度快，需要在空氣中停留的時(shí)間比厚板料要短才能保證成形前板料的溫度，因此需要嚴(yán)格控制傳遞速度。

圖8 各種熱成形件的減重對(duì)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(shí)間。在板料達(dá)到奧氏體化溫度時(shí)，需要進(jìn)行保溫，使奧氏體組織均勻細(xì)化。

⑶傳遞時(shí)間。板料從加熱爐到模具的時(shí)間需嚴(yán)格控制，保證在成形前達(dá)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(shí)進(jìn)行，需要嚴(yán)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(jì)要求

由于熱成形工藝的特殊性，需要對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出一些設(shè)計(jì)限制條件：

⑴由于熱成形為一次成形，產(chǎn)品定義不能為負(fù)角，否則無法成形。

⑵零件的R角應(yīng)大于5mm。

⑶對(duì)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(duì)于產(chǎn)品要求不高的修邊線或者孔，公差最好定義為±2mm。對(duì)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(jì)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(duì)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(qiáng)度（圖10）?；贔RP（纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）補(bǔ)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(bǔ)丁的熱成形技術(shù)

結(jié)束語(yǔ)

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(huì)影響整車安全性的有效方法。

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