趙隆卿 莊厚川 曹廣祥 常悅彤

（中國第一汽車股份有限公司材料與輕量化研究院，長春 130000）

1 前言

節(jié)能減排是國家重大戰(zhàn)略需求，輕量化是節(jié)能減排的重要途徑?！吨袊圃?025》明確要求提升輕量化材料等核心技術(shù)的工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化能力。汽車行業(yè)排放的CO2約占比全球總排放量的30%，汽車輕量化對節(jié)能減排至關(guān)重要，整車質(zhì)量每減少10%，燃油車排放量下降約5%，電動(dòng)車電量節(jié)省約4%。鋁、鎂合金和碳纖維等輕質(zhì)材料在車身上的應(yīng)用能有效降低整車質(zhì)量，但是較高的生產(chǎn)成本限制了其廣泛應(yīng)用。高強(qiáng)鋼得益于比強(qiáng)度高、成本低和產(chǎn)業(yè)成熟優(yōu)勢，近幾年在白車身上的應(yīng)用顯著增加，取得了較好的輕量化效果。然而，隨鋼板強(qiáng)度級(jí)別不斷提升，在冷成形過程中面臨成形困難、回彈大和模具壽命低問題[1]。因此，盡管已開發(fā)出抗拉強(qiáng)度約為1.5 GPa的高強(qiáng)度鋼板，但對抗拉強(qiáng)度＞1.2 GPa的鋼板進(jìn)行冷成形難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

近年來，熱成形工藝成功解決了高強(qiáng)度鋼件的成形問題。不同于傳統(tǒng)的冷成形，熱成形技術(shù)是將鋼板于爐內(nèi)加熱至奧氏體化后，在模具內(nèi)同時(shí)完成沖壓成形和冷卻淬火工序，鋼板的微觀組織在該過程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，最終制備出具有高強(qiáng)度的零件。熱成形工藝分為2種：直接熱成形和間接熱成形[2]。相比于直接熱成形，間接熱成形工藝中鋼板的大部分變形是在冷沖壓預(yù)成形階段完成。鑒于熱成形工藝需加熱后再成形并在模內(nèi)淬火，其零件具有高強(qiáng)度和高尺寸精度的特點(diǎn)，且回彈小。本文綜述了目前應(yīng)用及正在研究的熱成形技術(shù)的特點(diǎn)。

2 熱成形鋼材料

目前，商業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的熱成形鋼種為22MnB5。該類型鋼的主要化學(xué)成分如表1所示。其中，C元素用以提高鋼的強(qiáng)度；Si元素主要用來脫氧和抑制碳化物的析出；Mn、B、Cr作為合金元素，可提升鋼板淬透性，其中B元素效果最為顯著；而微量的Ti元素則可顯著細(xì)化晶粒，提高熱成形零件的機(jī)械性能[3]。22MnB5鋼板的供貨組織狀態(tài)為鐵素體+珠光體（質(zhì)量比約為3∶1），抗拉強(qiáng)度約為600 MPa；經(jīng)加熱奧氏體化后其抗拉強(qiáng)度降低至約150 MPa，該狀態(tài)有利于沖壓成形；再經(jīng)模具冷淬后基體轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆鸟R氏體組織，抗拉強(qiáng)度提升至約1 500 MPa，斷裂延伸率約為6.0%，如圖1所示[4]。

表1 22MnB5鋼板常用商業(yè)牌號(hào)及主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖1 22MnB5熱成形鋼板工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

近年來，為拓展熱成形鋼板的應(yīng)用，其發(fā)展方向主要分為3個(gè)方面：一是提高熱成形鋼表面的抗氧化性。萊鋼在22MnB5基礎(chǔ)上開發(fā)出Mo元素含量范圍為0.1%～0.14%的22MnMoB鋼。相同加熱條件下，22MnMoB表面氧化鐵皮的質(zhì)量僅約為22MnB5的1/3；二是提高熱成形鋼板抗拉強(qiáng)度至1 800～2 000 MPa。首鋼通過調(diào)節(jié)22MnB5化學(xué)成分，提高C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將鋼板成形后強(qiáng)度提升至1 850 MPa，較傳統(tǒng)1 500 MPa熱成形實(shí)現(xiàn)更好的減少質(zhì)量效果；三是提高熱成形鋼板塑性。安賽樂米塔爾公司通過降低22MnB5硼鋼的化學(xué)組分含量，尤其是減少C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，開發(fā)了Ductibor 1000熱成形鋼板。該鋼種經(jīng)熱成形后延伸率提升至約10%，抗拉強(qiáng)度約為1 000 MPa，可滿足車身對韌性要求較高部位的使用。

3 熱成形鋼成形工藝

3.1 熱成形工藝

熱成形過程中的加熱工藝對零件性能及生產(chǎn)成本均有很大的影響。熱成形鋼板需加熱至Fe-C相圖Ac3線以上進(jìn)行奧氏體化處理，溫度窗口約為860～950℃；加熱溫度過低不能進(jìn)行完全的奧氏體組織轉(zhuǎn)變，無法通過淬火獲得馬氏體組織；加熱溫度過高則易造成奧氏體組織粗大，導(dǎo)致淬火后零件綜合性能較差。熱成形鋼板的加熱時(shí)間同加熱溫度和鋼板厚度有關(guān)，加熱溫度越低、鋼板越厚則所需加熱時(shí)間越長，這不僅會(huì)降低生產(chǎn)效率，還易形成較厚的氧化鐵皮，提高生產(chǎn)成本，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。因此，熱成形加熱設(shè)備需保證均勻的加熱溫度和高效的加熱速度。

熱成形過程中的沖壓參數(shù)對零件亦產(chǎn)生很大的影響。由于熱成形技術(shù)需沖壓成形和淬火迅速進(jìn)行，所以一方面要求壓力機(jī)要有足夠的沖壓速率，以防止板料成形前降溫過大；另一方面也要避免沖壓速率過快，導(dǎo)致樣件開裂。此外，壓力機(jī)噸位和沖壓行程因素也會(huì)產(chǎn)生一定影響。故需根據(jù)沖壓工藝、零件復(fù)雜程度及尺寸因素選擇合適的壓力機(jī)用于生產(chǎn)。

3.2 熱成形設(shè)備

3.2.1 熱成形加熱設(shè)備

a.輥底式加熱爐（圖2a）目前最為主流，鋼板通過內(nèi)輥轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸，提高了自動(dòng)化程度和生產(chǎn)可靠性。該加熱爐不僅可通過設(shè)置爐膛長度以滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求，還可通過降低爐內(nèi)氧含量，抑制高溫鋼板表面氧化。此外，爐內(nèi)鋼板兩面受熱且輥間距和轉(zhuǎn)速均固定，所以具有加熱速度快、加熱均勻性好的優(yōu)點(diǎn)；但鋼板在傳輸過程中，輥?zhàn)訒?huì)影響熱成形鋼板的表面質(zhì)量。

b.箱式加熱爐（圖2b）具有結(jié)構(gòu)簡單、氣密性好的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為單層和多層箱式爐。箱式爐中鋼板的傳輸為抓取而非輥傳動(dòng)，其表面質(zhì)量更好。此外，多層箱式爐中各層爐膛的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相對獨(dú)立，不僅可以通過控制系統(tǒng)改變輸料流程避免停機(jī)事故，還可以靈活適應(yīng)不同的生產(chǎn)節(jié)拍。然而，該加熱爐膛內(nèi)空間較小，在轉(zhuǎn)移鋼板時(shí)會(huì)造成的爐內(nèi)氣體交換及溫度波動(dòng)，易影響熱成形鋼板的質(zhì)量。

c.電阻加熱爐（圖2c）是在熱成形鋼板兩端接通電極，并以自身為電阻產(chǎn)生熱量，從而實(shí)現(xiàn)對鋼板的加熱。由于電流直接通過鋼板，所以鋼板加熱只需幾秒，不僅可以有效抑制氧化鐵皮生成，還可與沖壓成形同工序進(jìn)行，減少鋼板轉(zhuǎn)移過程中的熱量損失。此外，電阻加熱爐可通過調(diào)節(jié)電極位置或外部導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)分區(qū)加熱，滿足軟硬分區(qū)的需求。然而，鋼板電阻與鋼板的橫截面積有關(guān)，所以在電阻的加熱過程中很難保證加熱均勻性。

d.電磁感應(yīng)加熱爐（圖2d）是通過產(chǎn)生交變磁場形成渦流對熱成形鋼板進(jìn)行加熱，具有加熱區(qū)域可控、加熱效率快的優(yōu)點(diǎn)，其主要裝置包括：電磁線圈和高頻率發(fā)射器。該類型加熱爐可通過調(diào)節(jié)發(fā)射器頻率改變鋼板的加熱速率，發(fā)射頻率越高加熱速度越快。此外，由于電磁感應(yīng)加熱速度快，不僅可減少加熱時(shí)間，抑制氧化鐵皮生成，提高生產(chǎn)效率，還可有效抑制奧氏體組織粗化，提高熱成形零件的性能。

圖2 熱成形加熱爐

3.2.2 熱成形沖壓設(shè)備

熱成形沖壓機(jī)需同時(shí)具備快速合模和保壓的功能。目前，由于傳統(tǒng)冷沖壓液壓機(jī)不具備快速合模沖壓功能，而傳統(tǒng)機(jī)械壓機(jī)沒有備保壓功能，故均不能用于熱成形工藝。目前，熱成形壓機(jī)可采用HSHP系列單動(dòng)伺服液壓機(jī)和HSHP系列高速液壓機(jī)等。其中，HSHP系列單動(dòng)伺服液壓機(jī)（圖3a）采用伺服電機(jī)—泵系統(tǒng)，不僅具有省電節(jié)能功效，還能降低噪音；此外，該壓機(jī)簡化了液壓系統(tǒng)，具有可靠性高，維修方便的特點(diǎn)。HSHP系列高速液壓機(jī)（圖3b）采用電液比例伺機(jī)控制技術(shù)、動(dòng)態(tài)加壓技術(shù)、平衡缸技術(shù)，大幅提高液壓機(jī)的沖壓頻次，與普通液壓機(jī)相比較具有沖壓頻次高、單次沖壓行程耗電少的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 熱成形壓機(jī)

4 熱成形鋼鍍層

熱成形鋼板加熱并轉(zhuǎn)移至模具的過程中，高溫鋼板暴露于空氣會(huì)導(dǎo)致表面脫碳和氧化。表面脫碳會(huì)影響馬氏體組織轉(zhuǎn)變降低熱成形零件表面強(qiáng)度；而表面氧化生成的氧化鐵皮不僅會(huì)降低模淬過程中熱傳遞效率，還易造成模具損傷。同時(shí)，為不影響后續(xù)涂裝和焊接性能，會(huì)應(yīng)用酸洗或噴丸工藝對熱成形零件進(jìn)行去氧化皮處理，其中酸洗工藝會(huì)造成較大的環(huán)境污染，而噴丸工藝則會(huì)對薄規(guī)格零件的尺寸精度產(chǎn)生影響[5]。此外，隨汽車零部件對抗氧化性能要求不斷提高，一系列熱成形鋼板鍍層相繼被開發(fā)，如Al-Si鍍層、Zn鍍層、復(fù)合鍍層等。

4.1 Al-Si鍍層

Al-Si鍍層由安賽樂-米塔爾公司最早研發(fā)并應(yīng)用的，其元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%Al、9%Si、3%Fe。使用熱浸法對熱成形鋼板表面鍍Al-Si層后，再經(jīng)奧氏體化加熱，由外到內(nèi)形成金屬間化合物層（IM）：鐵素體+金屬間化合物層（F+IM）、馬氏體基體（M）的微觀組織結(jié)構(gòu)，如圖4所示[6]，其中金屬間化合物層熔點(diǎn)較高，故這種鍍層具有優(yōu)異的高溫抗氧化性，可以防止熱成形過程中鋼表面的脫碳和氧化。此外，該鍍層在氧化過程中生成的Fe-Al-Si化合物填補(bǔ)在腐蝕坑洞處，阻止其進(jìn)一步氧化。同時(shí)由于Al-Si鍍層能夠匹配較寬的加熱工藝窗口，故商業(yè)應(yīng)用最為廣泛。

圖4 Al-Si鍍層熱成形鋼板表層組織[6]

目前，熱成形鋼板所用的Al-Si鍍層約為70～100 g/m2，該鍍層產(chǎn)品相比于無鍍層產(chǎn)品彎曲角通常會(huì)降低20%以上。這是因?yàn)樵撳儗又械慕饘匍g化合物層呈脆性特征，熱成形工藝后便存在裂紋，后續(xù)作為彎曲斷裂的裂紋源擴(kuò)展至馬氏體基體后在尖端形成高應(yīng)力集中，易誘發(fā)局部的剪切變形，最終導(dǎo)致斷裂。易紅亮教授團(tuán)隊(duì)基于該鍍層開發(fā)了新一代高韌性的薄Al-Si鍍層（10～25 g/m2），該鍍層不僅與厚Al-Si鍍層有相當(dāng)?shù)目寡趸芰Γ矣捎阱儗雍穸刃?，鍍層中存在的裂紋短，裂紋尖端的應(yīng)力集中也小，所以提高了Al-Si鍍層產(chǎn)品的韌性[7]。

4.2 Zn鍍層

由于Zn鍍層不僅能提供物理屏蔽保護(hù)，還能提供良好的陰極保護(hù)，所以其具有更優(yōu)異的抗氧化性能。因此，近年來熱成形Zn鍍層在商業(yè)中逐步研發(fā)并使用。熱成形鋼板所用的Zn鍍層主要包括純Zn鍍層（GI）、Zn-Fe合金化鍍層（GA）。

GI鍍液中具有較高的Al（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%）含量，在熱浸渡過程中Al與Fe快速反應(yīng)，基體與鍍層界面處形成連續(xù)致密的Fe2Al5層，抑制了Fe和Zn之間的反應(yīng)。在奧氏體化過程中，F(xiàn)e2Al5抑制層被破壞，Al擴(kuò)散至GI鍍層表面形成Al2O3并和ZnO組成氧化層，阻礙鍍層進(jìn)一步的揮發(fā)和氧化，從而防止熱成形過程中鋼表面的脫碳和氧化。但是，GI鍍層經(jīng)高溫加熱后會(huì)產(chǎn)生液態(tài)Zn，同時(shí)在沖壓過程中承受較大的外加應(yīng)力，易引發(fā)液態(tài)金屬誘發(fā)的脆性裂紋（LMIE），導(dǎo)致該鍍層零件的成形性和力學(xué)性較差[8]，如圖5所示。因此，目前汽車用GI鍍層熱成形鋼板零件多采用間接熱成形工藝制備。由于間接熱成形工藝前期的預(yù)成形階段將完成零件的大部分變形，高溫加熱后零件的變形量很小，所以承受外加應(yīng)力也很小，可避免LMIE裂紋現(xiàn)象。不同于GI鍍層，GA鍍液中所具有的Al（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.15%）含量較低，在熱浸渡過程中Al與Fe不足以形成連續(xù)的Fe2Al5層，Zn和Fe之間快速反應(yīng)生成Zn-Fe合金相，故后續(xù)熱成形過程中將不會(huì)產(chǎn)生液態(tài)Zn，可避免LMIE裂紋現(xiàn)象。因此，GA鍍層熱成形鋼板零部件可使用直接熱成形工藝制備。

圖5 GI鍍層直接熱成形過程中LMIE裂紋機(jī)理示意[8]

4.3 其它鍍層

4.3.1 Zn-Ni鍍層

德國蒂森公司開發(fā)了電鍍Zn-Ni鍍層，該電鍍液中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%。鍍層中的Ni不僅可與Zn反應(yīng)生成具有高熔點(diǎn)的γ-Ni Zn21相，還可穩(wěn)定鍍層中的富Zn相，從而抑制熱成形過程中液態(tài)Zn的生成，所以該鍍層不僅具有優(yōu)異的高溫抗氧化性，還可避免產(chǎn)生LMIE裂紋現(xiàn)象。此外，由于Zn-Ni鍍層電極電位低，可為熱成形零件提供更優(yōu)異的陰極保護(hù)和抗氧化能力。然而，由于該鍍層成本較高，限制了其商業(yè)化的應(yīng)用。

4.3.2 復(fù)合鍍層

復(fù)合鍍層是由Al/Mg顆粒、有機(jī)材料和無機(jī)材料組成，可適用于直接或間接熱成形工藝。其中，Al在熱成形過程中可于鍍層表面形成Al3O2氧化膜，從而避免氧化鐵皮的產(chǎn)生；Mg顆粒則可通過陰極保護(hù)，為熱成形零件提高抗氧化能力。但是該類型鍍層成本較高，故尚未規(guī)?；瘧?yīng)用。

5 熱成形衍生技術(shù)

由于工況要求，針對汽車零件不同位置的力學(xué)性能要求往往存有差異。為實(shí)現(xiàn)這一需求，研究人員針對熱成形鋼板開發(fā)了一系列熱成形衍生技術(shù)，如補(bǔ)丁板技術(shù)、激光拼焊技術(shù)、變厚板技術(shù)、軟區(qū)技術(shù)[9]。

補(bǔ)丁板技術(shù)是1種通過外接襯板實(shí)現(xiàn)局部加強(qiáng)的熱成形技術(shù)。該工藝首先將主板和補(bǔ)丁襯板通過點(diǎn)焊連接成整體，然后進(jìn)行加熱、成形和淬火工序。補(bǔ)丁板技術(shù)在工業(yè)上易于實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)成本也較低；然而點(diǎn)焊時(shí)形成的虛焊、脫焊的質(zhì)量問題會(huì)嚴(yán)重影響熱成形零件的性能形成安全隱患。激光拼焊技術(shù)則是將不同厚度和材質(zhì)的鋼板拼焊成整體，隨后進(jìn)行熱成形，從而滿足熱成形零件不同位置的性能需求。該工藝還能較好地實(shí)現(xiàn)汽車零件的集約化和輕量化效果；但激光焊縫處存在性能突變，會(huì)降低零件的使用壽命。變厚板技術(shù)是根據(jù)零件性能需求，通過實(shí)時(shí)控制軋輥間隙制備出具有不同厚度的鋼板，再進(jìn)行熱成形的工藝技術(shù)。該工藝可解決激光拼焊技術(shù)性能突變的問題，實(shí)現(xiàn)零件不同位置性能的梯度式變化，具有更優(yōu)異的結(jié)構(gòu)承載能力，不過工業(yè)生產(chǎn)實(shí)施難度較大。不同于改變鋼板厚度來實(shí)現(xiàn)熱成形零件不同位置的性能需求，軟區(qū)處理技術(shù)是通過改變不同位置的熱處理工藝來實(shí)現(xiàn)，主要包括分區(qū)加熱、分區(qū)模冷和分區(qū)退火工藝。該技術(shù)原理是通過差熱處理，在不同位置形成特定的微觀組織，從而滿足汽車零件的性能需求。

6 結(jié)束語

隨汽車行業(yè)對節(jié)能減排、安全防護(hù)的綜合需求不斷提升，行業(yè)對輕量化材料亦提出了更高的要求。由于強(qiáng)度高、成本低、成形性好、碰撞安全性高的優(yōu)點(diǎn)，熱成形鋼板將仍是重要的輕量化金屬材料。熱成形鋼板材料、鍍層、加工及熱處理工藝設(shè)計(jì)開發(fā)是熱成形鋼板技術(shù)的重要方向。隨著熱成形新鋼種、新工藝的不斷涌現(xiàn)，熱成形鋼板在汽車安全和輕量化方面將發(fā)揮越來越重的作用。