文/張宜生·華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

高強(qiáng)鋼熱沖壓成形技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展

文/張宜生·華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

為了保護(hù)我們的環(huán)境，未來(lái)在車輛方面的燃油消耗和二氧化碳排放量必須減少。世界各地汽車數(shù)量日益增加，需要進(jìn)一步減少單車的燃料消耗，汽車行業(yè)正面臨著新的挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的方法之一，是減輕汽車的重量。隨著道路車流量的上升，發(fā)生事故的危險(xiǎn)也在增加，這就意味著汽車必須滿足更高的安全需求。對(duì)于車身設(shè)計(jì)，當(dāng)前的挑戰(zhàn)是提高重要部位的剛度，并減少車身的重量。滿足這些需求的完美解決方法之一，是通過(guò)熱成形技術(shù)制造汽車車身零部件。過(guò)去，熱成形以一種效率低并且昂貴的制造工藝著稱。如今，新發(fā)展的制造工藝不僅提高了制造速度，而且提供了更加優(yōu)良的零件質(zhì)量。這使得熱成形將在未來(lái)5年從臨時(shí)的解決方法發(fā)展成為汽車結(jié)構(gòu)件制造的長(zhǎng)期生產(chǎn)方式。采用新一代熱成形線的產(chǎn)量非常接近冷沖壓成形。這些新開(kāi)發(fā)高產(chǎn)量和質(zhì)量的生產(chǎn)線涉及大量的基礎(chǔ)研究，包括加熱、板料與模具接觸、成形，冷卻和切邊工藝。這些開(kāi)發(fā)的最終結(jié)果是誕生了具有高生產(chǎn)效率的、用于制造高質(zhì)量和高穩(wěn)定性零件的熱成形線。

汽車輕量化對(duì)熱成形零件的需求

汽車輕量化技術(shù)首先在瑞典得到開(kāi)發(fā)并注冊(cè)專利，起初并未在汽車工業(yè)中得到應(yīng)用。一家名為Plannja的瑞典公司是專利的所有者，采用這項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)鋸片和割草機(jī)刀片。在20世紀(jì)80年代初，第一件汽車零件被生產(chǎn)出來(lái)，是乘用車的側(cè)防撞梁。其他部件，如保險(xiǎn)杠、A柱和B柱以及底盤(pán)部件也相繼生產(chǎn)。每輛車采用熱沖壓成形生產(chǎn)的零件非常有限，并且由于生產(chǎn)過(guò)程低效，使得OEM商采用零件價(jià)格較高。20世紀(jì)80年代中期專利保護(hù)失效后，有3家公司能提供全部所需的零件，生產(chǎn)零件的數(shù)量由1987年的每年3萬(wàn)件增加到1997年的每年800萬(wàn)件。自2000年以來(lái)，更多種類的熱沖壓成形零件被用在汽車生產(chǎn)中，每年生產(chǎn)的數(shù)量增加到2000年的100萬(wàn)件以上。

2008年后，高強(qiáng)鋼板熱成形技術(shù)在國(guó)內(nèi)外汽車制造業(yè)的應(yīng)用發(fā)展非常迅速，在汽車領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。從2012年10月CHS2發(fā)表的數(shù)據(jù)（圖1）可見(jiàn)，全球高強(qiáng)鋼用量將會(huì)從2012年的180萬(wàn)噸，在2014年將達(dá)到250萬(wàn)噸，高強(qiáng)鋼熱成形零件達(dá)到5億件以上。用在每輛車中的零件數(shù)量也大大增加，一些公司正在研究采用熱成形件構(gòu)造車身整體結(jié)構(gòu)的可能性。

減薄結(jié)構(gòu)的極限

圖1 高強(qiáng)鋼熱沖壓成形零件與材料需求量預(yù)測(cè)

熱成形技術(shù)發(fā)展所依賴的一個(gè)重要方向是材料強(qiáng)度的提高。目前1500～1600MPa可以在一般熱沖壓成形條件下獲得，也就是人們通常開(kāi)始談?wù)摰?GPa。實(shí)現(xiàn)車體零件輕量化的途徑是通過(guò)提高材料強(qiáng)度（目前已經(jīng)出現(xiàn)1800～2000MPa的超高強(qiáng)鋼），優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)使零件變得越來(lái)越薄，從而減輕重量。然而減薄量是受限制的，在有關(guān)沖擊能計(jì)算體系中，抗沖擊載荷是材料厚度的函數(shù)。當(dāng)強(qiáng)度提高、零件變薄后，會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)材料失穩(wěn)而破裂。在這種情況下，材料的彎曲強(qiáng)度顯得更重要。一方面通過(guò)強(qiáng)化減薄材料而實(shí)現(xiàn)輕量化，另一方面要采取失穩(wěn)破裂保護(hù)措施。在滿足失穩(wěn)條件下，有多少重量可以減輕，取決于結(jié)構(gòu)減薄量有多少。針對(duì)現(xiàn)有的常規(guī)車體架構(gòu)，通過(guò)采用熱成形車體零件，可以把重量減少約20%～30%。

變強(qiáng)度成形技術(shù)

從目前的研究狀況來(lái)看，變強(qiáng)度成形技術(shù)（tailored properties）上有很多工作要做，因?yàn)檫@是另一個(gè)重大課題，要求材料的設(shè)計(jì)與成形技術(shù)結(jié)合得更加緊密。這項(xiàng)技術(shù)只需一次熱沖壓成形，就可以使零件的不同區(qū)域獲得不同強(qiáng)度和延伸率，而不是均一化的強(qiáng)度與延伸率。汽車設(shè)計(jì)師希望通過(guò)車體的超高強(qiáng)度進(jìn)行碰撞入侵防護(hù)，如對(duì)典型的側(cè)向碰撞，就要靠B柱為乘員提供保護(hù)。但如果同一車體結(jié)構(gòu)零件能夠在抵抗碰撞侵入的同時(shí)，也吸收一部分沖擊能量，就可以大大提高碰撞安全性指標(biāo)。變強(qiáng)度成形就是要使零件的一些區(qū)域強(qiáng)度柔和一些，因此需要提高零件材料的延伸率，增加沖擊能量的吸收能力。因此，為某一車型量身定制的熱成形組件，滿足其強(qiáng)塑性分布具有重要意義。

如圖2所示為汽車B柱的變強(qiáng)度成形零件，A處強(qiáng)度為1500MPa，延伸率6%；B處強(qiáng)度為700MPa，延伸率15%。有許多方法可以來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的要求，類似拼焊板，也許會(huì)在一個(gè)抗沖擊侵入的區(qū)域需要1500MPa強(qiáng)度，但延伸率只有6%～8%。而在另一個(gè)不需要熱沖壓強(qiáng)度的區(qū)域，可能是600MPa或700MPa，但延伸率可以達(dá)到15%，相比之下韌性提高有助于吸收碰撞能。

圖2 汽車B柱的變強(qiáng)度成形零件

圖3 變強(qiáng)度成形保溫20s時(shí)溫度與零件力學(xué)特性

如圖3a所示，類似B柱變強(qiáng)度結(jié)合部的成形試驗(yàn)?zāi)＞摺０裌HT1500板料加熱到930℃經(jīng)過(guò)保溫，在850℃的特殊設(shè)計(jì)的模具中成形。T形頭部模具溫度保持在400℃，而桿部模具溫度保持在20℃，變強(qiáng)度成形模擬的零件溫度及硬度分布如圖3b、c所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用設(shè)置模具間隙和模具溫度差，是簡(jiǎn)單可行的變強(qiáng)度成形方法。對(duì)模具間隙形成的零件過(guò)渡帶力學(xué)特性的分布控制，是工程應(yīng)用的關(guān)鍵。

在工藝流程內(nèi)是可以達(dá)到這個(gè)目標(biāo)的，比如使用定制加熱。部分坯料的加熱是被保護(hù)控制的，永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)奧氏體溫度，成形中就不會(huì)淬火成馬氏體。另外，可以使用不同傳熱系數(shù)模具鋼，在同樣的坯料溫度下成形時(shí)，有些區(qū)域冷卻較快獲得更多的馬氏體組織，有些區(qū)域冷卻較慢獲得貝氏體組織。穩(wěn)定淬火獲得馬氏體，所以它是很硬的，坯料的局部將淬成貝氏體。每秒30℃是臨界冷卻速度，高于這個(gè)速度形成馬氏體，而低于這個(gè)速度將形成貝氏體(或鐵素體)。貝氏體是奧氏體即將形成中的一個(gè)階段，是鋼的中等強(qiáng)度組織。所以可以成形一個(gè)零件，在一個(gè)沖擊區(qū)具有1500MPa，而在另一個(gè)區(qū)域是600～700MPa強(qiáng)度，并有更高的延伸率。

另外的辦法是通過(guò)回火操作。在這種情況下，零件是在熱成形中完全淬火，所以它的強(qiáng)度一致。然后對(duì)一些區(qū)域進(jìn)行不同的回火熱處理，可以獲得較低的強(qiáng)度和較高的延伸率。

基于變強(qiáng)度成形原理和工藝試驗(yàn)結(jié)果，人們從不同角度產(chǎn)生對(duì)變強(qiáng)度綜合應(yīng)用的關(guān)注（圖4）：要求在某些局部可以有效吸收能量，有較軟法蘭邊可以用模具沖剪切邊，而不用激光切割?；蛟诙ㄖ茀^(qū)域內(nèi)，如在緊固件連接處，有更好的柔韌性、降低脆性。

鋅基涂層板的開(kāi)發(fā)

傳統(tǒng)的無(wú)鍍層熱沖壓件，加熱過(guò)程中會(huì)引起沖壓鋼板表面脫碳和氧化起皮。脫碳會(huì)降低鋼的表面強(qiáng)度，氧化皮則增大了鋼板與模具的摩擦系數(shù)、降低模具的使用壽命，同時(shí)需要定時(shí)清理氧化皮，嚴(yán)重降低了生產(chǎn)效率。

目前，熱沖壓鋼鍍層主要有鋁硅（Al-10Si）鍍層、熱鍍純鋅（GI）層、合金化鋅鐵（GA）鍍層和電鍍鋅鎳（Zn-10Ni）鍍層等。帶鍍層的熱沖壓鋼板，沖壓時(shí)工作環(huán)境好，零件表面質(zhì)量高，后續(xù)無(wú)需噴丸工序，不僅可以防止成形過(guò)程中表面氧化和脫碳，還能提高漆裝后的防腐蝕性能。在熱沖壓過(guò)程中，其在模具的保護(hù)、基體的耐穿孔腐蝕性能方面也具有優(yōu)異的特性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于熱沖壓鋼中。

為了適應(yīng)熱沖壓鋼對(duì)鍍層切口保護(hù)性能和加熱窗口的要求，德國(guó)蒂森公司開(kāi)發(fā)了Gamma Protect鍍層技術(shù)，該鍍層為電鍍Zn-10Ni層，鍍層靠近基體的部分是由單相γ-NiZn21金屬化合物組成，該相使得鍍層熔點(diǎn)高達(dá)880℃，有利于避免加熱過(guò)程中產(chǎn)生液態(tài)鋅相誘導(dǎo)成形過(guò)程中基體晶界開(kāi)裂。加鎳的主要目的為穩(wěn)定富鋅相，該鍍層具有較寬的熱加工窗口（880～920℃），加熱過(guò)程中Zn-Ni表層的氧化層要比鍍鋅層的穩(wěn)定，能有效防止表層鋅的揮發(fā)。穩(wěn)定的γ相與表面的氧化層相結(jié)合，使鍍層具有優(yōu)良的摩擦性能。隨著鋅基鍍層板的大規(guī)模生產(chǎn)，將引起熱沖壓成形的技術(shù)變革，有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖4 變強(qiáng)度技術(shù)的綜合應(yīng)用

前期介入服務(wù)及高性能模擬平臺(tái)

汽車高強(qiáng)鋼板及成形技術(shù)也是汽車廠較為關(guān)心的問(wèn)題，如何前期介入汽車企業(yè)的新車開(kāi)發(fā)，在零部件設(shè)計(jì)階段進(jìn)行成形性和零件性能的評(píng)估，是推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼熱成形技術(shù)和材料的有效途徑。熱成形零件制造商，在汽車制造商的車體設(shè)計(jì)階段，就圍繞熱成形材料的選擇與評(píng)價(jià)，車體零件的成形性分析和制造工藝分析，可以大大減少設(shè)計(jì)與制造的缺陷，有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造工藝，降低制造成本。EVI服務(wù)也是熱成形零件制造者與汽車設(shè)計(jì)者共同貫徹?zé)岢尚卧O(shè)計(jì)準(zhǔn)則的過(guò)程?，F(xiàn)代EVI服務(wù)主要采用熱沖壓成形模擬手段，對(duì)車體零部件的成形性和碰撞力學(xué)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。有熱成形試驗(yàn)線的EVI技術(shù)中心，還可以開(kāi)發(fā)低成本的試驗(yàn)?zāi)＞哌M(jìn)行熱成形試驗(yàn)，以確保新設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵零部件滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，如圖5所示。

前期介入服務(wù)的突出工作是成形模擬的計(jì)算工作量大，對(duì)成形模擬及修改方案的時(shí)間有嚴(yán)格要求。采用高性能計(jì)算平臺(tái)，如采用64-128核的并行計(jì)算系統(tǒng)，以及支持多CPU、多核并行計(jì)算的模擬軟件，可以大大縮短求解時(shí)間、實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)服務(wù)。如圖6所示為一個(gè)典型的240核高性能計(jì)算平臺(tái)，配備16-24核并行成形模擬軟件和多用戶調(diào)度系統(tǒng)，可以滿足多個(gè)車型的熱沖壓成形零部件設(shè)計(jì)與制造的同步工程。

熱成形工藝流程的能耗平衡與節(jié)拍同步

由于高強(qiáng)鋼坯料加熱耗時(shí)300～330s，與沖壓成形-保壓耗時(shí)15～20s相比，出現(xiàn)嚴(yán)重的節(jié)拍同步困難。為了實(shí)現(xiàn)加熱同步，多采用長(zhǎng)流程的輥底爐，導(dǎo)致加熱設(shè)備的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于零件的成形能耗，如圖7所示。近年來(lái)，多層箱式爐與高速自動(dòng)化輸送設(shè)備的結(jié)合，可以減少加熱能耗，并減少設(shè)備占地面積。由于多層箱式爐內(nèi)沒(méi)有高溫下的運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠性取決于自動(dòng)化輸送設(shè)備的可靠性。由于機(jī)械伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步，使得高可靠性的自動(dòng)輸送機(jī)械備受關(guān)注。由于加熱主要能耗要素，如何提高加熱效率一直是熱成形設(shè)備的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。各種原理的加熱方法，如感應(yīng)加熱、直接導(dǎo)電加熱等快速加熱方法都在研發(fā)中。

圖5 熱成形材料與成形工藝與車體設(shè)計(jì)的同步

圖6 用高性能計(jì)算平臺(tái)支持EVI技術(shù)服務(wù)

圖7 熱成沖壓成形生產(chǎn)流程的設(shè)備能耗分析

結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)汽車輕量化的發(fā)展，高強(qiáng)鋼熱沖壓成形技術(shù)和應(yīng)用正快速成長(zhǎng)。開(kāi)發(fā)鋅基鍍層板將會(huì)引起熱成形材料和成形技術(shù)的革新，因此備受世界各國(guó)業(yè)界的關(guān)注。采用變強(qiáng)度成形技術(shù)，不但滿足車體零件的力學(xué)性能需要，也成為一種改進(jìn)后續(xù)工藝，降低成本的潛在方法。熱成形零件制造商的前期介入服務(wù)，是貫徹?zé)岢尚瘟慵c模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，填補(bǔ)設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)間隙的有效服務(wù)，而高性能計(jì)算平臺(tái)和并行化仿真軟件的應(yīng)用為快速響應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。熱成形各工藝環(huán)節(jié)的設(shè)備能耗平衡和節(jié)拍同步，是未來(lái)先進(jìn)熱成形生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)發(fā)展方向。