热成形技术在车身零件上的应用概述

摘要：热成形技术的应用是提升汽车轻量化、安全性能的重要途径之一。简要阐述了高强度钢板热成形技术原理、成形设备、镀层技术、成形技术方面的应用及研究概况，分析了高强度钢板热成形技术现阶段存在的问题及未来主要的研究方向，对高强钢板热成形技术在汽车工业中的应用具有一定借鉴意义。

关键词：热成形 高强度钢 轻量化

前言

节能减排是国家重大战略需求，轻量化是节能减排的重要途径。《中国制造2025》明确要求提升轻量化材料等核心技术的工业化和产业化能力。汽车行业排放的CO2约占比全球总排放量的30%，汽车轻量化对节能减排至关重要，整车质量每减少10%，燃油车排放量下降约5%，电动车电量节省约4%。铝、镁合金和碳纤维等轻质材料在车身上的应用能有效降低整车质量，但是较高的生产成本限制了其广泛应用。高强钢得益于比强度高、成本低和产业成熟优势，近几年在白车身上的应用显著增加，取得了较好的轻量化效果。然而，随钢板强度级别不断提升，在冷成形过程中面临成形困难、回弹大和模具寿命低问题[1]。因此，尽管已开发出抗拉强度约为1.5 GPa的高强度钢板，但对抗拉强度＞1.2 GPa的钢板进行冷成形难以实现产业化。

近年来，热成形工艺成功解决了高强度钢件的成形问题。不同于传统的冷成形，热成形技术是将钢板于炉内加热至奥氏体化后，在模具内同时完成冲压成形和冷却淬火工序，钢板的微观组织在该过程中发生马氏体转变，最终制备出具有高强度的零件。热成形工艺分为2种：直接热成形和间接热成形[2]。相比于直接热成形，间接热成形工艺中钢板的大部分变形是在冷冲压预成形阶段完成。鉴于热成形工艺需加热后再成形并在模内淬火，其零件具有高强度和高尺寸精度的特点，且回弹小。本文综述了目前应用及正在研究的热成形技术的特点。

目前，商业上应用最为广泛的热成形钢种为22MnB5。该类型钢的主要化学成分如表1所示。其中，C元素用以提高钢的强度；Si元素主要用来脱氧和抑制碳化物的析出；Mn、B、Cr作为合金元素，可提升钢板淬透性，其中B元素效果最为显著；而微量的Ti元素则可显著细化晶粒，提高热成形零件的机械性能[3]。22MnB5钢板的供货组织状态为铁素体+珠光体（质量比约为3∶1），抗拉强度约为600 MPa；经加热奥氏体化后其抗拉强度降低至约150 MPa，该状态有利于冲压成形；再经模具冷淬后基体转变为完全的马氏体组织，抗拉强度提升至约1 500 MPa，断裂延伸率约为6.0%，如图1所示[4]。

表1 22MnB5钢板常用商业牌号及主要化学成分（质量分数）%

图1 22MnB5热成形钢板工程应力应变曲线

近年来，为拓展热成形钢板的应用，其发展方向主要分为3个方面：一是提高热成形钢表面的抗氧化性。莱钢在22MnB5基础上开发出Mo元素含量范围为0.1%～0.14%的22MnMoB钢。相同加热条件下，22MnMoB表面氧化铁皮的质量仅约为22MnB5的1/3；二是提高热成形钢板抗拉强度至1 800～2 000 MPa。首钢通过调节22MnB5化学成分，提高C元素的质量分数，将钢板成形后强度提升至1 850 MPa，较传统1 500 MPa热成形实现更好的减少质量效果；三是提高热成形钢板塑性。安赛乐米塔尔公司通过降低22MnB5硼钢的化学组分含量，尤其是减少C的质量分数，开发了Ductibor 1000热成形钢板。该钢种经热成形后延伸率提升至约10%，抗拉强度约为1 000 MPa，可满足车身对韧性要求较高部位的使用。

3.1 热成形工艺

热成形过程中的加热工艺对零件性能及生产成本均有很大的影响。热成形钢板需加热至Fe-C相图Ac3线以上进行奥氏体化处理，温度窗口约为860～950℃；加热温度过低不能进行完全的奥氏体组织转变，无法通过淬火获得马氏体组织；加热温度过高则易造成奥氏体组织粗大，导致淬火后零件综合性能较差。热成形钢板的加热时间同加热温度和钢板厚度有关，加热温度越低、钢板越厚则所需加热时间越长，这不仅会降低生产效率，还易形成较厚的氧化铁皮，提高生产成本，不利于工业化生产。因此，热成形加热设备需保证均匀的加热温度和高效的加热速度。

热成形过程中的冲压参数对零件亦产生很大的影响。由于热成形技术需冲压成形和淬火迅速进行，所以一方面要求压力机要有足够的冲压速率，以防止板料成形前降温过大；另一方面也要避免冲压速率过快，导致样件开裂。此外，压力机吨位和冲压行程因素也会产生一定影响。故需根据冲压工艺、零件复杂程度及尺寸因素选择合适的压力机用于生产。

3.2 热成形设备

3.2.1 热成形加热设备

a.辊底式加热炉（图2a）目前最为主流，钢板通过内辊转动传输，提高了自动化程度和生产可靠性。该加热炉不仅可通过设置炉膛长度以满足生产节拍要求，还可通过降低炉内氧含量，抑制高温钢板表面氧化。此外，炉内钢板两面受热且辊间距和转速均固定，所以具有加热速度快、加热均匀性好的优点；但钢板在传输过程中，辊子会影响热成形钢板的表面质量。

b.箱式加热炉（图2b）具有结构简单、气密性好的优点，根据结构可分为单层和多层箱式炉。箱式炉中钢板的传输为抓取而非辊传动，其表面质量更好。此外，多层箱式炉中各层炉膛的运动系统相对独立，不仅可以通过控制系统改变输料流程避免停机事故，还可以灵活适应不同的生产节拍。然而，该加热炉膛内空间较小，在转移钢板时会造成的炉内气体交换及温度波动，易影响热成形钢板的质量。

c.电阻加热炉（图2c）是在热成形钢板两端接通电极，并以自身为电阻产生热量，从而实现对钢板的加热。由于电流直接通过钢板，所以钢板加热只需几秒，不仅可以有效抑制氧化铁皮生成，还可与冲压成形同工序进行，减少钢板转移过程中的热量损失。此外，电阻加热炉可通过调节电极位置或外部导体实现分区加热，满足软硬分区的需求。然而，钢板电阻与钢板的横截面积有关，所以在电阻的加热过程中很难保证加热均匀性。

d.电磁感应加热炉（图2d）是通过产生交变磁场形成涡流对热成形钢板进行加热，具有加热区域可控、加热效率快的优点，其主要装置包括：电磁线圈和高频率发射器。该类型加热炉可通过调节发射器频率改变钢板的加热速率，发射频率越高加热速度越快。此外，由于电磁感应加热速度快，不仅可减少加热时间，抑制氧化铁皮生成，提高生产效率，还可有效抑制奥氏体组织粗化，提高热成形零件的性能。

图2 热成形加热炉

3.2.2 热成形冲压设备

热成形冲压机需同时具备快速合模和保压的功能。目前，由于传统冷冲压液压机不具备快速合模冲压功能，而传统机械压机没有备保压功能，故均不能用于热成形工艺。目前，热成形压机可采用HSHP系列单动伺服液压机和HSHP系列高速液压机等。其中，HSHP系列单动伺服液压机（图3a）采用伺服电机—泵系统，不仅具有省电节能功效，还能降低噪音；此外，该压机简化了液压系统，具有可靠性高，维修方便的特点。HSHP系列高速液压机（图3b）采用电液比例伺机控制技术、动态加压技术、平衡缸技术，大幅提高液压机的冲压频次，与普通液压机相比较具有冲压频次高、单次冲压行程耗电少的优点。

图3 热成形压机

热成形钢板加热并转移至模具的过程中，高温钢板暴露于空气会导致表面脱碳和氧化。表面脱碳会影响马氏体组织转变降低热成形零件表面强度；而表面氧化生成的氧化铁皮不仅会降低模淬过程中热传递效率，还易造成模具损伤。同时，为不影响后续涂装和焊接性能，会应用酸洗或喷丸工艺对热成形零件进行去氧化皮处理，其中酸洗工艺会造成较大的环境污染，而喷丸工艺则会对薄规格零件的尺寸精度产生影响[5]。此外，随汽车零部件对抗氧化性能要求不断提高，一系列热成形钢板镀层相继被开发，如Al-Si镀层、Zn镀层、复合镀层等。

4.1 Al-Si镀层

Al-Si镀层由安赛乐-米塔尔公司最早研发并应用的，其元素质量分数为88%Al、9%Si、3%Fe。使用热浸法对热成形钢板表面镀Al-Si层后，再经奥氏体化加热，由外到内形成金属间化合物层（IM）：铁素体+金属间化合物层（F+IM）、马氏体基体（M）的微观组织结构，如图4所示[6]，其中金属间化合物层熔点较高，故这种镀层具有优异的高温抗氧化性，可以防止热成形过程中钢表面的脱碳和氧化。此外，该镀层在氧化过程中生成的Fe-Al-Si化合物填补在腐蚀坑洞处，阻止其进一步氧化。同时由于Al-Si镀层能够匹配较宽的加热工艺窗口，故商业应用最为广泛。

图4 Al-Si镀层热成形钢板表层组织[6]

目前，热成形钢板所用的Al-Si镀层约为70～100 g/m2，该镀层产品相比于无镀层产品弯曲角通常会降低20%以上。这是因为该镀层中的金属间化合物层呈脆性特征，热成形工艺后便存在裂纹，后续作为弯曲断裂的裂纹源扩展至马氏体基体后在尖端形成高应力集中，易诱发局部的剪切变形，最终导致断裂。易红亮教授团队基于该镀层开发了新一代高韧性的薄Al-Si镀层（10～25 g/m2），该镀层不仅与厚Al-Si镀层有相当的抗氧化能力，而且由于镀层厚度小，镀层中存在的裂纹短，裂纹尖端的应力集中也小，所以提高了Al-Si镀层产品的韧性[7]。

4.2 Zn镀层

由于Zn镀层不仅能提供物理屏蔽保护，还能提供良好的阴极保护，所以其具有更优异的抗氧化性能。因此，近年来热成形Zn镀层在商业中逐步研发并使用。热成形钢板所用的Zn镀层主要包括纯Zn镀层（GI）、Zn-Fe合金化镀层（GA）。

GI镀液中具有较高的Al（质量分数0.2%）含量，在热浸渡过程中Al与Fe快速反应，基体与镀层界面处形成连续致密的Fe2Al5层，抑制了Fe和Zn之间的反应。在奥氏体化过程中，Fe2Al5抑制层被破坏，Al扩散至GI镀层表面形成Al2O3并和ZnO组成氧化层，阻碍镀层进一步的挥发和氧化，从而防止热成形过程中钢表面的脱碳和氧化。但是，GI镀层经高温加热后会产生液态Zn，同时在冲压过程中承受较大的外加应力，易引发液态金属诱发的脆性裂纹（LMIE），导致该镀层零件的成形性和力学性较差[8]，如图5所示。因此，目前汽车用GI镀层热成形钢板零件多采用间接热成形工艺制备。由于间接热成形工艺前期的预成形阶段将完成零件的大部分变形，高温加热后零件的变形量很小，所以承受外加应力也很小，可避免LMIE裂纹现象。不同于GI镀层，GA镀液中所具有的Al（质量分数≤0.15%）含量较低，在热浸渡过程中Al与Fe不足以形成连续的Fe2Al5层，Zn和Fe之间快速反应生成Zn-Fe合金相，故后续热成形过程中将不会产生液态Zn，可避免LMIE裂纹现象。因此，GA镀层热成形钢板零部件可使用直接热成形工艺制备。

图5 GI镀层直接热成形过程中LMIE裂纹机理示意[8]

4.3 其它镀层

4.3.1 Zn-Ni镀层

德国蒂森公司开发了电镀Zn-Ni镀层，该电镀液中Ni质量分数约为10%。镀层中的Ni不仅可与Zn反应生成具有高熔点的γ-Ni Zn21相，还可稳定镀层中的富Zn相，从而抑制热成形过程中液态Zn的生成，所以该镀层不仅具有优异的高温抗氧化性，还可避免产生LMIE裂纹现象。此外，由于Zn-Ni镀层电极电位低，可为热成形零件提供更优异的阴极保护和抗氧化能力。然而，由于该镀层成本较高，限制了其商业化的应用。

4.3.2 复合镀层

复合镀层是由Al/Mg颗粒、有机材料和无机材料组成，可适用于直接或间接热成形工艺。其中，Al在热成形过程中可于镀层表面形成Al3O2氧化膜，从而避免氧化铁皮的产生；Mg颗粒则可通过阴极保护，为热成形零件提高抗氧化能力。但是该类型镀层成本较高，故尚未规模化应用。

由于工况要求，针对汽车零件不同位置的力学性能要求往往存有差异。为实现这一需求，研究人员针对热成形钢板开发了一系列热成形衍生技术，如补丁板技术、激光拼焊技术、变厚板技术、软区技术[9]。

补丁板技术是1种通过外接衬板实现局部加强的热成形技术。该工艺首先将主板和补丁衬板通过点焊连接成整体，然后进行加热、成形和淬火工序。补丁板技术在工业上易于实现，生产成本也较低；然而点焊时形成的虚焊、脱焊的质量问题会严重影响热成形零件的性能形成安全隐患。激光拼焊技术则是将不同厚度和材质的钢板拼焊成整体，随后进行热成形，从而满足热成形零件不同位置的性能需求。该工艺还能较好地实现汽车零件的集约化和轻量化效果；但激光焊缝处存在性能突变，会降低零件的使用寿命。变厚板技术是根据零件性能需求，通过实时控制轧辊间隙制备出具有不同厚度的钢板，再进行热成形的工艺技术。该工艺可解决激光拼焊技术性能突变的问题，实现零件不同位置性能的梯度式变化，具有更优异的结构承载能力，不过工业生产实施难度较大。不同于改变钢板厚度来实现热成形零件不同位置的性能需求，软区处理技术是通过改变不同位置的热处理工艺来实现，主要包括分区加热、分区模冷和分区退火工艺。该技术原理是通过差热处理，在不同位置形成特定的微观组织，从而满足汽车零件的性能需求。

随汽车行业对节能减排、安全防护的综合需求不断提升，行业对轻量化材料亦提出了更高的要求。由于强度高、成本低、成形性好、碰撞安全性高的优点，热成形钢板将仍是重要的轻量化金属材料。热成形钢板材料、镀层、加工及热处理工艺设计开发是热成形钢板技术的重要方向。随着热成形新钢种、新工艺的不断涌现，热成形钢板在汽车安全和轻量化方面将发挥越来越重的作用。

参考文献：

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