汽車先進高強鋼成形技術應用現狀及發展趨勢

文／韓永志，黃永生，徐迎強，余冰定·安徽江淮汽車股份有限公司

隨著能源和環境問題的日益突出以及人們對汽車安全性能關注度的持續增加，在保證安全的前提下實現車身的輕量化正成為汽車工業的主要發展方向。在降低油耗、減少排放的諸多措施中，減輕車重的效果是非常明顯的。

鋼鐵、鋁材和塑料是制造汽車的三大材料，其中鋼鐵是汽車車體的主要材料，也是性價比最高的材料，而先進高強鋼作為一種優秀的車用輕量化材料，其發展和應用為節能減排提供了重要途徑。采用先進高強度鋼板，可以在達到強度要求的同時，有效減少沖壓件厚度和數量，從而達到減重的目的；另一方面，采用高強度鋼板更容易達到安全性能指標要求。在白車身制造方面，近年來高強鋼板的應用及使用比例在不斷提高。

目前的冷沖壓工藝在對高強度鋼板進行成形的方面存在著明顯的不足，易產生開裂、回彈等缺陷，無法滿足產品的要求。熱成形技術作為一種新型的成形工藝，可以有效地彌補高強度鋼板的成形缺陷，它具有成形能力高、零件回彈小、成形零件強度級別高的優點，目前已廣泛應用于全球各大汽車公司的多種車型，重點使用在對碰撞要求較高的部位，如圖1所示的汽車門檻、前保險杠橫梁、B柱等。

汽車先進高強鋼在白車身上的應用現狀

近年來，國內外企業開始不斷研究并開發各種先進高強鋼。國際鋼鐵協會先進高強鋼應用指南第三版中，將高強鋼分為傳統高強鋼和先進高強鋼。傳統高強鋼主要包括碳錳鋼、烘烤硬化鋼、高強度無間隙原子鋼和高強度低合金鋼，先進高強鋼主要包括雙相鋼、相變誘發塑性鋼、馬氏體鋼、復相鋼、熱成形鋼和孿晶誘發塑性鋼。

圖1 高強度鋼板在汽車上的應用

傳統的高強鋼多是通過固溶、析出和細化晶粒作為主要強化手段，而先進高強鋼是指通過相變進行強化的鋼種，組織中含有馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體。汽車用先進高強鋼分為熱軋、冷軋和熱鍍鋅產品，其工藝特點都是通過相變實現強化的。

先進高強鋼的強度(500～1500MPa）和塑性配合優于普通高強鋼，同時具有高強度和較好的成形性，特別是加工硬化指數較高，有利于提高沖撞過程中的能量吸收，所以其在減重和安全性方面具有雙重優勢。

汽車先進高強鋼在國外的應用現狀

縱觀汽車廠在高強鋼使用方面的發展，寶馬汽車在歐美地區發展速度是較快的。寶馬5系列在不同年代上市的汽車，用料的平均最小屈服強度從1998年版的198MPa增加到2012年版的415MPa，屈服強度在500MPa的高強鋼的使用比例也大幅度增加，寶馬旗下Z4高強鋼板應用比例高達55%，而2009款寶馬5系車型從62.1%的比例，提高到了2010年的72%。

日本在高強度汽車板生產和使用方面有明顯優勢，日本早在1997年就啟動了“超級鋼鐵材料”的國家研究計劃，為期10年，其主要目的是實現鋼鐵材料的強度翻番，壽命翻番。日本鋼鐵工程控股公司（JFE）在2015年開發出具有良好延展性和擴孔性的980MPa級高級冷軋鋼板，在業界屬于首例。目前日本政府主導的科研項目“創新型結構材料研發”中的子項目“超高張力鋼材開發”進展順利，其目標是在2020年前開發出抗拉強度1.5GPa和延伸率20%的超高強度鋼板，目前項目中期目標抗拉強度1.2GPa和延伸率15%的超高強度鋼板已經在實驗室試制成功。另外，美國的通用公司，2004年高強鋼的使用率大幅度上升，低碳鋼的使用率減少至40%，先進高強鋼使用率達到12%，2006年先進高強鋼的使用率已至18%。2016年通用公司旗下全新一代君越車身高強度鋼材比例達到了41%，在A柱、B柱、門檻梁等核心區域，屈服強度在900～1500MPa的超高強鋼和熱成形鋼大量被應用。

先進高強鋼在世界范圍內已經得到了一定的應用，并顯示出在減重、安全和環保方面的優勢。有理由相信，其將成為汽車減重的主要材料。

汽車先進高強鋼在國內的應用現狀

汽車工業的發展、汽車產量和汽車保有量的增加，在給人們出行帶來方便的同時，也產生了油耗、安全和環保三大問題。為保證汽車工業的健康發展，各國制定了相應的法規，而各國汽車工業界認為，滿足各項法規要求較為有效的手段是采用高強度輕量化材料。先進高強鋼其最大的優勢就是：提高材料的強度，在所要求的性能不變或略有提高的前提下，減薄板材構件的厚度，從而降低構件的質量。

目前，國內傳統高強鋼的品種和質量與國外的差距不大，相應的國家標準已由寶鋼負責制定完成。但是先進高強鋼與歐美等發達國家和地區還有一定差距，使用的標準也主要是由這些國家制定。近幾年，我國汽車工業的發展非常迅猛，整體技術水平有了很大的提高，先進高強鋼的應用也大幅度增加，有利地促進了國內先進高強鋼的開發和生產。目前，寶鋼、鞍鋼、馬鋼等主要鋼鐵企業都在積極開發先進高強鋼。其中寶鋼經過多年的發展，已經迅速崛起為中國熱沖壓領域的先驅者。目前，寶鋼已經基本掌握了熱沖壓系列核心技術，實現了階段性的跨越式發展。2007年年底，上海寶鋼熱沖壓零部件有限公司正式成立。2008年上半年，寶鋼建成了以研發為主兼顧小批量生產的第一條熱沖壓生產線。2009年9月，寶鋼第二條熱沖壓生產線建成投產，開發的抗拉強度為1200MPa和1500MPa的熱沖壓成形鋼，已經大量生產供貨。至今，寶鋼已經實現向江淮、華晨、奇瑞等汽車廠小批量供貨，用其生產的熱沖壓零件的尺寸精度和力學性能均已達到行業先進水平。近幾年，寶鋼正開發抗拉強度高達1800MPa的熱沖壓成形鋼。

先進高強鋼成形方法簡介

減薄和高強是先進高強鋼在減重和安全方面的優勢，但也對沖壓成形工藝提出了新的挑戰。這兩個優勢對沖壓工藝而言是惡化成形性的雙重因素，使車身零件在成形過程中易開裂和產生過量回彈，沖壓件的回彈常用U形件的拉深試驗來測定。相對于軟鋼和傳統高強鋼，先進高強鋼的回彈更大，且難以控制，特別是當鋼板初始強度大于1000MPa時，傳統的冷沖壓方法就難以生產結構、形狀較復雜的車身零件，這就需要合適的解決方法。

為解決這一難題，熱沖壓技術應運而生。熱成形工藝就是利用金屬在高溫狀態下塑性和延展性會迅速增加、屈服強度迅速下降的特點，通過模具使零件成形的工藝。通過對特殊的高強度鋼板加熱到900℃左右，使之易于拉延成形，再經過速冷，使鋼板抗拉強度達到1500MPa左右，從而達到零件對超高強度的要求。熱成形工藝流程為：落料→加熱至奧氏體狀態并保溫→快速放入模具中沖壓成形→保壓定形并淬火→激光切邊、割孔→去氧化皮→涂油(防銹處理）。

先進高強鋼的熱沖壓技術，主要是同濟大學、哈爾濱工業大學、吉林大學和寶鋼等相關單位在對熱沖壓技術、關鍵設備進行研究。國內大學研究高強度汽車板熱沖壓工藝，取得成果較多的是同濟大學機械與材料學院，主要對熱沖壓過程中，鋼板的加熱溫度與鋼板內部組織結構變化模式、沖壓速度、保壓時間、淬火速度、沖壓模具溫度變化等對成形的影響進行模擬研究。

先進高強鋼在白車身開發中的應用及發展前景

由于汽車未來的市場需求，鋼廠應具備制造1000MPa級及以上高強鋼的能力才能適應未來市場的需求，才能在減重、節能、提高安全性、降低排放等方面展現出良好的應用前景和好的競爭力。但隨著先進高強鋼的大量應用，與過去采用大量軟鋼相比，成形中的起皺、回彈、模具損傷、開裂、翹曲等成形問題和困難大量出現。因此，完善其成形技術也是下一階段先進高強鋼研發及應用的主要研究任務。

我國先進高強鋼的研發現狀及發展趨勢主要如下。

⑴ 熱沖壓材料的開發。目前國內各大鋼鐵公司均在進行先進高強鋼的生產和研究，其中最具代表性的企業主要有寶鋼、鞍鋼、馬鋼等，主要進行強度在1800MPa級及以上的熱沖壓材料開發，同時要在現有強度級別下進一步提升其延伸率，以滿足強度及碰撞要求。

⑵ 防腐蝕性。先進高強鋼在強度和成形性方面展示了良好的應用前景，但是在現代汽車工業中，不僅要采用高強度和先進高強度鋼，同時為保證汽車的防腐蝕性能，還應該加大鍍層板的研究和產業化，并提高鍍層板的品種和質量來提高先進高強鋼材料的抗腐蝕性。

⑶ 研究先進高強鋼的熱沖壓成形防止回彈技術。材料特性決定了其成形工藝，材料的強度越高，成形后零件的回彈越大，防止這種成形缺陷的技術難度越大，先進的成形方法尤其是防回彈技術是未來的主要研究方向之一。

⑷ 新型熱成形模具鋼材料的研究開發。為了有效提高模具熱傳導和抗拉毛特性，增加模具的使用壽命，提高生產節拍，亟需研究出高導熱、高耐磨、高韌性的熱沖壓模具鋼材料。

⑸ 先進高強鋼熱沖壓成形的模具設計技術。在沖壓過程中要使升溫、保溫與降溫過程模具內溫度盡量均勻，防止熱應力過高而引起模具的損壞；同時要研究熱成形模具模內淬火分析和疲勞壽命預測分析技術，另外沖壓設備的選擇匹配也是模具設計的難點。

⑹ 先進高強鋼熱沖壓成形計算機模擬技術研究。需要解決的關鍵問題是將先進高強鋼準確的材料本構模型嵌入到數值模擬軟件中，進而進一步研究高強鋼的熱成形有限元數值模擬建模技術。