面向汽车轻量化的先进高强度钢成型技术

2012-08-22贺绍华

客车技术与研究 2012年5期

李琦，阳林，贺绍华

（广东工业大学机电工程学院，广州 510006）

1 引言

汽车轻量化是指在满足汽车动力性、舒适性、安全性等基本性能不变的情况下，尽可能地减少汽车质量，以改善其燃油经济性，减少排放，是缓解环境矛盾，实现现代汽车节能减排的重要方向。尤其对新能源汽车延长其续驶里程有着重大意义。要实现汽车轻量化，其基本途径主要有以下四种：一是选择合适的低密度材料，如铝合金、镁合金和钛合金等替代钢材料，虽然效果明显，但是成本较高；二是选用更高强度的钢板即高强度钢，通过增加其强度来减小钢板的厚度；三是采用先进的加工工艺和焊接手段，减少冗余材料、焊点等；四是采用先进的CAD/CAE软件对汽车零部件及车身框架进行优化设计，改善零部件结构，减少零件数量。

其中，由于高强度钢比汽车传统车用钢材有更高的强度，且成本较轻金属低，通过减小构件厚度实现轻量化，效果良好。有研究表明，当钢板厚度分别减少0.05 mm、0.10 mm和0.15 mm时，车身减重分别为6%、12%和18%[1-2]。另外，采用先进高强度钢，还增加了车辆的安全性，降低了噪声和振动，提高了燃油效率。目前汽车的碰撞安全性能凡是达到U—NCAP碰撞4星或5星级水平的汽车都在一些安全件中（如A、B、C三柱和保险杠防撞梁，门防撞杆，保险杠防冲柱等）采用了热成型技术成型的抗拉强度为1 500 MPa、屈服强度为1 200 MPa的马氏体钢。总体来说，通过提高高强度钢的应用比例，成本没有增加多少，而加速性、安全性能却有了较大的改善。

根据国际钢铁协会USL-AB项目的定义，屈服强度为210～550 MPa及抗拉强度从270～700 MPa的为高强度钢（简称HSS），而屈服强度大于550 MPa及抗拉强度大于700 MPa的则称为先进高强度钢AHSS（也叫超高强度钢）[3]。先进高强钢（AHSS）主要包括双相（DP）钢、相变诱发塑性（TRIP）钢、马氏体级（M）钢、复相（CP）钢、热成型（HF）钢和孪晶诱发塑性（TWIP）钢。

2 先进高强度钢种类及其特性

先进高强钢（AHSS）作为多相组织钢，含有马氏体、贝氏体或残余奥氏体，采用了以相变强化为主的复合强化方法，其强度与高强度钢相比有了很大的提高，特别是加工硬化指数高，有利于提高冲撞过程中能量的吸收，所以其在减重和安全性方面具有双重优势。因此，先进高强钢成为汽车公司进行普通汽车轻量化设计的首选材料，已经广泛应用于汽车工业。

2.1 双相钢

双相钢又叫DP钢（Dual Phase Steels），是一种由马氏体或奥氏体与铁素体基体两相组织构成的钢。一般将铁素体与奥氏体相组成的钢称为双相不锈钢，而将由铁素体与马氏体相组成的钢称为双相钢。其显微组织如图1所示[3]，软质的铁素体之间相互连续，硬质的马氏体则呈岛状分布，这种结构使其具有良好的塑性。在加工变形时，应变集中在铁素体周围的马氏体相上，表现出良好的加工硬化特性。随着硬质马氏体相体积分数的增加，双相钢的强度也随之增强。

根据得到双相组织的方法不同，双相钢可以分为热处理双相钢和热轧双相钢。在汽车用钢中，热轧双相钢应用比较广泛，它是通过先将钢坯加热到1 200℃左右，待其完全奥氏体化后进行第一阶段的轧制，单道次压下量大于20%，第一阶段压下量大于70%，实现再结晶细化奥氏体晶粒；待温到950℃以下进行第二阶段的轧制，第二阶段压下量为80%左右，终轧温度控制在800℃～850℃，低温区轧制诱导析出抑制再结晶发生，奥氏体加工硬化可提高铁素体相变驱动力并细化晶粒；轧后缓冷约 15 s，在铁素体(α)和奥氏体（γ）的两相区（α+γ）停留一定时间有α相大量析出，剩余γ相的碳浓度增加，而后采取快速冷却至370℃以下，以防止珠光体和贝氏体相变的发生，使奥氏体组织转化为马氏体组织，从而得到铁素体和马氏体双相组织。

由于双相钢中马氏体是以岛状的形式分布在铁素体之间，因此，DP钢具有低屈强比、无屈服点和连续屈服、高延伸及初始硬化速率快的特性。在冲压成型时，利于材料的均匀变形，能避免在深度拉伸和深冲压加工时可能出现的局部颈缩及断裂现象，从而得到大量应用。它主要应用在汽车的边梁、侧面构件、横梁、支柱、底盘加强件、油箱支架及车体的结构件、加强件和防撞件中。

2.2 相变诱发塑性钢

相变诱发塑性钢即是TRIP钢（Transformation-Induced Plasticity Steel），它是在铁素体的基质上嵌入残余奥氏体，且残余奥氏体的含量在5%左右。而硬质相的马氏体和贝氏体的含量则可以在一定的范围内进行调节变化，其显微组织如图2所示[3]。在应力应变作用下，其结构中残余的奥氏体向马氏体转变，从而诱发相变塑性，同时也提高了钢的强度。与DP钢不同的是，TRIP钢的组织中还存在一定量（5%～15%）的残余奥氏体。TRIP钢就是通过相变诱发塑性效应使钢板中的这些残余奥氏体在塑性变形作用下，诱发马氏体的生核及形成，并产生局部硬化，继而变形不再集中在局部，使相变均匀扩散到整个材料，以提高钢板的强度和可塑性，一定程度上解决了强度和塑性的矛盾。为此，TRIP钢体内的残余奥氏体必须具有足够的稳定性，以实现渐进式的转变，达到强度与塑性同步增长的目标。因此，TRIP钢在动态拉伸过程中，其强度可以得到进一步的加强，而其韧性不会减弱。

TRIP钢主要用来制作汽车的挡板、底盘部件、车门冲击梁等，例如韩国浦项已经成功开发出的800 MPa和1 000 MPa级的TRIP钢，其成型性能非常好，可以加工成复杂形状的汽车部件。阿塞洛生产的4个（TRIP600、TRIP700、TRIP800和 TRIP1000）冷轧品种和 1个（TRIP800）热轧品种可用于汽车的座椅结构件、横梁、纵梁、中后强化件、挡板和防护强化件等[4]。

2.3 马氏体钢

马氏体钢简称M钢（Martensitic Steel），其生产是在出料辊道上或连续退火线的冷却区快速冷却，使热轧或退火时存在的奥氏体几乎全部转变成马氏体。其微观组织是在板条状的马氏体基体上分布着少量的铁素体和／或贝氏体[3]。在多相钢家族中，马氏体钢具有最高的抗拉强度，可达1 700 MPa。在受到骤冷回火后可以提高其韧性，即使在最高强度下也能提供良好的塑性。

马氏体钢，随着碳含量的增加，其淬透性与强度都会得到加强，另外，锰、硅、硼、铬、钼、钒、镍等元素可以通过不同的组合来提高其淬透性。由于受成型性的限制，只能用滚压成型生产或冲压形状简单的零件，故主要用于成型要求不高的车门防撞杆等零件代替管状零件，减少制造成本[3]。

2.4 复相钢

复相钢即CP钢（Complex Phase Steels）是过渡到最高抗拉强度钢中的典型钢种。其显微组织是在铁素体/贝氏体的基质上包含有少量的马氏体、残余奥氏体、珠光体等多种金相组织。它主要是在Mn-Cr-Si合金成分的基础上，依靠钛、铌、钒等元素微合金化产生的晶粒细化效应和析出强化效应，并结合适当的卷取工艺而生产。与DP钢相比，CP钢在同等抗拉强度（比如800 MPa）下具有更高的屈服强度，较高的吸收性能和扩孔性能。因此，特别适用于汽车的车门防撞杆、保险杠和中立柱等安全结构件[3]。

2.5 孪晶诱发塑性钢

孪晶诱发塑性钢即TWIP钢（Twining-Induced Plasticity Steel），其含锰量高达17%～24%，因此，在室温下就可以完全奥氏体化。由于在形变孪晶的成型过程中会诱发较大的变形量，故这种变形模式因此而得名。TWIP钢的最大抗拉强度在1 000 MPa以上，不仅具有较高的强度，也具有较好的延展性。在孪晶形成过程中，其显微组织变得越来越细，从而使得TWIP钢具有较高的瞬时硬化指数（即n值）。当工程应变达到30%以上时，其n值可达0.4并保持恒定，直到总伸长率达到50%。

3 先进高强度钢成型技术

如图3所示，先进高强度钢（DP钢、CP钢、TRIP钢、M钢）随着强度的提高，其总伸长率（塑性）下降，导致其加工成型困难。相比普通高强度钢而言，先进高强度钢在加工成型时，容易产生裂缝、回弹、表面挠曲褶皱，从而导致其尺寸和形状精度不良，要达到理想的冲压成型性能实属不易。为扩大先进高强度钢的应用范围，提高其应用比例，许多先进的加工工艺及方法不断地应用到汽车工业中。

3.1 液压成型技术

1）液压成型技术原理。液压成型技术主要是指依靠高压液体（水或油）作为传力介质，代替刚性的凹模或凸模，使坯料在传力介质的压力作用下贴合凸模或凹模成型的一种柔性加工工艺[5]。如图4所示。先将管坯放入下模腔内，在液压缸的作用下，将柱塞冲头压入管件两端，使管件腔密封，然后通过冲头内的液体通道将液体介质注入管件腔；此时，上模向下移动，与下模共同形成封闭的模腔，最后高压泵与阀门控制液体压力不断增大，冲头向内推动管件，管壁变形并逐渐与模具内壁贴紧，最终得到所需形状的零件[6]。

2）液压成型技术特点及其应用。液压成型件主要为管材、板料和壳体三种。板料和壳体的成型压力低，而普通管材液压成型要求的介质压力一般为400 MPa以上，故管材液压成型又称为内高压成型技术。通过采用管材液压成型技术，可以一次整体成型沿构件轴线截面有变化的空心构件，与传统工艺相比[7]:

①节约材料，减轻质量。图5所示的空心轴类内高压成型件与机加工件相比可以减轻重量40%～50%，节约材料可达75%。

②减少了零件数量，也减少模具成本。通过液压成型技术一次成型所需零件，冲压成型的多个零件连接可以合成为一个单独完整的零件。不仅提高了零件的强度与刚度，尤其是疲劳强度，而且减少了焊点和后续机加工。如散热器支架的组成零件由17个减少到10个，而强度在垂直方向提高39%，水平方向则提高50%。

③成型零件的精度提高。成型零件的尺寸精度从原来的IT14提高到IT10。

由于先进高强度钢与普通高强度钢相比其强度得到提高，但总伸长率下降，导致成型困难，因此，AHSS管材液压成型所需压力较高，可达到600～1 000 MPa。一步成型比较困难。为提高成型精度，一般要分三步成型：首先是预弯曲，将管材弯曲成最终成型的大概形状；其次是液压成型；最后是修剪，主要是端部激光剪切。

目前，液压成型技术在先进高强度钢制零件中得到广泛应用，尤其是结构件，例如汽车座椅骨架、侧面撞击横梁、保险杠、发动机支架、散热器支架、仪表板横梁、散热器支架和车顶横梁等结构件。

3.2 热成型技术

当钢强度超过1 000 MPa时，一些形状复杂的零件，常规的冷冲压工艺几乎无法成型。因此，需要采用新型的加工工艺。而热成型技术正是一项专门用于极高强度钢板冲压件的新成型技术。

1）热成型技术原理。热成型工艺过程：首先将常温下强度为500～600 MPa的硼合金钢板加热到880℃～950℃，使之均匀奥氏体化，然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成型，最后快速冷却，将奥氏体转变为马氏体，从而使冲压件硬化，大幅度提高强度。图6的这个过程被称为“冲压硬化”技术[8]。

2）热成型技术特点及其应用。为解决先进高强度钢强度与塑性的矛盾，可以通过将成型和强化分为两个步骤来解决。热成型技术正是这样一种新工艺。为提高所得零件的尺寸精度，延长设备使用寿命，需注意如下几点：

①钢材的选择。并不是任何钢材都适用热成型技术，目前普遍采用硼钢进行加工，主要是因为微量的硼元素可以有效提高钢的淬透性，使零件在模具中以适当的冷却速度获得所需的马氏体组织，从而保证零件的高强度水平。

②钢的表面镀层。在成型过程中，由于与空气接触，容易导致氧化皮的产生。因此，必须在钢的表面进行镀层处理，使其具备抗高温和耐腐蚀的能力。

③模具的选择。在热成型过程中，钢板及模具都要经过从室温到900℃以上的温度变化，并且模具集板料成型与冷却淬火过程于一身，所以模具设计是热成型技术的另一个难点。模具材料不仅要求其具有良好的热强度、热硬度、高的耐磨性和疲劳性能，而且要能保证成型件的尺寸精度，同时要能够抵抗高温板料对模具产生的强大热摩擦、脱落的氧化层碎片及颗粒在高温下对模具表面的磨损效应，并且能够稳定地在剧烈的冷热交替环境下工作。另外，模具的凸凹模尺寸需要考虑到热胀冷缩效应，才能保证成型零件的精确度。为保证模具在快速的冷热交替过程中防止迅速冷却导致模具开裂，可以采用模具内通过冷却水的方式对成型后的零件进行冷却[9-11]。

通过将强化与成型的分离，热成型技术可以成型强度高达1 500 MPa的马氏体钢冲压件，而且在高温下成型几乎没有回弹，具有成型精度高、成型性能好等优点。因此，引起业界的普遍关注并迅速成为汽车制造领域的热门技术。