超高强度钢热冲压成形研究进展（上）

马鸣图 张宜生 宋磊峰 吴娥梅 王义林 路洪洲

2014年中国汽车总产量为2 372万辆，保有量已达1.5亿辆，中国石油消耗量已超过5亿t，进口超过3亿t，对外进口的依存度超过60%。汽车消耗石油占中国石油消耗的65%。每消耗1L汽油，将产生2.5kg的二氧化碳（CO2），2014年由汽车燃油的消耗量所产生的CO2排放量已超过10亿t。随着汽车工业产量的增多和保有量的增大，油耗和CO2排放量还会迅速增加，因此汽车工业节能减排刻不容缓。一系列的研究和试验均表明，汽车的油耗与汽车的自重呈线性关系，以乘用车为例，汽车自重每下降10%，油耗和排放下降6%～8%，汽车轻量化是节能减排的有效手段之一[1]。

汽车工业发展带来的另一个问题是安全。为提升汽车的安全性，各类汽车的安全法规包括正碰、侧碰、追尾、偏置碰、翻滚等等日益严格[2]。为保证汽车的安全性，就必须应用高碰撞吸能的材料或采用厚度较高的材料，车子的质量增加，虽然可提高安全性，但和油耗法规，节能减排有矛盾。既要轻量化，又要保证车辆的安全性，既要满足油耗法规，又要满足车辆的安全法规，一个有效的手段就是应用高强度钢和超高强度钢，但高强度钢的应用带来了成形困难、模具寿命低，回弹大等问题，热冲压成形是获得超高强度构件而又有效减少回弹，又能保证模具寿命和合理价格的一个有效的工艺技术和方法。正是在这种背景下，热冲压成形技术伴随汽车工业的发展和各类法规的严格实施而迅速发展，并在汽车工业迅速扩大应用。

一、高强度钢的发展及其在汽车工业中的应用[3-5]

汽车高强度钢和先进高强度钢缘起于20世纪70年代的石油危机，当时的石油输出国组织提高石油价格，汽车工业领域开始推广应用高强度钢，人们开始青睐于汽车的轻量化和节能减排。高强度、高成形性的第1代先进高强度钢包括双相钢（DP钢）、相变诱发塑性钢（TRIP钢）、复相钢（CP）、马氏体级钢、热冲压成形钢，第1代先进高强度钢的强塑积为10 000～20 000MPa·%。21世纪初，汽车构件对更高强度和成形性钢的需求推动了第2代和第3代先进高强度钢的诞生，其强塑积分别为60 000MPa·%和30 000～40 000MPa·%。第2代先进高强度钢为高锰钢，其强塑积值太高，只是个别深冲件有应用价值，目前在汽车上应用还有较多限制。第3代先进高强度钢，其强塑积比较适合于汽车工业中形状复杂的冲压件的应用，由于这类钢是靠相变诱发塑性来提升强韧性，虽然其生产工艺过程中的稳定性和冲压成形状态中的各类应力状态的适应性尚有大量的技术工作需要探讨提升，但良好的成形性使这类钢有望在汽车工业中得到应用。目前应用较多的仍然是普通高强度钢和第1代先进高强度钢。由于汽车轻量化的需求和发展，汽车用钢的强度、水平在逐年提升，在文献[2]提出用最小平均屈服强度的概念来展示宝马公司用材强度提升的情况。由图1可以看出，车身用金属材料的最小屈服强度在逐年提升。

高强度钢主要用于汽车的结构件，提升汽车的安全性。如与汽车正碰、偏置碰及追尾有关的前、后保险杠、中通道，与汽车侧碰相关的左、右门B柱和门内的防撞杆，与汽车翻滚相关的背顶横梁、A柱和C柱，这些件在承受碰撞时，不仅要求高的吸收碰撞能量的能力，而且为了保护车内的成员安全，还要求碰撞部位较小的缩进距离。因此，满足这些部位的零件功能的超高强度钢和成形工艺技术就是热冲压成形。虽然近年来马氏体级的TRIP钢，其抗拉强度已达1 180MPa，但对于一些复杂零件如B柱，用冷冲压工艺成形仍然有较多困难；用辊压成形技术，可以生产形状简单的构件，如门内的防撞杆等。当抗拉强度达到1 500MPa时，冲压、辊压的成形技术，均难以使构件成形。抗拉强度大于1 200MPa的超高强度构件，热冲压成形几乎是唯一的一条技术路径。热冲压成形钢在奥迪A3上的应用已经达到21.7%[6]。热冲压成形零件不仅用于轻量化的汽车的安全件，同时也用于超高强度钢的其他制件，中国汽车工程研究院股份有限公司（简称“中汽院”）等[7]应用热冲压成形技术研发了轻量化的超高强度B级、C级防弹板，并在防弹、防暴车辆应用中取得了良好的经济和社会效益。

三、热冲压成形材料的相关参量和工艺技术

1.材料

目前热冲压成形材料主要用22MnB5，包括铝硅涂层、纳米锌涂层和裸板。围绕提高热冲压成形零件的强韧性和扩大材料的工艺窗口，以更好的保证热冲压成形工件性能的一致性和稳定性，进行相关材料的开发。中汽院和莱芜钢铁集团有限公司曾研发出成分为碳（C：0.22%～0.25%），锰（Mn：0.8%～1.2%），钼（Mo：0.10%～0.12%），硼（B≥0.005%）的热冲压成形用钢[8，9]。可以看出些，该钢的临界冷卻速度明显下降，这有利于工艺的实施。该钢具有良好的抗氧化性，将该钢与22MnB5材料抗氧化性能对比试验，采用相同的热成形工艺（880～930℃保温3～5min+模具成形冷却），加热过程中炉内无保护气氛，采用机械手运送热坯料，成形冷却，完后清理出加热、成形、冷却、淬火全过程中所有的氧化皮，在AL204型精密电子天平上称量，其质量的测量精度为0.1mg。试验结果见表1，可以看出氧化物的质量为22MnB5的1/3。

该钢还具有良好的强韧性匹配，按正常的热冲压成形工艺，冲压成形1.8mm厚的吉利汽车前保险杠，从样件上取样，所得力学性能对比见表2。

上海宝钢等公司曾研究了含铌（Nb）的热冲压成形钢，由于Nb可以有效的细化晶粒，从而可以有效的提高热冲压成形件的强韧性，并有利于改善热冲压成形钢的延迟断裂抗力[10，11]。不同充氢条件下的含铌钢延迟断裂抗力有明显的提升。按照文献[10，11]的结果，细晶粒可以降低延性/脆转变温度和提高断裂应力，对于淬火回火钢来说，细化的奥氏体晶粒可以降低淬火板条束的大小。在22MnB5中，加入Nb，可以使初始奥氏体晶粒从ASTM的5～6级细化到7～9级，从而改善22MnB5热冲压成形后的冷弯性能，即在抗拉强度1 500MPa的条件下，可使冷弯角度小于60°。文献[12]曾研究了抗拉强度1 800MPa级的热冲压成形用钢及其在汽车保险杠中的应用，该钢的力学性能见表3。表3中还列出了1 500MPa级的热成形用钢的性能，以进行对比。该钢晶粒度明显细化，其晶粒直径由1 500MPa级的12～15μm细化到5～8μm，相应的拉伸断口形貌也明显的细化和均匀。

目前热冲压成形用的铝硅涂层板基本为阿赛洛米塔尔所供应，该公司拥有22MnB5的铝硅涂层技术的专利，2012年该公司在国内销售13万t以上，目前该公司与湖南华菱钢铁集团有限公司共同建设热冲压成形钢板的生产线已投入生产。

2.摩擦系数的测定

摩擦系数是进行热冲压成形计算机模拟所必须的基本参量，文献中难以查到热冲压成形板材在不同温度下的摩擦系数，为此，国内有关单位采用自制的摩擦系数测定实验机进行了热冲压成形用钢的高温下的摩擦系数测定[13]，与文献[14]类似。摩擦系数的计算方程为：

其中，P是正压力，TF是拉伸力。

摩擦系数测定的试样为30mm×2mm×（500～1500）mm，或者采取积分计算平均值的方法，即：

22MnB5的裸板和铝硅涂层板不同温度下的摩擦系数测定结果见表4。

文献[15]研究了铝-硅（Al-Si）镀层板的热机械性能，发现在加热过程中，Al-Si涂层的表面将产生微裂纹，随后的变形过程中，与拉伸方向垂直的微裂纹将率先扩展，微裂纹宽度增大；与拉伸方面平行的微裂纹则变化较小。文献[16]研究了22MnB5裸板的氧化性能，该试验所用的成分中铬（Cr）+Mo为0.5，这一钢种与本文第一作者、莱钢合作钢种成分类似，该文献用纳米硬度计测量的不同氧化物的硬度和弹性模量见表5，并且得出氧化物层的硬度比基体板材22MnB5高5倍，氧化物的产生主要是出炉到压机的过程中产生，高硬度的氧化物层将会对热冲压工件和模具产生磨损。

3.热冲压成形的计算机模拟

（1）成形模拟

计算机模拟在热冲压成形中有广泛的应用，用热机械的计算机模拟可以进行零件的成形性模拟。由于热冲压状态下必须考虑一些复杂的因素，都需要有相关的材料数据进行支撑，如材料在各种温度下的流变曲线，各种温度下的摩擦系数等。在进行冷却过程相變模拟时，还必须考虑相变前后的组织和性能，如铁素体、奥氏体、马氏体、贝氏体等组织对应的性能数据以及奥氏体在有外加变形的条件下的连续冷却转变曲线等相变模型，有了材料性能数据，才有可能进行各种工艺过程的计算机模拟。热冲压的典型构件，如门B柱和前防撞梁是热冲压成形有代表性的构件，文献[17，18]基于热-力相变耦合模型进行了B柱热冲压成形全过程仿真，设定了有关热冲压成形的参数，选取了相关的材料模型以及材料的热物理性能（导热系数和比热），由此计算了板料加热和成形淬火后的温度变化、板料的厚度变化，预测了显微组织和性能，并对零件典型截面的厚度测量。

中汽院结合国家攻关项目，对吉利某车型的前防撞梁热冲压成形进行了系统研究[19-21]，材料应用22MnB5，材料的流变曲线和热物理参数见文献[19]，分析软件采用LS-DYNA软件，材料模型选用MAT-106号模型即热弹粘塑性材料，热冲压成形过程计算中，采用单动拉延成形。对这类保险杠进行成形模拟和冷却模拟设计之后，还必须开展坯料的形状设计[22]。在进行坯料形状设计时，首先根据零件的3D图判定该零件成形工艺大类上属于U型弯曲件，依据有限元的逆算法，通过零件的三维模型，快速反应全板坯形状。考虑零件法兰边及后续激光切边处理的要求，对初始展开线进行适当调整。

文献[23，24]对门内防撞杆也进行了热冲压工艺过程中的数字模拟和工艺优化的研究，包括模面设计，成形性分析，冷却过程中的模拟，模具和工件指定点的温度变化的模拟及模具中水流的模拟，成功设计和加工了模具，在试产线上进行了批量试制，取得了良好效果。文献[25]在金属板材的冷、热成形分析模拟方法及其在工程中的应用也做了一些有益的工作，取得了一些进展。

（2）不同温度下的成形极限图（FLD）测试

为进行成形模拟，必须进行不同温度下的FLD测试，迄今为止，高温FLD的测试尚没有相关的标准和给定的测试方法，也缺乏相关装备。已经表明在进行高温FLD测试时，样品破裂的位置和常温下FLD的位置不同，中汽院设计和制造了高温FLD的测试装置。同时马鸣图等试图根据常温下FLD0的计算方程，考虑到高温下的断裂模式和摩擦力的影响，试图找出高温下的FLD0的计算方程（待发表工作），计算出各个不同温度下的FLD0，为不同构件热冲压成形时的计算机模拟提供基础数据。

4.热冲压成形零件强度的柔性分布及控制

某些汽车零件，如门B柱在不同的部位有不同的强度要求，以赋予零件较好的撞击吸能，并可有效抵抗撞击物体侵入的能力，即要零件有高的吸收撞击能的能力，但在某些部位撞击时要变形小，减少撞击对人体的伤害，如B柱的下部只要求抗拉强度600MPa左右，具有高的延伸率，即一般高强度低合金钢的性能，而上部则要求1 500MPa的热冲压成形钢；达到零件这一功能要求的方法有：激光拼焊板技术，即在强度要求低的B柱的下部分拼接上淬透性低的一般低合金高强度钢，上部分用淬透性好的热冲压成形钢，如22MnB5，在零件热冲压成形时，淬透性较低的B柱的下部分，强度延性较好，上部分则可以达到1 500MPa的超高强度，这种方法虽然有效，但增加了激光拼焊工序和零件的成本。专利[26]提出了在构件不同部位，采用不同的冷却方式来达到构件强度的柔性分布，即要求强度低的部分使工件的冷却速度低于其淬火的临界冷却速度，使零件的这部分在热冲压成形后得到铁素体、贝氏体和少量马氏体组织；超高强度部分采用的冷却速度是大于钢的淬火临界冷却速度，在热冲压成形后得到超高强度部分。文献[27]提出了热冲压成形强度的控制的方法为工件不同区域采用不同加热温度，同时用不同的冷却速度，达到强度柔性控制、柔性分布的目的。这需要研究相变动力学、相变塑性、过渡区的组织演变、加热时的传热性能及温度控制方法、冷却路径及温度控制宏观和微观相结合的多场力学和物理的耦合模拟，并预测零部件的力学性能的梯度分布及其对耐撞性的影响，最终达到不同部位的不同性能；文献[28]已经进行了相关的尝试，取得了一定的效果。优化后的门B柱的强度分布见图2，采用这种方法所得到的零件性能变化的分布平缓，避免了用激光拼焊板陡峭的性能变化。2011年的欧洲车身会议[29]曾报道了福特汽车公司热冲压门B柱采用轧制差厚板以获得不同部位不同零件功能的制造技术见图3。上海宝钢和东北大学都进行了这些方面相关技术的尝试，并取得了一定的进展。

5.热成形钢加热过程中的组织模拟

热冲压成形包含有加热、工件传递、热冲压和冷却等工艺过程，热冲压工艺过程中加热工艺将影响到奥氏体的晶粒大小、合金含量，从而影响冲压成形后的组织组成、奥氏体的淬透性以及冲压成形件的力学性能，细晶粒组织的钢将有利于构件强韧性的改善，加热过程中奥氏体晶粒随加热温度升高和保温时间的延长而粗化。因此这一过程中组织的模拟将对加热工艺的制定和加热工艺的选取都会产生影响。在双相钢物理和力学冶金[30]中曾对加热过程中奥氏体的形成及其锰的扩散过程进行了详细的论述，并提出了相关模型，为了解奥氏体形成的动力学提供了基础。文献[31]对热冲压成形钢加热过程中的组织转变的数字模拟进行了有益的尝试，取得了一些进展。图4展示出了奥氏体形成的3个阶段的组织组成的变化。由图可以看出，奥氏体长大分3个阶段：第1阶段、第2阶段和温度上升时的第3阶段，模拟结果与实际结果相近。在900℃保温5min后，模拟的显微组织和光学显微镜的组织对比见图5。

6.热冲压成形B柱的设计规范制定

零件的热冲压成形由于零件是在热状态下变形，材料的流变特性和冷状态有很大的不同，表面的摩擦特性也和冷状态下有很大的不同，这2种特性都是随材料温度的变化而变化，恰好热冲压成形过程正是这2种状态动态变化过程，这正是和冷冲压成形2个完全不同的方面，因此在热冲压成形零件的设计时必须考虑这2种因素。B柱是有代表性的热冲压成形零件，为此中汽院和华中科技大学根据科技部科技支撑计划的要求起草了热冲压成形B柱的规范，并经过有关专家审定，现已成为行业规范[32]。（未完待续）

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