浅析汽车高强钢及铝合金成型工艺

张 鹏 张 瑾* 徐树杰 刘雪峰

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300）

1 概述

当前汽车轻量化发展的大趋势下，高强钢和铝合金成为使用比重较高的两种材料，按照工艺的不同，高强钢包括双相钢（DP 钢）、复相钢（CP 钢）、铁素体- 贝氏体钢（FB 钢）、马氏体刚（MS 钢）、相变诱导塑性钢（TRIP 钢）、热成型钢（PH 钢）和孪生诱发塑性钢（TWIP 钢）等种类[1]，而车用铝合金主要分为铸造和变形铝合金两部分。

其中，第一代和第二代先进高强钢可以满足部分汽车部件的性能要求。例如，双相钢和TRIP 钢具有很好的吸能性能，可用于生产汽车的碰撞区部件，起到一个吸能缓冲的作用[2]；强度极高的马氏体刚和硼钢则被用于生产舱体部件，以保证安全性能[3]。能够实现汽车轻量化的成型工艺包括主要有高强度钢的热冲压成型、液压成型、辊压成型、激光拼焊成型等，铝、镁合金等的半固态成型、高真空压铸、等温挤压和等温锻造等，非金属复合材料的在线模塑成型、在线注射成型、在线模压成型等[4]。

2 高强钢热成型工艺

所谓热成型，全称为热冲压成型，是近年来出现的一项专门用于汽车高强度钢板冲压成型件的新技术，也是实现汽车轻量化生产的关键技术工艺之一。热冲压成型起步于高强度钢板。热成型技术是利用热处理和高温成型方式实现最终零部件强度提升，主要分为直接成型和间接成型两种工艺制造技术；具有成型精度高、成型性好等突出优点，适用于汽车中对于安全性要求较高的零部件，如防撞梁、A、B、C 柱加强板等[5]。

高强度钢代替低碳钢等低强度钢材虽然有助于汽车重量的减轻，但也给汽车制造带来新的困难。随着屈服强度和抗拉强度的提高，高强度钢的冲压成型性能在不断下降，各种成型缺陷凸显，不仅需要非常大的成型力，而且回弹特别严重，很难保证制件的尺寸精度[7]。在这种情况下，既要获得制件的超高强度，又要改善高强度钢的成型性，热冲压成型技术就应运而生。即钢板的强度越高，成型难度越大，当强度超过1000MPa 以上时，对于一些几何形状比较复杂的零件，使用常见的冷冲压工艺几乎无法成型[8]。而采用热冲压成型技术制得的冲压件强度可高达1500Mpa，且在高温下成型几乎没有回弹，具有成型精度高、成型性好等突出优点，这使得热成型技术逐渐成为汽车制造领域内的热门技术，广泛用于车门防撞梁、前后保险杠等安全件以及A 柱、B 柱、C 柱、中通道等车体结构件的生产。

表1 热冲压成型技术的优势与劣势[6]

总结来看，热成型技术的优势在于[9]：得到超高强度的车身零件，减轻车身重量，提高车身安全性、舒适性，改善冲压成型性、控制回弹、提高零件尺寸精度，高温时材料屈服强度降低、对冲压所需压机吨位的要求也相应降低，提高焊接性、表面硬度、抗凹性和耐腐蚀性等等。而不足之处为：设备投资大，模具设计和加工复杂，制造、保养成本高，零件单件成本相对较高，零件连接技术提出了新的挑战等等[10-12]。

热成型技术是在传统冲压工艺的基础上结合热锻技术特点，对材料进行加热处理后再进行产品成型制造。由于首先将板料加热至完全奥氏体化温度，再在磨具内成型淬火，故冲压热处理可一次性完成。

3 铝合金应用及成型工艺

铝合金可替代大部分零部件，汽车用钢铁比重较大，其中大部分钢铁材料零部件可以用铝合金代替，包括发动机、轮毂、热交换器、车身、转向轴、变速器支架、仪表板结构、悬架副车架等。铝合金目前在变速箱、轮毂、热交换器等领域渗透率较高，未来随着车身用铝技术的提升，汽车发动机、车身等用铝量有望逐步提升[13-17]。

图1 铝材替代铸铁件的质量对比[18-21]

图2 铝材替代钢制件的质量对比[18-21]

铝合金是仅次于钢材的汽车用金属材料，汽车用铝可分为两大部分：铝合金和铝基复合材料；而车用铝合金又分为铸造和变形铝合金两部分。其中，铸造铝合金是由液态金属转变为固态，即为液态成型；变形铝合金则是由固态粉末变固态金属，即为固态成型[22]。

图3 液压成型

图4 固态成型

目前，铝合金在汽车中应用的形式有铸造铝合金、锻造铝合金、挤压铝合金、铝合金板材4 种。铸造铝合金中又分为砂型铸造、消失模铸造、半固态铸造、挤压铸造以及永久模铸造等形式[23]。铸造铝合金常用材料牌号为A356，其铸态金相结构中的树枝状结晶组织，影响了铸件的强度和韧性皮牌，限制了在运动构件中的应用；优化成分后，有望代替做商用车的车轮，降低成本。锻造铝合金在汽车中有广泛的应用前景，如悬架支撑和车轮等；商用车车轮应用后，节能减排效果明显。挤压铝合金工艺简便、界面形状可设计性强，多用于乘用车的前后保险杠；既可以满足冲击、吸能的要求，又能减少构件重量，减重率达40%～50%。形变铝合金板材则多用于车身覆盖件以及前后保险杠防撞梁。

随着铝合金零部件的完善并投入使用，车用铝合金技术的逐渐成熟，各种结构复杂、性能符合要求的铸造件、挤压件能够批量生产，技术进步带动的成本下降，更多结构复杂、成本较高的铝合金零部件将引入到汽车上[24-25]。

4 结论

在发展新能源汽车、提升节能技术的同时，轻量化技术已经成为汽车企业应对节能减排的有效举措。相对传统燃油车，电动汽车增长迅猛，对材料价格的敏感性更低，对铝合金等轻型材料的需求也更大。预计未来，随着技术的普及以及成本的下降，铝合金车身的渗透率将逐步由中高端车往下逐步渗透，提升单车用铝量。如果充分发挥铝合金的应用潜力，单车用铝量可达454Kg。