熱沖壓成形技術(shù)及發(fā)展前景

王 輝 葛 銳 周少云 陳 寅 潘利波

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

0 引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益加劇，汽車輕量化已經(jīng)成為世界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然道路。車身高強(qiáng)化，既可以減輕車身重量，又能提高安全性，是同時(shí)實(shí)現(xiàn)車身輕量化和提高碰撞安全性的最好途徑。

為滿足車身高強(qiáng)化發(fā)展需求，先進(jìn)高強(qiáng)鋼和先進(jìn)零部件成形工藝應(yīng)運(yùn)而生。雙相鋼、TRIP鋼、TWIP鋼等先進(jìn)高強(qiáng)鋼，在1000MPa級(jí)以下的汽車零部件生產(chǎn)制造中得到廣泛應(yīng)用。然而，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到1000MPa級(jí)以上時(shí)，如果采用傳統(tǒng)冷沖壓成形工藝進(jìn)行超高強(qiáng)度零部件生產(chǎn)制造，就必須很好解決、超高強(qiáng)鋼成形性能差、零件回彈嚴(yán)重及尺寸精度差、成形模具壽命短等技術(shù)問題。因此，如何實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼板的生產(chǎn)和高精度沖壓成形，就成為汽車制造領(lǐng)域急需解決的技術(shù)難題。

作為多種新型成形工藝之一，熱沖壓成形技術(shù)既可以解決傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼冷沖壓成形難問題，又能獲得超高強(qiáng)度及高精度的成形零件，從而已引起業(yè)界的普遍關(guān)注，并迅速成為汽車制造領(lǐng)域的熱門技術(shù)。在20世紀(jì)80年代汽車工業(yè)開始使用熱成形技術(shù)，最早由在Lule的瑞典公司Plannja 申請(qǐng)專利。第一個(gè)安全部件是薩博9000的防沖擊側(cè)梁，目前熱成形技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車車身安全零件的制造[1-2]。圖1所示為目前熱成形零件的典型應(yīng)用零件。

圖1 熱成形零件的主要應(yīng)用范圍

1 熱沖壓成形簡(jiǎn)介

熱沖壓成形是把特殊的熱成形鋼板加熱到900℃左右，使之奧氏體化，隨后將紅熱的板料送入有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，同時(shí)被具有快速均勻冷卻系統(tǒng)的模具冷卻淬火，鋼板組織由奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，因而得到超高強(qiáng)度的熱成形零件。熱沖壓成形又稱為模壓淬火。熱成形鋼板常態(tài)下具有500-600MPa的抗拉強(qiáng)度，但是經(jīng)熱沖壓成形、淬火冷卻后，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1500MPa以上。圖2所示為熱沖壓工藝過程示意圖。

熱沖壓成形的技術(shù)特征，決定了影響其零部件質(zhì)量的因素。依據(jù)其工藝流程，板料形狀、加熱溫度、爐內(nèi)保溫時(shí)問、板料的初始沖壓溫度、沖壓速度、保壓時(shí)間、冷卻速度等關(guān)鍵因素均對(duì)熱沖壓零件的成形性、力學(xué)性能、尺寸精度產(chǎn)生直接影響。針對(duì)上述因素，國(guó)內(nèi)外零部件制造商主要是通過反復(fù)的工藝實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化其加工制造工藝參數(shù)，以確保熱成形零部件產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性和穩(wěn)定性。

圖2 熱沖壓工藝示意圖

2 熱成形技術(shù)現(xiàn)狀

隨著熱成形零件的大量應(yīng)用，其行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。汽車制造主機(jī)廠一方面希望降低零部件的采購(gòu)成本，另一方面希望提高熱成形產(chǎn)品的應(yīng)用性能，這就推動(dòng)了熱成形技術(shù)不斷進(jìn)步。目前，對(duì)于熱成形零部件生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)主要集中于幾個(gè)方面：(1)熱成形用鋼材料開發(fā)；(2)熱成形模具設(shè)計(jì)技術(shù)；(3)鋼板加熱技術(shù)；(4)整套設(shè)備集成技術(shù)；(5)變強(qiáng)度熱成形零件開發(fā)技術(shù)。

2.1 熱成形鋼的開發(fā)

熱成形用鋼材料占零部件綜合成本的比例較高，是當(dāng)前研發(fā)降成本的重點(diǎn)。按其熱成形鋼板表面鍍層狀況，熱成形用鋼可分為無鍍層熱成形鋼板和鍍層熱成形鋼板。熱成形鋼板表面鍍層主要功能是為了防止鋼板在加熱過程中的鋼板表面氧化問題。

對(duì)于傳統(tǒng)無鍍層熱沖壓鋼板，目前國(guó)內(nèi)武鋼、寶鋼等鋼鐵企業(yè)均已成功開發(fā)出1300MPa級(jí)、1500MPa級(jí)以及1700MPa級(jí)無鍍層熱成形鋼，并開始批量生產(chǎn)。為了解決鋼板在加熱過程中無鍍層鋼板的表面氧化問題，目前結(jié)合熱成形零件生產(chǎn)工藝的開發(fā)，主要采用在加熱爐腔內(nèi)通入氮?dú)?、甲烷等氣體以減少爐腔氧含量的氣體保護(hù)方法，減少板料加熱時(shí)表面產(chǎn)生氧化與脫碳現(xiàn)象。生產(chǎn)零件后續(xù)通過表面處理(噴丸)工序，產(chǎn)品表面質(zhì)量完全可以滿足汽車用戶需求。

熱沖壓鍍層鋼板，按其鍍層成分體系劃分，可分為鋁硅(Al-10Si)鍍層、電鍍鋅鎳(Zn-10Ni)鍍層、熱鍍純鋅(GI)層和合金化鋅鐵(GA)鍍層[3]。由于具有可直接防止成形過程中表面氧化和脫碳，甚至部分零件后續(xù)無需噴丸工序等優(yōu)勢(shì)，目前應(yīng)用較為廣泛。但是，熱沖壓鍍層鋼板價(jià)格遠(yuǎn)高于無鍍層冷軋板，從而零件的成本有所增加。

由于受專利保護(hù)影響，鋁硅鍍層僅有法國(guó)阿賽洛或其授權(quán)公司可以生產(chǎn)。鋅基鍍層板在具有防高溫氧化功能的同時(shí)，也具有陰極保護(hù)抗腐蝕性能，是車體底部熱成形零件的理想之選，也是目前各國(guó)積極研發(fā)的重點(diǎn)方向。然而，鋅基鍍層熱成形鋼存在奧氏體化加熱以及隨后熱沖壓過程中易產(chǎn)生微裂紋、熱沖壓工藝窗口狹窄等技術(shù)難題，目前產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢。據(jù)報(bào)道，奧鋼聯(lián)已成功開發(fā)生產(chǎn)熱鍍純鋅(GI)層和合金化鋅鐵(GA)鍍層熱成形鋼板；德國(guó)蒂森公司也開發(fā)了電鍍Zn-10Ni 層熱成形鋼板。隨著鋅基鍍層板的大規(guī)模生產(chǎn)，在突破現(xiàn)有鋁硅鍍層熱成形鋼板專利保護(hù)壁壘的同時(shí)，必將引起熱沖壓成形的技術(shù)變革，有著廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)GM公司發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，其未來車型中60%熱沖壓零件將采用鋅基鍍層，另外40%熱沖壓零件采用無鍍層和Al-Si鍍層。

現(xiàn)階段，我國(guó)尚不具備熱成形鍍層鋼板的批量化生產(chǎn)能力，國(guó)內(nèi)寶鋼、武鋼等鋼鐵企業(yè)正在積極開展熱沖壓成形用新型鍍層鋼板的技術(shù)研究與攻關(guān)，并已取得積極進(jìn)展。

2.2 熱成形模具技術(shù)

模具設(shè)計(jì)水平是影響熱成形零件質(zhì)量的核心因素。這是由于熱成形模具加工制造主要依據(jù)CAE模具設(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確性；而在高溫狀態(tài)下，材料的流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率、摩擦系數(shù)三大因素相關(guān)，這些因素隨溫度在不斷的發(fā)生變化，從而導(dǎo)致熱成形CAE模擬結(jié)果的一致性遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的冷沖壓設(shè)計(jì)。同時(shí)，板料與模具間的接觸熱阻與兩者之間的壓力和間隙緊密相關(guān)，CAE模擬需充分考慮該影響因素，并依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)模具型面進(jìn)行補(bǔ)償，以得到尺寸合格的零件[4]。對(duì)于外形復(fù)雜的零件，需設(shè)計(jì)局部壓邊圈，以控制材料流動(dòng)，確保成形結(jié)果。

目前，國(guó)內(nèi)熱成形模具主要依賴于國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格相對(duì)比較昂貴。國(guó)內(nèi)科研院校及零部件制造商一直致力于熱成形模具自主化設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。武鋼——華科大聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、大連理工大學(xué)、上海賽科利、寶鋼等單位，先后通過熱成形產(chǎn)線引進(jìn)培訓(xùn)及后期經(jīng)驗(yàn)的積累，培養(yǎng)了自己的模具設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，并初步具備簡(jiǎn)單型面零件的熱成形模具設(shè)計(jì)與制造能力。

2.3 整套設(shè)備技術(shù)

由于國(guó)外對(duì)熱沖壓生產(chǎn)裝備的技術(shù)壟斷與封鎖，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有熱成形生產(chǎn)線基本由德國(guó)Schuler、瑞典AP&T、西班牙Fagor、西班牙Loire Safe四家公司進(jìn)口。這些花巨資引進(jìn)的昂貴的熱沖壓生產(chǎn)線外資的管理成本相當(dāng)高，這使立足于低成本國(guó)產(chǎn)設(shè)備的、機(jī)制靈活高效的民營(yíng)公司在行業(yè)上具有無可爭(zhēng)議的低成本的產(chǎn)業(yè)化和進(jìn)入市場(chǎng)的優(yōu)越條件。

近年來，國(guó)內(nèi)大型鋼廠、重點(diǎn)院校、沖壓設(shè)備制造企業(yè)、汽車生產(chǎn)企業(yè)在熱成形生產(chǎn)裝備自主化開發(fā)領(lǐng)域方面開展了密切合作，并取得重大突破。2009年武漢鋼鐵(集團(tuán))公司與華中科技大學(xué)合作，共同開展熱成形生產(chǎn)裝備與技術(shù)研究，并于2011年成功開發(fā)了國(guó)內(nèi)首條自主化的高效節(jié)能電動(dòng)伺服壓力機(jī)熱成形實(shí)驗(yàn)線。

2013年，中國(guó)汽車工程研究院、大連理工大學(xué)、國(guó)家機(jī)械裝備研究總院、山東大王金泰集團(tuán)等四家單位也先后完成了高速液壓機(jī)熱成形生產(chǎn)裝備的自主化設(shè)計(jì)與開發(fā)。

隨著我國(guó)熱成形裝備設(shè)計(jì)和加工制造水平的的不斷提升，國(guó)產(chǎn)自主化熱成形生產(chǎn)線將逐步替代國(guó)外進(jìn)口，這將大大降低熱成形設(shè)備采購(gòu)和運(yùn)營(yíng)成本。

2.4 鋼板加熱技術(shù)

對(duì)于熱成形零件的加工制造而言，加熱是其生產(chǎn)能耗的主要要素，直接關(guān)系零件的生產(chǎn)成本。實(shí)現(xiàn)熱成形工藝流程的能耗平衡與節(jié)拍同步，是降低成本的最佳途徑。由于坯料加熱耗時(shí)300～330s，與沖壓成形-保壓耗時(shí)15～20s 相比，出現(xiàn)嚴(yán)重的節(jié)拍同步困難。為了實(shí)現(xiàn)加熱同步，多采用長(zhǎng)流程的輥底爐，導(dǎo)致加熱設(shè)備的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于零件的實(shí)際加熱所需能耗。

近年來，多層箱式爐與高速自動(dòng)化輸送設(shè)備的結(jié)合，可以減少加熱能耗，并減少設(shè)備占地面積。由于多層箱式爐內(nèi)沒有高溫下的運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠性取決于自動(dòng)化輸送設(shè)備的可靠性。機(jī)械伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步，使得高可靠性的自動(dòng)輸送機(jī)械備受關(guān)注。

與此同時(shí)，快速高效加熱方法(如感應(yīng)加熱、直接導(dǎo)電加熱等)也都在研發(fā)中，其將是熱成形加熱技術(shù)的未來發(fā)展方向。

2.5 變強(qiáng)度熱成形零件開發(fā)技術(shù)

變強(qiáng)度熱成形零件制造技術(shù)是當(dāng)前熱成形應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)可以使單一零件的不同區(qū)域獲得不同強(qiáng)度和延伸率，實(shí)現(xiàn)同一車體結(jié)構(gòu)零件一方面能夠在抵抗碰撞侵入，同時(shí)局部具有良好的吸能性，吸收碰撞沖擊能量，大大提高碰撞安全性指標(biāo)。

變強(qiáng)度熱成形零件制造技術(shù)包括[5]：(1)激光拼焊技術(shù)；(2)板料區(qū)域定制加熱技術(shù)；(3)不同傳熱系數(shù)模具設(shè)計(jì)技術(shù)；(4)零件局部回火處理技術(shù)等。

與此同時(shí)，基于激光拼焊技術(shù)以及不等厚軋制的變厚度熱成形零件開發(fā)技術(shù)也是目前研究的熱點(diǎn)。

3 熱成形零件未來發(fā)展前景

目前，熱成形零件廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外汽車車身制造，且使用量及比率逐年劇增[6-8]。根據(jù)德國(guó)舒樂公司預(yù)測(cè)，未來三年，熱成形零件全球市場(chǎng)需求量將從目前的250萬件發(fā)展到突破600萬件，如圖3所示。

截至2013年底，全球共有熱成形生產(chǎn)線230余條，主要分布在德國(guó)、法國(guó)、西班牙、瑞典、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。其中，近160余條生產(chǎn)線位于當(dāng)前汽車輕量化普及程度較高的歐洲地區(qū)。截止2013年底，我國(guó)已建成投產(chǎn)的熱沖壓成形生產(chǎn)線僅20余條，且主要分布在華北和華東地區(qū)。

圖3 德國(guó)舒樂公司預(yù)測(cè)熱成形零件應(yīng)用趨勢(shì) (數(shù)據(jù)來源：Schuler-AG)

據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)分析，2013年中國(guó)的汽車產(chǎn)銷雙雙超過2000萬，首次超過歐洲汽車總產(chǎn)量。預(yù)計(jì)2015年我國(guó)汽車產(chǎn)銷量將達(dá)到或接近3000萬輛，2020年達(dá)到4000萬輛。隨著我國(guó)汽車輕量化要求的不斷提高，熱成形零部件在我國(guó)乘用車上的應(yīng)用將逐漸普及。按照中高級(jí)乘用車中平均每臺(tái)車4個(gè)熱成形件，且涉及熱成形零件的中高檔乘用車年產(chǎn)1500萬輛計(jì)算，到2015年我國(guó)的熱成形件的年市場(chǎng)需求量至少可達(dá)6000萬件以上，熱成形件市場(chǎng)前景極為廣闊。

未來，我國(guó)熱成形生產(chǎn)線將逐步向華中、西南、東南等汽車工業(yè)化地區(qū)蔓延。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)熱沖壓成形零部件生產(chǎn)線將有望達(dá)100條以上，這將強(qiáng)力支撐我國(guó)汽車輕量化水平的逐步提升。專家預(yù)測(cè)，未來10年熱成形技術(shù)在我國(guó)汽車行業(yè)將有更多的應(yīng)用，熱成形市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也將更加激烈。

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