熱沖壓成形技術(shù)及其新進展

黃大鵬 楊國慶 張 梅 李 麟

(1.鞍鋼股份有限公司、鞍鋼股份汽車鋼營銷(服務(wù))中心，遼寧鞍山 114021；2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

熱沖壓成形技術(shù)及其新進展

黃大鵬1楊國慶2張 梅2李 麟2

(1.鞍鋼股份有限公司、鞍鋼股份汽車鋼營銷(服務(wù))中心，遼寧鞍山 114021；2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

超高強度鋼在提高汽車車身碰撞安全性和輕量化方面具有十分顯著的優(yōu)勢，在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷增多。超高強度鋼板熱沖壓成形作為一種蓬勃發(fā)展的新技術(shù)，存在技術(shù)封鎖和壟斷。介紹了熱沖壓成形技術(shù)的研究進展，包括熱沖壓成形所用原材料的成分，微量硼元素的添加及其作用，典型熱沖壓成形工藝路線，熱成形工藝控制的三要素，典型熱成形鋼制件在熱成形前后的組織、性能及其相變特性，尤其是變強度熱成形件的制造工藝技術(shù)和創(chuàng)新思路。探討了各種變強度熱成形工藝技術(shù)的創(chuàng)新點、優(yōu)勢及存在的問題。指出熱成形技術(shù)是未來汽車輕量化發(fā)展的方向。

超高強鋼 熱沖壓 汽車輕量化

經(jīng)濟的快速發(fā)展促進了汽車行業(yè)的快速發(fā)展。隨著汽車的廣泛使用，其尾氣排放及能源消耗等問題也越來越引起廣泛關(guān)注。環(huán)境惡化和能源緊缺的問題，使環(huán)保、安全和節(jié)能成為汽車制造業(yè)主要的發(fā)展方向。資料表明，汽車重量每降低100 kg，每百公里至少可節(jié)約1.6 L燃油[1]。汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能降耗的重要舉措，旨在保證汽車使用性能和碰撞性能的同時減輕汽車的重量。

汽車結(jié)構(gòu)件中超高強度鋼的應(yīng)用是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一[2]。但超高強度鋼在室溫下成形能力差，冷成形時易產(chǎn)生諸如開裂、起皺和回彈等缺陷。為了解決這些問題，熱沖壓成形技術(shù)應(yīng)運而生[3]。高強度熱沖壓件主要應(yīng)用在汽車上的A柱、B柱，保險杠，車頂縱梁等部件。

1 熱成形技術(shù)的發(fā)展歷程

熱成形技術(shù)是在生產(chǎn)一些簡單的汽車部件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，這項技術(shù)加速了高強鋼在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。熱成形鋼是一種適用于熱成形工藝生產(chǎn)的高強度含硼鋼。

1.1 熱成形技術(shù)簡介

熱沖壓成形的原理見圖1。先將料片于加熱爐內(nèi)加熱使之完全奧氏體化，然后迅速轉(zhuǎn)移至帶有內(nèi)部冷卻水道的熱成形模具中成形并保壓淬火，奧氏體通過模冷轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚姸鹊娜R氏體[4]。熱沖壓工藝主要由落料、奧氏體化、轉(zhuǎn)移、熱成形、后期噴丸、激光修邊等步驟組成。落料是根據(jù)所需零件外輪廓剪切板材的過程；在高溫加熱時鋼板處于奧氏體狀態(tài)，塑性很好，易于成形復(fù)雜零件。奧氏體化需將硼鋼板加熱到完全奧氏體化后保溫；加熱后硼板溫度高，只能通過程序設(shè)定的機械手將其從加熱爐轉(zhuǎn)移到熱成形模具中；熱成形工序采用內(nèi)部帶有冷卻水道的模具對定位在其中的紅熱鋼板同時進行沖壓成形和保壓淬火；后處理工藝包括對零件切邊、孔成形(一般用激光切割方式)以及表面清理。

圖1 熱成形工藝原理Fig.1 Hot forming process principle

1.2 熱成形的兩種方式

熱成形工藝分為直接熱成形和間接熱成形兩種[5]，如圖2所示。

直接熱成形是將鋼板置于加熱爐內(nèi)保溫幾分鐘，然后迅速轉(zhuǎn)移到模具中完成沖壓成形和保壓淬火的過程。此方法僅適用于形狀不太復(fù)雜的零件。當零件的拉延程度較深、形狀較為復(fù)雜時，一般采用間接熱成形工藝。間接熱成形先采用冷成形的方式將板料預(yù)成形，然后再將預(yù)成形件加熱到奧氏體化溫度以上，保溫后轉(zhuǎn)移到模具內(nèi)進行熱成形并淬火。

圖2 (a)直接熱沖壓和(b)間接熱沖壓成形工藝Fig.2 (a) Direct and (b) indirect hot stamping process

1.3 主要熱成形鋼的成分與組織

熱成形中使用最廣泛的22MnB5材料是一種低碳微合金含硼鋼，含有少量Ti、Cr、Mo、Cu、Ni等合金元素，添加了微量的硼元素以顯著提高鋼的淬透性，有利于獲得高強度的全馬氏體組織，B的添加量一般為15～30 μg/g。典型熱成形鋼牌號22MnB5的化學(xué)成分為0.22C- 1.2Mn- 0.2Si- 0.2Cr- 0.04Ti- 0.002B。添加微量B除增加鋼的淬透性還可提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變速度，使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線右移，孕育期延長，避免鐵素體和珠光體的形成。B元素主要通過奧氏體化時在晶界的偏聚來影響鐵素體的形核，從而提高鋼的強度。有學(xué)者認為，B元素降低了形核時的表面能，從而推遲了鐵素體形核。另一些學(xué)者認為，在奧氏體晶界處形成的Fe23(CB)6相阻止了鐵素體形核[6]。

熱成形鋼初始顯微組織為鐵素體加珠光體，抗拉強度低于700 MPa，斷后伸長率20%～30%，硬度低、塑性好、易于冷成形[7]。熱成形后轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體組織，屈服強度≥1 000 MPa，抗拉強度≥1 500 MPa，斷后伸長率≥5%，強度、硬度高，耐磨性好，熱成形過程中產(chǎn)品不易開裂、回彈小，尺寸精度高，很大程度上彌補了超高強度鋼冷成形時回彈大、易開裂等不足。

2 高強鋼熱沖壓成形技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外經(jīng)過幾十年的探索，熱成形技術(shù)已成熟，但由于技術(shù)封鎖，公開的資料不多。

2011年Amirkabir科技大學(xué)Malek Naderi等以4種不含硼的鋼為研究對象，采用水和氮氣兩種冷卻介質(zhì)進行熱沖壓試驗，發(fā)現(xiàn)，熱沖壓后馬氏體中含有一定量的鐵素體，對材料的延展性和成形性有利，但鐵素體的量過多則材料的強度和成形性能下降；無硼熱成形鋼水冷后有更高的成形能力，但成形均勻性差，氣冷可改善其不均勻性；板料的原始組織對熱沖壓件的性能有很大影響[8]。2012年Nikravesh等通過把22MnB5高強鋼板在不同冷卻速率下進行非等溫變形試驗，研究熱塑性變形和冷卻速度對材料組織轉(zhuǎn)變溫度的影響，供實際生產(chǎn)制定合理的工藝路線參考[9]。日本學(xué)者通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，獲得完全板條馬氏體組織的臨界冷卻速度為300 ℃/s，而且當溫度低于Ms后，降低冷速會使材料的硬度下降，這主要是自回火所致[10]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)熱沖壓成形技術(shù)的研究起步相對較晚，主要針對一些簡單制件的熱成形工藝進行研究。由于我國長期不具備自主知識產(chǎn)權(quán)的熱成形生產(chǎn)線和環(huán)境的局限性，所以熱成形方面的研究成果相對滯后，但近年的發(fā)展卻很迅猛。

同濟大學(xué)在工藝參數(shù)優(yōu)化、材料的高溫流變力學(xué)模型及高溫成形極限理論預(yù)測模型等方面對高強度硼鋼板進行了研究[11- 14]。吉林大學(xué)自2009年以來對熱成形進行了多方面研究，涉及奧氏體化加熱參數(shù)優(yōu)化等[4,15- 16]。上海大學(xué)聯(lián)合上海匯眾汽車制造有限公司進行的熱成形研究涉及1 500～1 800 MPa級別的熱成形鋼，具體研究內(nèi)容包括材料相變特性研究、熱成形工藝探索、熱成形仿真分析、熱成形零件試制、零件的熱成形工藝、組織和性能的關(guān)系研究。也對熱沖壓成形的馬氏體鋼進行了焊接物理模擬，分析不同焊接熱循環(huán)下熱成形鋼組織和性能的演變規(guī)律[17- 25]。此外，機械科學(xué)研究總院、大連理工大學(xué)、山東大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)在近幾年也對超高強鋼熱成形技術(shù)開展了一系列研究[26]。

國際國內(nèi)的熱成形技術(shù)研究促進了熱成形高強鋼在汽車等行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

3 熱成形的典型工藝和組織性能

3.1 典型工藝、組織及性能

國產(chǎn)22MnB5鋼板原始組織為鐵素體加珠光體。熱成形一般在860～930 ℃加熱保溫奧氏體化，經(jīng)熱成形后，完成奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，得到均勻的板條馬氏體組織，馬氏體相變的切變特性使晶內(nèi)產(chǎn)生高密度位錯，強度有效提升[27]。在930 ℃保溫4.5 min，初始成形溫度850 ℃，沖壓速度75 mm/s條件下，經(jīng)熱成形后，樣品力學(xué)性能達到屈服強度1 250 MPa，抗拉強度1 500 MPa，斷后伸長率5%以上，符合汽車結(jié)構(gòu)件強韌性要求。

3.2 熱沖壓工藝控制三要素

熱沖壓工藝有三個要素環(huán)節(jié)：(1)加熱保溫確保奧氏體化均勻；(2)快速沖壓保證相變前完成形變；(3) 快速冷卻保證馬氏體完全轉(zhuǎn)變。熱成形技術(shù)工藝參數(shù)多，在奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過程中，不同環(huán)節(jié)工藝參數(shù)的選擇決定了產(chǎn)品最終的綜合力學(xué)性能[18]。

3.3 22MnB5高強鋼的工藝特性

(1)連退工藝對22MnB5鋼性能的影響

王華等將原始態(tài)的鋼以10 ℃/s的速度加熱至某一溫度(680、700、720、740、760、780 ℃)保溫一段時間，隨后以一定速度冷卻至460 ℃保溫15 s，再以20 ℃/s的冷速淬火，觀察其顯微硬度變化[28]，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溫度退火的22MnB5鋼的顯微硬度Fig.3 Effect of annealing temperature on microhardness of 22MnB5 steel

(2)加熱溫度和保溫時間對組織的影響

章駿等研究了奧氏體化工藝(780、800、820、840、860、880、900和930 ℃，保溫5 min)對22MnB5鋼快冷后組織的影響[18]。發(fā)現(xiàn)，930、900和880 ℃奧氏體化后冷卻，只發(fā)生A→M轉(zhuǎn)變，馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度在350～400 ℃之間；860和840 ℃奧氏體化后冷卻，基本為A→M轉(zhuǎn)變，但高溫段至700～600 ℃左右膨脹曲線上可見有微微的傾斜，似有F析出的痕跡；820 ℃奧氏體化后冷卻，明顯有A→F以及A→M兩種相變發(fā)生;800和780 ℃奧氏體化后冷卻，沒有明顯的A→M轉(zhuǎn)變，只有高溫平衡相變發(fā)生。

姜超等將22MnB5鋼加熱至780、820、860、900和950 ℃保溫5 min，然后將鋼板移至帶冷卻水的模具中淬火，獲得最終零件[29]，其顯微組織如圖4所示?？梢婁摪宄跏冀M織為鐵素體加珠光體(見圖4(a))。780 ℃保溫5 min后淬火組織仍是鐵素體加珠光體，但晶粒細化(見圖4(b))；當加熱溫度超過鋼板的奧氏體化溫度，基體組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，隨著溫度的升高，鐵素體的體積分數(shù)下降，820 ℃及以上溫度保溫5 min后淬火的鋼板組織為馬氏體加鐵素體，見圖4(c)；860 ℃及以上溫度加熱保溫5 min后淬火，均獲得了全板條馬氏體組織。加熱溫度高于860 ℃，馬氏體晶粒尺寸隨加熱溫度升高而增大。所以當加熱溫度高于860 ℃時，可保證淬火后的組織為全馬氏體，如圖4(d)～4(f)所示。但更高的加熱溫度會使馬氏體粗大，強度和硬度下降。在860 ℃保溫不同時間后淬火，材料的抗拉強度和硬度變化如圖5所示?？梢姡S著保溫時間的延長，高溫奧氏體晶粒長大，淬火后馬氏體變粗，鋼的抗拉強度降低，硬度變化規(guī)律與抗拉強度基本一致。鋼板在860 ℃保溫3 min后的抗拉強度和硬度達到最高，分別為1 690 MPa和555 HV。綜上可知，22MnB5鋼的最佳熱處理工藝為860～900 ℃加熱保溫3～5 min。

圖4 原始態(tài)22MnB5鋼板和在不同溫度加熱保溫5 min淬火后的顯微組織[29]Fig.4 Microstructures for as- received and hot formed 22MnB5 steel sheets after soaking at different temperatures for 5 min followed by quenching[29]

4 熱沖壓成形新方法—變強度熱成形

根據(jù)德國紐倫堡大學(xué)Marion Merklein的研究，獲得變強度鋼板的方法主要有局部加熱法，差速冷卻法，板料分區(qū)法與退火。其核心思想是控制加熱或冷卻，或直接改變材料的厚度來獲得想要的性能[30]。各種變強度熱成形方法各有利弊。

4.1 局部加熱法

局部加熱法原理如圖6所示，該法根據(jù)零件各部位性能不同的要求，將需求馬氏體的區(qū)域材料加熱到高于Ac3的溫度,而其他區(qū)域保持在Ac3溫度以下從而防止全奧氏體化。眾所周知，在Ac3溫度以上材料會獲得全奧氏體相[31],此后進行淬火即得到馬氏體。因為汽車B柱下部區(qū)域如果是馬氏體則韌性不足，因此該法控制B柱軟區(qū)的升溫，保證此區(qū)不至于奧氏體化，這樣，其最終組織仍將保留具有良好韌性的鐵素體- 珠光體。

圖5 860 ℃保溫不同時間后淬火的22MnB5鋼的性能Fig.5 Mechnical properties of 22MnB5 steel after soaking at 860 ℃ for different times followed by quenching

圖6 局部加熱法Fig.6 Local heating method

4.2 差速冷卻法

差速冷卻法主要有控制模具溫度法、控制模具熱導(dǎo)率法及控制模具內(nèi)表面法等。其核心是通過控制鋼板各區(qū)以不同的冷速冷卻以得到不同的顯微組織，如圖7所示。

圖7 差速冷卻法Fig.7 Differential cooling method

可見，如果控制冷速大于27 K/s[32]，則最終可以得到全馬氏體組織；若冷速稍低，則可得到韌性稍好強度也較高的貝氏體組織；再降低冷速，則可以得到韌性很好的鐵素體加珠光體組織。差速冷卻法實施的手段有以下三種。

(1)控制模具溫度法

該方法的核心是通過控制模具與鋼板的溫度差來控制鋼板的冷卻行為。譚方培在其論文中大致闡述了該方法的核心[33]，控制模具的溫度不僅僅改變了熱傳導(dǎo)的速率，更重要的是限制了鋼板降溫程度?？梢詫⒛＞邷囟仍O(shè)定在馬氏體溫度以上，則最終得到的組織不會有馬氏體；如果將模具的溫度再升高至貝氏體轉(zhuǎn)變溫度線以上，則最終得到鐵素體- 珠光體組織。該方法比較簡便，易于實施。

(2)控制模具熱導(dǎo)率法

該方法使用不同熱導(dǎo)率的模具材料來控制部件的冷卻速率和力學(xué)性能。核心問題就是單純地控制冷速，采用熱導(dǎo)率較大的材料則鋼板冷卻速率較大，容易形成馬氏體，即在鋼板的上部模具采用熱導(dǎo)率較大的材料；而在鋼板即B柱下部的軟區(qū)則采用熱導(dǎo)率較低的材料。該方法成本及對模具的要求較高。

(3)控制模具內(nèi)表面法

該方法與控制模具熱導(dǎo)率法類似，其核心依舊是通過控制冷速來得到所需的組織。但該方法更經(jīng)濟，通過改變模具與鋼板之間的間隙來調(diào)整鋼板的冷速。華中科技大學(xué)喻苗研究了模具與鋼板之間的接觸應(yīng)力與留空對于熱導(dǎo)率的影響[34]，隨著接觸應(yīng)力的增加，鋼板的熱導(dǎo)率增加；同時，隨著鋼板與模具間空隙的增大，熱導(dǎo)率降低，冷速下降。此法的本質(zhì)就是通過改變材料的冷卻速率來控制最終的組織。示意圖見圖8。

圖8 接觸應(yīng)力與空隙對熱導(dǎo)率的影響Fig.8 Influence of contact stress and gap on the thermal conductivity

4.3 拼焊板法

該方法是通過選擇不同材料的拼焊板來定制和調(diào)節(jié)最終部件不同部位的性能。高強度區(qū)通常采用硼鋼，軟區(qū)則采用不易淬火的鋼種，如H340LAD(Lamprecht )[35]。該方法的問題，是使用鋁硅鍍層板制成拼焊板時，鋁和硅的金屬間化合物相(主要是AlFe相，固溶了大量的Si)易在焊接時向焊縫發(fā)展，導(dǎo)致焊縫的性能下降。為了消除這種負面影響，所用坯料需在拼焊前局部去鍍層[36]。

4.4 變截面板法

變截面板法如圖9所示。其核心是通過改變料片的截面厚度來滿足零件不同區(qū)域?qū)π阅艿牟煌?。厚區(qū)強度較高，薄區(qū)韌性較好。

圖9 變截面板法熱成形Fig.9 Variable cross- section sheet hot forming method

熱成形鋼具有良好的綜合力學(xué)性能、熱沖壓性能和焊接性能。但是在成形性能、模擬仿真技術(shù)、鍍層技術(shù)、鍍層致脆等方面[21]仍存在很多問題待突破。

5 總結(jié)和展望

隨著熱沖壓工藝技術(shù)的不斷創(chuàng)新，研究成果和數(shù)據(jù)積累日益增多，各種熱成形新方法在汽車行業(yè)的應(yīng)用將不斷擴大，促進汽車輕量化的實現(xiàn)。同時熱成形技術(shù)也將會在國防、航空航天等領(lǐng)域中得到更為廣泛的應(yīng)用。

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收修改稿日期：2017- 06- 15

HotStampingFormingTechnologyandItsLatestResearchProgress

Huang Dapeng1Yang Guoqing2Zhang Mei2Li Lin2
(1. Angang Steel Automotive Steel Marketing Service Center, Angang Steel Company Limited, Anshan Liaoning 114021, China;2. School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

In improving the safety and lightweight of car body impact, ultra- high strength steel(UHSS) has obvious advantages and is continuously applied in the field of automotive manufacturing. As an emerging technology, hot stamping of ultra- high strength steel sheet has technical blockade and monopoly. Research progress of hot stamping technology, including the chemical composition of hot stamping steel, the addition of micro- alloy element boron and its role, typical hot forming procedures, three key factors in hot stamping procedure, comparisons of microstructure, performance and transformation characteristics of typical hot stamping steels before and after hot forming, especially in varying strength hot stamping part manufacturing, is introduced. The advantages and problems of innovation tailored strength hot stamping technology are discussed. It is pointed out that the hot stamping technology will be the direction of the future development.

ultra high strength steel，hot stamping，automotive lightweight

國家自然科學(xué)基金資助項目(50934011，50971137)

黃大鵬，男，工程師，碩士，主要從事汽車鋼板的開發(fā)與研制

張梅，博士，Email: zhangmei3721@shu.edu.cn