淺析汽車高強(qiáng)鋼及鋁合金成型工藝

張 鵬 張 瑾* 徐樹杰 劉雪峰

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300）

1 概述

當(dāng)前汽車輕量化發(fā)展的大趨勢下，高強(qiáng)鋼和鋁合金成為使用比重較高的兩種材料，按照工藝的不同，高強(qiáng)鋼包括雙相鋼（DP 鋼）、復(fù)相鋼（CP 鋼）、鐵素體- 貝氏體鋼（FB 鋼）、馬氏體剛（MS 鋼）、相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP 鋼）、熱成型鋼（PH 鋼）和孿生誘發(fā)塑性鋼（TWIP 鋼）等種類[1]，而車用鋁合金主要分為鑄造和變形鋁合金兩部分。

其中，第一代和第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼可以滿足部分汽車部件的性能要求。例如，雙相鋼和TRIP 鋼具有很好的吸能性能，可用于生產(chǎn)汽車的碰撞區(qū)部件，起到一個(gè)吸能緩沖的作用[2]；強(qiáng)度極高的馬氏體剛和硼鋼則被用于生產(chǎn)艙體部件，以保證安全性能[3]。能夠?qū)崿F(xiàn)汽車輕量化的成型工藝包括主要有高強(qiáng)度鋼的熱沖壓成型、液壓成型、輥壓成型、激光拼焊成型等，鋁、鎂合金等的半固態(tài)成型、高真空壓鑄、等溫?cái)D壓和等溫鍛造等，非金屬復(fù)合材料的在線模塑成型、在線注射成型、在線模壓成型等[4]。

2 高強(qiáng)鋼熱成型工藝

所謂熱成型，全稱為熱沖壓成型，是近年來出現(xiàn)的一項(xiàng)專門用于汽車高強(qiáng)度鋼板沖壓成型件的新技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)工藝之一。熱沖壓成型起步于高強(qiáng)度鋼板。熱成型技術(shù)是利用熱處理和高溫成型方式實(shí)現(xiàn)最終零部件強(qiáng)度提升，主要分為直接成型和間接成型兩種工藝制造技術(shù)；具有成型精度高、成型性好等突出優(yōu)點(diǎn)，適用于汽車中對于安全性要求較高的零部件，如防撞梁、A、B、C 柱加強(qiáng)板等[5]。

高強(qiáng)度鋼代替低碳鋼等低強(qiáng)度鋼材雖然有助于汽車重量的減輕，但也給汽車制造帶來新的困難。隨著屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的提高，高強(qiáng)度鋼的沖壓成型性能在不斷下降，各種成型缺陷凸顯，不僅需要非常大的成型力，而且回彈特別嚴(yán)重，很難保證制件的尺寸精度[7]。在這種情況下，既要獲得制件的超高強(qiáng)度，又要改善高強(qiáng)度鋼的成型性，熱沖壓成型技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。即鋼板的強(qiáng)度越高，成型難度越大，當(dāng)強(qiáng)度超過1000MPa 以上時(shí)，對于一些幾何形狀比較復(fù)雜的零件，使用常見的冷沖壓工藝幾乎無法成型[8]。而采用熱沖壓成型技術(shù)制得的沖壓件強(qiáng)度可高達(dá)1500Mpa，且在高溫下成型幾乎沒有回彈，具有成型精度高、成型性好等突出優(yōu)點(diǎn)，這使得熱成型技術(shù)逐漸成為汽車制造領(lǐng)域內(nèi)的熱門技術(shù)，廣泛用于車門防撞梁、前后保險(xiǎn)杠等安全件以及A 柱、B 柱、C 柱、中通道等車體結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。

表1 熱沖壓成型技術(shù)的優(yōu)勢與劣勢[6]

總結(jié)來看，熱成型技術(shù)的優(yōu)勢在于[9]：得到超高強(qiáng)度的車身零件，減輕車身重量，提高車身安全性、舒適性，改善沖壓成型性、控制回彈、提高零件尺寸精度，高溫時(shí)材料屈服強(qiáng)度降低、對沖壓所需壓機(jī)噸位的要求也相應(yīng)降低，提高焊接性、表面硬度、抗凹性和耐腐蝕性等等。而不足之處為：設(shè)備投資大，模具設(shè)計(jì)和加工復(fù)雜，制造、保養(yǎng)成本高，零件單件成本相對較高，零件連接技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)等等[10-12]。

熱成型技術(shù)是在傳統(tǒng)沖壓工藝的基礎(chǔ)上結(jié)合熱鍛技術(shù)特點(diǎn)，對材料進(jìn)行加熱處理后再進(jìn)行產(chǎn)品成型制造。由于首先將板料加熱至完全奧氏體化溫度，再在磨具內(nèi)成型淬火，故沖壓熱處理可一次性完成。

3 鋁合金應(yīng)用及成型工藝

鋁合金可替代大部分零部件，汽車用鋼鐵比重較大，其中大部分鋼鐵材料零部件可以用鋁合金代替，包括發(fā)動機(jī)、輪轂、熱交換器、車身、轉(zhuǎn)向軸、變速器支架、儀表板結(jié)構(gòu)、懸架副車架等。鋁合金目前在變速箱、輪轂、熱交換器等領(lǐng)域滲透率較高，未來隨著車身用鋁技術(shù)的提升，汽車發(fā)動機(jī)、車身等用鋁量有望逐步提升[13-17]。

圖1 鋁材替代鑄鐵件的質(zhì)量對比[18-21]

圖2 鋁材替代鋼制件的質(zhì)量對比[18-21]

鋁合金是僅次于鋼材的汽車用金屬材料，汽車用鋁可分為兩大部分：鋁合金和鋁基復(fù)合材料；而車用鋁合金又分為鑄造和變形鋁合金兩部分。其中，鑄造鋁合金是由液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，即為液態(tài)成型；變形鋁合金則是由固態(tài)粉末變固態(tài)金屬，即為固態(tài)成型[22]。

圖3 液壓成型

圖4 固態(tài)成型

目前，鋁合金在汽車中應(yīng)用的形式有鑄造鋁合金、鍛造鋁合金、擠壓鋁合金、鋁合金板材4 種。鑄造鋁合金中又分為砂型鑄造、消失模鑄造、半固態(tài)鑄造、擠壓鑄造以及永久模鑄造等形式[23]。鑄造鋁合金常用材料牌號為A356，其鑄態(tài)金相結(jié)構(gòu)中的樹枝狀結(jié)晶組織，影響了鑄件的強(qiáng)度和韌性皮牌，限制了在運(yùn)動構(gòu)件中的應(yīng)用；優(yōu)化成分后，有望代替做商用車的車輪，降低成本。鍛造鋁合金在汽車中有廣泛的應(yīng)用前景，如懸架支撐和車輪等；商用車車輪應(yīng)用后，節(jié)能減排效果明顯。擠壓鋁合金工藝簡便、界面形狀可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，多用于乘用車的前后保險(xiǎn)杠；既可以滿足沖擊、吸能的要求，又能減少構(gòu)件重量，減重率達(dá)40%～50%。形變鋁合金板材則多用于車身覆蓋件以及前后保險(xiǎn)杠防撞梁。

隨著鋁合金零部件的完善并投入使用，車用鋁合金技術(shù)的逐漸成熟，各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能符合要求的鑄造件、擠壓件能夠批量生產(chǎn)，技術(shù)進(jìn)步帶動的成本下降，更多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的鋁合金零部件將引入到汽車上[24-25]。

4 結(jié)論

在發(fā)展新能源汽車、提升節(jié)能技術(shù)的同時(shí)，輕量化技術(shù)已經(jīng)成為汽車企業(yè)應(yīng)對節(jié)能減排的有效舉措。相對傳統(tǒng)燃油車，電動汽車增長迅猛，對材料價(jià)格的敏感性更低，對鋁合金等輕型材料的需求也更大。預(yù)計(jì)未來，隨著技術(shù)的普及以及成本的下降，鋁合金車身的滲透率將逐步由中高端車往下逐步滲透，提升單車用鋁量。如果充分發(fā)揮鋁合金的應(yīng)用潛力，單車用鋁量可達(dá)454Kg。