超高强度钢板冲压件热成形工艺
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与传统冷冲压工艺相比，该工 艺有如下诸多优点。
（1）成形后零件强度等性能指
2009年第4期
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 15
生
SHOP
产现场
SOLUTION
种特殊的具有自硬 同于传统冷冲压成形的板料成形新
性的硼合金高强度 技术，工艺参数纵多，工艺过程复
钢 板 。 和 现 在 的 杂，包括加热、成形和冷却等多个
转变成马氏体，强度、硬 转变成马氏体，实现强化。但是这
度等指标大幅度提高，屈 种相变与冷却速度有关，只有在冷
图3 两种工艺成形件对比
服强度可以达到1 000 MPa以上，抗 却速度超过某一临界数值后，才能
（4）高温下材料变形阻力小， 拉强度达到1 500 MPa，硬度可以 使奥氏体转变成马氏体，否则冷却
另外，由于热成形工艺还在其 他诸多方面与传统冷冲压工艺存在 较大的区别，比如在成形件的设计 方法以及工艺调试方法等方面，热 成形工艺都有其独特的一面，这些 都会对热成形过程以及成形件的质 量有很大影响，所以实践中直接沿 用冷冲压工艺中的方法和手段不一 定能处理好热成形的相关问题，而 是需要认真分析总结，不断通过试 验等手段开发探讨更适合于热成形 的技术方法和措施。
这 些 钢 板 常 温 下 保持在再结晶温度以上，以确保板
标大幅度提高。
强度就很高，并且通常都采用冷冲 料奥氏体化，但是加热温度不能过
（2）高温下材料塑性好，成形 压工艺制造零部件，成形前后零件 高，否则会导致板料表面过烧和晶
能力强，可成形冷冲压无法成形的 的微观组织没有变化，强度等指标 粒长大，影响淬火后的零件质量和
复杂零件，也可将冷冲压需要多道 基本上保持不变。而热成形工艺中 性能。保温时间影响奥氏体化的均
工序、多套模具成形的零件一次成 使用的硼合金钢板是一种低碳微合 匀性，板料加热到指定温度后应该
形，还可将几个冷冲压件合成一个 金钢，添加了一定量的B元素，提高 保温一段时间，以促进奥氏体化进
件一次成形(比如运用热冲压工艺 了钢板的淬火性能，成形后发生相 程，但是保温时间不能过长，否则
艺。图1a所示的是直接工艺，下料 后，直接把钢板加热然后冲压成形， 主要用于形状比较简单变形程度不大 的工件。对于一些形状复杂的或者拉 深深度较大的工件，则需要采用间接
(a) 直接工艺
(b) 间接工艺 图1 热冲压成形工艺原理 工艺，先把下好料的钢板预变形，然 后再加热实施热冲压，如图1b。可 用高强钢制造的车体构件如图2。
热成形技术是近年来出现的一 项专门用于成形高强度钢板冲压件 的新技术，该项技术以板料在红热 状态下冲压成形并同时在模具内被 冷却淬火为特征，可以成形强度高 达1 500 MPa的冲压件，广泛用于 车门防撞梁、前后保险杠等保安件 以及A柱、B柱、C柱、中通道等 车体结构件的生产。由于具有减轻 质量和提高安全性的双重优势，目 前，这一技术在德国、美国等工业 发达国家发展迅速，并开发出商品 化的高强钢热冲压件生产线，高强 钢热冲压件在车辆生产中应用也很
成形所无法比拟的，如图3。
高，抗拉强度仅有500~700 MPa， 的过多热量损失以及过快的温度下
塑性、可成形性等性能也 降。因此，热冲压工艺中要采用能
很好，而通过热成形工艺 够实现高速成形较快的液压机。
的加热、成形、冷却后，
在冷却阶段，成形件被模具表
成形件被淬火，微观组织 面冷却淬火，发生相变，使奥氏体
可以把Honda越野车油箱防护罩的 变，强度等指标成倍提高。另外， 也会导致晶粒长大，恶化零件力学
5个件整合成3个件，减少零件数量 还添加了Ti、Cr、Mo、Cu、Ni等多 性能，另外还增加了生产周期，降
40%)，因此需要模具数量少，成本 种合金微量元素，因而提高了材料 低生产效率。
低，周期短。
的屈服强度以及其他力学性能，材
双相钢（DP）、 关键技术环节。为了实现奥氏体向
相 变 诱 导 塑 性 钢 马氏体的转变，确保产品的力学性
（TRIP）、复相 能，不同环节的工艺参数的选择是
钢 （ C P ） 、 马 氏 至关重要的。
体钢(Mart)等汽车
加热阶段的主要工艺参数是加
高强度钢板不同， 热温度和保温时间。加热温度应该
图2 可用高强度钢板热成形技术制造的车身构件
在成形阶段，板料须在奥氏体
（3）高温下成形没有回弹，完 料力学性能也很稳定。表1是典型 状态下冲压成形，需要采用较高成
全消除了回弹对零件形状的影响， 的热冲压成形钢板22MnB5的主要 形速度，使工件瞬间内被快速成
实现高精度成形，这是常规冷冲压 成分，这种钢板常温下的强度不很 形，以避免因成形速度过慢而带来
C
Mn
Biblioteka Baidu
Si
Ti
Al Cr
% 保奥氏体向马氏 B 体的转变，模具
0.22
1.20 0.20 0.03 0.03 0.20 0.035 对 成 形 件 的 冷 却
16 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M
2009年第4期
生
SHOP
产现场
SOLUTION
速度必须大于这个值，为此要提高 冷却介质的循环压力和循环速度， 及时带走模具表面的热量，也使成 形件各处冷却效果保持相同，使热 应力分布均匀，同时要使冷却介质 保持在一定的温度范围内。但是并 非冷却速度越高越好，过高的冷却 速度将导致成形件的开裂。 3.3 热冲压模具
成形力小，所需压力机吨位小，温 达到50 HRC。但是塑性指标明显下 速度过低成形件中将会出现贝氏体
热成形压机吨位一般在800 t以内， 降，比如成形前这种高强度硼合金 等其他组织，影响成形件的强度提
冷成形压机在2 500 t以上，因此可 钢板的伸长率一般在24%以上，而 高。研究表明，热冲压工艺中，实
在模具凸凹模设计方面，不能 照搬冷冲压模具的设计方法，首先 热冲压工艺中回弹很小，几乎无须 考虑回弹对零件形状的影响，另外 还需考虑热胀冷缩对零件最终尺寸 和形状的影响，并以此为基础设计 凸、凹模的关键尺寸。
在冷却机构设计方面，冷却系 统必须保证模具对零件的快速、均
匀冷却，冷却管的总体布局、形 状、直径、冷却管与模具工作表 面、非工作表面以及冷却管之间的 距离、冷却系统密封等都是冷却机 构设计的关键所在，也是热冲压模 具设计的最重要技术之一。设计冷 却管道系统时，可以结合数值模拟 技术对各管道内的冷却介质的流动 情况进行模拟分析，使各管道都具 有相同的冷却效率，保证冷却的均 匀性。
生
SHOP
产现场
SOLUTION
超高强度钢板冲压件热成形工艺
热成形技术是近年来出现的一项专门用于生产汽车高强度钢板冲压件的先进制造技术。 本文介绍了该技术的原理，讨论了材料、工艺参数、模具等热成形工艺的主要影响因素，完 成了汽车典型件热成形工艺试验试制，获得了合格的成形件。检测结果表明，成形件的微观 组织为理想的条状马氏体，其抗拉强度、硬度等性能指标满足生产要求。
以大幅削减设备投资，减少能耗。 成形后零件的伸长率只有8%左右。 现奥氏体向马氏体转变的最小冷却
3 热冲压成形工艺的主要影 响因素
3.1 材料 热冲压成形工艺中采用的是一
3.2 工艺参数
速度（或者称为临界冷却速度）为
热冲压成形技术是一项完全不 27 ℃/s。因此热冲压工艺中为了确
表1 试验用硼合金钢板的主要化学成分
吉林大学材料学院 谷诤巍 姜 超 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 单忠德 徐 虹
1 前言
在降低油耗、减少排放的诸多 措施中，减轻车重的效果最为明 显，车重减轻10%，可节省燃油 3%~7%，因此塑料、铝合金、高强 度钢板等替代材料在车辆制造中开 始使用。其中，高强度钢板可以通 过减小板厚或者截面尺寸等方式减 轻零件质量，在实现车辆轻量化和 提高安全性方面比其他材料有明显 优势，可以同时满足实现轻量化和 提高安全性的要求，因此其在汽车 领域内的应用越来越广泛。
图5 高强钢热成形的试验件
4 热成形试验及结果
选取某型汽车加强板为典型 件，进行热冲压成形试验。试验用 钢板材料为低碳硼合金钢22MnB5。 开发了带有冷却管道的热成形模 具，如图4。试验过程如下：首先在 经过改造的加热炉内将钢板加热到 900 ℃，并保温5 min，使钢板被均 匀奥氏体化，为了防止钢板表面被
广泛。国内汽车业对该项技术也十 分认同，并有少数几个单位从国外 耗巨资引入了相关技术与生产线， 为一汽-大众等汽车制造公司的部分 车型配套热冲压件，关于该项技术 的研究工作也已经开始。本 文阐述了热冲压成形工艺原 理，对典型冲压件的热冲压 成形工艺进行试验研究。
2 热冲压成形工艺原 理
热成形工艺原理如图 1。首先把常温下强度为 500~600 MPa的高强度硼 合金钢板加热到880~950 ℃，使之均匀奥氏体化， 然后送入内部带有冷却系 统的模具内冲压成形，之 后保压快速冷却淬火，使 奥氏体转变成马氏体，成 形件因而得到强化硬化， 强度大幅度提高。比如经过模具内 的冷却淬火，冲压件强度可以达到 1 500 MPa，强度提高了250%以 上，因此该项技术又被称为“冲压硬 化”技术。实际生产中，热冲压工艺 又分为两种，即直接工艺和间接工
图6 试验获得的热成形件的微观组织
AT &M
图4 带冷却系统的热成形模具
2009年第4期
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 17
氧化，加热前在钢板表面涂覆了保 护层；钢板被加热好后，迅速放入 带有冷却管道的冲压模具上，液压 机快速下行实施冲压成形，模具完 全闭合后液压机保压10 s，使钢板 在模具内保压定形并被充分冷却淬 火，实现奥氏体向马氏体的充分转 变。图5是获得的试验件。对成形件 切块取样进行微观组织分析，结果 表明淬火后成形件组织为板条状马 氏体，如图6。对成形件的拉伸力 学性能进行了检测，其屈服强度达 到1 036 MPa，抗拉强度达到1 547 MPa。硬度检测结果表明，成形件 硬度分布较为均匀，平均硬度达到 47.7 HRC，完全达到高强钢热冲压 件的产品性能要求。
冷冲压模具仅用于零件的成 形，而热冲压模具不但用于成形， 还要用于给零件冷却淬火，因此其 模具更加复杂，对模具材料选择、 模具设计等方面提出了更加严格的 要求。
在模具材料选择方面，热冲压 模具材料首先要有良好热传导系 数，确保钢板与模具表面之间的快 速传热，实现良好的冷却功能。模 具材料还要具备良好的热强度、热 硬度、高的耐磨性和热疲劳性，保 证在成形高温板料时，模具尺寸精 度稳定，表面硬度良好，能够承受 坚硬氧化皮及强烈热摩擦带来的磨 损，能够在剧烈的冷热交变作用下 具有良好的使用寿命。另外模具材 料还需具有良好的耐锈蚀性，保证 模具内部冷却管道不被冷却介质锈 蚀堵塞，因此国外一些热冲压模具 材料中都有较高含量的Ni和Cr。在 模具材料选择时，一般要根据具体 工作情况，参照热锻用热作模具钢 进行选择。
（1）成形后零件强度等性能指
2009年第4期
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 15
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SOLUTION
种特殊的具有自硬 同于传统冷冲压成形的板料成形新
性的硼合金高强度 技术，工艺参数纵多，工艺过程复
钢 板 。 和 现 在 的 杂，包括加热、成形和冷却等多个
转变成马氏体，强度、硬 转变成马氏体，实现强化。但是这
度等指标大幅度提高，屈 种相变与冷却速度有关，只有在冷
图3 两种工艺成形件对比
服强度可以达到1 000 MPa以上，抗 却速度超过某一临界数值后，才能
（4）高温下材料变形阻力小， 拉强度达到1 500 MPa，硬度可以 使奥氏体转变成马氏体，否则冷却
另外，由于热成形工艺还在其 他诸多方面与传统冷冲压工艺存在 较大的区别，比如在成形件的设计 方法以及工艺调试方法等方面，热 成形工艺都有其独特的一面，这些 都会对热成形过程以及成形件的质 量有很大影响，所以实践中直接沿 用冷冲压工艺中的方法和手段不一 定能处理好热成形的相关问题，而 是需要认真分析总结，不断通过试 验等手段开发探讨更适合于热成形 的技术方法和措施。
这 些 钢 板 常 温 下 保持在再结晶温度以上，以确保板
标大幅度提高。
强度就很高，并且通常都采用冷冲 料奥氏体化，但是加热温度不能过
（2）高温下材料塑性好，成形 压工艺制造零部件，成形前后零件 高，否则会导致板料表面过烧和晶
能力强，可成形冷冲压无法成形的 的微观组织没有变化，强度等指标 粒长大，影响淬火后的零件质量和
复杂零件，也可将冷冲压需要多道 基本上保持不变。而热成形工艺中 性能。保温时间影响奥氏体化的均
工序、多套模具成形的零件一次成 使用的硼合金钢板是一种低碳微合 匀性，板料加热到指定温度后应该
形，还可将几个冷冲压件合成一个 金钢，添加了一定量的B元素，提高 保温一段时间，以促进奥氏体化进
件一次成形(比如运用热冲压工艺 了钢板的淬火性能，成形后发生相 程，但是保温时间不能过长，否则
艺。图1a所示的是直接工艺，下料 后，直接把钢板加热然后冲压成形， 主要用于形状比较简单变形程度不大 的工件。对于一些形状复杂的或者拉 深深度较大的工件，则需要采用间接
(a) 直接工艺
(b) 间接工艺 图1 热冲压成形工艺原理 工艺，先把下好料的钢板预变形，然 后再加热实施热冲压，如图1b。可 用高强钢制造的车体构件如图2。
热成形技术是近年来出现的一 项专门用于成形高强度钢板冲压件 的新技术，该项技术以板料在红热 状态下冲压成形并同时在模具内被 冷却淬火为特征，可以成形强度高 达1 500 MPa的冲压件，广泛用于 车门防撞梁、前后保险杠等保安件 以及A柱、B柱、C柱、中通道等 车体结构件的生产。由于具有减轻 质量和提高安全性的双重优势，目 前，这一技术在德国、美国等工业 发达国家发展迅速，并开发出商品 化的高强钢热冲压件生产线，高强 钢热冲压件在车辆生产中应用也很
成形所无法比拟的，如图3。
高，抗拉强度仅有500~700 MPa， 的过多热量损失以及过快的温度下
塑性、可成形性等性能也 降。因此，热冲压工艺中要采用能
很好，而通过热成形工艺 够实现高速成形较快的液压机。
的加热、成形、冷却后，
在冷却阶段，成形件被模具表
成形件被淬火，微观组织 面冷却淬火，发生相变，使奥氏体
可以把Honda越野车油箱防护罩的 变，强度等指标成倍提高。另外， 也会导致晶粒长大，恶化零件力学
5个件整合成3个件，减少零件数量 还添加了Ti、Cr、Mo、Cu、Ni等多 性能，另外还增加了生产周期，降
40%)，因此需要模具数量少，成本 种合金微量元素，因而提高了材料 低生产效率。
低，周期短。
的屈服强度以及其他力学性能，材
双相钢（DP）、 关键技术环节。为了实现奥氏体向
相 变 诱 导 塑 性 钢 马氏体的转变，确保产品的力学性
（TRIP）、复相 能，不同环节的工艺参数的选择是
钢 （ C P ） 、 马 氏 至关重要的。
体钢(Mart)等汽车
加热阶段的主要工艺参数是加
高强度钢板不同， 热温度和保温时间。加热温度应该
图2 可用高强度钢板热成形技术制造的车身构件
在成形阶段，板料须在奥氏体
（3）高温下成形没有回弹，完 料力学性能也很稳定。表1是典型 状态下冲压成形，需要采用较高成
全消除了回弹对零件形状的影响， 的热冲压成形钢板22MnB5的主要 形速度，使工件瞬间内被快速成
实现高精度成形，这是常规冷冲压 成分，这种钢板常温下的强度不很 形，以避免因成形速度过慢而带来
C
Mn
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Si
Ti
Al Cr
% 保奥氏体向马氏 B 体的转变，模具
0.22
1.20 0.20 0.03 0.03 0.20 0.035 对 成 形 件 的 冷 却
16 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M
2009年第4期
生
SHOP
产现场
SOLUTION
速度必须大于这个值，为此要提高 冷却介质的循环压力和循环速度， 及时带走模具表面的热量，也使成 形件各处冷却效果保持相同，使热 应力分布均匀，同时要使冷却介质 保持在一定的温度范围内。但是并 非冷却速度越高越好，过高的冷却 速度将导致成形件的开裂。 3.3 热冲压模具
成形力小，所需压力机吨位小，温 达到50 HRC。但是塑性指标明显下 速度过低成形件中将会出现贝氏体
热成形压机吨位一般在800 t以内， 降，比如成形前这种高强度硼合金 等其他组织，影响成形件的强度提
冷成形压机在2 500 t以上，因此可 钢板的伸长率一般在24%以上，而 高。研究表明，热冲压工艺中，实
在模具凸凹模设计方面，不能 照搬冷冲压模具的设计方法，首先 热冲压工艺中回弹很小，几乎无须 考虑回弹对零件形状的影响，另外 还需考虑热胀冷缩对零件最终尺寸 和形状的影响，并以此为基础设计 凸、凹模的关键尺寸。
在冷却机构设计方面，冷却系 统必须保证模具对零件的快速、均
匀冷却，冷却管的总体布局、形 状、直径、冷却管与模具工作表 面、非工作表面以及冷却管之间的 距离、冷却系统密封等都是冷却机 构设计的关键所在，也是热冲压模 具设计的最重要技术之一。设计冷 却管道系统时，可以结合数值模拟 技术对各管道内的冷却介质的流动 情况进行模拟分析，使各管道都具 有相同的冷却效率，保证冷却的均 匀性。
生
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产现场
SOLUTION
超高强度钢板冲压件热成形工艺
热成形技术是近年来出现的一项专门用于生产汽车高强度钢板冲压件的先进制造技术。 本文介绍了该技术的原理，讨论了材料、工艺参数、模具等热成形工艺的主要影响因素，完 成了汽车典型件热成形工艺试验试制，获得了合格的成形件。检测结果表明，成形件的微观 组织为理想的条状马氏体，其抗拉强度、硬度等性能指标满足生产要求。
以大幅削减设备投资，减少能耗。 成形后零件的伸长率只有8%左右。 现奥氏体向马氏体转变的最小冷却
3 热冲压成形工艺的主要影 响因素
3.1 材料 热冲压成形工艺中采用的是一
3.2 工艺参数
速度（或者称为临界冷却速度）为
热冲压成形技术是一项完全不 27 ℃/s。因此热冲压工艺中为了确
表1 试验用硼合金钢板的主要化学成分
吉林大学材料学院 谷诤巍 姜 超 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 单忠德 徐 虹
1 前言
在降低油耗、减少排放的诸多 措施中，减轻车重的效果最为明 显，车重减轻10%，可节省燃油 3%~7%，因此塑料、铝合金、高强 度钢板等替代材料在车辆制造中开 始使用。其中，高强度钢板可以通 过减小板厚或者截面尺寸等方式减 轻零件质量，在实现车辆轻量化和 提高安全性方面比其他材料有明显 优势，可以同时满足实现轻量化和 提高安全性的要求，因此其在汽车 领域内的应用越来越广泛。
图5 高强钢热成形的试验件
4 热成形试验及结果
选取某型汽车加强板为典型 件，进行热冲压成形试验。试验用 钢板材料为低碳硼合金钢22MnB5。 开发了带有冷却管道的热成形模 具，如图4。试验过程如下：首先在 经过改造的加热炉内将钢板加热到 900 ℃，并保温5 min，使钢板被均 匀奥氏体化，为了防止钢板表面被
广泛。国内汽车业对该项技术也十 分认同，并有少数几个单位从国外 耗巨资引入了相关技术与生产线， 为一汽-大众等汽车制造公司的部分 车型配套热冲压件，关于该项技术 的研究工作也已经开始。本 文阐述了热冲压成形工艺原 理，对典型冲压件的热冲压 成形工艺进行试验研究。
2 热冲压成形工艺原 理
热成形工艺原理如图 1。首先把常温下强度为 500~600 MPa的高强度硼 合金钢板加热到880~950 ℃，使之均匀奥氏体化， 然后送入内部带有冷却系 统的模具内冲压成形，之 后保压快速冷却淬火，使 奥氏体转变成马氏体，成 形件因而得到强化硬化， 强度大幅度提高。比如经过模具内 的冷却淬火，冲压件强度可以达到 1 500 MPa，强度提高了250%以 上，因此该项技术又被称为“冲压硬 化”技术。实际生产中，热冲压工艺 又分为两种，即直接工艺和间接工
图6 试验获得的热成形件的微观组织
AT &M
图4 带冷却系统的热成形模具
2009年第4期
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 17
氧化，加热前在钢板表面涂覆了保 护层；钢板被加热好后，迅速放入 带有冷却管道的冲压模具上，液压 机快速下行实施冲压成形，模具完 全闭合后液压机保压10 s，使钢板 在模具内保压定形并被充分冷却淬 火，实现奥氏体向马氏体的充分转 变。图5是获得的试验件。对成形件 切块取样进行微观组织分析，结果 表明淬火后成形件组织为板条状马 氏体，如图6。对成形件的拉伸力 学性能进行了检测，其屈服强度达 到1 036 MPa，抗拉强度达到1 547 MPa。硬度检测结果表明，成形件 硬度分布较为均匀，平均硬度达到 47.7 HRC，完全达到高强钢热冲压 件的产品性能要求。
冷冲压模具仅用于零件的成 形，而热冲压模具不但用于成形， 还要用于给零件冷却淬火，因此其 模具更加复杂，对模具材料选择、 模具设计等方面提出了更加严格的 要求。
在模具材料选择方面，热冲压 模具材料首先要有良好热传导系 数，确保钢板与模具表面之间的快 速传热，实现良好的冷却功能。模 具材料还要具备良好的热强度、热 硬度、高的耐磨性和热疲劳性，保 证在成形高温板料时，模具尺寸精 度稳定，表面硬度良好，能够承受 坚硬氧化皮及强烈热摩擦带来的磨 损，能够在剧烈的冷热交变作用下 具有良好的使用寿命。另外模具材 料还需具有良好的耐锈蚀性，保证 模具内部冷却管道不被冷却介质锈 蚀堵塞，因此国外一些热冲压模具 材料中都有较高含量的Ni和Cr。在 模具材料选择时，一般要根据具体 工作情况，参照热锻用热作模具钢 进行选择。