热成型技术

汽车技术

汽车用高强度钢热成型技术*

【摘要】高强度钢的热成型技术可解决传统成型高强度钢板在汽车车身制造中遇到的各种问题。介绍了汽车用

高强度钢热成型的加工工艺、加工关键技术、热成型零件的检测方法以及国内外的研究现状。以用于热冲压成型的

高强度钢——硼钢为例，对我国热成型技术的应用情况及未来热成型技术需要解决的问题进行了阐述。

主题词：高强度钢板热成型硼钢

1 汽车用热成型高强度钢

长期以来，钢铁一直是汽车工业的基础，虽然汽

车制造中铝合金、镁合金、塑料及复合材料的用量不

断增加，但高强度钢以其具有的高减重潜力、高碰撞

吸收能、高疲劳强度、高成型性及低平面各向异性等

优势[1,2]，已经成为汽车工业轻量化的主要材料。21

世纪的汽车行业以降低燃料消耗、减少CO2

和废气

排放成为社会的主要需求，为适应这种发展趋势，钢

铁业已开发出许多种类的高强度钢板来帮助减轻汽

车质量，同时提高汽车的安全性。

为兼顾轻量化与碰撞安全性及高强度下冲压件

回弹与模具磨损等问题，热成型高强度钢及其成型

工艺和应用技术应运而生。目前凡是达到U-NCAP

碰撞4 星或5 星级水平的乘用车型，其安全件（A/

B/C 柱、保险杠、防撞梁等）多数采用了抗拉强度为

1 500 MPa、屈服强度为1 200 MPa 的热成型高强度

钢。同时，为解决高强度钢冷成型中的裂纹和形状

冻结性不良等问题，出现了热冲压成型材料，已用其

进行了强度高达1 470 MPa 级汽车部件的制造。

本文首先介绍高强度钢热成型加工工艺及其关

键技术，然后分析了国内外热成型研究成果与现状，

最后对热成型技术的应用发展进行了展望。

2 高强度钢热成型加工工艺

2.1 热成型加工工艺

2.1.1 理论基础

与传统的冷成型工艺相比，热成型工艺的特点

是在板料上存在一个不断变化的温度场。在温度场

的影响下，板料的基体组织和力学性能发生变化，导

致板料的应力场也发生变化，同时板料的应力场变

化又反作用于温度场，所以热成型工艺就是板料内

部温度场与应力场共存且相互耦合的变化过程（见

图1）。这就要求热成型用钢板的成分要适应热成型

过程中的热循环。

图1 应力场、温度场和金属微观组织的相互作用

2.1.2 加工工艺

热成型工艺过程为：首先将常温下强度为500~

600 MPa 的硼合金钢板加热到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

冲压成型，最后快速冷却，将奥氏体转变为马氏体，使冲压件得到硬化，大幅度提高强度。这个过程被

称为“冲压硬化”技术[3]。实际生产中，热冲压工艺又分为直接工艺和间接工艺，如图2 所示。直接工艺即下料后直接将钢板加热然后冲压成型，主要用于

形状简单且变形程度较小的工件；对于形状复杂或

拉深深度较大的工件则需要采用间接工艺（图2b），即先将下好料的钢板进行预成型，然后再加热实施

热冲压。

（a）直接工艺

（b）间接工艺

图2 热成型工艺过程示意

2.2 热成型加工关键技术

高强度钢板的热成型技术的关键是用钢选择、

钢的表面镀层、模具设计及热成型零件的检测。

2.2.1 热成型用钢选择

目前，热成型用钢均选用硼钢，因微量的硼可有

效提高钢的淬透性，使零件在模具中以适当的冷却

速度获得所需的马氏体组织，从而保证零件的高强

度水平[4，5]。而且硼合金钢板的强度可达到1 500 MPa，是普通钢板强度的3~4 倍，将其应用于汽车车身上不仅可直接减少料厚，减轻车身质量，还可提高车身的被动安全性。钢板的热成型性主要包括深冲

成型性、胀形成型性、延伸凸缘成型性及弯曲成型性等。通常深冲成型性取决于钢板的r 值；胀形成型性取决于钢板的延性（均匀延伸性或加工硬化指数）；延伸凸缘成型性及弯曲成型性则取决于钢板的局部

变形能和显微组织均匀性。硼在延伸凸缘成型性和

弯曲成型性的显微组织均匀化方面起到了重要作

用，其中22MnB5 钢的成型原理与此相符，是典型的热冲压高强度钢（成分见表1），它利用微量的硼元素，通过热成型后快速冷却的方法获得高的成型性

和极高的强度（见图3）。目前，热成型MnB 钢板在欧美和日本等主要汽车制造企业已经开始使用。

表1 22MnB5 钢的化学成分%

图3 热成型过程中22MnB5 钢的性能变化示意

2.2.2 热成型用钢的表面镀层

在热成型过程中，钢板在高温下暴露于空气中

会引起表面氧化而形成氧化铁皮，为不影响后续的

涂装工序，热成型后的零件需要经过喷丸或酸洗去

掉钢板表面的氧化铁皮，这无形中增加了生产成本。而且钢板在氧化的同时也会引起钢板表面的脱碳，

进而影响钢板的强度。此外，随着汽车零件耐腐蚀性能要求越来越高，表面进行镀层处理的钢板越来越受到人们的重视，一系列热成型用镀层钢板被相继开发出来。同常规的冷成型用镀层钢板不同，热

冲压用钢板的镀层需要具备抗高温和耐腐蚀的特

点。目前开发的用于热成型的镀层板包括镀Al 板、镀Al-Si 合金板和镀Zn 板等。韩国POSCO 钢铁公司正在开发纳米镀层板，以提高镀层的结合力，防止镀层在加热和成型淬火过程中剥落。

C Si Mn Cr B

0.22 0.2 1.2 0.25 0.003

板材落料

机械手加热炉

模具冷却系统

转移冲压后处理

与空气接触氧化

与空气接触氧化

转移冲压后处理加热炉机械手

板材

落料/预成型/切边

模具冷却系统

0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400

80

60

40

20

热成型

原始状态成品状态

第2 步

第1 步

伸长率/%

抗拉强度/MPa

应力场温度场

1

2

微观组

织演变

6

4 5

3

·材料·工艺·设备·