汽車先進(jìn)高強(qiáng)鋼成形技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

隨著能源和環(huán)境問題的日益突出以及人們對(duì)汽車安全性能關(guān)注度的持續(xù)增加，在保證安全的前提下實(shí)現(xiàn)車身的輕量化正成為汽車工業(yè)的主要發(fā)展方向。在降低油耗、減少排放的諸多措施中，減輕車重的效果是非常明顯的。

鋼鐵、鋁材和塑料是制造汽車的三大材料，其中鋼鐵是汽車車體的主要材料，也是性價(jià)比最高的材料，而先進(jìn)高強(qiáng)鋼作為一種優(yōu)秀的車用輕量化材料，其發(fā)展和應(yīng)用為節(jié)能減排提供了重要途徑。采用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板，可以在達(dá)到強(qiáng)度要求的同時(shí)，有效減少?zèng)_壓件厚度和數(shù)量，從而達(dá)到減重的目的；另一方面，采用高強(qiáng)度鋼板更容易達(dá)到安全性能指標(biāo)要求。在白車身制造方面，近年來高強(qiáng)鋼板的應(yīng)用及使用比例在不斷提高。

目前的冷沖壓工藝在對(duì)高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行成形的方面存在著明顯的不足，易產(chǎn)生開裂、回彈等缺陷，無法滿足產(chǎn)品的要求。熱成形技術(shù)作為一種新型的成形工藝，可以有效地彌補(bǔ)高強(qiáng)度鋼板的成形缺陷，它具有成形能力高、零件回彈小、成形零件強(qiáng)度級(jí)別高的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于全球各大汽車公司的多種車型，重點(diǎn)使用在對(duì)碰撞要求較高的部位，如圖1所示的汽車門檻、前保險(xiǎn)杠橫梁、B柱等。

汽車先進(jìn)高強(qiáng)鋼在白車身上的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外企業(yè)開始不斷研究并開發(fā)各種先進(jìn)高強(qiáng)鋼。國際鋼鐵協(xié)會(huì)先進(jìn)高強(qiáng)鋼應(yīng)用指南第三版中，將高強(qiáng)鋼分為傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼。傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼主要包括碳錳鋼、烘烤硬化鋼、高強(qiáng)度無間隙原子鋼和高強(qiáng)度低合金鋼，先進(jìn)高強(qiáng)鋼主要包括雙相鋼、相變誘發(fā)塑性鋼、馬氏體鋼、復(fù)相鋼、熱成形鋼和孿晶誘發(fā)塑性鋼。



圖1 高強(qiáng)度鋼板在汽車上的應(yīng)用

傳統(tǒng)的高強(qiáng)鋼多是通過固溶、析出和細(xì)化晶粒作為主要強(qiáng)化手段，而先進(jìn)高強(qiáng)鋼是指通過相變進(jìn)行強(qiáng)化的鋼種，組織中含有馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體。汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼分為熱軋、冷軋和熱鍍鋅產(chǎn)品，其工藝特點(diǎn)都是通過相變實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的。

先進(jìn)高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度(500～1500MPa）和塑性配合優(yōu)于普通高強(qiáng)鋼，同時(shí)具有高強(qiáng)度和較好的成形性，特別是加工硬化指數(shù)較高，有利于提高沖撞過程中的能量吸收，所以其在減重和安全性方面具有雙重優(yōu)勢(shì)。

汽車先進(jìn)高強(qiáng)鋼在國外的應(yīng)用現(xiàn)狀

縱觀汽車廠在高強(qiáng)鋼使用方面的發(fā)展，寶馬汽車在歐美地區(qū)發(fā)展速度是較快的。寶馬5系列在不同年代上市的汽車，用料的平均最小屈服強(qiáng)度從1998年版的198MPa增加到2012年版的415MPa，屈服強(qiáng)度在500MPa的高強(qiáng)鋼的使用比例也大幅度增加，寶馬旗下Z4高強(qiáng)鋼板應(yīng)用比例高達(dá)55%，而2009款寶馬5系車型從62.1%的比例，提高到了2010年的72%。

日本在高強(qiáng)度汽車板生產(chǎn)和使用方面有明顯優(yōu)勢(shì)，日本早在1997年就啟動(dòng)了“超級(jí)鋼鐵材料”的國家研究計(jì)劃，為期10年，其主要目的是實(shí)現(xiàn)鋼鐵材料的強(qiáng)度翻番，壽命翻番。日本鋼鐵工程控股公司（JFE）在2015年開發(fā)出具有良好延展性和擴(kuò)孔性的980MPa級(jí)高級(jí)冷軋鋼板，在業(yè)界屬于首例。目前日本政府主導(dǎo)的科研項(xiàng)目“創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)材料研發(fā)”中的子項(xiàng)目“超高張力鋼材開發(fā)”進(jìn)展順利，其目標(biāo)是在2020年前開發(fā)出抗拉強(qiáng)度1.5GPa和延伸率20%的超高強(qiáng)度鋼板，目前項(xiàng)目中期目標(biāo)抗拉強(qiáng)度1.2GPa和延伸率15%的超高強(qiáng)度鋼板已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室試制成功。另外，美國的通用公司，2004年高強(qiáng)鋼的使用率大幅度上升，低碳鋼的使用率減少至40%，先進(jìn)高強(qiáng)鋼使用率達(dá)到12%，2006年先進(jìn)高強(qiáng)鋼的使用率已至18%。2016年通用公司旗下全新一代君越車身高強(qiáng)度鋼材比例達(dá)到了41%，在A柱、B柱、門檻梁等核心區(qū)域，屈服強(qiáng)度在900～1500MPa的超高強(qiáng)鋼和熱成形鋼大量被應(yīng)用。

先進(jìn)高強(qiáng)鋼在世界范圍內(nèi)已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用，并顯示出在減重、安全和環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)。有理由相信，其將成為汽車減重的主要材料。

汽車先進(jìn)高強(qiáng)鋼在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀

汽車工業(yè)的發(fā)展、汽車產(chǎn)量和汽車保有量的增加，在給人們出行帶來方便的同時(shí)，也產(chǎn)生了油耗、安全和環(huán)保三大問題。為保證汽車工業(yè)的健康發(fā)展，各國制定了相應(yīng)的法規(guī)，而各國汽車工業(yè)界認(rèn)為，滿足各項(xiàng)法規(guī)要求較為有效的手段是采用高強(qiáng)度輕量化材料。先進(jìn)高強(qiáng)鋼其最大的優(yōu)勢(shì)就是：提高材料的強(qiáng)度，在所要求的性能不變或略有提高的前提下，減薄板材構(gòu)件的厚度，從而降低構(gòu)件的質(zhì)量。



目前，國內(nèi)傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼的品種和質(zhì)量與國外的差距不大，相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)已由寶鋼負(fù)責(zé)制定完成。但是先進(jìn)高強(qiáng)鋼與歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)還有一定差距，使用的標(biāo)準(zhǔn)也主要是由這些國家制定。近幾年，我國汽車工業(yè)的發(fā)展非常迅猛，整體技術(shù)水平有了很大的提高，先進(jìn)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用也大幅度增加，有利地促進(jìn)了國內(nèi)先進(jìn)高強(qiáng)鋼的開發(fā)和生產(chǎn)。目前，寶鋼、鞍鋼、馬鋼等主要鋼鐵企業(yè)都在積極開發(fā)先進(jìn)高強(qiáng)鋼。其中寶鋼經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)迅速崛起為中國熱沖壓領(lǐng)域的先驅(qū)者。目前，寶鋼已經(jīng)基本掌握了熱沖壓系列核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了階段性的跨越式發(fā)展。2007年年底，上海寶鋼熱沖壓零部件有限公司正式成立。2008年上半年，寶鋼建成了以研發(fā)為主兼顧小批量生產(chǎn)的第一條熱沖壓生產(chǎn)線。2009年9月，寶鋼第二條熱沖壓生產(chǎn)線建成投產(chǎn)，開發(fā)的抗拉強(qiáng)度為1200MPa和1500MPa的熱沖壓成形鋼，已經(jīng)大量生產(chǎn)供貨。至今，寶鋼已經(jīng)實(shí)現(xiàn)向江淮、華晨、奇瑞等汽車廠小批量供貨，用其生產(chǎn)的熱沖壓零件的尺寸精度和力學(xué)性能均已達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。近幾年，寶鋼正開發(fā)抗拉強(qiáng)度高達(dá)1800MPa的熱沖壓成形鋼。

先進(jìn)高強(qiáng)鋼成形方法簡介

減薄和高強(qiáng)是先進(jìn)高強(qiáng)鋼在減重和安全方面的優(yōu)勢(shì)，但也對(duì)沖壓成形工藝提出了新的挑戰(zhàn)。這兩個(gè)優(yōu)勢(shì)對(duì)沖壓工藝而言是惡化成形性的雙重因素，使車身零件在成形過程中易開裂和產(chǎn)生過量回彈，沖壓件的回彈常用U形件的拉深試驗(yàn)來測(cè)定。相對(duì)于軟鋼和傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼，先進(jìn)高強(qiáng)鋼的回彈更大，且難以控制，特別是當(dāng)鋼板初始強(qiáng)度大于1000MPa時(shí)，傳統(tǒng)的冷沖壓方法就難以生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、形狀較復(fù)雜的車身零件，這就需要合適的解決方法。

為解決這一難題，熱沖壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。熱成形工藝就是利用金屬在高溫狀態(tài)下塑性和延展性會(huì)迅速增加、屈服強(qiáng)度迅速下降的特點(diǎn)，通過模具使零件成形的工藝。通過對(duì)特殊的高強(qiáng)度鋼板加熱到900℃左右，使之易于拉延成形，再經(jīng)過速冷，使鋼板抗拉強(qiáng)度達(dá)到1500MPa左右，從而達(dá)到零件對(duì)超高強(qiáng)度的要求。熱成形工藝流程為：落料→加熱至奧氏體狀態(tài)并保溫→快速放入模具中沖壓成形→保壓定形并淬火→激光切邊、割孔→去氧化皮→涂油(防銹處理）。

先進(jìn)高強(qiáng)鋼的熱沖壓技術(shù)，主要是同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)和寶鋼等相關(guān)單位在對(duì)熱沖壓技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行研究。國內(nèi)大學(xué)研究高強(qiáng)度汽車板熱沖壓工藝，取得成果較多的是同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院，主要對(duì)熱沖壓過程中，鋼板的加熱溫度與鋼板內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化模式、沖壓速度、保壓時(shí)間、淬火速度、沖壓模具溫度變化等對(duì)成形的影響進(jìn)行模擬研究。

先進(jìn)高強(qiáng)鋼在白車身開發(fā)中的應(yīng)用及發(fā)展前景

由于汽車未來的市場(chǎng)需求，鋼廠應(yīng)具備制造1000MPa級(jí)及以上高強(qiáng)鋼的能力才能適應(yīng)未來市場(chǎng)的需求，才能在減重、節(jié)能、提高安全性、降低排放等方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景和好的競(jìng)爭力。但隨著先進(jìn)高強(qiáng)鋼的大量應(yīng)用，與過去采用大量軟鋼相比，成形中的起皺、回彈、模具損傷、開裂、翹曲等成形問題和困難大量出現(xiàn)。因此，完善其成形技術(shù)也是下一階段先進(jìn)高強(qiáng)鋼研發(fā)及應(yīng)用的主要研究任務(wù)。



我國先進(jìn)高強(qiáng)鋼的研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)主要如下。

⑴ 熱沖壓材料的開發(fā)。目前國內(nèi)各大鋼鐵公司均在進(jìn)行先進(jìn)高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)和研究，其中最具代表性的企業(yè)主要有寶鋼、鞍鋼、馬鋼等，主要進(jìn)行強(qiáng)度在1800MPa級(jí)及以上的熱沖壓材料開發(fā)，同時(shí)要在現(xiàn)有強(qiáng)度級(jí)別下進(jìn)一步提升其延伸率，以滿足強(qiáng)度及碰撞要求。

⑵ 防腐蝕性。先進(jìn)高強(qiáng)鋼在強(qiáng)度和成形性方面展示了良好的應(yīng)用前景，但是在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，不僅要采用高強(qiáng)度和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，同時(shí)為保證汽車的防腐蝕性能，還應(yīng)該加大鍍層板的研究和產(chǎn)業(yè)化，并提高鍍層板的品種和質(zhì)量來提高先進(jìn)高強(qiáng)鋼材料的抗腐蝕性。

⑶ 研究先進(jìn)高強(qiáng)鋼的熱沖壓成形防止回彈技術(shù)。材料特性決定了其成形工藝，材料的強(qiáng)度越高，成形后零件的回彈越大，防止這種成形缺陷的技術(shù)難度越大，先進(jìn)的成形方法尤其是防回彈技術(shù)是未來的主要研究方向之一。

⑷ 新型熱成形模具鋼材料的研究開發(fā)。為了有效提高模具熱傳導(dǎo)和抗拉毛特性，增加模具的使用壽命，提高生產(chǎn)節(jié)拍，亟需研究出高導(dǎo)熱、高耐磨、高韌性的熱沖壓模具鋼材料。

⑸ 先進(jìn)高強(qiáng)鋼熱沖壓成形的模具設(shè)計(jì)技術(shù)。在沖壓過程中要使升溫、保溫與降溫過程模具內(nèi)溫度盡量均勻，防止熱應(yīng)力過高而引起模具的損壞；同時(shí)要研究熱成形模具模內(nèi)淬火分析和疲勞壽命預(yù)測(cè)分析技術(shù)，另外沖壓設(shè)備的選擇匹配也是模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

⑹ 先進(jìn)高強(qiáng)鋼熱沖壓成形計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究。需要解決的關(guān)鍵問題是將先進(jìn)高強(qiáng)鋼準(zhǔn)確的材料本構(gòu)模型嵌入到數(shù)值模擬軟件中，進(jìn)而進(jìn)一步研究高強(qiáng)鋼的熱成形有限元數(shù)值模擬建模技術(shù)。