热冲压成形技术及发展前景

王 辉 葛 锐 周少云 陈 寅 潘利波

(武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430080)

0 引言

随着能源危机和环境问题的日益加剧，汽车轻量化已经成为世界汽车工业可持续发展的必然道路。车身高强化，既可以减轻车身重量，又能提高安全性，是同时实现车身轻量化和提高碰撞安全性的最好途径。

为满足车身高强化发展需求，先进高强钢和先进零部件成形工艺应运而生。双相钢、TRIP钢、TWIP钢等先进高强钢，在1000MPa级以下的汽车零部件生产制造中得到广泛应用。然而，当强度达到1000MPa级以上时，如果采用传统冷冲压成形工艺进行超高强度零部件生产制造，就必须很好解决、超高强钢成形性能差、零件回弹严重及尺寸精度差、成形模具寿命短等技术问题。因此，如何实现高强度钢板的生产和高精度冲压成形，就成为汽车制造领域急需解决的技术难题。

作为多种新型成形工艺之一，热冲压成形技术既可以解决传统高强度钢冷冲压成形难问题，又能获得超高强度及高精度的成形零件，从而已引起业界的普遍关注，并迅速成为汽车制造领域的热门技术。在20世纪80年代汽车工业开始使用热成形技术，最早由在Lule的瑞典公司Plannja 申请专利。第一个安全部件是萨博9000的防冲击侧梁，目前热成形技术已广泛应用于汽车车身安全零件的制造[1-2]。图1所示为目前热成形零件的典型应用零件。

图1 热成形零件的主要应用范围

1 热冲压成形简介

热冲压成形是把特殊的热成形钢板加热到900℃左右，使之奥氏体化，随后将红热的板料送入有冷却系统的模具内冲压成形，同时被具有快速均匀冷却系统的模具冷却淬火，钢板组织由奥氏体转变成马氏体，因而得到超高强度的热成形零件。热冲压成形又称为模压淬火。热成形钢板常态下具有500-600MPa的抗拉强度，但是经热冲压成形、淬火冷却后，抗拉强度可达到1500MPa以上。图2所示为热冲压工艺过程示意图。

热冲压成形的技术特征，决定了影响其零部件质量的因素。依据其工艺流程，板料形状、加热温度、炉内保温时问、板料的初始冲压温度、冲压速度、保压时间、冷却速度等关键因素均对热冲压零件的成形性、力学性能、尺寸精度产生直接影响。针对上述因素，国内外零部件制造商主要是通过反复的工艺实验，优化其加工制造工艺参数，以确保热成形零部件产品的质量可靠性和稳定性。

图2 热冲压工艺示意图

2 热成形技术现状

随着热成形零件的大量应用，其行业竞争日趋激烈。汽车制造主机厂一方面希望降低零部件的采购成本，另一方面希望提高热成形产品的应用性能，这就推动了热成形技术不断进步。目前，对于热成形零部件生产关键技术主要集中于几个方面：(1)热成形用钢材料开发；(2)热成形模具设计技术；(3)钢板加热技术；(4)整套设备集成技术；(5)变强度热成形零件开发技术。

2.1 热成形钢的开发

热成形用钢材料占零部件综合成本的比例较高，是当前研发降成本的重点。按其热成形钢板表面镀层状况，热成形用钢可分为无镀层热成形钢板和镀层热成形钢板。热成形钢板表面镀层主要功能是为了防止钢板在加热过程中的钢板表面氧化问题。

对于传统无镀层热冲压钢板，目前国内武钢、宝钢等钢铁企业均已成功开发出1300MPa级、1500MPa级以及1700MPa级无镀层热成形钢，并开始批量生产。为了解决钢板在加热过程中无镀层钢板的表面氧化问题，目前结合热成形零件生产工艺的开发，主要采用在加热炉腔内通入氮气、甲烷等气体以减少炉腔氧含量的气体保护方法，减少板料加热时表面产生氧化与脱碳现象。生产零件后续通过表面处理(喷丸)工序，产品表面质量完全可以满足汽车用户需求。

热冲压镀层钢板，按其镀层成分体系划分，可分为铝硅(Al-10Si)镀层、电镀锌镍(Zn-10Ni)镀层、热镀纯锌(GI)层和合金化锌铁(GA)镀层[3]。由于具有可直接防止成形过程中表面氧化和脱碳，甚至部分零件后续无需喷丸工序等优势，目前应用较为广泛。但是，热冲压镀层钢板价格远高于无镀层冷轧板，从而零件的成本有所增加。

由于受专利保护影响，铝硅镀层仅有法国阿赛洛或其授权公司可以生产。锌基镀层板在具有防高温氧化功能的同时，也具有阴极保护抗腐蚀性能，是车体底部热成形零件的理想之选，也是目前各国积极研发的重点方向。然而，锌基镀层热成形钢存在奥氏体化加热以及随后热冲压过程中易产生微裂纹、热冲压工艺窗口狭窄等技术难题，目前产业化进展缓慢。据报道，奥钢联已成功开发生产热镀纯锌(GI)层和合金化锌铁(GA)镀层热成形钢板；德国蒂森公司也开发了电镀Zn-10Ni 层热成形钢板。随着锌基镀层板的大规模生产，在突破现有铝硅镀层热成形钢板专利保护壁垒的同时，必将引起热冲压成形的技术变革，有着广泛的应用前景。根据GM公司发布的最新数据，其未来车型中60%热冲压零件将采用锌基镀层，另外40%热冲压零件采用无镀层和Al-Si镀层。

现阶段，我国尚不具备热成形镀层钢板的批量化生产能力，国内宝钢、武钢等钢铁企业正在积极开展热冲压成形用新型镀层钢板的技术研究与攻关，并已取得积极进展。

2.2 热成形模具技术

模具设计水平是影响热成形零件质量的核心因素。这是由于热成形模具加工制造主要依据CAE模具设计结果准确性；而在高温状态下，材料的流动应力与应变、应变速率、摩擦系数三大因素相关，这些因素随温度在不断的发生变化，从而导致热成形CAE模拟结果的一致性远低于传统的冷冲压设计。同时，板料与模具间的接触热阻与两者之间的压力和间隙紧密相关，CAE模拟需充分考虑该影响因素，并依据实际经验，对模具型面进行补偿，以得到尺寸合格的零件[4]。对于外形复杂的零件，需设计局部压边圈，以控制材料流动，确保成形结果。

目前，国内热成形模具主要依赖于国外进口，价格相对比较昂贵。国内科研院校及零部件制造商一直致力于热成形模具自主化设计与开发工作。武钢——华科大联合实验室、大连理工大学、上海赛科利、宝钢等单位，先后通过热成形产线引进培训及后期经验的积累，培养了自己的模具设计团队，并初步具备简单型面零件的热成形模具设计与制造能力。

2.3 整套设备技术

由于国外对热冲压生产装备的技术垄断与封锁，国内现有热成形生产线基本由德国Schuler、瑞典AP&T、西班牙Fagor、西班牙Loire Safe四家公司进口。这些花巨资引进的昂贵的热冲压生产线外资的管理成本相当高，这使立足于低成本国产设备的、机制灵活高效的民营公司在行业上具有无可争议的低成本的产业化和进入市场的优越条件。

近年来，国内大型钢厂、重点院校、冲压设备制造企业、汽车生产企业在热成形生产装备自主化开发领域方面开展了密切合作，并取得重大突破。2009年武汉钢铁(集团)公司与华中科技大学合作，共同开展热成形生产装备与技术研究，并于2011年成功开发了国内首条自主化的高效节能电动伺服压力机热成形实验线。

2013年，中国汽车工程研究院、大连理工大学、国家机械装备研究总院、山东大王金泰集团等四家单位也先后完成了高速液压机热成形生产装备的自主化设计与开发。

随着我国热成形装备设计和加工制造水平的的不断提升，国产自主化热成形生产线将逐步替代国外进口，这将大大降低热成形设备采购和运营成本。

2.4 钢板加热技术

对于热成形零件的加工制造而言，加热是其生产能耗的主要要素，直接关系零件的生产成本。实现热成形工艺流程的能耗平衡与节拍同步，是降低成本的最佳途径。由于坯料加热耗时300～330s，与冲压成形-保压耗时15～20s 相比，出现严重的节拍同步困难。为了实现加热同步，多采用长流程的辊底炉，导致加热设备的能耗远远大于零件的实际加热所需能耗。

近年来，多层箱式炉与高速自动化输送设备的结合，可以减少加热能耗，并减少设备占地面积。由于多层箱式炉内没有高温下的运动部件，工作可靠性取决于自动化输送设备的可靠性。机械伺服运动控制技术的进步，使得高可靠性的自动输送机械备受关注。

与此同时，快速高效加热方法(如感应加热、直接导电加热等)也都在研发中，其将是热成形加热技术的未来发展方向。

2.5 变强度热成形零件开发技术

变强度热成形零件制造技术是当前热成形应用研究的热点。这项技术可以使单一零件的不同区域获得不同强度和延伸率，实现同一车体结构零件一方面能够在抵抗碰撞侵入，同时局部具有良好的吸能性，吸收碰撞冲击能量，大大提高碰撞安全性指标。

变强度热成形零件制造技术包括[5]：(1)激光拼焊技术；(2)板料区域定制加热技术；(3)不同传热系数模具设计技术；(4)零件局部回火处理技术等。

与此同时，基于激光拼焊技术以及不等厚轧制的变厚度热成形零件开发技术也是目前研究的热点。

3 热成形零件未来发展前景

目前，热成形零件广泛应用于国内外汽车车身制造，且使用量及比率逐年剧增[6-8]。根据德国舒乐公司预测，未来三年，热成形零件全球市场需求量将从目前的250万件发展到突破600万件，如图3所示。

截至2013年底，全球共有热成形生产线230余条，主要分布在德国、法国、西班牙、瑞典、美国、日本等发达国家。其中，近160余条生产线位于当前汽车轻量化普及程度较高的欧洲地区。截止2013年底，我国已建成投产的热冲压成形生产线仅20余条，且主要分布在华北和华东地区。

图3 德国舒乐公司预测热成形零件应用趋势 (数据来源：Schuler-AG)

据中国汽车工业协会的统计分析，2013年中国的汽车产销双双超过2000万，首次超过欧洲汽车总产量。预计2015年我国汽车产销量将达到或接近3000万辆，2020年达到4000万辆。随着我国汽车轻量化要求的不断提高，热成形零部件在我国乘用车上的应用将逐渐普及。按照中高级乘用车中平均每台车4个热成形件，且涉及热成形零件的中高档乘用车年产1500万辆计算，到2015年我国的热成形件的年市场需求量至少可达6000万件以上，热成形件市场前景极为广阔。

未来，我国热成形生产线将逐步向华中、西南、东南等汽车工业化地区蔓延。预计到2020年，我国热冲压成形零部件生产线将有望达100条以上，这将强力支撑我国汽车轻量化水平的逐步提升。专家预测，未来10年热成形技术在我国汽车行业将有更多的应用，热成形市场竞争也将更加激烈。

[1] 马鸣图，路洪洲，李 刚.论汽车轻量化和高强度钢先进的加工成形技术[J].汽车工艺与材料，2008，(2)：45-54.

[2] 傅世枢.当代汽车用钢和超轻钢制汽车技术的开发[J].2008.

[3] R.Kolleck, D.Steinhoefer, J.A. Feindt, P.Bruneau: Manufactruing methods for safety and structural body parts for lightweight body design[C]. IDDRG,Conf.Proc., 2004：167-173.

[4] L.Garcia Aranda, P.Ravier, Y.Chstel: Hot stamping of quenchable steels, material data and process simulation[C]. IDDRG, Conf. Proc., 2003：155-164

[5] L.Gehringhoff: High strenghth hot stamped parts for body structures, new advances in body engineering[J]. Euromotor course, IKA RWTH Aachen, 2004：1-15.

[6] 徐伟力，管曙荣，艾健，等.钢板热冲压新技术关键装备和核心技术[J].世界钢铁，2009，(2)：30-33.

[7] 谷诤巍，姜超，单忠德，等.超高强度钢板冲压件热成形工艺[J].汽车工艺与材料，2009，(4)：15-17.

[8] Barbara Schulz, Hot stamping finds its way into automobile construction[J]. Australian manufacturing technology April， 2007.