面向汽車輕量化的先進高強度鋼成型技術

李 琦，陽 林，賀紹華

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣州 510006）

1 引言

汽車輕量化是指在滿足汽車動力性、舒適性、安全性等基本性能不變的情況下，盡可能地減少汽車質量，以改善其燃油經(jīng)濟性，減少排放，是緩解環(huán)境矛盾，實現(xiàn)現(xiàn)代汽車節(jié)能減排的重要方向。尤其對新能源汽車延長其續(xù)駛里程有著重大意義。要實現(xiàn)汽車輕量化，其基本途徑主要有以下四種：一是選擇合適的低密度材料，如鋁合金、鎂合金和鈦合金等替代鋼材料，雖然效果明顯，但是成本較高；二是選用更高強度的鋼板即高強度鋼，通過增加其強度來減小鋼板的厚度；三是采用先進的加工工藝和焊接手段，減少冗余材料、焊點等；四是采用先進的CAD/CAE軟件對汽車零部件及車身框架進行優(yōu)化設計，改善零部件結構，減少零件數(shù)量。

其中，由于高強度鋼比汽車傳統(tǒng)車用鋼材有更高的強度，且成本較輕金屬低，通過減小構件厚度實現(xiàn)輕量化，效果良好。有研究表明，當鋼板厚度分別減少0.05 mm、0.10 mm和0.15 mm時，車身減重分別為6%、12%和18%[1-2]。另外，采用先進高強度鋼，還增加了車輛的安全性，降低了噪聲和振動，提高了燃油效率。目前汽車的碰撞安全性能凡是達到U—NCAP碰撞4星或5星級水平的汽車都在一些安全件中（如A、B、C三柱和保險杠防撞梁，門防撞桿，保險杠防沖柱等）采用了熱成型技術成型的抗拉強度為1 500 MPa、屈服強度為1 200 MPa的馬氏體鋼?？傮w來說，通過提高高強度鋼的應用比例，成本沒有增加多少，而加速性、安全性能卻有了較大的改善。

根據(jù)國際鋼鐵協(xié)會USL-AB項目的定義，屈服強度為210～550 MPa及抗拉強度從270～700 MPa的為高強度鋼（簡稱HSS），而屈服強度大于550 MPa及抗拉強度大于700 MPa的則稱為先進高強度鋼AHSS（也叫超高強度鋼）[3]。先進高強鋼（AHSS）主要包括雙相（DP）鋼、相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼、馬氏體級（M）鋼、復相（CP）鋼、熱成型（HF）鋼和孿晶誘發(fā)塑性（TWIP）鋼。

2 先進高強度鋼種類及其特性

先進高強鋼（AHSS）作為多相組織鋼，含有馬氏體、貝氏體或殘余奧氏體，采用了以相變強化為主的復合強化方法，其強度與高強度鋼相比有了很大的提高，特別是加工硬化指數(shù)高，有利于提高沖撞過程中能量的吸收，所以其在減重和安全性方面具有雙重優(yōu)勢。因此，先進高強鋼成為汽車公司進行普通汽車輕量化設計的首選材料，已經(jīng)廣泛應用于汽車工業(yè)。

2.1 雙相鋼

雙相鋼又叫DP鋼（Dual Phase Steels），是一種由馬氏體或奧氏體與鐵素體基體兩相組織構成的鋼。一般將鐵素體與奧氏體相組成的鋼稱為雙相不銹鋼，而將由鐵素體與馬氏體相組成的鋼稱為雙相鋼。其顯微組織如圖1所示[3]，軟質的鐵素體之間相互連續(xù)，硬質的馬氏體則呈島狀分布，這種結構使其具有良好的塑性。在加工變形時，應變集中在鐵素體周圍的馬氏體相上，表現(xiàn)出良好的加工硬化特性。隨著硬質馬氏體相體積分數(shù)的增加，雙相鋼的強度也隨之增強。

根據(jù)得到雙相組織的方法不同，雙相鋼可以分為熱處理雙相鋼和熱軋雙相鋼。在汽車用鋼中，熱軋雙相鋼應用比較廣泛，它是通過先將鋼坯加熱到1 200℃左右，待其完全奧氏體化后進行第一階段的軋制，單道次壓下量大于20%，第一階段壓下量大于70%，實現(xiàn)再結晶細化奧氏體晶粒；待溫到950℃以下進行第二階段的軋制，第二階段壓下量為80%左右，終軋溫度控制在800℃～850℃，低溫區(qū)軋制誘導析出抑制再結晶發(fā)生，奧氏體加工硬化可提高鐵素體相變驅動力并細化晶粒；軋后緩冷約 15 s，在鐵素體(α)和奧氏體（γ）的兩相區(qū)（α+γ）停留一定時間有α相大量析出，剩余γ相的碳濃度增加，而后采取快速冷卻至370℃以下，以防止珠光體和貝氏體相變的發(fā)生，使奧氏體組織轉化為馬氏體組織，從而得到鐵素體和馬氏體雙相組織。

由于雙相鋼中馬氏體是以島狀的形式分布在鐵素體之間，因此，DP鋼具有低屈強比、無屈服點和連續(xù)屈服、高延伸及初始硬化速率快的特性。在沖壓成型時，利于材料的均勻變形，能避免在深度拉伸和深沖壓加工時可能出現(xiàn)的局部頸縮及斷裂現(xiàn)象，從而得到大量應用。它主要應用在汽車的邊梁、側面構件、橫梁、支柱、底盤加強件、油箱支架及車體的結構件、加強件和防撞件中。

2.2 相變誘發(fā)塑性鋼

相變誘發(fā)塑性鋼即是TRIP鋼（Transformation-Induced Plasticity Steel），它是在鐵素體的基質上嵌入殘余奧氏體，且殘余奧氏體的含量在5%左右。而硬質相的馬氏體和貝氏體的含量則可以在一定的范圍內進行調節(jié)變化，其顯微組織如圖2所示[3]。在應力應變作用下，其結構中殘余的奧氏體向馬氏體轉變，從而誘發(fā)相變塑性，同時也提高了鋼的強度。與DP鋼不同的是，TRIP鋼的組織中還存在一定量（5%～15%）的殘余奧氏體。TRIP鋼就是通過相變誘發(fā)塑性效應使鋼板中的這些殘余奧氏體在塑性變形作用下，誘發(fā)馬氏體的生核及形成，并產(chǎn)生局部硬化，繼而變形不再集中在局部，使相變均勻擴散到整個材料，以提高鋼板的強度和可塑性，一定程度上解決了強度和塑性的矛盾。為此，TRIP鋼體內的殘余奧氏體必須具有足夠的穩(wěn)定性，以實現(xiàn)漸進式的轉變，達到強度與塑性同步增長的目標。因此，TRIP鋼在動態(tài)拉伸過程中，其強度可以得到進一步的加強，而其韌性不會減弱。

TRIP鋼主要用來制作汽車的擋板、底盤部件、車門沖擊梁等，例如韓國浦項已經(jīng)成功開發(fā)出的800 MPa和1 000 MPa級的TRIP鋼，其成型性能非常好，可以加工成復雜形狀的汽車部件。阿塞洛生產(chǎn)的4個（TRIP600、TRIP700、TRIP800和 TRIP1000） 冷軋品種和 1個（TRIP800）熱軋品種可用于汽車的座椅結構件、橫梁、縱梁、中后強化件、擋板和防護強化件等[4]。

2.3 馬氏體鋼

馬氏體鋼簡稱M鋼（Martensitic Steel），其生產(chǎn)是在出料輥道上或連續(xù)退火線的冷卻區(qū)快速冷卻，使熱軋或退火時存在的奧氏體幾乎全部轉變成馬氏體。其微觀組織是在板條狀的馬氏體基體上分布著少量的鐵素體和／或貝氏體[3]。在多相鋼家族中，馬氏體鋼具有最高的抗拉強度，可達1 700 MPa。在受到驟冷回火后可以提高其韌性，即使在最高強度下也能提供良好的塑性。

馬氏體鋼，隨著碳含量的增加，其淬透性與強度都會得到加強，另外，錳、硅、硼、鉻、鉬、釩、鎳等元素可以通過不同的組合來提高其淬透性。由于受成型性的限制，只能用滾壓成型生產(chǎn)或沖壓形狀簡單的零件，故主要用于成型要求不高的車門防撞桿等零件代替管狀零件，減少制造成本[3]。

2.4 復相鋼

復相鋼即CP鋼（Complex Phase Steels）是過渡到最高抗拉強度鋼中的典型鋼種。其顯微組織是在鐵素體/貝氏體的基質上包含有少量的馬氏體、殘余奧氏體、珠光體等多種金相組織。它主要是在Mn-Cr-Si合金成分的基礎上，依靠鈦、鈮、釩等元素微合金化產(chǎn)生的晶粒細化效應和析出強化效應，并結合適當?shù)木砣」に嚩a(chǎn)。與DP鋼相比，CP鋼在同等抗拉強度（比如800 MPa）下具有更高的屈服強度，較高的吸收性能和擴孔性能。因此，特別適用于汽車的車門防撞桿、保險杠和中立柱等安全結構件[3]。

2.5 孿晶誘發(fā)塑性鋼

孿晶誘發(fā)塑性鋼即TWIP鋼（Twining-Induced Plasticity Steel），其含錳量高達17%～24%，因此，在室溫下就可以完全奧氏體化。由于在形變孿晶的成型過程中會誘發(fā)較大的變形量，故這種變形模式因此而得名。TWIP鋼的最大抗拉強度在1 000 MPa以上，不僅具有較高的強度，也具有較好的延展性。在孿晶形成過程中，其顯微組織變得越來越細，從而使得TWIP鋼具有較高的瞬時硬化指數(shù)（即n值）。當工程應變達到30%以上時，其n值可達0.4并保持恒定，直到總伸長率達到50%。

3 先進高強度鋼成型技術

如圖3所示，先進高強度鋼（DP鋼、CP鋼、TRIP鋼、M鋼）隨著強度的提高，其總伸長率（塑性）下降，導致其加工成型困難。相比普通高強度鋼而言，先進高強度鋼在加工成型時，容易產(chǎn)生裂縫、回彈、表面撓曲褶皺，從而導致其尺寸和形狀精度不良，要達到理想的沖壓成型性能實屬不易。為擴大先進高強度鋼的應用范圍，提高其應用比例，許多先進的加工工藝及方法不斷地應用到汽車工業(yè)中。

3.1 液壓成型技術

1）液壓成型技術原理。液壓成型技術主要是指依靠高壓液體（水或油）作為傳力介質，代替剛性的凹?；蛲鼓＃古髁显趥髁橘|的壓力作用下貼合凸?；虬寄３尚偷囊环N柔性加工工藝[5]。如圖4所示。先將管坯放入下模腔內，在液壓缸的作用下，將柱塞沖頭壓入管件兩端，使管件腔密封，然后通過沖頭內的液體通道將液體介質注入管件腔；此時，上模向下移動，與下模共同形成封閉的模腔，最后高壓泵與閥門控制液體壓力不斷增大，沖頭向內推動管件，管壁變形并逐漸與模具內壁貼緊，最終得到所需形狀的零件[6]。

2）液壓成型技術特點及其應用。液壓成型件主要為管材、板料和殼體三種。板料和殼體的成型壓力低，而普通管材液壓成型要求的介質壓力一般為400 MPa以上，故管材液壓成型又稱為內高壓成型技術。通過采用管材液壓成型技術，可以一次整體成型沿構件軸線截面有變化的空心構件，與傳統(tǒng)工藝相比[7]:

①節(jié)約材料，減輕質量。圖5所示的空心軸類內高壓成型件與機加工件相比可以減輕重量40%～50%，節(jié)約材料可達75%。

②減少了零件數(shù)量，也減少模具成本。通過液壓成型技術一次成型所需零件，沖壓成型的多個零件連接可以合成為一個單獨完整的零件。不僅提高了零件的強度與剛度，尤其是疲勞強度，而且減少了焊點和后續(xù)機加工。如散熱器支架的組成零件由17個減少到10個，而強度在垂直方向提高39%，水平方向則提高50%。

③成型零件的精度提高。成型零件的尺寸精度從原來的IT14提高到IT10。

由于先進高強度鋼與普通高強度鋼相比其強度得到提高，但總伸長率下降，導致成型困難，因此，AHSS管材液壓成型所需壓力較高，可達到600～1 000 MPa。一步成型比較困難。為提高成型精度，一般要分三步成型：首先是預彎曲，將管材彎曲成最終成型的大概形狀；其次是液壓成型；最后是修剪，主要是端部激光剪切。

目前，液壓成型技術在先進高強度鋼制零件中得到廣泛應用，尤其是結構件，例如汽車座椅骨架、側面撞擊橫梁、保險杠、發(fā)動機支架、散熱器支架、儀表板橫梁、散熱器支架和車頂橫梁等結構件。

3.2 熱成型技術

當鋼強度超過1 000 MPa時，一些形狀復雜的零件，常規(guī)的冷沖壓工藝幾乎無法成型。因此，需要采用新型的加工工藝。而熱成型技術正是一項專門用于極高強度鋼板沖壓件的新成型技術。

1）熱成型技術原理。熱成型工藝過程：首先將常溫下強度為500～600 MPa的硼合金鋼板加熱到880℃～950℃，使之均勻奧氏體化，然后送入內部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內沖壓成型，最后快速冷卻，將奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，從而使沖壓件硬化，大幅度提高強度。圖6的這個過程被稱為“沖壓硬化”技術[8]。

2）熱成型技術特點及其應用。為解決先進高強度鋼強度與塑性的矛盾，可以通過將成型和強化分為兩個步驟來解決。熱成型技術正是這樣一種新工藝。為提高所得零件的尺寸精度，延長設備使用壽命，需注意如下幾點：

①鋼材的選擇。并不是任何鋼材都適用熱成型技術，目前普遍采用硼鋼進行加工，主要是因為微量的硼元素可以有效提高鋼的淬透性，使零件在模具中以適當?shù)睦鋮s速度獲得所需的馬氏體組織，從而保證零件的高強度水平。

②鋼的表面鍍層。在成型過程中，由于與空氣接觸，容易導致氧化皮的產(chǎn)生。因此，必須在鋼的表面進行鍍層處理，使其具備抗高溫和耐腐蝕的能力。

③模具的選擇。在熱成型過程中，鋼板及模具都要經(jīng)過從室溫到900℃以上的溫度變化，并且模具集板料成型與冷卻淬火過程于一身，所以模具設計是熱成型技術的另一個難點。模具材料不僅要求其具有良好的熱強度、熱硬度、高的耐磨性和疲勞性能，而且要能保證成型件的尺寸精度，同時要能夠抵抗高溫板料對模具產(chǎn)生的強大熱摩擦、脫落的氧化層碎片及顆粒在高溫下對模具表面的磨損效應，并且能夠穩(wěn)定地在劇烈的冷熱交替環(huán)境下工作。另外，模具的凸凹模尺寸需要考慮到熱脹冷縮效應，才能保證成型零件的精確度。為保證模具在快速的冷熱交替過程中防止迅速冷卻導致模具開裂，可以采用模具內通過冷卻水的方式對成型后的零件進行冷卻[9-11]。

通過將強化與成型的分離，熱成型技術可以成型強度高達1 500 MPa的馬氏體鋼沖壓件，而且在高溫下成型幾乎沒有回彈，具有成型精度高、成型性能好等優(yōu)點。因此，引起業(yè)界的普遍關注并迅速成為汽車制造領域的熱門技術。

4 結論

隨著先進高強度鋼成型技術的發(fā)展，克服了先進高強度鋼塑性不足、成型困難的缺點，使得先進高強度鋼在汽車輕量化中得到廣泛的應用。其最大的優(yōu)勢是：大幅度地提高了材料的強度，在所要求性能不變或略有提高的前提下，減薄板材構件的厚度，降低構件的質量，實現(xiàn)汽車的輕量化目標。

1）液壓成型技術適合于雙相鋼、復相鋼、TRIP鋼等多種鋼材，應用范圍比較廣泛。但是對極高強度鋼，由于所需的成型壓力增大，導致成型設備成本加大，加工工藝復雜，回彈比較大。因此，適合于強度在1 000 MPa以下的高強度鋼材。

2）熱成型技術通過將零部件成型與強化分步實現(xiàn)，故對成型鋼材料的要求較低，是生產(chǎn)超高強度鋼構件的新型成型技術。目前主要使用硼鋼作為成型鋼材，通過“沖壓硬化”技術可以得到強度高達1 500 MPa的馬氏體鋼結構件。

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