超高強(qiáng)鋼熱成形工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢

劉磊超.工程師.主要從事超高強(qiáng)度熱成形零件的工藝和模具開發(fā).曾主持完成“超高強(qiáng)鋼熱成形工藝開發(fā)與模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)”項(xiàng)目獲得“上汽集團(tuán)技術(shù)創(chuàng)新獎”二等獎.擁有1項(xiàng)技術(shù)專利。

熱成形工藝應(yīng)用現(xiàn)狀

在當(dāng)今社會中.能源短缺和排放污染是汽車工業(yè)發(fā)展面臨的兩大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對挑戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排.車身輕量化成為未來汽車的發(fā)展趨勢之一。采用新材料和新工藝來制造零部件.在不降低安全性的前提下.降低零件重量.是實(shí)現(xiàn)車身輕量化的重要途徑。熱成形工藝技術(shù)是典型的新材料和新工藝的結(jié)合應(yīng)用.其本質(zhì)是將沖壓工藝和熱處理工藝結(jié)合起來.即將硼鋼加熱后快速輸送到水冷卻模具中.在沖壓成形的同時實(shí)現(xiàn)材料的淬火相變.得到完全馬氏體組織的零件。應(yīng)用熱成形工藝制造的零件強(qiáng)度高.成形性好.回彈量小.具有1500MPa級別的抗拉強(qiáng)度。因其具有超高強(qiáng)度.在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時.相比傳統(tǒng)的冷沖壓零件.可以選用更薄的板料厚度.在保證結(jié)構(gòu)剛度和安全性的前提下.能有效減輕零件重量.實(shí)現(xiàn)車身輕量化。

在世界各國汽車安全法規(guī)和節(jié)能減排要求不斷提升的背景下.熱成形零件的優(yōu)點(diǎn)日益顯現(xiàn)。大眾、通用、寶馬、沃爾沃等歐美汽車制造商在設(shè)計(jì)新車型時.開始大量應(yīng)用熱成形零件.其在車身結(jié)構(gòu)中的占比已由5%～10%上升至20%～25%.導(dǎo)致近年來熱成形零件的市場需求量急速增長。

在中國熱成形零件市場上.原先幾乎所有的市場份額均由外資企業(yè)占據(jù)。近年來.由于良好的市場前景.國內(nèi)企業(yè)紛紛投資進(jìn)入熱成形領(lǐng)域。通過近幾年的自主研發(fā).部分國內(nèi)企業(yè)已基本掌握熱成形技術(shù).具備模具自主開發(fā)能力.增強(qiáng)了本土零部件供應(yīng)商的核心競爭力。

熱成形工藝關(guān)鍵技術(shù)

生產(chǎn)線設(shè)備方案

典型的熱成形線設(shè)備包括：高速液壓機(jī)、加熱爐、自動化傳送裝置、水循環(huán)制冷機(jī)組。為了適應(yīng)熱成形的工藝要求.液壓機(jī)需具有不低于700mm/s的快速閉合與抬升速度、不低于150mm/s的快速成形速度和不低于30s的壓力保持時間。加熱爐可采用電加熱、氣加熱或氣電混合加熱.需要裝備保護(hù)氣氛發(fā)生器。自動化裝置可采用機(jī)器人或機(jī)械臂形式.實(shí)現(xiàn)自動化拆垛、上料和下料。制冷機(jī)組根據(jù)整線生產(chǎn)速度.選擇合適的制冷功率；循環(huán)水中應(yīng)添加防腐蝕劑.避免銹蝕模具內(nèi)的冷卻水道。

與傳統(tǒng)的冷沖壓行業(yè)一樣.熱成形產(chǎn)品按照零件尺寸也可分為大、中、小三種類型。大型零件以中央通道、前圍板、一體化A柱/B柱、門檻板等為代表；中型零件以雪橇板、頂蓋加強(qiáng)梁、保險杠橫梁等為主；小型零件則主要是一些局部加強(qiáng)件。對應(yīng)不同的產(chǎn)品類型和生產(chǎn)綱領(lǐng).生產(chǎn)設(shè)備形式不盡相同.投資規(guī)模也有所區(qū)別。如果是大中型零件和大批量生產(chǎn).需要高速生產(chǎn)線.壓機(jī)噸位800～1200t.加熱爐采用30m以上的輥底式傳送爐.自動化設(shè)備以機(jī)械臂等直線傳輸設(shè)備為主；如果是中小型零件和小批量生產(chǎn).則建議采用壓機(jī)噸位600～800t.加熱爐可選30m以下的輥底式傳送爐或者抽屜式箱式爐.配合柔性化較強(qiáng)的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動化聯(lián)線。

關(guān)鍵工藝窗口

熱成形工藝的實(shí)質(zhì)是沖壓工藝與熱處理工藝的結(jié)合.其特點(diǎn)是“熱”。關(guān)鍵在于如何控制好溫度.確保滿足工藝條件和質(zhì)量要求.同時又能實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)效率。為了實(shí)現(xiàn)鐵素體+珠光體的組織到奧氏體再到馬氏體的相變過程.以22MnB5為基體的材料需在加熱爐內(nèi)加熱到880℃以上.并保溫一定時間.使組織均勻且充分地奧氏體化.整個加熱過程為4～30min。如果是鋁硅鍍層材料.則加熱工藝窗口要小得多.上限約為8～10min.如圖1所示。這是因?yàn)樵诩訜徇^程中.鍍層厚度隨加熱時間的增長而增厚。為了滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的上限要求.需要控制加熱時間.避免因加熱時間過長而導(dǎo)致鍍層厚度超標(biāo)。

為了得到完全的馬氏體組織.需要將加熱后的料片快速輸送到模具內(nèi).在沖壓成形的同時快速冷卻。實(shí)驗(yàn)表明.未變形料片的臨界冷卻速率是30℃/s.變形后料片的臨界冷卻速率約50℃/s.如圖2所示。根據(jù)金屬學(xué)理論.馬氏體的相變起始溫度和結(jié)束溫度分別約為400℃和200℃。這意味著沖壓過程必須在相變起始溫度以上完成.由此要求初始成形溫度在750℃以上.否則空冷時間過長.材料除馬氏體外可能含有貝氏體等其他組織.影響零件強(qiáng)度。

同時.保壓過程要持續(xù)到相變結(jié)束溫度以下.待組織轉(zhuǎn)變?nèi)客瓿珊?才能從模具中取出零件。保壓時間一般為5～10s.視零件厚度、模具表面溫度而定。板料越厚.攜帶的熱量越多.需要的冷卻時間越長。模具表面溫度則與模具鑲塊的熱導(dǎo)率、冷卻水溫度和流速相關(guān)。一般地.從零件質(zhì)量的角度而言.希望保壓時間足夠長；從生產(chǎn)效率的角度.則希望保壓時間足夠短。在工藝開發(fā)時.需要綜合壓機(jī)、自動化、模具、零件等多方面因素.并且通過批量試驗(yàn).確定最佳的保壓時間。

質(zhì)量控制要素

由于熱成形零件應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)件.要求具有較高的強(qiáng)度和碰撞性能。因此.除了常規(guī)的尺寸要求以外.還必須滿足性能要求。根據(jù)大眾、通用等主要整車廠的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn).熱成形零件的性能要求有：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、鍍層厚度（有鍍層材料）.如表1所示。

⑴強(qiáng)度。

影響零件抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的主要因素是料片進(jìn)模溫度、零件出模溫度、模具與零件的接觸狀態(tài)。

1）成形溫度。為了滿足馬氏體相變的必要條件.材料必須具有足夠高的熱處理起始溫度、足夠快的冷卻速度、足夠低的熱處理中止溫度.確保連續(xù)冷卻曲線(CCT）不會穿越貝氏體、珠光體等區(qū)域。根據(jù)工藝開發(fā)的經(jīng)驗(yàn).如果料片進(jìn)模溫度低于750℃或零件出模溫度高于200℃.會導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)完整淬火過程.材料中包含馬氏體以外的其他組織成分.零件強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 加熱工藝窗口

圖2 冷卻工藝窗口

■ 表1 熱成形零件機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)

2）模具與零件接觸狀態(tài)。在量產(chǎn)過程中.模具存在不斷磨損的情況.板料與模具的貼合狀態(tài)也在變化。在接觸不佳的區(qū)域.冷卻速率低于臨界值.導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)。因此.熱成形模具必須嚴(yán)格、定期地進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)和修復(fù)性維護(hù).確保模具與零件質(zhì)量。

⑵延伸率。

影響零件延伸率的主要因素是加熱工藝和零件局部減薄率。

1）加熱工藝參數(shù)不合理。如果加熱溫度過高（超過950℃）、加熱時間過長（超過30min）.會造成材料組織晶粒粗大.板料成形后延伸性能下降。

2）零件局部減薄率過高。如果零件局部減薄嚴(yán)重.特別是當(dāng)減薄率大于15%以上時.將會造成對應(yīng)區(qū)域性能弱化.在拉深試驗(yàn)過程中發(fā)生頸縮.導(dǎo)致提前斷裂。

⑶鍍層厚度。

對于鋁硅鍍層材料.在加熱過程中鍍層不斷膨脹.同時基體與鍍層材料之間發(fā)生合金化反應(yīng).形成中間層。如果加熱時間控制不當(dāng).將導(dǎo)致鍍層無法滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1）加熱時間不足.鍍層厚度不達(dá)標(biāo).表面粗糙度不足.影響零件的涂裝性能。

2）加熱時間過長.鍍層厚度超標(biāo).內(nèi)部產(chǎn)生大量孔洞.影響零件的焊接性能。如圖3所示.當(dāng)加熱時間為1000s時.鍍層厚度達(dá)到55μm.超出了大多數(shù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的上限。

因此.在生產(chǎn)工藝開發(fā)過程中.需要嚴(yán)格遵循材料的加熱工藝窗口.并進(jìn)行極限測試.制定合理的失效模式和效果分析方法及控制計(jì)劃。通過過程控制和足夠的檢測頻次.確保零件質(zhì)量滿足客戶要求。

圖3 鍍層厚度顯微鏡照片

熱成形技術(shù)發(fā)展趨勢

精益制造技術(shù)

熱成形零件的大量應(yīng)用.吸引了不少供應(yīng)商進(jìn)入該行業(yè)。目前國內(nèi)具備零件制造能力的企業(yè)超過10家.市場競爭異常激烈.產(chǎn)品價格一路下降。如何通過合理規(guī)劃和精益制造.提高生產(chǎn)效率.降低制造成本.增強(qiáng)自身的競爭力.是業(yè)內(nèi)企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。

在生產(chǎn)設(shè)備規(guī)劃方面.發(fā)展趨勢是進(jìn)一步細(xì)分產(chǎn)品范圍.結(jié)合主要產(chǎn)品的尺寸、產(chǎn)量等因素合理配置生產(chǎn)設(shè)備。對于中、小型零件.采用更小臺面和噸位的壓機(jī)、更短長度或形式不同的加熱爐.這樣一方面節(jié)省了設(shè)備投資.間接降低了制造費(fèi)用；另一方面.小規(guī)模加熱爐的能耗更低.由設(shè)備故障帶來的報(bào)廢損失也更小。

生產(chǎn)工藝開發(fā)是精益生產(chǎn)制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié).核心目標(biāo)是在遵循工藝窗口的前提下.提高生產(chǎn)節(jié)拍.降低單位能耗.減少報(bào)廢損失。主要途徑為：優(yōu)化加熱時間和保壓時間.縮短單個沖次的循環(huán)周期；優(yōu)化加熱溫度.降低加熱爐和冷水機(jī)的能耗；合理設(shè)計(jì)模具和工裝.保證壓機(jī)、模具、自動化三者的匹配度.提高生產(chǎn)穩(wěn)定性。

■ 表2 熱成形復(fù)合成形工藝對比

此外.激光切割是熱成形零件制造工藝流程中的瓶頸。激光切割設(shè)備投資大.生產(chǎn)效率低.運(yùn)行維護(hù)成本高。為了降低激光切割量.部分整車廠對于零件上匹配關(guān)系不重要的修邊線.適度擴(kuò)大公差范圍要求.允許不采用激光切割。沖壓廠可在模具設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中.優(yōu)化板料輪廓線.將成形后零件的縮料線控制在公差要求內(nèi).這樣可以節(jié)省可觀的激光切割工時.并減少由此帶來的切割廢料.提高材料利用率。

復(fù)合工藝技術(shù)

從最新的車身結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢來看.對于某些關(guān)鍵零件.期望在同一零件上實(shí)現(xiàn)不等強(qiáng)度.即不同部位具有不同的材料厚度或不同的力學(xué)性能.這樣可以在優(yōu)化碰撞性能的同時實(shí)現(xiàn)輕量化。以B柱為例.通常希望上半部具有高強(qiáng)度.能夠減少側(cè)面碰撞時的侵入量；下半部易于變形.便于吸收碰撞能量.減少對乘員的傷害。這種設(shè)計(jì)要求可以通過不同厚度的材料來實(shí)現(xiàn).也可以通過零件上的不同性能來實(shí)現(xiàn)。

不同厚度零件一般通過特殊的板料制造工藝來實(shí)現(xiàn).可采用激光拼焊板(TWB）、連續(xù)截面軋制板(TRB）或補(bǔ)丁板(Patch）.如圖4所示。這三種技術(shù)對工藝和模具的要求相對簡單.但原材料制備比較復(fù)雜.材料成本高。不同性能零件主要通過特殊的熱成形工藝來實(shí)現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)在于可以使用普通的原材料鋼板.材料成本較低.但是生產(chǎn)工藝和模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜.控制難度大.制造成本較高。表2對比總結(jié)了不同熱成形復(fù)合工藝技術(shù)的特點(diǎn)。

可以預(yù)見.隨著汽車輕量化要求的不斷提高.采用復(fù)合熱成形工藝制造的零件比例將逐步上升.如何適應(yīng)整車廠的產(chǎn)品質(zhì)量要求.提高工藝穩(wěn)定性.降低制造成本.將成為熱成形零部件供應(yīng)商面臨的主要挑戰(zhàn)。

圖4 變截面板料

結(jié)束語

在汽車輕量化的背景下.熱成形零件因其能在高強(qiáng)度、輕量化和成形性三者之間找到良好的平衡點(diǎn).正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。先前國內(nèi)熱成形技術(shù)和市場均被外資企業(yè)壟斷.國內(nèi)企業(yè)經(jīng)過幾年的努力和探索.已基本掌握了熱成形工藝的關(guān)鍵技術(shù).自主開發(fā)能力得到了很大的提升.初步打破了外資企業(yè)的壟斷。相信通過科學(xué)合理的規(guī)劃和堅(jiān)持不懈的努力.順應(yīng)熱成形技術(shù)的發(fā)展趨勢.國內(nèi)企業(yè)一定能夠不斷增強(qiáng)競爭力.早日實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新.為中國汽車工業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

超高強(qiáng)鋼熱成形工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢

文/劉磊超·上海賽科利汽車模具技術(shù)應(yīng)用有限公司