陳云霞

1 前言

隨著全社會(huì)對(duì)汽車節(jié)能環(huán)保及安全性要求的不斷提高，汽車輕量化和碰撞安全性已成為汽車制造業(yè)關(guān)注和亟待解決的焦點(diǎn)問(wèn)題。高強(qiáng)度鋼因其優(yōu)異的性能在汽車減重和碰撞性能提升方面發(fā)揮了重要的作用，且相比其他輕量化材料具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。然而，在采用傳統(tǒng)的冷沖壓方式制造高強(qiáng)度鋼零件時(shí)，回彈控制難，零件尺寸穩(wěn)定性低，且一直存在沖壓開(kāi)裂問(wèn)題，因此也限制了更高強(qiáng)度此類材料的應(yīng)用。在這種情況下，熱沖壓成形技術(shù)得以快速發(fā)展。

熱沖壓成形是先對(duì)鋼板進(jìn)行奧氏體化（加熱至850～950℃）處理，然后在700～850℃高溫軟態(tài)下進(jìn)行沖壓成形，通過(guò)模具快速導(dǎo)熱對(duì)成形后的構(gòu)件進(jìn)行淬火處理，得到超高硬度的馬氏體組織。最終的熱沖壓零件強(qiáng)度可達(dá)到1500MPa以上，遠(yuǎn)高于采用傳統(tǒng)冷沖壓方式成形的高強(qiáng)鋼零件。

隨著汽車安全和輕量化的需求，熱成形鋼及熱沖壓成形零部件的需求量日益增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球熱沖壓產(chǎn)線約500條，熱成形鋼年需求量400萬(wàn)t左右；中國(guó)熱沖壓產(chǎn)線約150條，年需求熱成形鋼120萬(wàn)t。由于熱沖壓成形零部件對(duì)汽車安全以及輕量化的積極作用顯著，車身應(yīng)用熱成形零部件質(zhì)量百分比在顯著提升（見(jiàn)圖1）。

基于巨大的市場(chǎng)需求，熱成形鋼新材料開(kāi)發(fā)也得到了快速的發(fā)展，本文主要從汽車行業(yè)的應(yīng)用需求出發(fā)，對(duì)熱成形新鋼種的開(kāi)發(fā)進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2 熱成形鋼的成分體系

熱成形鋼從成分上可分為：錳（Mn）—硼（B）系、錳—鉬（Mo）—硼系、錳—鉬—硼—鈮（Nb）系、錳—鉻（Cr）—硼系列等，其中錳—硼系熱成形鋼的使用量最大，技術(shù)也最成熟。錳—鉬—硼系熱成形鋼主要應(yīng)用于北美、歐洲等，錳—鉻—硼為高淬透性熱成形鋼，錳—鉻系為部分馬氏體熱成形鋼，常用熱成形硼鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

熱成形鋼板毛坯的金相組織一般為鐵素體和珠光體，抗拉強(qiáng)度一般為450～800MPa，因板材的軋制狀態(tài)而異。經(jīng)熱沖壓成形后，其組織轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體，抗拉強(qiáng)度一般不小于1 300MPa，典型值約1 500MPa。板材在模具中冷卻速度超過(guò)馬氏體形成的臨界冷卻速度（約27℃/s），就可以獲得強(qiáng)度滿足要求的零件。

此外，由于汽車車身不同部位性能需求的差異，一些較低強(qiáng)度的熱成形鋼也被開(kāi)發(fā)出來(lái)，目前常用的低強(qiáng)度熱成形鋼強(qiáng)度約500MPa，總延伸率約20%，其配合激光拼焊工藝使用，通過(guò)成分的調(diào)配，適應(yīng)熱成形過(guò)程對(duì)零件強(qiáng)度的影響。常用牌號(hào)有表2[3]所示。

3 熱成形鋼的開(kāi)發(fā)進(jìn)展

3.1 涂層熱成形鋼

熱成形鋼的成型過(guò)程本質(zhì)上是一個(gè)熱處理工藝過(guò)程，熱成形雖然加熱爐有一定的保護(hù)氣體，但還會(huì)因?yàn)樯僭S氧氣的存在導(dǎo)致鋼板表面被氧化而出現(xiàn)氧化鐵皮。在后續(xù)的熱沖壓過(guò)沖中，氧化鐵皮會(huì)脫落到模具中，影響零件的尺寸精度，也會(huì)降低模具的使用壽命，大大影響生產(chǎn)效率。

為較少鋼板在熱沖壓成形過(guò)程中熱成形的表面氧化，一般會(huì)通過(guò)改善熱成形鋼的成分體系，開(kāi)發(fā)抗氧化的熱成形鋼[4]。而另一種途徑，則是通過(guò)增加鋼板的鍍層，目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的熱成形鋼鍍層技術(shù)主要有Al—Si鍍層和鋅基鍍層。

3.1.1 Al—Si鍍層

在熱成形加熱高溫氧化環(huán)境下，鋁—硅（Al—Si）系合金涂層的表面可生成一種連續(xù)、均勻且致密的薄膜，該薄膜的主要成分為氧化鋁、氧化硅等，起到保護(hù)基體的作用。Al—Si系合金涂層的耐高溫性能顯著優(yōu)于其他類型涂層，在950℃的高溫環(huán)境下仍可保持涂層的形態(tài)和性能。

Al—Si鍍層技術(shù)最早由安賽樂(lè)—米塔爾公司開(kāi)發(fā)，并成功應(yīng)用于熱成形鋼的涂層[5]。增加Al—Si鍍層后，可有效避免熱沖壓鋼板在加熱過(guò)程中的表面氧化的問(wèn)題，可有效提高模具壽命，改善零件的零件尺寸精度。

Al—Si鍍層的典型成分一般由約10%Si和90%Al復(fù)合組成。熱成形前鋼板的鍍層的厚度約25μm，在高溫加熱后，鋼板基體中的鐵（Fe）原子會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入Al—Si鍍層中，形成Al—Si—Fe的合金或化合物，并富集于涂層位置，使得涂層厚度擴(kuò)大至40μm左右[3]。

3.1.2 新型薄Al—Si鍍層

一般認(rèn)為，Al—Si涂層熱成形鋼的斷裂應(yīng)變、抗冷彎角比無(wú)鍍層鋼板性能差，其原因是由無(wú)鍍層板熱沖壓表面脫碳引起[6]。易紅亮等[7，8]研究發(fā)現(xiàn)：Al—Si鍍層板在熱沖壓加熱和奧氏體化過(guò)程中，鋼板基體中的Fe元素向涂層方向移動(dòng)，鍍層中的Al、Si元素向基體方向移動(dòng)，此時(shí)鍍層中形成Fe/Al/Si的合金化層（FeAl2和Fe2SiAl2）和相互擴(kuò)散層（α—Fe），基體與擴(kuò)散層的界面附近形成C富集，在淬火過(guò)程中形成脆性高碳馬氏體，降低了Al—Si鍍層產(chǎn)品的彎曲斷裂應(yīng)變。Al—Si鍍層合金化之后與硼鋼基體界面間高碳致脆模型見(jiàn)圖2。

基于Al—Si鍍層合金化后與鋼板基體界面間高碳致脆的理論基礎(chǔ)[9]，易紅亮等成功開(kāi)發(fā)了高韌性的薄Al—Si鍍層技術(shù)，通過(guò)控制Al—Si總量降低，降低合金化層中Al與Fe金屬間化合物的配位數(shù)，降低基體表面的C富集程度，從而提高Al—Si鍍層熱成形鋼的塑性、抗冷彎和抗延遲開(kāi)裂性能。

該薄Al—Si鍍層熱成形鋼的熱成形前后鍍層結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。熱沖壓前，其鍍層厚度僅為6～13μm，熱沖壓后則達(dá)到10～23μm。通過(guò)工業(yè)化的試制材料驗(yàn)證，平面模淬火試樣VDA238—100標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)尖彎曲角比常規(guī)鍍層提升了20%以上。

3.1.3 鋅基鍍層

目前，全球Al—Si涂層熱成形鋼材料及制造工藝方面專利已被阿賽洛米塔爾申請(qǐng)，為了避開(kāi)相關(guān)專利保護(hù)技術(shù)，2008年，奧鋼聯(lián)集團(tuán)推出了純鋅（Zn）鍍層的熱沖壓成形鋼板[3]。Zn具有較好的陰極保護(hù)作用，能夠防止熱成形加熱過(guò)程中鋼的氧化和脫碳，但是Zn基涂層熱沖壓鋼在還有一系列的技術(shù)問(wèn)題有待解決[9]。

武鋼等申請(qǐng)了ESP產(chǎn)線生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度≥1800MPa級(jí)熱成形鋼的專利[19]，該發(fā)明通過(guò)Nb/Ti復(fù)合微合金化，并控制Cr、B、Mo等合金元素的含量，并采用ESP短流程工藝生產(chǎn)強(qiáng)度為1800MPa級(jí)熱沖壓成形用鋼，實(shí)現(xiàn)以熱軋板替代冷軋板，降低生產(chǎn)成本。目前，日照鋼鐵也基于起ESP開(kāi)展了熱軋熱成形鋼的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

4 熱成形汽車鋼的發(fā)展展望

由于中國(guó)汽車產(chǎn)量的持續(xù)攀升，輕量化節(jié)能減排的要求以及嚴(yán)格的汽車安全法規(guī)，為熱沖壓成形產(chǎn)品提供了廣闊的市場(chǎng)，并由此為熱成形鋼和熱沖壓成形設(shè)備等提供了巨大的商機(jī)。但熱沖壓成形零部件存在著韌性不足以及潛在的氫致延遲斷裂問(wèn)題也不可忽視。這些風(fēng)險(xiǎn)意味著汽車在設(shè)計(jì)時(shí)，將熱沖壓成形零部件作為一個(gè)高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和高剛度的構(gòu)件，以期達(dá)到保護(hù)乘員安全和減少碰撞損傷的目的。

隨著熱成形新鋼種的不斷涌現(xiàn)，高強(qiáng)韌的熱成形在未來(lái)汽車輕量化和汽車安全性方面將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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