国内外高强度汽车板热冲压技术研究现状

□康斌

国内外高强度汽车板

热冲压技术研究现状

为适应汽车轻量化、降低燃油消耗、减少污染物排放和提高汽车碰撞安全性的要求，汽车用高强度钢板的使用比重越来越大，如高强度双相钢、TRIP 钢等。高强度汽车板、尤其是超高强度汽车板在常温下的变形范围很窄。当前各大汽车厂生产车身及部件主要采用冷冲压法，采用此法冲压高强度汽车板时，冲压过程中需要的冲压力大且容易开裂，产生过量回弹。尤其是针对超高强度钢板（抗拉强度≥550MPa ），冲压时这两项缺陷尤为突出。热冲压技术可以解决这两个问题，同时可以使冲压后的成品抗拉强度得到大幅度提高。

冲压性能。冲压是冲压机在一定冲压速率的条件下使钢板成型。保压是为了保证零部件成型状态的稳定性，并完成淬火使钢板发生组织转变。

2. 热冲压的主要设备

（1）加热炉。其功能是将钢板加热到再结晶温度，一方面要求加热炉的能力要满足要求；另一方面从保证板面质量来看，炉内又需要通保护气体，避免钢板在加热过程中被氧化。从满足连续大批量生产的要求来看，加热炉应该能实现自动进出料，且出料位置有一定精度，以便于后续生产。从保证生产连续性的需求来看，加热炉与其他连续性生产一样，配备了2套动力装置，而且在意外发生后能保证加热炉自动启动，以确保炉况正常和炉内设备使用寿命。

（2）上下料装置。出加热炉后的钢板仍然处于高温状态，为了能够将加热后的板料准确夹送到冲压模具上（国外某典型热冲压设备提供商夹具见图3），只能依靠特定板料形状而设计的夹具机器人或机械手来快速、平稳、准确地将高温状态下的钢板送到模具上。这样可以避免钢板在夹送过程中的表面氧化和局部温降。

热冲压后经保压淬火后的零件表面温度尚有

一、钢板热冲压技术

1. 基本概念。热冲压工艺是将高强度钢板加热到奥氏体温度范围，钢板组织完成变化后，快速移动到模具，快速冲压，在压机保压状态下，通过模具中布置的冷却回路并保证一定的冷却速度，对零件进行淬火冷却，最后获得超高强度冲压件（组织为马氏体，抗拉强度在1500MPa 甚至更高）的新型工艺。见图1、图2。

200℃左右，也只能采用夹具或机械手下料。国外某典型

图1

高强度汽车板热冲压一般工艺

热冲压设备提供商生产的下料夹具和机器人见图4。

图3

图2

高强度汽车板热冲压主要工艺过程

国外某公司生产的热冲压夹具

（3）压机。钢板热冲压压机既要具备快速合模冲压，又要有保压的功能，这是一般冷冲压压机所不能完成的。因此，压力机是热冲压的关键设备。

从热冲压的工艺流程来看，关键工艺过程是加热、冲压、保压和冷却。加热过程直接影响到高强度钢板的

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（4）模具。热冲压模具一方面要完成冲压成型，另一方面要完成对钢板冲压过程中的淬火冷却，因此模具周围都设计有冷却系统。现在投入工业生产的热冲压模具一般使用的是水循环冷却。国内模拟试验的模具冷却水系统位于凹模与凹模座之间。模具的材料也是关键，有文献报道国外采用的是Al 2O 3/Cu复合材料。在连续高速批量生产过程中，模具应保持相对一致的温度，以保证批量生产部件的质量稳定。

（5）切边和冲孔。热冲压后的零件强度高，需要采用激光切割进行切边和冲孔。采用机械式冲压，则要求压机吨位大。国外某典型热冲设备提供商热冲压设备如图4所示。

汽车用高强度钢板热冲压用的原料，要求抗拉强度在400~600MPa左右。目前，主要用于热冲压的高强度和超高强度汽车板为含硼钢板。安赛乐米塔尔能批量生产USIBOR1500、USIBOR1500P 、热镀锌USI -加热炉对钢板进行前处理，增加了加热设备及其能耗这一大环节。生产过程中由于需要加热和保压（淬火），从而增加了生产时间，生产效率也因此降低。

此外，由于热冲压成熟的技术设备，特别是热冲压压机、模具、激光切割机以及全套设备的自动控制系统基本由国外公司掌控，技术封锁严密，现阶段设备投资大，一般的小型汽车厂难以承受。

二、国内外对热冲压高强钢的研究现状

BOR1500和带Al-Si 镀层的热冲压钢板USIBOR1500。带Al-Si 镀层的热冲压钢板USIBOR1500由于有Al-

Si 镀层不会产生氧化铁皮，其典型化学成分如表1所示。此外，瑞典SSAB 公司开发了热轧硼钢板Docol

Boron02、04，其典型化学成分见表2，与USIBOR1500

（a ）热冲压机器人

图4

（b ）热冲压压机、模具和成形后的汽车零部件

国外某公司生产的热冲压设备

有些类似。蒂森克虏伯钢铁公司也能批量生产热冲压钢种。美国西沃斯巴公司和戴姆勒克莱斯勒共同研发了热冲压硼钢。日本、韩国等钢厂也能生产热冲压用钢。此外，国外试验研究比较多的是22MnB5和

3. 热冲压工艺设备的优缺点。采用热冲压工艺后，尤其是轿车车身所用高强度或超高强度钢板的厚度可以降低，同时由于部件的强度得到大幅度提高，车身上的加强板、加强筋可以大量减少，从而减少了车身的重量，同等条件下提高了车身的防撞安全性。

由于采用热加工工艺，钢板的热变形能力得到大幅提高，并且冲压变形所需的压力相对降低，一般而言热冲压轧机的吨位800t 就可以满足生产要求。在热状态下冲压，也降低了回弹的程度，基本没什么回弹。

相对冷冲压而言，热冲压也有不足之处。由于需要

表1

30MnB5，德国萨尔茨吉特集团研制的22MnB5和30MnB5的化学成分见表3，表3中未列出30MnB5中Ti 含量，其含量为0.020%~0.050%。此外，该公司还能生产24MnB5和26MnB5，但都只有热轧产品。目前，国内钢厂只有宝钢开发了不带镀层的热冲压用钢———冷轧B1500HS 、热轧B1500HS ，并实现批量供货。

总的来看，热冲压高强钢的化学成分主要特点是，含有微量的B 和较多的Mn ，此外还含有微量的Ti ，因此有些研究直接称为高强度硼钢热冲压技术研究。表

单位：%

USIBOR1500高强钢的化学成分

Mn 1.2110

Mn 1.0~1.3C

Mn 1.10~1.41.15~1.45

P 0.019.

P ＜0.019P ≤0.025≤0.025

S ≤0.015≤0.010S 0.0030

Si 0.2580S ＜0.01

Si ≤0.0150.10~0.40

Al 0.0360

Si 0.20~0.35B 0.0008~0.0050.001~0.005

Ti 0.0390

B ＜0.0050Cr ≤0.300.01~0.30

N ≤0.01≤0.01B 0.0037

C 0.2210

表2

Cr 0.1910

单位：%

Docol Boron02高强钢的化学成分

C 0.2~0.25

表3

Cr 0.14~0.26

单位：%

22MnB5和30MnB5高强钢的化学成分

0.19~0.250.27~0.33

Al ≤0.080.015~0.08

22MnB530MnB5

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表4钢种屈服强度/MPa抗拉强度/MPa

3个钢种热冲压后的性能对比

Boron02

冲压前

冲压后

冲压前

Boron04

冲压后

USIBOR1500

冲压前

冲压后

350530

12001600

380620

12001720

280~400400~600

12001500

4根据有关研究成果列出了3种高强度汽车板热冲压后的强度变化。可见热冲压后，高强度汽车板的抗拉强度得到了大幅提高，都在原来的2倍以上。

供6条全自动热成形生产线，国内热冲压整套和部分设备都还没有厂家能够生产。

四、钢板热冲压技术主要应用部件

三、国内外高强度汽车板热冲压成形工艺研究现状

1. 国内研究现状。主要是同济大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、上海大众汽车和奇瑞汽车、宝钢研究院等相关研究单位在对热冲压技术、关键设备进行研究，上海市对此还设立了专门的科研项目进行资助。

国内大学研究高强度汽车板热冲压工艺取得成果较多的是同济大学机械与材料学院，他们选用的是安赛乐生产的USIBOR1500高强度钢板，采用热模拟机和量身订制的模具进行试验研究。主要研究了热冲压过程中，钢板的加热温度与钢板内部组织结构变化模式、冲压速度、保压时间、冷却临界速度（淬火速度）、冲压模具温度变化对成形的影响等方面的模拟研究。

国内实验研究表明：高强度汽车板热冲压加热温度为850~950℃为宜；模具在室温下，即原始温度10~

高强度汽车板热冲压技术主要用于生产轿车车身结构中对强度要求高的部件，如：门内侧梁、柱，底板中央通道、车身纵梁和横梁、门槛、保险杠等安全防撞件。这些部件的强度级别直接关系轿车的安全性能，尤其是国家提高了对汽车防撞级别的要求，这些部件的强度级别更是关系到整车的安全星级。

研究显示，德国大众B6车型、沃尔沃XC90和

C70、马自达6采用了高强度硼钢和热冲压成型工艺。国内某自主品牌汽车也在部分车型中采用了此项技术以提高碰撞安全级别。

结语。目前，国内各大型汽车用钢生产企业，对高强度和超高强度硼钢板的开发还比较滞后，品种也相对较少，还没有研发出并批量生产带涂层的热镀锌品种，需要钢厂加大研发，以满足汽车生产企业对高强钢板的需求。国外对热冲压设备及其应用技术的研究封闭严密，国内大型钢厂可以与有关汽车生产企业、冲压设备制造企业、相关重点院校加强合作，以期在热冲压设备制造领域取得突破。这样可以加快高强钢板的研发与应用，提高高强度汽车钢板的应用比重，打破国外技术封锁，降低设备成本，使该技术得到广泛推广。在设备引进方面，钢厂可以与汽车生产企业签订有关协议，加强技术和设备投入合作，可以将热冲压线引入到钢铁企业建设的剪切配送中心，这样可以降低汽车生产企业的投入，也有利于钢铁企业推广其生产的高强度、超高强度钢板。

在热冲压工艺技术细节完善层面，可以应用计算机辅助技术，仿真模拟热冲压试验研究过程中钢板的成形和淬火过程，将各项工艺环节进行优化。

目前对热冲压工艺的自动控制研究还基本没有，因而需要加强研究和消化，以免在工艺的生产控制方面受制于人。同时强化操作人员培训，提高生产水平。

（作者单位：武钢研究院）

50℃对热冲压成形没有明显影响；保压时间一般为155~260s，冷却速度一般≥21℃/s，淬火后零件温度为200℃左右，冷却水临界经济流速为0.7m/s。

2. 国外研究现状。国外对此工艺研究的比较早，由于技术封锁，很难见到有实际意义的生产线的技术文献和有关高强度汽车板热冲压生产实践性资料，公开发表的绝大部分都是试验研究。大多集中在汽车工业比较发达的欧洲国家，如瑞典得勒欧理工大学、德国纽伦堡大学、德国Munchen 理工大学、意大利帕瓦大学，日本横滨国立大学、丰桥科技大学，此外伊朗Arak 大学都对高强度淬火钢板热冲压成形原理和工艺进行了研究，主要采用热模拟机、用安赛乐生产的USI -

BOR1500高强度钢板进行研究。

但国外尤其是欧洲已有设备生产企业能够提供高强度汽车板热冲压生产线。如，瑞典AP&T公司具备提供整套热冲压设备能力、德国舒勒公司能够提供全套的钢板热冲压设备，舒勒已向一家德国汽车制造厂提

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