热冲压成形的热点分析

近年来，随着热冲压成形技术的发展、扩大应用和汽车行业对热冲压成形应用的零件性能要求的多样化以及中国大量引进国外的热冲压成形生产线，热成形产生了一系列的焦点和热点，现从以下几个方面对焦点和热点进行分析。



关于热冲压零件的强度问题

目前广泛应用的22MnB5钢其抗拉强度一般按1500MPa计算，屈服强度按1200MPa计算，近年来，结合轻量化的需求，有企业开发抗拉强度为1800MPa和2000MPa的热成形钢。按照零件厚度的拇指法则，来确定零件的厚度和强度之间的关系：t2/t1=1-(σ1/σ2）n ，式中零件的厚度t2、t1与材料的强度σ1、σ2相对应。

门的防撞杆、前后防撞梁、门B柱等构件基本上承受弯曲应力，强度的提升有可能减薄零件，即轻量化，但是厚度较薄意味着零件刚度的下降，这两者之间需要一个合理的平衡。汽车零件的厚度与刚度密切相关，刚度影响零件的振动、噪声、撞击吸能，因此热冲压成形零件的强度1500MPa是否已经到极限值?是否还需要开发1800MPa的材料?并做进一步减薄?除了考虑零件刚度之外，进一步减薄还将影响到热冲压时零件的工艺性能，零件越薄，出炉后工件在空气中的温度下降越快，为保证在热冲压零件时发生马氏体转变，必须加快零件的传输速度，以保证热成形时零件的温度，并使其能够在成形后保持淬火所需要的温度。另外，强度越高，钢中碳含量越高；马氏体的脆性与钢中碳含量有密切关系，因此在强度提高时还必须考虑热冲压成形零件强韧性的匹配。在强度越高时，零件的延迟断裂抗力和氢脆的能力也会下降，目前已有热成形零件发生延迟断裂，因此这一因素也是在强度提高时应该考虑的因素。强度的提升，碳含量的提高，还会影响热成形零件的可焊性，已经发现超高强度钢和热冲压成形零件在冲击时发生焊点不正常的失效模式，影响了焊点的吸能和高强度钢零件的性能发挥。综上所述，热成形零件强度的提升，尚需要进一步开展研发工作。

热冲压成形板状试样冷弯性能的相关问题

宝马公司和奔驰公司在热成形后的零件上取样，按标准VDA 238-100 金属材料的冷弯试验进行冷弯试验，要求冷弯角度分别大于60°和65°。按这种冷弯方法，目前90%的22MnB5钢所制零件都难以满足这一要求，这些冷弯角度制定的依据是什么?它和材料的强韧性有什么关系?和热冲压成形件撞击吸能有什么关系?和热成形零件的氢脆和延迟断裂抗力有什么关系?都需要进一步的研究和量化。有人曾发现，22MnB5钢表面有一定的脱碳层，会改进热成形后的冷弯角度，但表面脱碳会降低表层的强度和零件的综合强度，它是否会影响撞击吸能，也需要进一步研究和量化。

镀层板问题

长期以来，热成形采用铝硅镀层板，安塞乐米塔尔对这一镀层板的应用申报了发明专利，据了解，该专利的保护期至少还有10年以上，这种镀层板对保护热冲压成形时钢板表面不受氧化具有良好作用，同时也可以减少冲压时的摩擦系数，提高成形性，减少模具磨损。由于是专利产品，板材价格偏高，影响板材的应用和热成形零件性价比的提升，在工艺上，这类镀层板在快速加热时，由于镀层和基体钢板的膨胀系数不同，加热速度较快时，容易产生微裂纹，影响随后的冲压性能以及使用时油漆的表面质量和光鲜性。因此长期以来热冲压成形工艺规定加热时间为300～330s，为保证这一加热时间，对辊道式的加热炉，炉膛的长度就比较长，对多层箱式炉，加热的层数较多，增加了投资，影响了生产率。在薄板加热时，一般1mm/min的加热时间已经足够，热成形板材为1.2～1.8mm/min，这种厚度的板材，加热和保温时间为200s已经足够（22MnB5钢的合金成分简单，只要给足够的时间使Mn扩散均匀即可）。考虑到辐射加热、表面的黑度系数、不同的表面状态，加热时间会有出入，总体来讲，加热时间可较大幅度缩短。对裸板而言，加热时间缩短，既可节能，又可提高生产率，同时减少氧化。铝硅镀层板可以去掉喷丸工序，是一个重要的优点。近来一些公司开始试验镀锌板（即GA板），这类镀锌板实际上是在热浸镀锌后进行退火处理，在表面形成一层锌铁合金层，二者结合得很好，这类板材在热冲压加热时，可以快速加热，不会产生微裂纹。GA板的加热温度比铝硅镀层板低，温度一般不高于900℃，因此对成形过程中工件的传输速度要求更高。加热温度过高，会产生液态锌沿晶界扩散，发生液态金属诱发脆性，在热成形加热后，表面会产生一些氧化物，在加热后冲压时锌层会产生微裂纹，这些都影响到GA板随后的表面形貌，因此通常在热成形之后零件要经过喷丸处理，镀锌层会影响喷丸后的粉尘环境。关于镀锌板的热成形工艺及其推广应用，还需要进一步开展工作。一般来说，GA板加热之后镀层的摩擦系数较低，有利于板材的成形，从而改善热冲压件的成形性，提高成品率，但锌镀层会不会粘模，影响模具的精度和寿命，也需要进一步的实践和积累数据。此外，镀锌板喷丸后的点焊工艺以及激光切割加工工艺也需要考虑到镀锌层的影响。

热冲压成形的加热炉和加热方式

目前加热炉有两种，一种是多层箱式炉，这类炉子灵活、节能、使用方便、占地面积小，但对炉门的开闭机构和工件传输的自动化水平要求较高，适合于多品种、小批量生产。对某些零件，在工艺和设备调试稳定的条件下，也可以大批量生产。另一种炉子是辊道式炉子，这类炉子投资大，占地面积大，如生产铝硅镀层板，高温状态下辊子粘附镀层的可能性较大，影响辊子的寿命，工件的粘附会导致工件在炉子中跑偏。炉子适合于裸板大批量生产，是否适合于镀锌板也有待试验。工件在这类炉子上传输比较简单，自动化部分投资小，工件出炉到压机的传输时间短，冲压成形温度容易控制。考虑到上述情况，如果企业建两条生产线，建议采用两种炉子的加热模式，以兼顾两种加热炉的优点，又合理避开他们的不足。

在热冲压成形的加热方式中，除了上述两种类型炉子采用辐射加热外，目前的加热方式还有直接通电加热，但这种加热方式只适合于形状规则、简单的板坯，铝硅镀层板由于加热速度快，镀层还有发生微裂纹的危险。对于扭力梁这类工件，采用这种加热方式具有热效率高、投资小、工艺过程简单、控制容易等优点。直接通电加热的有关工艺尚需进一步的试验和验证。另一种是感应加热，同样适合于形状简单的板坯，但需要有感应发生器和感应圈，对强度柔性分布的板坯的局部加热，这类加热方式有一定的优势。以上这两种加热方式，加热效率高，加热速度快，但目前在实际生产中的应用报道很少。

强度柔性分布的工艺技术

为了满足汽车轻量化和安全碰撞的要求，既要有高的强度，防止碰撞时构件侵入伤害乘员，又要满足工件的吸能要求，对某些安全件提出了强度的柔性分布的要求，即一定强度的高吸能部分和超高强度部分的有机融合，由此发展了一系列的强度柔性分布工艺技术，包括模具局部控制的冷却技术、模具局部的加热技术、工件的局部加热技术、工件的“热打印”或“冷打印”技术、激光拼焊板技术、差厚板技术。每种技术都应该有相应的模具结构相匹配。

热冲压成形的模具制造技术

热冲压成形模具较为复杂，既保证成形，又要使成形后的构件在模具中进行淬火，得到超高强度的构件。这类模具除具有成形功能外，还具有冷却功能；模具设计制造涉及到金属学、相变、流体力学、传热学等多个学科。模具的功能和受力模式也较复杂，目前正围绕模具的失效、模具的延寿、高导热性的模具材料的开发、模具的设计和计算机模拟技术、低成本的简易模具的制造技术等方面进行相关的开发和研究。2017年5月，在美国亚特兰大举行的第六届国际热冲压成形会议上，提出为降低激光切割成本，采用热冲压级进模的新工艺技术，对模具提出了更高的要求，但进入实用阶段，尚有诸多技术工作有待完善。热冲压成形模具的开发流程如图1所示。



图1 热成形模具的开发流程
热冲压成形零件的检测评价

热冲压成形零件的检测评价包括：⑴零件形状的检测，要满足热成形零件设计的公差要求。⑵基本力学性能（包括高速拉伸性能）和组织的检测，满足所用钢种淬火、低温回火组织的性能和显微组织的要求。由于热成形后的零件强度性能很高，在进行热成形力学性能测试时，要特别注意屈服强度、抗拉强度、延伸率的测试方法和可靠性，使所得的数据与组织能够自洽和互洽，还要特别注意不同批次零件的不同部位强度性能的分布和零件要求的一致性、重现性、稳定性。⑶冲压零件的功能检测，包括按零件的受力模式进行冷弯等功能检测。⑷零件实物碰撞的检测，其结果应与计算机模拟相对应。在进行这些检测时，应特别注意零件的失效模式和零件的基本力学性能检测结果、碰撞吸能等数据是否相容。

热成形零件的氢脆和延迟断裂

近年来，已有相关超高强度钢和热成形零件氢脆和发生延迟断裂的报道，有的是热成形零件预压后室温停放发生断裂的，经分析是氢和应力引起的典型的延迟断裂，有的是在使用过程中由于安装应力产生的断裂，也是氢和应力综合引起的延迟断裂。随着超高强度热成形零件应用的增多，这类问题越来越引起汽车工业界和热成形领域内有关研发人员的关注。目前，该领域内相关问题的研究包括原材料中引起延迟断裂的原子氢的含量及其测试方法；在确定原子氢的含量后，发生断裂的零件中的应力值；对延迟断裂失效模式的评价方法，发生失效的预测；材料的强韧性与延迟断裂之间的关系；为避免发生延迟断裂，在材料的冶金过程、热成形工艺过程中，应该采取什么措施等。上海交大、中国汽研、华科大利用国家自然科学基金重点研发项目正在进行一些相关研究工作，希望有关结果能对以上问题的解决提供帮助。

热成形零件的点焊

点焊工艺对低强度零件已有普遍应用，工艺也较成熟。对超高强度零件的点焊及其评价方法尚有待完善。常用的点焊评价方法是剪切拉伸和十字拉伸，评价点焊接头在准静态负荷模式下的焊点的质量和失效模式。对大量汽车碰撞后的高强度结构件点焊的焊点失效观察表明，不少焊点是发生焊点拔出和纽扣的分离。通常情况下，焊接工艺的制定是以准静态试验结果为依据的。高强度钢和超高强度钢主要做结构件和车身安全件，它们在碰撞时的失效模式是在高应变速率下发生的，原用准静态下对点焊质量的评价结果已不能表征在冲击载荷模式下焊点的质量和失效抗力，为此东北大学和中国汽研研究了冲击载荷下焊点的剪切和拉伸的失效吸能的评价方法和相关设备，结果表明在冲击载荷下，如焊点的失效为纽扣分离、纽扣拔出、焊点的撕裂，三种失效模式的冲击吸能分别为10J、8J和110J。不同的失效模式的冲击吸能相差一个数量级，用冲击下的焊点吸能和失效模式来确定点焊参数比准静态下更能反映点焊的失效本质，有关这方面的问题尚待进一步深入研究。

此外，激光切割的装备和工艺技术的国产化也是热成形重要的工序和国产化任务，目前已有单位取得了一些进展，但达到生产实用阶段尚需进一步的工作。

以上就目前所了解的关于热冲压成形的热点问题，进行了讨论和分析，不少观点仅系个人的看法。虽然近年来本人在该领域和有关单位合作，并在国家项目的支持下，开展了一些研究，取得了一定的进展，但全面解决热冲压成形的上述问题，还需行业内的有关企业和专家共同努力，对有关热点问题和焦点问题共同讨论，提出解决办法。热冲压成形涉及各个领域，如力学、结构、材料、相变、传热等学科，解决上述问题需要产学研用相结合，协同创新，共同推进该领域的技术进步，为中国汽车工业的轻量化和安全水平的提升做出新的贡献。与此同时，中国的热冲压成形也会得到更快的发展，逐步形成有中国特色的装备、工艺和技术。

作者简介

马鸣图，研高，教授，主要从事汽车轻量化材料的应用研究，承担并完成了国家级科技项目多项，出版学术专著8部，发表论文300余篇，获国家发明三等奖一项，省部级科技进步奖三十余项，发明专利十余项。