热冲压钢板——帮助汽车提高燃效及轻量化

为减轻车体重量，面向日本的汽车近年来越来越多地采用热冲压钢板。例如本田2011年11月上市的轻型汽车“N BOX”，中柱（B柱）的加强件就使用了热冲压钢板，这是首次在面向日本市场的本田车中采用热冲压钢板（图1）。其效果是，车重减轻了2kg。

除了N BOX之外，本田在面向日本的其他本田车上也广泛采用了热冲压钢板。比如2012年11月上市的轻型汽车“N-ONE”和2013年6月21日上市的新款混合动力车“雅阁混合动力车”等。N-ONE的中柱加强件使用了热冲压钢板，雅阁混合动力车的中柱加强件和门槛梁的一部分采用了热冲压钢板，为减轻车重做出了贡献（图2）。
马自达也是积极采用热冲压钢板的汽车厂商之一。该公司2012年2月上市的新款SUV（多功能运动车）——“CX-5”的前后保险杠就使用了强度为1800MPa级的热冲压钢板（图3）。汽车采用如此高强度的热冲压钢板在全世界也是史无前例的。借助热冲压钢板，CX-5的车重减轻了4.5kg。

进一步提高高强度钢板的强度
那么，热冲压钢板究竟是什么呢？说到底，就是高张力钢板的一种。
热冲压钢板与在常温下冲压成型（冷压成型）的普通高张力钢板的不同是，制作热冲压钢板，是在将原材料加热、使其软化的状态下冲压成型，而且，成型品还在模具里时使其快速冷却，以提高强度。加热材料使其软化可使材料容易成型，高温材料在冲压成型后立即快速冷却，这样的淬火效果可提高强度。提高钢板强度有助于减薄板厚，从而减轻车重。
具备上述特点的热冲压钢板此前虽然被用于面向欧美市场的汽车，但面向日本的汽车却很少使用＊，因为这会导致制造成本升高。不过，随着燃效规定日益严格，日本的汽车也越来越多地采用热冲压钢板。
＊在欧美采购的冷压高张力钢板与在日本采购的产品相比，材料的性能偏差较大。因此，即便调整了模具，使第一批材料在冲压成型时不会产生褶皱和裂纹，但在下一批材料时还是会出现不合格等问题。这是面向欧美的汽车率先采用热冲压钢板的原因之一。
据悉，汽车厂商要在2020年之前将二氧化碳排放量减少到2005～2006年时的约60%。换算成燃效的话，相当于改善6～7成，难度非常大。为此，汽车厂商制定了分阶段改善燃效的目标，到2015年前后改善约3成，到2020年前后再改善约3成。因此，为了尽量减轻车重，除了冷压成型的普通高张力钢板外，还越来越多地采用热冲压钢板。 那么，为何要采用热冲压钢板呢？原因是，热冲压钢板可进一步提高普通高张力钢板越来越难提高的钢板强度。
为了使碰撞能量不传递到驾驶室，汽车车体上有像前后车架那样希望通过损毁部材来吸收能量的部分，也有像驾驶室周围那样为了保护乘员、即使受到冲击也不希望损毁的部分。通常，前者采用的是低强度和中强度的高张力钢板，后者采用高强度的高张力钢板＊。因此，如果想减轻驾驶室周围的重量，就要进一步提高高强度高张力钢板的强度。
＊低强度和中强度的高张力钢板由于材料能实现一定程度的拉伸，因此能在损毁的同时吸收冲击，因此被用于想要吸收冲击的部分。而高强度的高张力钢板因材料难以拉伸，即使遭到破坏也不容易变形，因此被用于不希望变形的部分。
问题在于，冷冲压用普通高张力钢板的强度越高，成型和模具设计越难。也就是说，提高冷冲压用高张力钢板强度的话，会出现以下缺点：（1）冲压成型时容易出现褶皱，容易产生裂纹；（2）材料变硬，模具损耗严重；（3）回弹量6增大，模具设计更难。
＊回弹量：回弹是指物体在受到弯曲和挤压后恢复原状的性质，回弹量是描述恢复程度的量。 热冲压钢板就不存在这些缺点。也就是说，由于是在把钢板加热到变成红色、变软的状态下冲压成型，因此冲压成型时不容易出现裂纹和褶皱，对模具的负荷也小。另外，冲压成型时钢板发生的应变也容易在钢板温度升高后消除，所以很难出现回弹。而且，冲压成型后使材料在模具内快速冷却，具有淬火的效果，可使钢板的组织变硬，提高强度。总之，热冲压钢板是“强度高但容易成型的高张力钢板”。
例如，本田用于N BOX中柱强化件的热冲压钢板在加工前的强度为590MPa左右，冲压成型时通过加热将其软化为与270MPa级钢板相当的强度，冲压成型后借助淬火效果，将强度提高到了1500MPa左右。
当然，热冲压钢板也有缺点。第一，与冷压不同，热冲压在模具内冷却钢板，需要一定时间。因此与冷压相比生产效率降低。第二，从模具中取出后切除多余部分（修边）时，以及打孔时，需要可进行高硬度加工的激光加工设备。由于钢板淬火后变硬，考虑到刀具的磨耗，很难使用切削加工。第三，需要加热钢板的设备。也就是说，不但要花钱买设备，而且生产效率也比较低，因此制造成本高，这就是热冲压钢板的缺点。
各厂商设法降低了采用热冲压钢板时的制造成本。例如，本田开发了三项新技术来降低成本。第一，找到了可将热冲压钢板的加热时间较原技术缩短40％的加热条件（温度和时间），开发了可密切追踪该条件的技术。将该技术用于加热炉管理系统后，可使加热炉的尺寸比采用以往技术时更小，从而减少了设备投资额。
第二，开发出了大幅缩短在模具内冷却成型品的时间的技术。该技术通过在模具与成型品的缝隙间注水，将热冲压钢板的成型周期提高至原技术的4倍。第三，开发出了“无需激光加工的模具系统”。利用该技术，可在钢板冲压成型后尚处于高温柔软状态时，在模具内进行修边和打孔，由此无需使用激光加工设备。本田利用这些技术，将采用热冲压钢板时的制造成本降到了与采用普通冷压980MPa级高张力钢板时相同的程度。