环球热讯:汽车热成形钢材料特性及热成型软区技术

一、零件性能要求及应用

(资料图)

采用热成形钢板冲压件的零件通常是车身碰撞传力路径的安全结构件，大多要求具有高强度，起到防止碰撞时过分变形、入侵乘员生存空间的作用。同时对零件的韧性有一定要求，比如车门防撞梁、B柱等，在发生碰撞发生变形时，不能过早弯折断裂，以起到吸收能量的作用。

下图1为沃尔沃V系列车型的白车身用材示意，红色代表热冲压零件，主要集中在正碰和侧碰路径上，包括A柱、B柱、C柱、前后纵梁、顶盖横梁、上边梁、门槛、地板横梁等。

由于轻量化及碰撞安全的越来越高的需求，热成型钢在汽车骨架上的应用比例也在不断扩大。根据GM的公开资料，预计目前热成型钢年产能已达600万吨，与之相比，发展多年的第三代冷冲压高强钢的产量仅为3万吨。

如下图2，以Volvo为例，XC90在2015年热成型钢单车用量已从7%提升到38%，目前最新车型已达42%。钢质或轻度钢铝混合路线的车企均大幅提升热成型钢占比，部分电动车企开始在电池包结构件上量产应用。

二、材料性能要求

为了保证乘员舱的完整性和防撞性能，一般对热冲压材料（通常指1500MPa和1800MPa的硼钢）有如下需求：

1. 高的材料强度；

2. 良好的弯曲断裂韧性；

3.均匀的组织性能；

4.合适的成本；

5.镀层材料还需求较好的耐蚀性（分为镀AS、镀锌和裸板）；

6.良好的热处理工艺性能（奥氏体化温度、临界冷却速度）；

7.良好的点焊、激光焊性能。

当然，现在随着汽车安全件的精细化设计需求，除了需求越来越高强度的硼钢（22MnB5、28MnB5、34MnB5）外，也需要中等强度的高韧性的热冲压材料作为软区材料，例如B柱的下端使用低合金高强钢6Mn6等，此类材料的需求为高弯曲韧性、良好的可焊性、较大的临界冷却速度，室温组织可以为铁素体、珠光体或马氏体组织。

三、行业用材分析

1、行业用材现状

• 从基材来讲：

①硬区：目前热冲压钢板主要应用的是1500MPa的22MnB5和1800MPa的34MnB5硼钢，用作硬区部位，即需要超高强度来减小或防止变形的部位；

②软区：基于激光拼焊（TWB，Tailored Welded Blanks）技术的成熟，也有500/600MPa级的6Mn6、1000MPa级的8Mn*、1200MPa级的12Mn*等材料用于激光拼焊件的低强度部位，俗称软区。

如下图3沃尔沃XC90车型的纵梁和B柱的端部（黄色区域）。该部分材料VDA弯曲角一般远大于22MnB5和34MnB5，碰撞时有效变形行程较大，起到吸能的作用。

• 从表面涂层来讲：

①常规镀层材料：

安赛乐米塔尔在华专利CN108588612B，对常规涂层（镀层重量70g/m2，热冲压后总厚度30-50um）的工艺窗口、涂层结构与厚度做了严格限定，致使该材料处于安米及其授权公司（现代制铁、新日铁、VAMA、TKS）垄断中，价格相对较高、货源比较单一、供货周期较长。

国内宝钢、首钢、唐钢、马钢等钢厂也在批量供货该类材料，以宝钢为例，主要通过错开加热窗口来规避专利，但由于AM在不同国家和地区专利权利要求的差异，国内钢厂材料在欧盟、北美、日韩、巴西等主要汽车市场使用和销售时需特别关注专利侵权问题，目前不建议在大陆以外地区使用。

②薄镀层材料：

2019年苏州育材堂公司（东北大学易红亮教授团队）发明了降低涂层厚度（热冲压后涂层总厚度10-25um）的薄镀层新材料，可调整工艺窗口（提高温度、缩短时间）错开AM的加热窗口，热处理后镀层厚度和结构也可规避AM专利限制，目前授权国内TAGAL和马钢两家钢铁企业生产，已获得GM、长城、奇瑞、一汽、东风、岚图等国内外数家主机厂认证通过或在认证中。目前能批量生产供货的材料基材为22MnB5和6Mn6。

③裸板材料：

表面无镀层的材料为裸板材料，该材料无镀层专利，可采用国内外诸多钢厂材料，如TKS、现代制铁、首钢、宝钢、本钢、马钢。相对镀层材料，裸板原材料成本降低了，但是由于裸板在加热时会氧化，表面生成一层氧化皮，通常需增加抛丸工序进行表面处理，会增加一道抛丸加工的成本。而且氧化皮的存在会擦蚀冲压模具，折损模具寿命。抛丸后还会有一定的变形（一般1.2mm以下规格不可使用裸板），且会污染环境。因此不建议大量应用裸板，可根据车型定位在干区部位适度使用。

2、行业用材趋势

由于碰撞安全、轻量化、低成本、防腐效率的持续高需求，引导热成型钢在高强度、高韧性、经济性耐蚀三大方向的研究与应用趋势。

• 高强度（硬区）：1500MPa——1800MPa——2000MPa——2300MPa

• 高韧性：①软区：500MPa/1000MPa；②硬区：2000MPa+V/Nb/Re/Mo/Ni；③软+硬区：薄镀层热成型

• 经济耐蚀：含Cr裸板热成型钢、薄镀层热成型钢

四、零件生产工艺

• 一般零件：

热冲压零件的典型生产工艺如下图4（铝硅板），主要核心工序包括：加热（奥氏体化）——淬火成型——激光切割。裸板的生产在淬火后还有一道抛丸工序。

• 特殊工艺零件：

由于碰撞安全对不同区域材料的规格、性能需求不同，为满足不同需求的精细化、定制化设计，并体现出轻量化收益，近年来已广泛量产应用TWB（激光拼焊）、TRB（变厚度轧制板）、Soft zone（强度软区，分模内与炉内2种）、Patch（补丁板）四种创新工艺，如下图5为沃尔沃XC90同时使用到的4种工艺示意图，其中B柱使用到TRB+TWB的组合工艺。

①TWB（激光拼焊）：

材料需要在激光拼焊厂拼焊成二次板料，再运送到热冲压厂进行加热淬火成型，以GONVAMA的激光消融焊为例，拼焊料的典型生产工序如下图6a)。目前可供货供应商包括GONVAMA、宝钢TB、宝钢阿赛洛、鞍钢钢加，工艺有消融焊、填丝焊、消融+填丝焊等。

②TRB（变厚度轧制板）：

它是通过柔性轧制工艺生产的金属板，即在钢板轧制过程中，通过计算机实时控制和调整轧辊的间距，以获取沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板材。其生产示意图如下图7，目前可供货供应商包括Mubea、东宝海星。

③Soft Zone（分区强化）：

热成型强化分区工艺是指板料原料为一个等厚等强度料片，通过特殊工艺（模内分区加热、炉内分区加热）实现不同区域、不同强度的功能。同一个零件上分成了几个区：硬区和软区，硬区抗拉强度仍为1300MPa以上；软区抗拉强度则为500MPa-800MPa。图8为本田雅阁车型（北美版）使用的分区强化示意图。该技术无专利限制，可自主开发应用，但是由于需要增加加热控制装置（固定投资，热冲压厂投资100-200万），加热部位的镶块需要高热疲劳材料（170-180元/kg）且需铺设加热丝，因此模具成本上升20%左右。如果不能规模化应用，节拍和收益不大。一般年销量在20万以下车型不建议使用。对于年销量大的车型，使用该工艺相对TWB和TRB工艺可显著降低料片成本。目前大众、福特、本田等几家车企应用较多，大部分车企基本没有应用。

④Patch（补丁板）：

补丁板技术通常是在热冲压零件需个别加强的区域，预先在坯料上焊接好另一块或数块热冲压材料，然后一起加热并在同一套模具内一起淬火成型，从而实现不同区域的不同料厚和结构强度。该工艺可以节省冲压模具，综合成本相对较低，是广泛采用的工艺。但是需特别注意尽量避免补丁板很厚，这样会增加与基板的厚度差，对后续加热和淬火保压控制不利。图9为岚图FREE车型使用的补丁板技术示意图。

热成型软区技术

热成型软区技术是实现汽车轻量化的重要途径，其特点是通过模具水冷和电热系统实现零件的变强度、薄料厚、低重量的设计。文章针对热成型软区原理、工艺分析、模具结构设计及应用进行解析。实际生产表明，热成型软区零件区别于传统的热成型等强度零件可有效提高汽车的强度及安全性，同时降低车身重量，实现汽车轻量化设计及节能减排。

1、 热成型软区工艺原理

热成型软区工艺是指板料为一个等厚料片，通过特殊实现不同区域、不同强度的功能。同一个零件上分成了2个区：硬区和软区，硬区抗拉强度仍为1300-1650MPa，屈服强度仍为900-1300MPa；软区抗拉强度640-865MPa，屈服强度420-550MPa。

通过加热炉设备分区加温控制对料片的不同位置进行加热温度控制，但要实现该功能，将产生巨大的设备投资费用，且在生产线建设完成后无法进行后期添加，因此并不适用于稳定持续发展的生产性企业实施。目前可通过模具水冷和电热系统实现料片硬区部位布置水道，增加冷却速度，在板料整体加热至860℃～960℃，使料片全部完全奥氏体化，模具合模时快速冷却，使料片全部形成高强度淬火马氏体。软区部位模具内部布置电阻丝，外部连接电加热系统，迫使软区部位持续稳定加热至500℃，保持高温加热10s以上，直至需要软化的部分保留原有奥氏体、珠光体和铁素体的多项组合组织，以实现同一零件上不同区域有不同的机械性能。

2、 热成型软区工艺优势

为了更好地满足轻量型汽车良好的防撞性能要求，如汽车B柱这类变强度的高强度热冲压件已被广泛的应用于汽车白车身中，其优点在于让较薄的钢板替代厚钢板，以多相微观组织代替原有的单相马氏体，不但可以更好地减轻汽车零部件的重量，同时具有更好的缓冲吸能效果。热成型软区工艺的应用既能抵制外部冲击保证汽车的完整性，同时能吸收汽车受到冲击时的能量来保证乘客的安全性。

热成型软区零件可使需要高强度部位抗拉、屈服强度等机械性能显著提高，达到可以承受更大的撞击力的效果,同时也可使需要低强度部位拥有较低抗拉、屈服强度，在碰撞时达到吸能和溃缩的作用，两者方式的结合能够有效地提高汽车的碰撞安全性能,实现汽车轻量化。实现同一个热成型零件在不同区域有不同的机械性能，优化零件在整车碰撞试验中的性能表现。

3、 热成型软区工艺流程

热成型软区工艺流程如下：

开卷落料：使用落料压机和落料模具冲裁出所需外形轮廓的热冲压板料。

转移：使用机械手等设备将毛还转移至加热炉中。

加热和保温：将板料加热到奥氏体再结晶温度以上,并且保温一段时间,使其充分均匀奥氏体化。奥氏体化参数加热温度和保温时间对板料的奥氏体化质量有重要影响。加热和保温过程中板料表面很容易氧化,影响后续冲压淬火效果并且增加了表面清理工序。对板料进行表面防氧化处理(防氧化涂层)或者向加热炉内冲入保护气体(氮气等)能够显著减少甚至避免钢板产生氧化皮。

转移：使用机械手等设备将奥氏体化后的板料从加热炉中取出转移至热冲压成形水冷模具中。

冲压成形、保压淬火和模内持续加热保压:快速完成冲压成形并保压淬火一段时间，利用模具的冷却系统对高温板料进行淬火热处理,使热冲压零件硬区部位获得均匀的马氏体组织和良好的机械性能。模内持续加热保压使热冲压零件软区部位保留原有奥氏体，让其不进行马氏体转化。另外保压可以减小回弹,提高热冲压零件形状精度。

转移：使用机械手等设备将热冲压成形零件从模具中取出。

后续处理：利用酸洗或喷丸的方法去除零件表面的氧化皮,提高零件表面质量；使用激光切割机、激光钻孔机对超高强度热冲压零件进行切边和钻孔,或者在热冲压成形之前钻孔。

4、 热成型软区模具设计

热成型软区模具较传统的热成型而言，其结构更为复杂，热成型软区模具在水冷系统和电加热系统共存的情况下，增加了可精确快速调节的定位杆装置以及调节可伸缩的定位杆装置，通过精确定位和快速调节可有效减少工装上线调节时间，精确控制零件软区和硬度过渡区的长度，达到降低生产成本的目的。

图1中为某车型中支柱加强板零件，图1中标注1为需要硬区位置，最终零件该位置抗拉强度需要＞1300MPa，屈服强度需要＞900MPa，通过对模具该位置的镶块进行水道加工，连接水冷系统，实现快速冷却从而使原材料由奥氏体转变为均匀马氏体，达到我们的需要；图示标注3为零件软硬过渡区，该过渡区多为残余奥氏体、珠光体、马氏体、铁素体一种或者多种组织而成，过渡区为不受控制控制区域，模具内通过布置隔温石棉或耐高温高压玻璃纤维来实现隔温；图示标注2为需要软区位置，最终零件该位置抗拉强度需要＞600MPa，屈服强度需要＞400MPa。 模具内软区位置镶块打 孔，布置电阻丝，用于模内持续加热输出。

模具内镶块电阻丝排布完毕后通过电控信号与外部加热设备连接，通过外部电加热系统自动化控制镶块加热温度，确保镶块加热温度持续稳定保证在500℃±50℃以内，以此保证零件软区部位金相组织不发生马氏体化，保留原有的奥氏体、珠光体和铁素体的多项组合组织，满足技术要求。

硬区部位模内水道快速冷却

如图所示硬区部位模具内部依然布置水道，通过水路系统和设备水路进行连接，通过外部设备的水流量控制及水温控制，确保硬区部位镶块表面温度小于80℃，以此保证零件硬区部位金相组织由奥氏体化向马氏体化的转化，满足技术要求。

5、 热成型设备

与传统冷成型模生产相比较，热成型生产使用的是高速上料机械手、高速液压机及辊底式加热炉，如图5和图6所示。使用先进的自动化机器人，能够快速准确的将板料从堆垛区转移至加热炉传送区，长达38m的辊底式加热炉，对板料进行3～5min的加热，使板料达到高达900℃以上的温度；同时配备各种先进的测温技术元件，保证批量生产时的稳定性。

通过热成型软区工艺开发过程的解析与研究，实际生产表明，热成型软区零件区别于传统的热成型等强度零件可有效提高汽车的强度及安全性，同时降低车身重量，实现汽车轻量化设计及节能减排。

关键词： 奥氏体化 抗拉强度