【技術熱點】“該是關注千兆帕高強鋼冷沖壓的時候了！”
日本汽車制造商及其一級零部件供應商正在冷沖壓一些由1.5GPa鋼制成的白車身零件。世界上其它地區的企業也在采用超高強度的鋼材冷沖壓試驗，包括1.5GPa和1.7GPa側防撞梁。這些都展示了冷成形工藝（包括冷沖壓和輥壓成形）正在為汽車制造商在超高強度鋼方面提供具有成本效益和能源效率的另一個可行方案以替代熱沖壓。
電動汽車和五星安全碰撞性能推動采用強度更高的鋼材
為獲得高強度、輕量化車身結構以滿足五星安全碰撞性能的目標，汽車制造商們計劃進一步提高其對先進高強鋼/超高強度鋼的使用。特別是電動汽車，需要以新的方式使用更高強度的材料，尤其是用于承載和保護其重形電池包。
多年來，1.5GPa鋼已經采用輥壓成形工藝，為汽車白車身制造相對簡單的型材。如今，冷沖壓技術的系統性進步為白車身設計師和制造工程師提供了機會，可以為中等復雜輪廓零件沖壓1.5GP鋼，而不只依賴熱沖壓工藝。
冷成形千兆帕鋼的優勢
冷成形的優點：
1.成本可減少28%。由于熱沖壓的運營成本明顯更高，冷成形工藝比熱成形的成本要低得多。
2.與熱沖壓相比，能耗大大降低，從而降低了能源成本和CO2排放量。
3.相較于熱成形鋼（PHS），馬氏體鋼具有更廣的機械性能范圍。
4.冷成形馬氏體鋼零件的最終表面質量優于熱沖壓零件。
5.冷沖壓零件無需額外清潔（噴丸處理）。
6.冷沖壓零件可以進行機械性模具沖孔和切邊，而熱成形零件需要更貴的激光切割加工，以避免氫脆。
7.馬氏體鋼鍍鋅層可提供陰極防腐保護。
8.由于馬氏體鋼的碳當量（Ceq值或 C.E.值）較低，因而具有比熱成形鋼PHS更好的焊接性能。
冷成形工藝注意事項
1.冷成形工藝不能加工高度復雜的形狀。
必須對回彈及補償進行準備，日本和其他國家已證明可以做到這一點：請參見下一節以及下面的"回彈補償"。
日本在1.5GPa冷沖壓方面處于領先水平
"與世界其它地區相比，日本模具制造商的模具和工裝已經開發得非常完善，以適應加工1500兆帕鋼所需的更大噸位，同時還要控制回彈，"具有30多年經驗的日本汽車鋼顧問近藤仁知Hiroshi Kondo指出："所有日本汽車制造商現在都在評估1500兆帕鋼的冷沖壓。"
近藤Kondo還說:"傳統上，日本汽車制造商及其一級零部件供應商總是更喜歡冷沖壓，而不是輥壓成形或熱沖壓。冷沖壓相比輥壓成形的一個優勢是，沖壓可以讓你更自由地選擇零件的幾何形狀。
"冷沖壓相比熱沖壓還有各種優點。對日本汽車制造商來說，關鍵是能耗低、單位沖次時間短。當然，還減少了現在大家關注的CO2排放，所有這些都讓人偏好冷沖壓而不是熱成形。"
近藤仁知Hiroshi Kondo
哪些汽車構件可以在1.5GPa下進行冷沖壓？
對于1500兆帕鋼的應用，冷沖壓的潛在合適產品包括側防撞梁、保險杠、橫梁及其加強件。
“大多數門檻板、門檻板加強件、底板橫梁和一些車頂梁都可以輥壓成形，"SSAB汽車業務開發專家Kenneth Olsson說道:“但是，有許多零件由于其形狀特殊而無法輥壓成形。
十多年來，門檻板采用SSAB Docol ? CR1150Y1400T-MS-EG輥壓成形，在生產線成形和切割。SSAB成形專家愿與客戶討論如何將這種輥壓成形零件升級到1700兆帕鋼。
“雖然熱成形始終是一個選擇"，Olsson繼續說道，"但它成本更高，速度更慢，如果你用化石燃料加熱——就像大多數供應商一樣——就會產生CO2排放問題，這與汽車制造商的可持續發展目標相左。因此，在1500兆帕的強度水平下進行冷沖壓是一個激動人心、相對較新的技術發展。"
瑞典SSAB公司Kenneth Olsson
令人印象深刻的冷沖壓1.5GPa和1.7GPa鋼試驗
奇昊汽車（KIRCHHOFF Automotive）公司使用SSAB Docol? 1500M和1700M牌號成功對側防撞梁樣件進行了冷沖壓。下圖所示為成形零件，下圖所示為3點彎曲試驗后的零件。
奇昊汽車KIRCHHOFF Automotive提供的照片
對于某些汽車零部件，提高強度已很簡單
該側防撞梁由SSAB Docol? CR1150Y1400-MS-EG鋼冷沖壓而成，它在專為CR950Y1200T-MS-EG設計的批量生產模具中進行了試驗并獲得成功。SSAB的成形專家相信，使用CR1220Y1500T-MS-EG可以成功地對零件進行冷沖壓。
冷成形避免了氫脆缺陷
在熱沖壓后，制造商必須非常小心地進行切邊和沖孔操作，否則可能導致延遲斷裂。因此，通常采用激光來對熱沖壓零件加工孔和切邊——這些激光比傳統模具更復雜、成本更高。
冷成形時，壓力機可以使用傳統的沖孔和切邊模具，而不會出現延遲斷裂的風險，即使是在1.5GPa的鋼材上也是如此。并且冷沖壓模具切邊和沖孔是常見的、快速且具有成本效益的一種工藝。
控制超高強度鋼的冷沖壓回彈
熱沖壓的兩個主要優點是能夠獲得非常復雜的形狀并消除回彈。但日本沖壓零部件廠商和其他國家的一些公司已獲得一系列工藝方法來控制冷沖壓零件的回彈：
1.仿真：成形仿真使設計人員可以優化零件的幾何形狀，以控制回彈，并提高冷沖壓零件的最終精度。
2.優化：包括使用直折彎線和圓角（半徑）設置。
3.拉延筋：拉延筋的形狀和位置可實現更好的回彈控制。
4.模具幾何形狀：從較低屈服強度鋼到較高屈服強度鋼，如CR1220Y1500T-MS，可能需要對模具的幾何形狀進行一些更改，以補償較高的回彈。
工具：更好的模具材料，包括耐磨性和涂層，以應對更大的模具噸位。
其他專家對冷沖壓超高強度鋼的評價
正如《世界汽車用鋼》在其“馬氏體鋼網頁”上寫的那樣，馬氏體鋼為熱成形鋼提供了一種可冷成形的替代品。
使用冷沖壓允許在模具加工時靈活考慮不同的策略，這有助于減少回彈或獲得無法通過輥軋成形而實現的零件特征。馬氏體鋼的冷沖壓并不局限于形面平緩的簡單零件。《世界汽車用鋼》展示了一個冷沖壓B柱的照片，上部分是CR1200Y1470T-MS，下部分是CR320Y590T-DP的拼焊板。文章繼續寫道：一項研究表明，鋼板屈服強度與帽形零件的3點彎曲變形之間存在相關性。根據屈服強度的比較，CR12001470T-MS具有與熱沖壓鋼PHS-CR1800T-MB和PHS-CR1900T-MB相似的性能。厚度相同時，CR12001470T-MS鋼性能超過常用的PHS-CR1500T-MB鋼。如果采用適當的壓力機、工藝和模具設計，冷沖壓工藝可以降低制造成本甚至零件重量。
文章接著展示一個已在商業生產中采用馬氏體1500 兆帕鋼制成的冷沖壓橫梁加強件：該零件的不同高度以及最外邊緣的非均勻截面有助于控制回彈，但如果不采用冷沖壓工藝而是輥軋成形的話，難度明顯更大。
本文最后引用了冷成形的1500T-MS車頂橫梁為例子，該加強件使用獲得專利的Stress Reverse Forming?工藝，通過降低回彈靈敏度來提高尺寸精度。
將1.5GPa冷沖壓與1.5GPa熱成形進行比較
精度：由于沒有回彈，因此熱成形零件可以非常精確。采用冷沖壓，全面的回彈管理是零件精度的關鍵。
零件形狀：熱成形是高度復雜的零件形狀的理想選擇——盡管冷沖壓在零件復雜性方面已取得令人印象深刻的進展。
單位沖次時間：冷沖壓比熱成形快得多。
能耗：熱沖壓需要快速加熱（達到900°C）和快速冷卻；而冷沖壓不需要，從而節省了成本和碳排放。
切邊/沖孔：1.5GPa 熱成形鋼零件需要激光切邊和孔加工，以避免氫脆。另一方面，冷沖壓1500兆帕鋼零件可以在生產線進行機械沖切和沖孔。
1400兆帕鋼側面防撞梁，在專為1200兆帕鋼設計的模具中成功冷沖壓
輥壓成形：更高強度
雖然冷沖壓1.5GPa零件相對較新，但（冷）輥壓成形超高強度鋼已普及多年（包括日本以外的地方）。車身零件設計師和一級零部件供應商在輥壓成形應用中越來越得心應手，不斷突破形狀的界限。
例如，SHAPE公司設計了采用SSAB Docol? CR1350Y1700-MS-UC鋼彎曲成車頂縱梁，用于福特車形的批量生產。結果：構件重量輕、成本低且節能，由于A柱壁障更小，因此可提高車內乘員的視野。
SHAPE公司輥壓成形后3D彎曲這根CR1700M車頂縱梁。圖片由SHAPE公司提供
圖片由福特汽車公司提供
3D輥壓成形：尋找到問題解決方案？
3D輥壓成形已被推薦作為在超高強度鋼中制造一些略復雜的幾何形狀的替代方法。
SSAB的碰撞性能專家提議在其Docol?電動車設計概念中使用1700兆帕鋼的3D輥壓成形來保護電池 。該設計利用3D輥壓成形（"波紋形"）梁，以交織的波紋布置，形成非常堅固的電動車電池外殼底座，其波紋高度是此類結構的傳統高度的一半。
汽車底板下方的藍色橫梁是電池外殼的波紋梁結構。采用Docol 1700兆帕材質的3D輥壓成形梁的交叉分布使波紋狀結構的高度降低了一半。
Docol?CR1220Y1500T-MS冷成形性如何？
Docol? 馬氏體鋼1500 兆帕具有更好的冷成形能力，如下所示：
- 2.0的深拉比
- 擴孔率通常為40%
- 保證4.0*t的彎曲
- 保證3.5*t的輥壓成形
冷成形超高強度鋼的下一步規劃是什么？
SSAB一直在仔細跟蹤新形冷成形技術的引入和部署，了解冷成形工藝的效率——具有更短的單位沖次時間、更簡單的壓力機和更少的能源使用——與汽車制造商簡化生產、降低成本和可持續性的目標保持一致。
文章來源：SSAB官網
日本汽車制造商及其一級零部件供應商正在冷沖壓一些由1.5GPa鋼制成的白車身零件。世界上其它地區的企業也在采用超高強度的鋼材冷沖壓試驗，包括1.5GPa和1.7GPa側防撞梁。這些都展示了冷成形工藝（包括冷沖壓和輥壓成形）正在為汽車制造商在超高強度鋼方面提供具有成本效益和能源效率的另一個可行方案以替代熱沖壓。
電動汽車和五星安全碰撞性能推動采用強度更高的鋼材
為獲得高強度、輕量化車身結構以滿足五星安全碰撞性能的目標，汽車制造商們計劃進一步提高其對先進高強鋼/超高強度鋼的使用。特別是電動汽車，需要以新的方式使用更高強度的材料，尤其是用于承載和保護其重形電池包。
多年來，1.5GPa鋼已經采用輥壓成形工藝，為汽車白車身制造相對簡單的型材。如今，冷沖壓技術的系統性進步為白車身設計師和制造工程師提供了機會，可以為中等復雜輪廓零件沖壓1.5GP鋼，而不只依賴熱沖壓工藝。
冷成形千兆帕鋼的優勢
冷成形的優點：
1.成本可減少28%。由于熱沖壓的運營成本明顯更高，冷成形工藝比熱成形的成本要低得多。
2.與熱沖壓相比，能耗大大降低，從而降低了能源成本和CO2排放量。
3.相較于熱成形鋼（PHS），馬氏體鋼具有更廣的機械性能范圍。
4.冷成形馬氏體鋼零件的最終表面質量優于熱沖壓零件。
5.冷沖壓零件無需額外清潔（噴丸處理）。
6.冷沖壓零件可以進行機械性模具沖孔和切邊，而熱成形零件需要更貴的激光切割加工，以避免氫脆。
7.馬氏體鋼鍍鋅層可提供陰極防腐保護。
8.由于馬氏體鋼的碳當量（Ceq值或 C.E.值）較低，因而具有比熱成形鋼PHS更好的焊接性能。
冷成形工藝注意事項
1.冷成形工藝不能加工高度復雜的形狀。
必須對回彈及補償進行準備，日本和其他國家已證明可以做到這一點：請參見下一節以及下面的"回彈補償"。
日本在1.5GPa冷沖壓方面處于領先水平
"與世界其它地區相比，日本模具制造商的模具和工裝已經開發得非常完善，以適應加工1500兆帕鋼所需的更大噸位，同時還要控制回彈，"具有30多年經驗的日本汽車鋼顧問近藤仁知Hiroshi Kondo指出："所有日本汽車制造商現在都在評估1500兆帕鋼的冷沖壓。"
近藤Kondo還說:"傳統上，日本汽車制造商及其一級零部件供應商總是更喜歡冷沖壓，而不是輥壓成形或熱沖壓。冷沖壓相比輥壓成形的一個優勢是，沖壓可以讓你更自由地選擇零件的幾何形狀。
"冷沖壓相比熱沖壓還有各種優點。對日本汽車制造商來說，關鍵是能耗低、單位沖次時間短。當然，還減少了現在大家關注的CO2排放，所有這些都讓人偏好冷沖壓而不是熱成形。"
近藤仁知Hiroshi Kondo
哪些汽車構件可以在1.5GPa下進行冷沖壓？
對于1500兆帕鋼的應用，冷沖壓的潛在合適產品包括側防撞梁、保險杠、橫梁及其加強件。
“大多數門檻板、門檻板加強件、底板橫梁和一些車頂梁都可以輥壓成形，"SSAB汽車業務開發專家Kenneth Olsson說道:“但是，有許多零件由于其形狀特殊而無法輥壓成形。
十多年來，門檻板采用SSAB Docol ? CR1150Y1400T-MS-EG輥壓成形，在生產線成形和切割。SSAB成形專家愿與客戶討論如何將這種輥壓成形零件升級到1700兆帕鋼。
“雖然熱成形始終是一個選擇"，Olsson繼續說道，"但它成本更高，速度更慢，如果你用化石燃料加熱——就像大多數供應商一樣——就會產生CO2排放問題，這與汽車制造商的可持續發展目標相左。因此，在1500兆帕的強度水平下進行冷沖壓是一個激動人心、相對較新的技術發展。"
瑞典SSAB公司Kenneth Olsson
令人印象深刻的冷沖壓1.5GPa和1.7GPa鋼試驗
奇昊汽車（KIRCHHOFF Automotive）公司使用SSAB Docol? 1500M和1700M牌號成功對側防撞梁樣件進行了冷沖壓。下圖所示為成形零件，下圖所示為3點彎曲試驗后的零件。
奇昊汽車KIRCHHOFF Automotive提供的照片
對于某些汽車零部件，提高強度已很簡單
該側防撞梁由SSAB Docol? CR1150Y1400-MS-EG鋼冷沖壓而成，它在專為CR950Y1200T-MS-EG設計的批量生產模具中進行了試驗并獲得成功。SSAB的成形專家相信，使用CR1220Y1500T-MS-EG可以成功地對零件進行冷沖壓。
冷成形避免了氫脆缺陷
在熱沖壓后，制造商必須非常小心地進行切邊和沖孔操作，否則可能導致延遲斷裂。因此，通常采用激光來對熱沖壓零件加工孔和切邊——這些激光比傳統模具更復雜、成本更高。
冷成形時，壓力機可以使用傳統的沖孔和切邊模具，而不會出現延遲斷裂的風險，即使是在1.5GPa的鋼材上也是如此。并且冷沖壓模具切邊和沖孔是常見的、快速且具有成本效益的一種工藝。
控制超高強度鋼的冷沖壓回彈
熱沖壓的兩個主要優點是能夠獲得非常復雜的形狀并消除回彈。但日本沖壓零部件廠商和其他國家的一些公司已獲得一系列工藝方法來控制冷沖壓零件的回彈：
1.仿真：成形仿真使設計人員可以優化零件的幾何形狀，以控制回彈，并提高冷沖壓零件的最終精度。
2.優化：包括使用直折彎線和圓角（半徑）設置。
3.拉延筋：拉延筋的形狀和位置可實現更好的回彈控制。
4.模具幾何形狀：從較低屈服強度鋼到較高屈服強度鋼，如CR1220Y1500T-MS，可能需要對模具的幾何形狀進行一些更改，以補償較高的回彈。
工具：更好的模具材料，包括耐磨性和涂層，以應對更大的模具噸位。
其他專家對冷沖壓超高強度鋼的評價
正如《世界汽車用鋼》在其“馬氏體鋼網頁”上寫的那樣，馬氏體鋼為熱成形鋼提供了一種可冷成形的替代品。
使用冷沖壓允許在模具加工時靈活考慮不同的策略，這有助于減少回彈或獲得無法通過輥軋成形而實現的零件特征。馬氏體鋼的冷沖壓并不局限于形面平緩的簡單零件。《世界汽車用鋼》展示了一個冷沖壓B柱的照片，上部分是CR1200Y1470T-MS，下部分是CR320Y590T-DP的拼焊板。文章繼續寫道：一項研究表明，鋼板屈服強度與帽形零件的3點彎曲變形之間存在相關性。根據屈服強度的比較，CR12001470T-MS具有與熱沖壓鋼PHS-CR1800T-MB和PHS-CR1900T-MB相似的性能。厚度相同時，CR12001470T-MS鋼性能超過常用的PHS-CR1500T-MB鋼。如果采用適當的壓力機、工藝和模具設計，冷沖壓工藝可以降低制造成本甚至零件重量。
文章接著展示一個已在商業生產中采用馬氏體1500 兆帕鋼制成的冷沖壓橫梁加強件：該零件的不同高度以及最外邊緣的非均勻截面有助于控制回彈，但如果不采用冷沖壓工藝而是輥軋成形的話，難度明顯更大。
本文最后引用了冷成形的1500T-MS車頂橫梁為例子，該加強件使用獲得專利的Stress Reverse Forming?工藝，通過降低回彈靈敏度來提高尺寸精度。
將1.5GPa冷沖壓與1.5GPa熱成形進行比較
精度：由于沒有回彈，因此熱成形零件可以非常精確。采用冷沖壓，全面的回彈管理是零件精度的關鍵。
零件形狀：熱成形是高度復雜的零件形狀的理想選擇——盡管冷沖壓在零件復雜性方面已取得令人印象深刻的進展。
單位沖次時間：冷沖壓比熱成形快得多。
能耗：熱沖壓需要快速加熱（達到900°C）和快速冷卻；而冷沖壓不需要，從而節省了成本和碳排放。
切邊/沖孔：1.5GPa 熱成形鋼零件需要激光切邊和孔加工，以避免氫脆。另一方面，冷沖壓1500兆帕鋼零件可以在生產線進行機械沖切和沖孔。
1400兆帕鋼側面防撞梁，在專為1200兆帕鋼設計的模具中成功冷沖壓
輥壓成形：更高強度
雖然冷沖壓1.5GPa零件相對較新，但（冷）輥壓成形超高強度鋼已普及多年（包括日本以外的地方）。車身零件設計師和一級零部件供應商在輥壓成形應用中越來越得心應手，不斷突破形狀的界限。
例如，SHAPE公司設計了采用SSAB Docol? CR1350Y1700-MS-UC鋼彎曲成車頂縱梁，用于福特車形的批量生產。結果：構件重量輕、成本低且節能，由于A柱壁障更小，因此可提高車內乘員的視野。
SHAPE公司輥壓成形后3D彎曲這根CR1700M車頂縱梁。圖片由SHAPE公司提供
圖片由福特汽車公司提供
3D輥壓成形：尋找到問題解決方案？
3D輥壓成形已被推薦作為在超高強度鋼中制造一些略復雜的幾何形狀的替代方法。
SSAB的碰撞性能專家提議在其Docol?電動車設計概念中使用1700兆帕鋼的3D輥壓成形來保護電池 。該設計利用3D輥壓成形（"波紋形"）梁，以交織的波紋布置，形成非常堅固的電動車電池外殼底座，其波紋高度是此類結構的傳統高度的一半。
汽車底板下方的藍色橫梁是電池外殼的波紋梁結構。采用Docol 1700兆帕材質的3D輥壓成形梁的交叉分布使波紋狀結構的高度降低了一半。
Docol?CR1220Y1500T-MS冷成形性如何？
Docol? 馬氏體鋼1500 兆帕具有更好的冷成形能力，如下所示：
- 2.0的深拉比
- 擴孔率通常為40%
- 保證4.0*t的彎曲
- 保證3.5*t的輥壓成形
冷成形超高強度鋼的下一步規劃是什么？
SSAB一直在仔細跟蹤新形冷成形技術的引入和部署，了解冷成形工藝的效率——具有更短的單位沖次時間、更簡單的壓力機和更少的能源使用——與汽車制造商簡化生產、降低成本和可持續性的目標保持一致。
文章來源：SSAB官網
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