熱成形鋼
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
熱成形鋼的實例教程
近年來，熱成形鋼在汽車白車身中的應(yīng)用逐年增加，為進(jìn)一步改善該鋼的強(qiáng)塑性，微合金化處理被廣泛應(yīng)用于熱成形鋼中。
Nb元素對熱成形鋼的組織性能調(diào)控作用顯著，可以有效細(xì)化原始奧氏體晶粒，形成的納米第二相會釘扎位錯，同時提高材料的強(qiáng)度與塑性。
LIANGJ等研究了Nb微合金化對商用38MnB5鋼組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加Nb后，尺寸為20~50 nm的(Nb,Ti)c均勻分布在基體上，原始奧氏體和馬氏體塊尺寸分別減小至15.9 um和0.55 um，抗拉強(qiáng)度維持在1.9 GPa的同時，總伸長率達(dá)到9.14%。
LINL等研究了不同Nb含量對22MnB5鋼的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加 (0->0.027%-0.049%) ，原始奧氏體晶粒度與馬氏體板條寬度均更加細(xì)小;當(dāng)Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.049%時，細(xì)化效果最為顯著，原始奧氏體晶粒度與馬氏體板條寬度僅為傳統(tǒng)熱成形鋼的1/3左右。V微合金化也可實現(xiàn)強(qiáng)塑性的提升，但V是低溫析出元素，大多數(shù)固溶在基體中。
采用Nb-V復(fù)合添加的方式，利用微合金元素之間的協(xié)同作用更有利于析出碳氮化物，能進(jìn)一步提升熱成形鋼綜合性能。圖1所示為3種試驗鋼顯微組織圖像，相較于無微合金元素的30MnB5 鋼30MnB5Nb鋼的原始奧氏體晶粒尺寸變得細(xì)小，Nb-V復(fù)合微合金化對原始奧氏體晶粒度的細(xì)化效果最為顯著。
LIU B等研究了不同Nb、V含量配比對試驗鋼顯微組織的影響，發(fā)現(xiàn)Nb元素的添加會提高殘余奧氏體的含量，而V對殘余奧氏體的影響較小，利用0.035%Nb+0.025%V (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 微合金化后的試驗鋼平均晶粒尺寸最小，僅為1.6um左右。此外，中信金屬股份有限公司與中國汽車工程研究院合作開發(fā)的0.04%Nb+0.04%V熱成形鋼已成功實現(xiàn)工業(yè)化試制并裝車應(yīng)用。
展開 1 國外輕量化車身發(fā)展過程
縱觀國外白車身的發(fā)展趨勢，奧迪公司的白車身發(fā)展趨勢極具代表性，到目前為止，其白車身的發(fā)展過程可分為四個階段：
第一階段：鋁合金覆蓋件開發(fā)階段
這個階段主要是為了增加材料強(qiáng)度級別，熱成形鋼逐步用于車身，還有少量鋁合金覆蓋件的應(yīng)用。典型的車型代表為奧迪A3車型（見圖1）。
零部件用材方面，機(jī)蓋、翼子板使用鋁合金材質(zhì)（3.2%），后座椅橫梁、中通道、A柱、B柱、機(jī)艙縱梁后段、前圍下板、后地板橫梁和后地板縱梁等位置采用熱成形鋼（21.7%）。
第二階段：鋁合金外覆蓋件成熟應(yīng)用階段
這一階段，外覆蓋件大量采用鋁合金，鋁合金覆蓋件比重顯著增加，熱成形鋼比重相對減少，典型的車型代表是奧迪A6車型（見圖2）。
零部件用材方面，機(jī)蓋、前后車門、翼子板、行李箱蓋板、頂蓋和前后防撞梁（鋁型材）應(yīng)用鋁合金。鋁合金用量較第一階段增加至18%，中通道、座椅橫梁、A柱和B柱等位置保留熱成形鋼，熱成形鋼的用量比例減少至11.3%。
第三階段：全鋁車身開發(fā)應(yīng)用階段
這個階段，車身外覆蓋件全部應(yīng)用鋁合金（鋁板材）、鋁型材和鑄鋁開始應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)件，輕量化效果顯著，與此同時，高強(qiáng)鋼和軟鋼板的用量急劇減少，典型的車型代表是奧迪TT車型（見圖3）。
零部件用材方面，增加了A柱、C柱、側(cè)圍和頂蓋橫梁等位置的鋁合金，鋁合金用量由18%增加到35.8%，中通道、座椅橫梁采用熱成形鋼，軟鋼應(yīng)用量由35.2%下降到5.3%。
第四階段：多材料混合應(yīng)用階段
這一階段以鋁合金為主要車身材料，鋁型材和鑄鋁件大量應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)件。
展開 非涂層熱沖壓鋼22MnB5 的拼焊門環(huán)生產(chǎn)仍然有許多技術(shù)難點，目前還沒有量產(chǎn)車型應(yīng)用信息。本文通過非涂層熱成形鋼的試制生產(chǎn)，對試制工藝、各類缺陷進(jìn)行分析和整改，并對比前期工藝方案，用以指導(dǎo)非涂層熱成形門環(huán)的批量生產(chǎn)，對于降本和輕量化具有很大的借鑒意義。
近年來，由于安全法規(guī)和環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，以及客戶對于整車安全、舒適性和耐久性的期望也越來越高，越來越多超高強(qiáng)鋼熱成形工藝技術(shù)的應(yīng)用，有效提升了車身碰撞性能，減輕車身重量等。帶涂層的熱成形鋼因其涂層保護(hù)，目前廣泛應(yīng)用于直接成形的工藝生產(chǎn)中，比如A、B、C 柱、各類梁類件中。隨著越來越多的零件采用熱成形工藝，以及焊接技術(shù)的發(fā)展，一體式熱成形門環(huán)，以及雙門環(huán)的“安全籠”方案取代傳統(tǒng)多個零件，逐漸成為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用的一個新趨勢，不僅可以增強(qiáng)汽車側(cè)碰性能，還可以有效應(yīng)對IIHS 的25%小角度偏置碰撞。
帶涂層熱成形門環(huán)通常采用直接沖壓工藝，免除后續(xù)的噴丸工序，零件尺寸精度控制較高。由于原材料、激光拼焊和模具等專利技術(shù)的限制，目前鋁硅涂層熱成形門環(huán)使用廣泛，但是成本較高，因此使用非涂層熱成形鋼如何去除和控制氧化皮就成為沖壓廠生產(chǎn)的技術(shù)核心，但目前非涂層熱成形鋼門環(huán)生產(chǎn)仍然有很多技術(shù)難點。
本文采用非涂層熱沖壓成形鋼22MnB5進(jìn)行激光拼焊門環(huán)的試制生產(chǎn)，對比前期4 個零件的工藝指標(biāo)，對試制工藝、缺陷分析和整改進(jìn)行討論，用以指導(dǎo)非涂層熱成形門環(huán)的批量生產(chǎn)。
試制材料和工藝
本文所采用的試制材料為某鋼廠已工業(yè)化生產(chǎn)的非涂層熱成形鋼，牌號為22MnB5。門環(huán)的毛坯材料為4塊落料片激光拼焊而成，厚度為1.2mm+1.4mm，其對比方案是采用傳統(tǒng)沖壓和焊接工藝生產(chǎn)的4 個零件，具體如圖1 所示。
展開 目前熱成形鋼的發(fā)展趨勢主要集中在提高延性上，同時，新鋼種的設(shè)計也克服了表面過度氧化，避免了沖壓模具冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性。這種新型鋼及相應(yīng)的成形技術(shù)被稱為低溫熱成形或熱沖壓技術(shù)，克服了傳統(tǒng)熱成形鋼的缺點。本文研究了不同退火溫度后的微觀結(jié)構(gòu)特性和力學(xué)行為。結(jié)果表明，其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性與退火溫度有很大的關(guān)系。這些結(jié)果表明，當(dāng)罩退退火溫度在570-630℃之間時，鋼的抗拉強(qiáng)度超過1400MPa，總伸長率為9%。在690℃以上，拉伸強(qiáng)度和總伸長率明顯下降。這些惡化的力學(xué)性能可以歸因于先前的奧氏體粒尺寸和板條馬氏體分?jǐn)?shù)的增加。
Keywords: Low temperature hot forming; Medium-Mn; Microstructure; Mechanical characteristics
1. Introduction
目前，由于汽車車身輕量化和提高被動安全性的需求，促使汽車行業(yè)持續(xù)開發(fā)新的材料和制造工藝。熱沖壓是一種結(jié)合了成型和淬火工藝，用以生產(chǎn)超高強(qiáng)度汽車結(jié)構(gòu)件的創(chuàng)新且有效方法，如汽車A柱、B柱、車頂梁、保險杠等 [1,2]。在熱沖壓生產(chǎn)過程中，將硼鋼放到800-950℃的加熱爐中保溫3-10分鐘，使其充分奧氏體化，然后迅速轉(zhuǎn)移到模具中，成形和淬火同時進(jìn)行，并最終獲得具有超高抗拉強(qiáng)度的全馬氏體組織構(gòu)件[3,4]。22MnB5（抗拉強(qiáng)度在1300MPa以上）是近幾十年來在熱沖壓生產(chǎn)中最常用的硼鋼。近年來，一種抗拉強(qiáng)度超過1800 MPa的新型熱沖壓鋼被開發(fā)出來，用以取代部分傳統(tǒng)的熱沖壓鋼。
展開 新一代奧迪A8遵循汽車制造領(lǐng)域的最新趨勢，增加先進(jìn)高強(qiáng)鋼的使用。
奧迪A8豪華車型正式放棄全鋁車身，回歸選用鋼鐵材料。計劃于2018年發(fā)布的新款A(yù)8車型，順應(yīng)當(dāng)下采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的行業(yè)趨勢，40%的車身結(jié)構(gòu)件將使用鋼鐵。這是自奧迪1994年研制A8使用全鋁制白車身后的重大轉(zhuǎn)變。
點擊圖片以查看詳細(xì)的白車身材料組合
輕量化的新款A(yù)8——這一奧迪里程碑式車型上將采用獨特的材料組合
來源：www.audi.co.uk
熱成形用鋼引領(lǐng)汽車安全
自上世紀(jì)90年代以來，鋼鐵材料發(fā)展迅猛。新款A(yù)8約17%車身結(jié)構(gòu)件將由熱成形用鋼（PHS）制成，安賽樂米塔爾負(fù)責(zé)提供部分材料。熱成形后，鋼鐵屈服強(qiáng)度高達(dá)1500兆帕，且“強(qiáng)度重量比”甚至明顯優(yōu)于“最先進(jìn)”（且昂貴）的鋁。
“未來沒有全鋁制的汽車車身，熱成形用鋼（PHS）將在這一趨勢中扮演其獨特角色。熱成形用鋼在車身乘員艙材料使用中起核心作用，在車輛發(fā)生碰撞時保護(hù)駕駛員和乘客的安全。如果比較‘剛度重量比’，熱成形用鋼目前領(lǐng)先于鋁。” 奧迪輕量化設(shè)計中心首席設(shè)計師Bernd Mlekusch博士說。
A8車身結(jié)構(gòu)件組成變化
（來源：法蘭克福匯報，“奧迪：未來汽車將使用更多鋼材”2017年4月11日發(fā)布）
采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼成為發(fā)展趨勢
重歸鋼鐵已然成為趨勢，奧迪只是其中一例。鋼鐵市場發(fā)展研究所（SMDI）數(shù)據(jù)顯示，該趨勢發(fā)展勢頭甚至超過許多鋼鐵廠商的預(yù)期。2006年至2015年期間，先進(jìn)高強(qiáng)鋼在車身上的使用量，從平均每輛車36.7公斤（81磅）增加到2015年的124公斤（275磅）。短短十年增加三倍。2012年至2015年期間，先進(jìn)高強(qiáng)鋼使用量每年增加10%左右，遠(yuǎn)高于鋼鐵行業(yè)的預(yù)測，令人驚訝。
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熱成形鋼的最新內(nèi)容
近年來，熱成形鋼在汽車白車身中的應(yīng)用逐年增加，為進(jìn)一步改善該鋼的強(qiáng)塑性，微合金化處理被廣泛應(yīng)用于熱成形鋼中。
Nb元素對熱成形鋼的組織性能調(diào)控作用顯著，可以有效細(xì)化原始奧氏體晶粒，形成的納米第二相會釘扎位錯，同時提高材料的強(qiáng)度與塑性。
2023年11月29日/熱成形產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟快訊--第七屆高強(qiáng)鋼暨熱沖壓成形國際會議（ICHSU 2024） 將在秉承前六屆會議關(guān)注熱沖壓成形新材料、新技術(shù)、新裝備的基礎(chǔ)上，聚焦節(jié)能減碳的科學(xué)路徑，高性能板料成形、多材料成形和數(shù)字化無損檢測等方向，就高性能熱沖壓材料與工藝、先進(jìn)高強(qiáng)鋼的冷沖壓成形技術(shù)、多材料成形的技術(shù)與應(yīng)用、多部件集成熱沖壓、激光加工、沖壓仿真應(yīng)用技術(shù)、新型鍍層與工藝、沖壓成形技術(shù)在商用車輕量化發(fā)展領(lǐng)域的解決方案等業(yè)界廣泛關(guān)注的話題進(jìn)行分享交流
當(dāng)浴缸退火溫度在570-630C之間時，低溫熱成形后的鋼的抗拉強(qiáng)度超過1400MPa。然而，當(dāng)退火溫度超過690C時，低溫熱成形鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低到1300MPa左右。.
熱成形產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟將繼續(xù)以質(zhì)檢總局，國家標(biāo)準(zhǔn)委《關(guān)于培育和發(fā)展團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)意見》和《關(guān)于促進(jìn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范優(yōu)質(zhì)發(fā)展的意見》為指導(dǎo)，以協(xié)助聯(lián)盟企業(yè)加強(qiáng)工藝管理、提高工藝水平為原則，扎實推進(jìn)高強(qiáng)鋼熱成形工藝技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的逐步建立，推動熱成形產(chǎn)業(yè)規(guī)范發(fā)展、促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。
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其他專家對冷沖壓超高強(qiáng)度鋼的評價
正如《世界汽車用鋼》在其“馬氏體鋼網(wǎng)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(xiàn)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。
隨著輕量化的進(jìn)一步深入，高強(qiáng)鋼熱沖壓成形作為輕量化工程的一個分支是否會出現(xiàn)變化？輕質(zhì)鋁合金在車輛用材中使用量逐漸提高，這種趨勢的出現(xiàn)和演變是否會影響高強(qiáng)鋼熱沖壓成形產(chǎn)業(yè)的發(fā)展？帶著這些問題，熱成形聯(lián)盟媒體部采訪了舒勒中國高級銷售經(jīng)理楊鶴俊先生。
楊鶴俊先生您好！
[4] 許偉,方剛,張鈞萍,等.面向汽車碰撞安全的熱成形鋼斷裂失效表征與驗證[J].塑性工程學(xué)報, 2020, 27(6):121-128.
[5] 賴興華,王磊,李潔,等.鋁型材防撞梁的碰撞斷裂失效表征[J].清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2017, 57(5):504-510.
圖6（a）是熱成形鋼點焊金相圖，中間區(qū)域是焊點內(nèi)核，白色邊界外偏黑的區(qū)域是塑性環(huán)。
瑞典一勝百開發(fā)的DIEVAR熱沖壓成形模具鋼。DIEVAR模具鋼是一種對H13鋼進(jìn)行優(yōu)化后得到的鋼種，DIEVAR化學(xué)成分如表3所示。表5為DIEVAR、ORVARSUPPREME、ORO 90 SUPERME、HOTVAR、VIDAR SUPERIOR熱沖壓成形模具鋼抗回火性能、熱屈服強(qiáng)度等性能值及使用。
汽車的許多零部件都開始采用高強(qiáng)度鋼進(jìn)行制造，例如翼子板、地板、頂蓋等位置；在B柱、門檻梁、頂蓋橫梁等重要安全件，部分安全件已開始采用超高強(qiáng)度鋼或熱成形鋼。
1.3 輕量化工藝技術(shù)
汽車輕量化相關(guān)的工藝技術(shù)主要有熱沖壓成形、激光焊接、液壓成形、結(jié)構(gòu)膠粘接等，熱成形和液壓成形零部件應(yīng)用較為廣泛。
