扩大新材料和轻量化技术应用范围——热冲压超高强度钢板
我国“十一五”汽车产业发展规划提出“扩大新材料和轻量化技术应用范围”作为未来重点研发项目，“乘用车油耗限值”已国家颁布的。以整车整车重量来决定车辆的油耗，对驾乘人员的安全防护要求越来越高，正面偏置碰撞增加了25%。因此，应在保证安全的前提下，尽可能地减轻体重。已成为汽车行业的重中之重，利用水冷和电加热系统，可以精确定位和生产超高强度汽车零部件模具，用于热成型汽车车身软区，不仅节能，而且减少排放，还能提高汽车的安全性能。 ，是汽车轻量化领域最重要的部分，如何在热冲压软区成型中有效利用水冷和电加热系统，并能准确定位生产模具技术就变得非常重要。
热冲压超高强度钢板的介绍如图1所示。根据超轻一体式框架()的研究，超高强度钢板(UHSS)是指钢材屈服强度大于此的板，包括CP钢、MS钢等；高强度钢板（HSS）是指屈服强度在210~范围内的钢板，包括HSIF钢、BH钢、HSLA钢等；普通钢板（LSS）是指小于屈服强度的钢板，如图1所示。为了区别于一般的高强度钢板（HSS），钢板主要以相变强化为主，如如DP钢和TRIP钢被称为高级高强度钢板（AHSS），其抗拉强度范围为~。热冲压高强度钢板的化学牌号为锰硼合金钢，淬透性好。钢板的化学成分特点是在碳锰合金钢的基础上添加了一定量的硼。如图2所示，原始状态的显微组织主要由铁素体和珠光体组成，屈服强度约为1，抗拉强度约为1，硬度约为2，具有良好的塑性和成形性。将材料加热至900℃～950℃并保温一段时间后，组织转变为奥氏体，经热冲压和冲压淬火后组织转变为板条马氏体。热冲压后材料的屈服强度可以达到2-3倍左右，抗拉强度可以达到2-3倍左右，硬度可以达到原始状态的2-3倍左右。
图1汽车用钢板分类
图2 热成型前后显微组织对比
热冲压的原理及工艺热冲压成型技术是将热冲压高强度钢板在抗氧化加热炉中加热到奥氏体再结晶温度以上，其组织由铁素体和珠光体转变为奥氏体 然后通过机械手等设备将高温板材转移到带有冷却水通道的热冲压模具中，最后完成板材的冲压保压淬火。钣金在高温下冲压可以保证其成型性能和成型精度。热冲压后，钣金组织由奥氏体转变为板条状马氏体，抗拉强度可达左右。强度高、精度高的热冲压件。热冲压工艺原理如图3所示。超高强度钢板的热冲压工艺分为直接热成型（一次成型）和间接热成型（二次成型）两大类，如图4、在直接热成型工艺中，首先将钣金加热并保持到完全均匀奥氏体化，然后将高温板料转移到水冷模具中完成冲压和保压淬火，以获得最终的热冲压件。变形小或形状比较简单的零件适合直接成型。在间接热成型工艺中，首先将板材冷冲压成一定的形状，然后加热并保持足够均匀的奥氏体化，最后将高温板材转移到水冷模具中，完成最终的形状冲压和压力保持淬火。变形量大或形状比较复杂的零件适合间接成型。
图3烫金工艺图
图4烫印工艺图
热冲压软区原理及工艺模具该位置的镶件经水道加工，连接水冷系统实现快速冷却，使原料组织由奥氏体转变为均匀马氏体满足我们的需要；标记2是需要软化区的位置，最后的零件就是这个位置。抗拉强度需要大于那个，屈服强度需要大于那个高强度耐磨钢板，尺寸符合率大于90%。
图 5 零件示意图
为了实现不同力学性能在同一零件上的分布，本次工艺开发主要通过三个过程来实现：（1）加热过程；（2）成型冷却过程；（3）模具加热过程。加热过程是指片剂在加热炉中加热升起，使片剂组织奥氏体化；组织在模具中由奥氏体转变为马氏体的过程；模具加热过程是指模具内部在压片软区持续稳定加热，原加热过程中的奥氏体和珠光体在模具软区保留在压片软区，与铁素体形成多种结合结构。要求：硬区力学性能：抗拉强度1300～，屈服强度1000～，伸长率：A50≥5%，硬度HV10/HV30：400～520。软区力学性能：抗拉强度640～，屈服强度420～，伸长率： A50≥1 5%，硬度HV10/HV30：200～270。热冲压精密定位软区的技术优势（1）热冲压件强度等。机械性能显着提高，能承受更大的冲击力，可有效提高汽车的碰撞安全性能，实现汽车轻量化，回弹小。在热冲压成型过程中，板材在高温下冲压，无回弹，可成型高精度热冲压件。由于成型性的提高，数减少变形工序，提高生产效率。
(2）热冲压软区可以显着提高高强度零件的抗拉强度、屈服强度等力学性能，从而达到能够承受更大冲击力的效果，同时同时，要求低强度零件的零件可以具有较低的抗拉强度和屈服强度，从而在发生碰撞时达到吸收能量和塌陷的功能，两种方法的结合可以有效提高汽车的碰撞安全性能，实现汽车的轻量化。实现同一个热成型零件在不同区域具有不同的力学性能，优化汽车碰撞试验中的零件。（3）定位的应用可精确快速调整的拉杆装置和模具内可调节伸缩的定位拉杆装置，通过精确定位和快速调整，有效减少工装在线调整时间。检测，并准确控制零件的柔软度。硬区与硬区之间的过渡区长度可以达到降低生产成本的目的。工艺流程及工艺实施开卷落料→交接→加热保温→交接→冲压成型、保压淬火及模具内连续加热保压→交接。 ( 1）开卷落料：使用落料压力机和落料模具冲出具有所需轮廓的热冲压板。(2）传送：使用机器人和其他设备将坯料传送到加热炉。(3）加热保温：将板材加热到奥氏体再结晶温度以上，并保持一段时间，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材很重要。材料的奥氏体化质量有重要影响，在加热保温过程中，板材表面容易氧化，影响继续压制淬火效果，增加表面清洁工序。 抗氧化处理（抗氧化涂层）在钣金表面或向加热炉内充入保护气体（氮气等）可显着减少甚至避免钢板上氧化皮的产生t.
(4）传送：将奥氏体化薄板从加热炉中取出，通过机器人等设备传送到水冷模具进行热冲压。(5）冲压，压力-模具内保持淬火及连续加热保压：在一段时间内快速完成冲压保压淬火，利用模具的冷却系统对高温板材进行淬火和热处理，因此表明热冲压件的硬区可以获得均匀的马氏体组织和良好的机械性能，在模具内连续加热和保压使原始奥氏体保持在热冲压件的软区，防止其转变为马氏体.另外，保压可以减少回弹，提高烫印件的形状精度。（6）转：用机械手等设备将烫印件从模具中取出。老的。如图6所示，在模具中软区的位置设置了电阻丝，在模具中持续加热。
图6 软区模具内部示意图如图7所示。硬区模具内部仍布置有水道，通过水道与设备的水道相连水道系统。外部设备的水流控制和水温控制，保证硬区镶件表面温度小于80℃，从而保证零件硬区金相组织由奥氏体向马氏体转变，以满足技术要求。
图7 硬质区模内水道快速冷却
实施效果验证测试结果如图8、表1、表2. 关键技术及创新亮点 主要创新点（1）采用温度模拟，水道布局、电加热系统等技术开发新型热成型软区模具，建立热成型软区模具设计标准；（2）开发了热成型软区工艺参数数据库；
图8 拉伸试样示意图(3）开发了热成型模具可精确快速调整的定位杆装置和可伸缩的定位杆装置，减少了工装线的调整时间并实现生产成本降低（4）实现热成型软区生产线设备模块化集成的自主设计。与国内外热成型件的定制化生产相比，局部软化工艺意味着片材是一种等厚的材料，通过专用设备或模具实现不同区域不同强度的功能，同一部分分为硬区和软区2个区，硬区的抗拉强度为1300～，屈服强度900～；软区抗拉强度640～，屈服强度420～。通过加热炉设备分区加热控制，控制平板不同位置的加热温度。该技术在控温方面具有天然优势，但要实现这一功能，会产生巨大的设备投资成本，且产线建成后无法后期添加，因此不适合实施稳定可持续生产——导向型企业。本次研发采用水冷、电加热系统，精准定位生产超高强度汽车零部件模具，是解决后期设备投资巨大、生产线无法更换的必由之路。通过将板材整体加热到860℃～960℃，使材料完全奥氏体化，然后在模具材料硬区布置水道，增加冷却。速度快，合模时快速冷却，使毛坯全部形成高强度淬火马氏体。软区模具内部设置加热系统，外接加热控制系统，使软区连续稳定加热至500℃，保持高温加热10s以上，直至零件需要软化的部分保留了原有的奥氏体、珠光体和铁素体，从而在同一零件的不同区域实现不同的力学性能。该技术的研发与传统设备改造或追加设备投资相比，投资成本更低，后期现场调试变化点较多，可根据实际检测效果改变工艺参数软区（模具内镶件加热温度的控制，保压时间的控制）在各种定制化生产的窗口下，软区屈服强度可达420～高强度耐磨钢板，抗拉强度可达640～，所以以满足客户的需求。
表1机械性能测试结果
表2硬度测试结果（硬度采样取机械性能采样旁边的小方块）
结论当前能源短缺和环境污染已成为制约中国汽车工业可持续发展的突出问题。低油耗、低排放的汽车是节约型社会发展的需要。资料显示，汽车每减轻10%的重量，油耗降低6%~8%，排放降低5%~6%；车桥、变速器等装置的传动效率提高10%，燃油效率可提高3%；每减少 1 升油耗，减少二氧化碳排放量2.45kg。热成型软区技术的成功研发，不仅改善了东风工业的生产工艺，而且填补了东风公司在热成型软区技术和生产线方面的空白，打破了国外的技术垄断，不仅在设备、工装在生产上采用国产化，大大降低了生产成本的投入，同时最大限度地缩短了开发周期，简化了开发流程。本项目技术流程的应用，可在保证整车操控稳定性和碰撞安全的前提下实现车身轻量化，有效提高机组承载能力和平均燃油效率，降低能耗和环境污染。这对国家能源战略和汽车产业的健康发展具有重要意义。
关于作者
技术中心副主任、热成型总工程师刘鹏，负责公司技术规划建设；同时负责冷成型、热冲压连轧、铝板、玄武岩纤维材料的开发和推广。曾获韶欣科技进步奖2次，发明专利2项，实用新型多项。