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摘 要：随着国民经济的快速增长、人民生活水平的提高、汽车保有量的大幅上升，能源、环境污染、行车安全等问题也日益凸显，如何在保证汽车安全性的前提下，实现汽车轻量化成为汽车行业亟待解决的重要课题。高强钢、铝合金、镁合金等材料以其较高的比强度越来越多的应用于现在的白车身上。虽然近年来铝合金和镁合金在汽车上的应用范围越来越广，但基于成本、技术水平等综合考虑，钢材仍是汽车最广泛采用的材料，只是钢材的强度较以往有了大幅的提升随着近年来制钢的发展，高强钢的应用大幅提升了汽车碰撞安全性。
关键词：车身；高强钢；热成形；工艺探究
采用板料热成形后冷模具淬火工艺制造的先进高强钢，屈服强度可达 1000MPa 以上，强度极限可达 1600MPa 以上。如白车身上采用热成形工艺制造的钢材，采用比传统软钢更薄的钢板就可以保证原有的安全性指标。基于上述原因，近年来高强度热成形钢应用在白车身上的比重和热成形生产线数量都大幅提升。
1高强钢热成形工艺过程
根据高强钢冷却的TTT曲线可知，热成形是通过较高的冷却速度使板料的组织尽可能多的转化为强度较高的马氏体的工艺。高强钢热成形首先是在加热炉中将板料加热至再结晶温度以上（一般在900℃以上）一段时间，使其微观晶体组织由铁素体完全转化为奥氏体（完全奥氏体化）；然后将完全奥氏体化的板料在几秒内迅速转移到成形设备中进行冲压成形（此时板料温度高、变形抗力小、伸长率较高，易于成形），冲压成形后继续保压一段时间（15s左右）使零件形状尺寸趋于稳定；在成形与保压过程中，为了提高材料的强度，利用冷模具与板料之间的温度差对板料淬火处理，使板料以超过27℃/s的速度冷却（通过在模具内部布置冷却水道等方式可以使板料冷却速度提升到100℃/s），以获得在室温下具有均匀马氏体组织的超高强度钢零件。
2热成形高强钢的特点
基于上述热成形工艺，热成形高强钢具备许多区别于冷冲压材料的特点：1、成形压力小。热成形过程中，材料温度普遍处于700～800摄氏度的高温状态下，材料屈服强度低，变形抗力小，相比冷冲压所需的2500吨压力机而言，热冲压800吨压力机已经可以满足车身绝大多数零件的制造要求；2、可成形复杂零部件。高温状态下，材料伸长率明显增加，可达50%以上，基本可满足车身复杂零部件的成形需求；3、成形时间长。为保证成形过程中温度均匀变化，不同于冷冲压普遍采用的落锤式冲压装置，热成形普遍采用液压机构控制模具运动，成形过程在1s左右完成，在成形之后，模具保持15s左右的保压及冷模淬火过程，相对于冷成形来说时间较长；4、成形精度高。由于成形结束后有15s左右的保壓过程，保压结束后零件形状变化较低，尺寸稳定性较好，可防止成形后的回弹，能够保证较高的零件加工精度；5、强度高。经过热成形工艺，材料晶体组织转化为均匀的马氏体组织，材料强度大幅提升，强度极限可达1500MPa以上，目前已经可加工出强度极限1800MPa级别的热成形钢。采用热成形高强钢的车身结构可以在保证被动安全性的前提下降低板厚，实现车身轻量化，降低能耗；6、切割困难。热冲压零部件的表面硬度较高，由试验得出热冲压件的表面硬度可达到50HRC以上，热冲压后的零件需要激光切边、冲孔；7、板料要求高。由于热冲压是在板料成形的同时进行了淬火处理，故热冲压用钢板的成分设计要适应热冲压过程中的热循环，硼元素可以板料延迟组织转变时铁素体的形核以提高马氏体含量，提高材料强度，目前广泛采用的热成形钢都是硼钢。此外，钢板被加热至再结晶温度以上后，在从加热炉转移到模具的过程中与空气接触，很容易造成表面的氧化和脱碳，影响材料的强度，热成形钢板应具备抗高温和耐腐蚀的镀层，如Usibor1500P材料就是在22MnB5的基础上镀锌得到的。8、成本高。热成形工艺需设置板料加热炉、模具冷却装置等，并且热成形过程使得模具损耗较高，提高了板料成形的成本。
3局部淬火硬化热成形工艺
局部淬火硬化（Partial Pressing Hardening）工艺也可称作分区冷却冲压，是热成形研究领域的最新研究方向之一，通过先进的局部淬火硬化热成形工艺，可通过控制板料的温度变化以控制组织转化，使同一零件的不同部位分别转化为马氏体钢（强度很高，伸长率较低）和贝氏体钢（强度较高，伸长率较高），使一个零件的不同部位具备不同的力学性能。这种设计方法可以获得类似于拼焊工艺的结果，并且只需一次成形工序，且不需焊接。这种材料强度梯度分布的零件更加符合功能性设计的需求：通过合理的结构强度分布可以改善零件的变形趋势和吸能特性，如在侧面碰撞中，当B柱受到冲击力时，由于加强板下端较软，先产生变形，引导碰撞力向下方的门槛梁方向传导，减小乘员B柱上端（乘员胸部高度位置）的乘员保护区的侵入量。
局部淬火硬化是近年内才提出的热成形新工艺，相关研究内容较少，且大部分都停留在理论研究。德国的Benteler汽车零部件厂的Bryan Macek对于基于局部淬火硬化工艺的车身B柱设计方案提出了设想。德国的Merklein等人评估了成形压力、成形间隙等参数对热传导的影响，并认为通过热成形控制，可以实现不同区域材料力学性能呈现不同状态。该方法可以通过改变板件不同部位的冷却速率或改变板件不同部位的成形压力以及调整单侧成形间隙等方法实现，并通过实验和仿真方法进行了验证。华中科技大学的桂中祥针对局部淬火硬化的工艺设想并总结已有的研究成果，提出了几种局部淬火硬化工艺的实现方法，对局部淬火硬化温度场的分布做了有限元分析，最后总结出局部淬火硬化工艺在多场非线性耦合、热传导、过渡区应力等方面的几个关键问题。国防科技大学的朱敏等人局部淬火硬化工艺可使材料性能梯度变化的特点，给出了B柱加强板材料性能梯度优化方案，将B柱加强板按照不同强度等级划分为六段，优化每段的长度以提升车身的侧面抗撞性能，该方法虽然工程实现难度较高，但是对于局部淬火硬化的车身应用而言是具有创新性的研究和尝试。大连理工大学的刘立忠等人针对局部淬火硬化的设想，通过编写材料子程序的方法预测了U型件的相变和硬度，并通过实验对比验证；而后，通过自制的实验设备进行局部淬火硬化实验，通过提高模具温度的方法大幅降低了马氏体组织的转化量。在另外的研究中，将局部淬火硬化材料应用于B柱加强板，并对梯度硬度加强板的强度分布进行优化，降低B柱的侧碰侵入量，实现了轻量化。
局部淬火硬化工艺可通过多种方案实现：（1）控制板料不同部位的成形前的初始温度（2）控制热成形过程中模具不同部位的温度（3）控制热成形过程中模具不同位置的热传导率（4）控制热成形过程中模具不同位置的接触面积、成形间隙等。
参考文献
[1] 林建平，王立影，田浩彬.超高强度钢板热冲压成形研究与进展[J].热加工工艺， 2008，37（21）：140-144.
关键词：车身；高强钢；热成形；工艺探究
采用板料热成形后冷模具淬火工艺制造的先进高强钢，屈服强度可达 1000MPa 以上，强度极限可达 1600MPa 以上。如白车身上采用热成形工艺制造的钢材，采用比传统软钢更薄的钢板就可以保证原有的安全性指标。基于上述原因，近年来高强度热成形钢应用在白车身上的比重和热成形生产线数量都大幅提升。
1高强钢热成形工艺过程
根据高强钢冷却的TTT曲线可知，热成形是通过较高的冷却速度使板料的组织尽可能多的转化为强度较高的马氏体的工艺。高强钢热成形首先是在加热炉中将板料加热至再结晶温度以上（一般在900℃以上）一段时间，使其微观晶体组织由铁素体完全转化为奥氏体（完全奥氏体化）；然后将完全奥氏体化的板料在几秒内迅速转移到成形设备中进行冲压成形（此时板料温度高、变形抗力小、伸长率较高，易于成形），冲压成形后继续保压一段时间（15s左右）使零件形状尺寸趋于稳定；在成形与保压过程中，为了提高材料的强度，利用冷模具与板料之间的温度差对板料淬火处理，使板料以超过27℃/s的速度冷却（通过在模具内部布置冷却水道等方式可以使板料冷却速度提升到100℃/s），以获得在室温下具有均匀马氏体组织的超高强度钢零件。
2热成形高强钢的特点
基于上述热成形工艺，热成形高强钢具备许多区别于冷冲压材料的特点：1、成形压力小。热成形过程中，材料温度普遍处于700～800摄氏度的高温状态下，材料屈服强度低，变形抗力小，相比冷冲压所需的2500吨压力机而言，热冲压800吨压力机已经可以满足车身绝大多数零件的制造要求；2、可成形复杂零部件。高温状态下，材料伸长率明显增加，可达50%以上，基本可满足车身复杂零部件的成形需求；3、成形时间长。为保证成形过程中温度均匀变化，不同于冷冲压普遍采用的落锤式冲压装置，热成形普遍采用液压机构控制模具运动，成形过程在1s左右完成，在成形之后，模具保持15s左右的保压及冷模淬火过程，相对于冷成形来说时间较长；4、成形精度高。由于成形结束后有15s左右的保壓过程，保压结束后零件形状变化较低，尺寸稳定性较好，可防止成形后的回弹，能够保证较高的零件加工精度；5、强度高。经过热成形工艺，材料晶体组织转化为均匀的马氏体组织，材料强度大幅提升，强度极限可达1500MPa以上，目前已经可加工出强度极限1800MPa级别的热成形钢。采用热成形高强钢的车身结构可以在保证被动安全性的前提下降低板厚，实现车身轻量化，降低能耗；6、切割困难。热冲压零部件的表面硬度较高，由试验得出热冲压件的表面硬度可达到50HRC以上，热冲压后的零件需要激光切边、冲孔；7、板料要求高。由于热冲压是在板料成形的同时进行了淬火处理，故热冲压用钢板的成分设计要适应热冲压过程中的热循环，硼元素可以板料延迟组织转变时铁素体的形核以提高马氏体含量，提高材料强度，目前广泛采用的热成形钢都是硼钢。此外，钢板被加热至再结晶温度以上后，在从加热炉转移到模具的过程中与空气接触，很容易造成表面的氧化和脱碳，影响材料的强度，热成形钢板应具备抗高温和耐腐蚀的镀层，如Usibor1500P材料就是在22MnB5的基础上镀锌得到的。8、成本高。热成形工艺需设置板料加热炉、模具冷却装置等，并且热成形过程使得模具损耗较高，提高了板料成形的成本。
3局部淬火硬化热成形工艺
局部淬火硬化（Partial Pressing Hardening）工艺也可称作分区冷却冲压，是热成形研究领域的最新研究方向之一，通过先进的局部淬火硬化热成形工艺，可通过控制板料的温度变化以控制组织转化，使同一零件的不同部位分别转化为马氏体钢（强度很高，伸长率较低）和贝氏体钢（强度较高，伸长率较高），使一个零件的不同部位具备不同的力学性能。这种设计方法可以获得类似于拼焊工艺的结果，并且只需一次成形工序，且不需焊接。这种材料强度梯度分布的零件更加符合功能性设计的需求：通过合理的结构强度分布可以改善零件的变形趋势和吸能特性，如在侧面碰撞中，当B柱受到冲击力时，由于加强板下端较软，先产生变形，引导碰撞力向下方的门槛梁方向传导，减小乘员B柱上端（乘员胸部高度位置）的乘员保护区的侵入量。
局部淬火硬化是近年内才提出的热成形新工艺，相关研究内容较少，且大部分都停留在理论研究。德国的Benteler汽车零部件厂的Bryan Macek对于基于局部淬火硬化工艺的车身B柱设计方案提出了设想。德国的Merklein等人评估了成形压力、成形间隙等参数对热传导的影响，并认为通过热成形控制，可以实现不同区域材料力学性能呈现不同状态。该方法可以通过改变板件不同部位的冷却速率或改变板件不同部位的成形压力以及调整单侧成形间隙等方法实现，并通过实验和仿真方法进行了验证。华中科技大学的桂中祥针对局部淬火硬化的工艺设想并总结已有的研究成果，提出了几种局部淬火硬化工艺的实现方法，对局部淬火硬化温度场的分布做了有限元分析，最后总结出局部淬火硬化工艺在多场非线性耦合、热传导、过渡区应力等方面的几个关键问题。国防科技大学的朱敏等人局部淬火硬化工艺可使材料性能梯度变化的特点，给出了B柱加强板材料性能梯度优化方案，将B柱加强板按照不同强度等级划分为六段，优化每段的长度以提升车身的侧面抗撞性能，该方法虽然工程实现难度较高，但是对于局部淬火硬化的车身应用而言是具有创新性的研究和尝试。大连理工大学的刘立忠等人针对局部淬火硬化的设想，通过编写材料子程序的方法预测了U型件的相变和硬度，并通过实验对比验证；而后，通过自制的实验设备进行局部淬火硬化实验，通过提高模具温度的方法大幅降低了马氏体组织的转化量。在另外的研究中，将局部淬火硬化材料应用于B柱加强板，并对梯度硬度加强板的强度分布进行优化，降低B柱的侧碰侵入量，实现了轻量化。
局部淬火硬化工艺可通过多种方案实现：（1）控制板料不同部位的成形前的初始温度（2）控制热成形过程中模具不同部位的温度（3）控制热成形过程中模具不同位置的热传导率（4）控制热成形过程中模具不同位置的接触面积、成形间隙等。
参考文献
[1] 林建平，王立影，田浩彬.超高强度钢板热冲压成形研究与进展[J].热加工工艺， 2008，37（21）：140-144.