截至2021年9月底，我國汽車保有量已達(dá)2.97億輛，擁有汽車駕照人數(shù)達(dá)4.39億[1]。隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，汽車已經(jīng)進(jìn)入千家萬戶，成為大家日常主要出行方式之一。一輛汽車的鋼鐵用量占總用料的80%~90%，在鋁合金、碳纖維等新興材料發(fā)展迅猛的今天，鋼鐵材料依舊是汽車制造的主要原料。汽車更高的安全性能與駕駛性能需求，也為汽車鋼的發(fā)展提供了方向。

1. 汽車鋼的發(fā)展與應(yīng)用

將一臺汽車解剖開來，發(fā)現(xiàn)車身是由各種汽車鋼零件焊接而成，如圖1（a）所示。車身就如同人體的骨骼，起到基礎(chǔ)的支撐和防撞作用；在車身外部包覆的一系列覆蓋件鋼板，就如同人體的皮膚一樣，起到保護(hù)和裝飾的作用。汽車的“骨骼”與“皮膚”的總成被稱為“白車身”，也是汽車生產(chǎn)制造中汽車鋼使用的主要陣地，如圖1（b）所示。

1.1 第一代汽車鋼與第二代汽車鋼

目前，高強(qiáng)汽車鋼發(fā)展已經(jīng)歷三次迭代，三代高強(qiáng)汽車鋼力學(xué)性能分布如圖2所示。第一代先進(jìn)高強(qiáng)汽車鋼的代表產(chǎn)品有雙相鋼（DP鋼）、復(fù)相鋼（CP鋼）、馬氏體鋼（MART鋼）、相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP鋼）和無間隙原子鋼（IF鋼）等[2]。第一代汽車鋼組織以鐵素體為基體，奧氏體含量較低（15%以下），強(qiáng)塑積在5~15 GPa·%。例如，DP鋼的組織為鐵素體+馬氏體（奧氏體的熱穩(wěn)定性在快速淬火情況下產(chǎn)生，而不是奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定性在變形過程中產(chǎn)生），TRIP鋼的組織為鐵素體+貝氏體+殘余奧氏體（RA）。

第二代先進(jìn)高度汽車鋼的特征是開始使用大量的合金元素[3]，通過微合金化手段提高鋼整體力學(xué)性能。代表產(chǎn)品有孿晶誘導(dǎo)塑性鋼（TWIP鋼）、輕質(zhì)誘發(fā)塑性鋼（L-IP鋼）等。第二代汽車鋼是向鋼中加入大量的合金元素（主要元素為Mn），從而在常溫下獲得大量穩(wěn)定的奧氏體組織，在之后變形的過程中在應(yīng)變誘導(dǎo)下產(chǎn)生對塑性變形有利的機(jī)械孿晶，因而獲得較高的應(yīng)變硬化速率和優(yōu)異的力學(xué)性能，強(qiáng)塑積可達(dá)60 GPa·%。但同時(shí)大量合金元素的加入提高了生產(chǎn)成本，且在后續(xù)的加工過程中會(huì)出現(xiàn)一系列工藝問題，如屈服強(qiáng)度低、易發(fā)生延遲開裂等。

1.2 第三代汽車鋼

隨著人們對汽車輕量化和防撞安全性要求的提高，汽車鋼不斷向高強(qiáng)度和高塑性方向發(fā)展，強(qiáng)塑積成為衡量汽車鋼性能的重要指標(biāo)。第一代汽車薄板鋼的強(qiáng)塑積一般為15 GPa·%，輕量化和安全性指標(biāo)都較低；第二代汽車鋼的強(qiáng)塑積雖然達(dá)到了50 GPa·%，但由于合金元素含量高、工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本居高不下，不易被市場接受。在經(jīng)過強(qiáng)韌性較差的第一代汽車鋼及生產(chǎn)較為困難的第二代汽車鋼的發(fā)展后，美國的Krupitzer和Heimbuch首先提出了以高強(qiáng)韌、低成本、輕量化為特點(diǎn)的第三代汽車鋼的概念。第三代汽車鋼是指輕量化和安全性指標(biāo)高于第一代汽車鋼、生產(chǎn)成本低于第二代汽車鋼的高強(qiáng)高塑鋼。相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量成分體系與工藝設(shè)計(jì)等方面的探索工作，既實(shí)現(xiàn)了在不增加成本的情況下，提高材料的成形加工能力，獲得良好綜合力學(xué)性能，從而吸引了廣泛研究。目前主要包括中錳鋼、淬火配分（Q&P）鋼、熱沖壓成形鋼（HF）等。

第三代汽車鋼充分利用第一代（BCC硬相馬氏體基體提供強(qiáng)度）與第二代（FCC軟相奧氏體基體提供塑性）的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[4-5]，即采取高強(qiáng)度的硬相（如馬氏體、貝氏體、超細(xì)晶鐵素體和第二相粒子等）與大量高塑性的軟相（如奧氏體、亞穩(wěn)奧氏體和殘余奧氏體等）的多相復(fù)合組織。通過相變強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等多種強(qiáng)化手段相結(jié)合的方式來提高其強(qiáng)度，并利用TRIP及TWIP等多種增塑機(jī)制提高其塑性。分析表明，第三代汽車鋼主要通過在馬氏體或超細(xì)晶鐵素體基體上引入大量的亞穩(wěn)奧氏體來提高汽車鋼的強(qiáng)度和塑性，從而大幅度提高鋼的綜合力學(xué)性能，強(qiáng)塑積為30~40 GPa·%，最高可達(dá)70 GPa·%。第三代汽車鋼因其研發(fā)成本接近第一代汽車鋼而性能接近第二代，表現(xiàn)出突出的競爭優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。隨著對第三代高強(qiáng)鋼研究的不斷深入，部分鋼種，尤其是可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的鋼種，仍存在著強(qiáng)度有余而塑性不足的問題。如圖3所示，以980 MPa級別汽車鋼為例，常見的DP鋼斷后伸長率可達(dá)10%左右，Q&P鋼可達(dá)24%左右，中錳鋼（6Mn以上）可達(dá)30%以上，但較高的Mn含量難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。QP1180能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的斷后伸長率也不足15%。

2. 汽車鋼的沖壓成形工藝

沖壓是汽車鋼板制造中常見的一種制造工藝，靠壓力機(jī)和模具對汽車鋼板原料施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件。車身各處的零部件通過沖壓工藝生產(chǎn)出來，再經(jīng)過焊接或其他連接工藝，組成整個(gè)車身，這就是“白車身”的生產(chǎn)流程。

2.1 冷沖壓成形工藝

冷沖壓成形工藝是在室溫條件下對原料板進(jìn)行沖壓成形，從而獲得成形件的一種生產(chǎn)工藝。利用沖壓模在壓力機(jī)上對板料或熱料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形或分離從而獲得所需形狀和尺寸的零件[6]。在冷沖壓加工中，冷沖模就是沖壓加工所用的工藝裝備。沒有先進(jìn)的冷沖模，先進(jìn)的沖壓工藝就無法實(shí)現(xiàn)。一般來說，冷沖壓工藝由三大要素構(gòu)成：①?zèng)_壓機(jī)：利用模具產(chǎn)生加工壓力的裝置；②沖壓模具：按照規(guī)定的尺寸精度做出制品形狀的工具，分為上模和下模；③被加工材料：制品的原料，如汽車鋼板。圖4為冷沖壓工藝示意圖與實(shí)際生產(chǎn)中的冷沖壓設(shè)備。

冷沖壓工藝擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，如沖壓件質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸精度高；整體工藝省能、低耗、高效，因而沖件的成本較低；生產(chǎn)率高、操作簡便，易于機(jī)械化與自動(dòng)化。用普通壓力機(jī)進(jìn)行沖壓加工，每分鐘可達(dá)幾十件，用高速壓力機(jī)生產(chǎn)，每分鐘可達(dá)數(shù)百件或千件以上。

目前，汽車鋼的冷沖壓工藝主要生產(chǎn)汽車包覆件，這類鋼板強(qiáng)度不高且塑性較好，成形性能良好，如DP鋼。因此在室溫條件下對原料板進(jìn)行沖壓，既能得到尺寸精度較高的成形件，又可以提高生產(chǎn)效率，降低成本。

2.2 熱沖壓成形工藝

熱沖壓工藝又稱為熱成形工藝，是在高溫狀態(tài)下對鋼板進(jìn)行沖壓成形，并在模具內(nèi)進(jìn)行保壓淬火，從而獲得高強(qiáng)度成形件的一種成形工藝[7]。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，對汽車用鋼板也提出了更高的要求，高強(qiáng)度薄板成為了汽車生產(chǎn)的一大訴求。高強(qiáng)度鋼薄板由于強(qiáng)度高、厚度小，采用傳統(tǒng)的冷沖壓成形工藝時(shí)，極易出現(xiàn)回彈變形、起皺開裂、尺寸精度差以及成形抗力大、模具壽命低等問題。熱沖壓成形技術(shù)利用了材料高溫狀態(tài)下良好的成形性，既可有效減少回彈，又能保證模具壽命，且成形淬火后的構(gòu)件具有超高強(qiáng)度，同時(shí)價(jià)格合理，因此熱沖壓成形技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化和安全性的先進(jìn)成形技術(shù)。近年來熱沖壓成形用鋼得到了廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于汽車A柱、B柱、C柱和防撞梁等碰撞關(guān)鍵部件[8]。以22MnB5為代表，現(xiàn)階段用量最多的熱成形零部件為1500 MPa級。為了進(jìn)一步滿足汽車輕量化需求，強(qiáng)度級別更高的熱成形鋼材料，如1800、2000 MPa級熱成形鋼的應(yīng)用也必將成為趨勢。圖5為熱成形工藝生產(chǎn)的汽車鋼零件。

熱沖壓的工藝包括奧氏體化處理、從加熱爐轉(zhuǎn)移到壓機(jī)、熱成形和淬火、剪邊處理[8]，見圖6。

奧氏體化處理在有保護(hù)氣氛的加熱爐中進(jìn)行，板材被加熱到高于Ac3的溫度（通常 900～950 ℃）時(shí)保溫3~10 min，保溫時(shí)間根據(jù)板材的厚度而定。完全奧氏體化后，將材料從加熱爐轉(zhuǎn)移到熱成形的壓機(jī)中，該過程在空氣中進(jìn)行，必須盡快完成，如果成形前材料溫度降到780 ℃以下，就可能形成鐵素體從而惡化熱成形零件的機(jī)械性能。材料在模具中成形，在該成形溫度下，材料有充分的延展性而易于成形復(fù)雜形狀的零件。熱成形鋼一般采用Al-Si鍍層、Zn或Zn合金鍍層等方法以避免成形過程中表面氧化。高溫成形后的零件在模具中快速冷卻（水冷）到馬氏體完成溫度以下（Mf~200 ℃），然后在空氣中自然冷卻到80 ℃左右從模具中取出，以保證后續(xù)空冷不變形。冷卻速度一般在40~100 ℃/s以保證零件的淬透性。因此，一套熱成形設(shè)備的產(chǎn)率為每分鐘2~3個(gè)零件。從模具中取出后用常規(guī)的方法進(jìn)行剪邊處理和表面清理，最后熱成形零件用點(diǎn)焊的方式裝配到汽車車身上。

根據(jù)工序過程的不同，熱成形過程分為直接熱成形和間接熱成形兩種工藝，如圖7所示。直接熱成形中，板材不經(jīng)過預(yù)成形，直接將平板加熱奧氏體化，然后放入模具中高速成形，一旦沖壓深度到達(dá)預(yù)定值，零件立即被淬火硬化。在間接熱成形中，材料首先在常規(guī)冷成形模具中成形到最終形狀的90%~95%，然后將預(yù)成形的零件加熱奧氏體化并熱成形和淬火硬化。間接熱成形工藝中，零件的預(yù)成形可以減小材料與模具之間的相對位移，從而減小模具表面在高溫下的磨損。

熱沖壓技術(shù)在國外應(yīng)用較早，瑞典Plannja公司在1977年提出了熱沖壓技術(shù)[9]。最初目的是為了減小厚度超過8 mm的板料成形所需的變形抗力。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，為了獲得更薄、強(qiáng)度更高的汽車零件高強(qiáng)度鋼板開始廣泛應(yīng)用熱沖壓技術(shù)。1984年瑞典薩博汽車公司研制出用于熱沖壓的硼鋼[5]。隨后，瑞典律勒歐理工大學(xué)采用Gleeble 1500熱模擬機(jī)對超高強(qiáng)度可淬火鋼22MnB5進(jìn)行了高溫壓縮實(shí)驗(yàn)與熱膨脹實(shí)驗(yàn)獲得了材料熱力學(xué)性能數(shù)據(jù)[10]。伊朗Amirkabir大學(xué)的Naderi M等人[11]建立了22MnB5高溫下不同應(yīng)變速率下的本構(gòu)方程。德國紐倫堡大學(xué)系統(tǒng)地研究了硼鋼奧氏體化階段，軋制方向、溫度、應(yīng)變速率等對鋼材流變性能的影響，研究表明軋制方向與奧氏體化基本無關(guān)，溫度越高真實(shí)應(yīng)力降低，應(yīng)變速率越高真實(shí)應(yīng)力越高[12]。如今，熱沖壓成形技術(shù)已得到世界各國鋼鐵和汽車制造廠商的高度重視和較為廣泛的應(yīng)用。目前全世界共有400條以上的熱沖壓生產(chǎn)線，中國占有130多條熱沖壓生產(chǎn)線和試模生產(chǎn)線[知識小貼士]（數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2018年）。

3. 汽車鋼的未來展望

隨著碳纖維、鋁合金、鎂合金等新型材料的出現(xiàn)，汽車鋼也迎來了新的挑戰(zhàn)。但就發(fā)展歷程和產(chǎn)業(yè)成熟度來說汽車鋼依舊是車身材料的主要選擇，因此汽車鋼未來發(fā)展的困境主要來源于自身。如何生產(chǎn)出同時(shí)具備高強(qiáng)度、高塑性并且輕量化的汽車鋼零件依舊是汽車鋼的重要發(fā)展方向，并且在提升性能的同時(shí)控制成本，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。同時(shí)，我國作為制造業(yè)大國，伴隨著“去產(chǎn)能”以及我國“十四五”總體規(guī)劃的發(fā)展方向，綠色低碳同樣也將成為汽車鋼生產(chǎn)的重要目標(biāo)，即在不斷提高汽車鋼強(qiáng)度減輕車身重量的同時(shí)，需重視從材料設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、加工、使用到回收利用等各個(gè)環(huán)節(jié)的成本、能耗以及排放，“綠色發(fā)展”對汽車鋼生產(chǎn)技術(shù)提出了更高的要求。此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，基于模擬軟件對汽車鋼生產(chǎn)工藝的指導(dǎo)目前已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用。在未來，也許可以構(gòu)建更加貼合實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)值模型，從而縮短研發(fā)周期，提高汽車鋼發(fā)展速度。

知識小貼士

試模生產(chǎn)線是一些企業(yè)為了確認(rèn)生產(chǎn)線具體工作參數(shù)而進(jìn)行小規(guī)模試制的小型生產(chǎn)線。

文章來源——金屬世界