2.1 热冲压技术简介

汽车工业中，在保证安全性的前提下，为了达到减重和环保的目的，车用高强钢和超高强度钢板以其强度高的特点受到广泛关注，已经成为满足汽车减重和保证碰撞安全性的重要材料。随着钢材强度的提高，传统冷冲压方法导致高强钢成形过程中易发生开裂、回弹等情况，成形件的形状与尺寸稳定性较差，不宜生产汽车设计所需要的结构复杂零件。为了解决高强钢钢板难以冷成形的问题，热冲压成形的技术逐渐发展并被汽车工业应用。

早在20世纪80年代初期，萨博汽车公司首先将高强钢热冲压技术应用于萨博9000车型上，生产出第一批热冲压成形汽车零件，使得热冲压成形技术在汽车的应用上迈出了第一步。

2008～2010年，国外大约有110条热冲压生产线，主要分布在美国、德国、日本、以及法国、西班牙、瑞典等国家。中国仅5条生产线，分别是长春BENTLER、上海昆山GESTAMP、上海BENTLER、上海嘉定COSMA及上海宝钢。热冲压生产线大多由瑞典AP&T公司及德国Shuler公司提供，这两家公司几乎垄断了全球所有的热冲压成形生产线市场。随着热冲压成形技术的不断发展，国内热冲压生产线的数量也不断上升。

2006年，华晨汽车与宝钢通力合作，开发了自主品牌首个量产热冲压成形B柱，应用在“中华尊驰”和“中华骏捷”出口车型上，提高了碰撞安全性能。之后，越来越多的车型应用了热冲压B柱。

热冲压成形（Hot Stamping，Press Hardening）是将钢板加热到奥氏体化温度以上，快速移动到模具上，高温坯料在模具内被冲压成形的同时完成淬火的一种工艺。

热冲压零件是采用热冲压工艺制造的零件。通常，热冲压后还需要进行激光切割、抛丸（若是裸板的情况下）等处理。目前，已经有模具热切边、无切边或少切边等新工艺在开发中。

（1）适用于热冲压成形零件的钢板特性

适用于热冲压成形零件的钢板，主要是低碳微合金硼钢体系，其特性如下：

1）常温状态下，材料的微观组织为铁素体/珠光体混合组织，抗拉强度为400～600MPa。

2）热冲压成形中，板材经奥氏体化（900～950℃，保温3～10min）后，流动性能好，塑性变形能力大幅提高。

3）热冲压成形后，材料发生马氏体相变，抗拉强度提升到1500MPa及以上。

4）相对冷冲压成形，热冲压成形的接触条件对板料成形的影响作用显著提升。板料与模具的接触时序和接触状态差异不仅会影响其冷却相变过程，还将引起温度梯度，温度低的区域变形抗力高，而温度相对较高的区域变形抗力低，易引发应变集中，造成局部失效。

5）热冲压零件在高温下成形，零件表面存在氧化，表面质量控制要求高，不易起皱和破裂，基本没有回弹，尺寸稳定性比较好。

（2）热冲压成形技术的原理

首先将高强钢钢板（图2-1状态1）置于850～950℃的加热炉中加热，保温3～10min，使高强钢钢板完全均匀奥氏体化（图2-1状态2）；然后送入带有冷却系统的模具中在高温下进行冲压成形，材料在该温度下仅有约200MPa的强度和高于40%的伸长率，成形性能极好，可成形为形状复杂的零件；之后保压、快速冷却淬火，使奥氏体转变成马氏体（图2-1状态3），构件的强度有很大提高，其抗拉强度可达到1500MPa左右，屈服强度可达到1000MPa左右。

在实际生产过程中，热冲压成形过程通常有两种工艺：直接工艺与间接工艺，如图2-2所示。在图2-2a所示的直接工艺中，将钢板置于加热炉中加热一段时间，而后将其转移到带有冷却系统的模具中，经过冲压成形和模内淬火等工序后制成热冲压工件。这种直接工艺主要用于生产形状简单而且变形程度较小的工件。在图2-2b所示的间接工艺中，首先对钢板进行冷冲压预成形及切边工序处理，再将其放入加热炉中加热，最后经过热冲压及淬火得到高强度的热冲压钢板。间接工艺主要用于生产一些形状比较复杂或拉深深度较大的工件。

随着热冲压成形技术的不断发展，直接成形工艺不断替代间接工艺，目前车身上用热成形零件95%以上都可采用直接成形工艺进行生产。生产线工艺流程为：料片拆垛→双料检测、打标→加热炉上料→料片加热→压力机上料→成形、保压淬火→压力机下料。辅助工艺包括前处理工艺：进料检验和落料/堆垛；后处理工艺：激光切割、抛丸防锈处理、零件检验等。

（3）热冲压成形工艺的优点

与传统冷冲压成形工艺相比，热冲压成形工艺有如下诸多优点：

1）成形性好。高温下材料成形性好，可用于成形复杂结构零件。

2）回弹小，零件尺寸精度高。高温下成形没有回弹，消除了回弹对零件形状的影响，可实现高精度成形，这是常规冷冲压成形无法比拟的。

3）需要模具数量少，成本低，周期短。可将冷冲压成形需要多道工序、多套模具才能成形的零件一次成形，还可将几个冷冲压件合成一个件一次成形。

4）得到超高强度的车身零件，从而减小零件厚度，减少车身加强板、加强筋的数量，并提高车身的碰撞性能，实现车身重量的有效减轻。目前，已经研制出1.8～2.0GPa级别零件。

5）所需压力机吨位小。高温下材料变形阻力小，成形力小，热冲压压力机吨位一般在1200t以内，冷冲压成形压力机在2500t以上，因此可以大幅削减设备投资，减少能耗。

（4）热冲压成形有待解决的问题

热冲压成形工艺有诸多优点的同时，也存在一些有待解决的问题：

1）模具复杂。模具设计、加工难度大，制造及调试周期长，模具及其配套工装价格高，维护成本大。

2）工作环境相对较差。非镀层钢板热冲压后会产生氧化皮。

热冲压成形技术克服了传统冷冲压工艺成形困难、回弹严重以及容易开裂等诸多问题，已在欧、美等国汽车企业和国内汽车企业大范围应用。热冲压成形件主要应用于车身结构中对强度要求高的零部件，如图2-3所示。

从2013～2016年的欧洲白车身会议（ECB）的统计来看，热冲压成形技术的应用比例在提高，热冲压成形零件占车身重量比率情况如表2-1所示。