張 鵬 張 瑾* 徐樹杰 劉雪峰

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津300300）

1 概述

當前汽車輕量化發(fā)展的大趨勢下，高強鋼和鋁合金成為使用比重較高的兩種材料，按照工藝的不同，高強鋼包括雙相鋼（DP 鋼）、復相鋼（CP 鋼）、鐵素體- 貝氏體鋼（FB 鋼）、馬氏體剛（MS 鋼）、相變誘導塑性鋼（TRIP 鋼）、熱成型鋼（PH 鋼）和孿生誘發(fā)塑性鋼（TWIP 鋼）等種類[1]，而車用鋁合金主要分為鑄造和變形鋁合金兩部分。

其中，第一代和第二代先進高強鋼可以滿足部分汽車部件的性能要求。例如，雙相鋼和TRIP 鋼具有很好的吸能性能，可用于生產(chǎn)汽車的碰撞區(qū)部件，起到一個吸能緩沖的作用[2]；強度極高的馬氏體剛和硼鋼則被用于生產(chǎn)艙體部件，以保證安全性能[3]。能夠實現(xiàn)汽車輕量化的成型工藝包括主要有高強度鋼的熱沖壓成型、液壓成型、輥壓成型、激光拼焊成型等，鋁、鎂合金等的半固態(tài)成型、高真空壓鑄、等溫擠壓和等溫鍛造等，非金屬復合材料的在線模塑成型、在線注射成型、在線模壓成型等[4]。

2 高強鋼熱成型工藝

所謂熱成型，全稱為熱沖壓成型，是近年來出現(xiàn)的一項專門用于汽車高強度鋼板沖壓成型件的新技術，也是實現(xiàn)汽車輕量化生產(chǎn)的關鍵技術工藝之一。熱沖壓成型起步于高強度鋼板。熱成型技術是利用熱處理和高溫成型方式實現(xiàn)最終零部件強度提升，主要分為直接成型和間接成型兩種工藝制造技術；具有成型精度高、成型性好等突出優(yōu)點，適用于汽車中對于安全性要求較高的零部件，如防撞梁、A、B、C 柱加強板等[5]。

高強度鋼代替低碳鋼等低強度鋼材雖然有助于汽車重量的減輕，但也給汽車制造帶來新的困難。隨著屈服強度和抗拉強度的提高，高強度鋼的沖壓成型性能在不斷下降，各種成型缺陷凸顯，不僅需要非常大的成型力，而且回彈特別嚴重，很難保證制件的尺寸精度[7]。在這種情況下，既要獲得制件的超高強度，又要改善高強度鋼的成型性，熱沖壓成型技術就應運而生。即鋼板的強度越高，成型難度越大，當強度超過1000MPa 以上時，對于一些幾何形狀比較復雜的零件，使用常見的冷沖壓工藝幾乎無法成型[8]。而采用熱沖壓成型技術制得的沖壓件強度可高達1500Mpa，且在高溫下成型幾乎沒有回彈，具有成型精度高、成型性好等突出優(yōu)點，這使得熱成型技術逐漸成為汽車制造領域內(nèi)的熱門技術，廣泛用于車門防撞梁、前后保險杠等安全件以及A 柱、B 柱、C 柱、中通道等車體結構件的生產(chǎn)。

表1 熱沖壓成型技術的優(yōu)勢與劣勢[6]

總結來看，熱成型技術的優(yōu)勢在于[9]：得到超高強度的車身零件，減輕車身重量，提高車身安全性、舒適性，改善沖壓成型性、控制回彈、提高零件尺寸精度，高溫時材料屈服強度降低、對沖壓所需壓機噸位的要求也相應降低，提高焊接性、表面硬度、抗凹性和耐腐蝕性等等。而不足之處為：設備投資大，模具設計和加工復雜，制造、保養(yǎng)成本高，零件單件成本相對較高，零件連接技術提出了新的挑戰(zhàn)等等[10-12]。

熱成型技術是在傳統(tǒng)沖壓工藝的基礎上結合熱鍛技術特點，對材料進行加熱處理后再進行產(chǎn)品成型制造。由于首先將板料加熱至完全奧氏體化溫度，再在磨具內(nèi)成型淬火，故沖壓熱處理可一次性完成。

3 鋁合金應用及成型工藝

鋁合金可替代大部分零部件，汽車用鋼鐵比重較大，其中大部分鋼鐵材料零部件可以用鋁合金代替，包括發(fā)動機、輪轂、熱交換器、車身、轉向軸、變速器支架、儀表板結構、懸架副車架等。鋁合金目前在變速箱、輪轂、熱交換器等領域滲透率較高，未來隨著車身用鋁技術的提升，汽車發(fā)動機、車身等用鋁量有望逐步提升[13-17]。

圖1 鋁材替代鑄鐵件的質量對比[18-21]

圖2 鋁材替代鋼制件的質量對比[18-21]

鋁合金是僅次于鋼材的汽車用金屬材料，汽車用鋁可分為兩大部分：鋁合金和鋁基復合材料；而車用鋁合金又分為鑄造和變形鋁合金兩部分。其中，鑄造鋁合金是由液態(tài)金屬轉變?yōu)楣虘B(tài)，即為液態(tài)成型；變形鋁合金則是由固態(tài)粉末變固態(tài)金屬，即為固態(tài)成型[22]。

圖3 液壓成型

圖4 固態(tài)成型

目前，鋁合金在汽車中應用的形式有鑄造鋁合金、鍛造鋁合金、擠壓鋁合金、鋁合金板材4 種。鑄造鋁合金中又分為砂型鑄造、消失模鑄造、半固態(tài)鑄造、擠壓鑄造以及永久模鑄造等形式[23]。鑄造鋁合金常用材料牌號為A356，其鑄態(tài)金相結構中的樹枝狀結晶組織，影響了鑄件的強度和韌性皮牌，限制了在運動構件中的應用；優(yōu)化成分后，有望代替做商用車的車輪，降低成本。鍛造鋁合金在汽車中有廣泛的應用前景，如懸架支撐和車輪等；商用車車輪應用后，節(jié)能減排效果明顯。擠壓鋁合金工藝簡便、界面形狀可設計性強，多用于乘用車的前后保險杠；既可以滿足沖擊、吸能的要求，又能減少構件重量，減重率達40%～50%。形變鋁合金板材則多用于車身覆蓋件以及前后保險杠防撞梁。

隨著鋁合金零部件的完善并投入使用，車用鋁合金技術的逐漸成熟，各種結構復雜、性能符合要求的鑄造件、擠壓件能夠批量生產(chǎn)，技術進步帶動的成本下降，更多結構復雜、成本較高的鋁合金零部件將引入到汽車上[24-25]。

4 結論

在發(fā)展新能源汽車、提升節(jié)能技術的同時，輕量化技術已經(jīng)成為汽車企業(yè)應對節(jié)能減排的有效舉措。相對傳統(tǒng)燃油車，電動汽車增長迅猛，對材料價格的敏感性更低，對鋁合金等輕型材料的需求也更大。預計未來，隨著技術的普及以及成本的下降，鋁合金車身的滲透率將逐步由中高端車往下逐步滲透，提升單車用鋁量。如果充分發(fā)揮鋁合金的應用潛力，單車用鋁量可達454Kg。