熱成型鋼應用場景和工藝盤點

隨着碰撞安全車身輕量化要求的提升，以及熱衝壓成型工藝發展的成熟。目前高強鋼熱衝壓件在新能源車上的應用已經大幅度增長到了39-43%，零件數量平均在二、三十件，從公斤數來看也在不斷增加。現階段中國建成的熱衝壓生產成型線已經達到了300多條，呈現蓬勃發展之勢，按照國內汽車產量上探到3000萬輛車每年的話，以及整車出口市場的增加，整個熱成型行業以及市場還有很大發展的空間。

一

熱成形鋼應用場景

熱成形技術是一種專門用於成形超高強度鋼板衝壓件的成形技術。該技術可以在高温下衝壓板材，同時在模具中冷卻淬火，從而形成強度高達1500MPa的衝壓件。目前廣泛應用於汽車車身結構件的生產，如車門防撞梁、前后保險槓A柱、B柱、中間通道等。如下圖所示。

採用熱成形鋼板衝壓件的零件通常是車身碰撞傳力路徑的安全結構件，大多要求具有高強度，起到防止碰撞時過分變形、入侵乘員生存空間的作用。同時對零件的韌性有一定要求，比如車門防撞梁、B柱等，在發生碰撞發生變形時，不能過早彎折斷裂，以起到吸收能量的作用。

由於輕量化及對碰撞安全的要求越來越高，熱成形鋼在汽車骨架上的應用比例也在不斷擴大。如下圖，以Volvo為例，XC90在2015年熱成形鋼單車用量已從第一代的7%提升到38%。國內車企大幅提升熱成形鋼應用佔比，部分電動車企開始在電池包結構件上量產應用熱成形鋼。

二

材料性能要求

爲了保證乘員艙的完整性和防撞性能，一般對熱衝壓材料（通常指1500MPa和1800MPa的硼鋼）有如下需求：

1. 高的材料強度；

2. 良好的彎曲斷裂韌性；

3.均勻的組織性能；

4.合適的成本；

5.鍍層材料還需求較好的耐蝕性（分為鍍AS、鍍鋅和裸板）；

6.良好的熱處理工藝性能（奧氏體化温度、臨界冷卻速度）；

7.良好的點焊、激光焊性能。

當然，現在隨着汽車安全件的精細化設計需求，除了需求越來越高強度的硼鋼（22MnB5、28MnB5、34MnB5）外，也需要中等強度的高韌性的熱衝壓材料作為軟區材料，例如B柱的下端使用低合金高強鋼6Mn6等，此類材料的需求為高彎曲韌性、良好的可焊性、較大的臨界冷卻速度，室温組織可以為鐵素體、珠光體或馬氏體組織。

三

行業用材分析

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行業用材——基材：

①硬區：目前熱衝壓鋼板主要應用的是1500MPa和1800MPa強度級別的材料 ，用作硬區部位，即需要超高強度來減小或防止變形的部位。

②軟區：基於激光拼焊（TWB，Tailored Welded Blanks）技術的成熟，500/600MPa、1000MPa、1200MPa等強度級別的材料用於激光拼焊件的低強度部位。

如下圖沃爾沃XC90車型的縱梁和B柱的端部（黃色區域）設計為軟區。該部分材料VDA彎曲角一般遠大於熱成形后的1500MPa材料，碰撞時有效變形行程較大，起到吸能的作用。

• 表面塗層：

①常規鍍層材料：安賽樂米塔爾在華專利CN108588612B，對常規塗層（鍍層重量70g/m2，熱衝壓后總厚度30-50μm）的工藝窗口、塗層結構與厚度做了嚴格限定，致使該材料處於安賽樂米塔爾及其授權公司（現代制鐵、新日鐵、VAMA、TKS等企業）壟斷中，價格相對較高、貨源比較單一、供貨周期較長。國內寶鋼、首鋼、唐鋼、馬鋼等鋼廠也在批量供貨該類材料，以寶鋼為例，主要通過錯開加熱窗口來規避專利，但由於AM在不同國家和地區專利權利要求的差異，國內鋼廠材料在歐盟、北美、日韓、巴西等主要汽車市場使用和銷售時需特別關注專利侵權問題。

②薄鍍層材料：2019年蘇州育材堂公司（東北大學易紅亮教授團隊）發明了降低塗層厚度（熱衝壓后塗層總厚度10-25μm）的薄鍍層新材料，調整工藝窗口（提高温度、縮短時間）；可錯開安賽樂米塔爾的加熱窗口，熱處理后鍍層厚度和結構也可規避安賽樂米塔爾專利限制，目前授權國內TAGAL和馬鋼兩家鋼鐵企業生產，已獲得GM、長城、奇瑞、一汽、東風、嵐圖等國內外數家主機廠認證通過或在認證中。

③裸板材料：表面無鍍層的材料為裸板材料，該材料無鍍層專利，可採用國內外諸多鋼廠材料，如蒂森、現代制鐵、首鋼、寶鋼、本鋼、馬鋼等等。相對鍍層材料，裸板原材料成本低，但是由於裸板在加熱時會氧化，表面生成一層氧化皮，通常需增加拋丸工序進行表面處理，若控制不當，拋丸后還會有一定的變形，且會污染環境。由於裸板材料的韌性高於鋁硅鍍層板，原材料價格相對於鋁硅鍍層板低，其應用較廣泛。

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行業用材趨勢

由於碰撞安全、輕量化、低成本、防腐效率的持續高需求，引導熱成形鋼在高強度、高韌性、經濟性耐蝕三大方向的研究與應用趨勢。

高強度（硬區）：1500MPa、1800MPa、2000MPa。

高韌性（軟區）：500MPa、1000MPa。

經濟耐蝕：薄鍍層熱成形鋼、新型無鍍層表面抗氧化材料。

四

零件生產工藝

• 一般零件

熱衝壓零件的典型生產工藝如下圖（鋁硅板），主要核心工序包括：加熱（奧氏體化）——淬火成型——激光切割。裸板的生產在淬火后還有一道拋丸工序。

• 特殊工藝零件

由於碰撞安全對不同區域材料的規格、性能需求不同，為滿足不同需求的精細化、定製化設計，並體現出輕量化收益，近年來已廣泛量產應用TWB（激光拼焊）、TRB（變厚度軋製板）、Soft zone（強度軟區，分模內與爐內2種）、Patch（補丁板）四種創新工藝，如下圖為沃爾沃XC90同時使用到的4種工藝示意圖，其中B柱使用到TRB+TWB的組合工藝。

①TWB（激光拼焊）

材料需要在激光拼焊廠拼焊成二次板料，再運送到熱衝壓廠進行加熱淬火成型，以GONVAMA的激光消融焊為例，拼焊料的典型生產工序如下圖6a)。目前可供貨供應商包括GONVAMA、寶鋼TB、寶鋼阿賽洛、鞍鋼鋼加，工藝有消融焊、填絲焊、消融+填絲焊等。

具有多種等級和厚度的激光焊接門環，可以減少非關鍵區域的面板厚度，從而有助於減少零件的整體質量。B柱底部的低強度產品有助於在發生側面碰撞時消散碰撞能量，在碰撞能量管理中發揮關鍵作用。

②TRB（變厚度軋製板）

它是通過柔性軋製工藝生產的金屬板，即在鋼板軋製過程中，通過計算機實時控制和調整軋輥的間距，以獲取沿軋製方向上按預先定製的厚度連續變化的板材。其生產示意圖如下圖，目前可供貨供應商包括Mubea、東寶海星。

目前國內外應用VRB技術的車型主流應用技術的典型結構特點，如下表 所示：

應用部位：集中在B柱、地板縱/橫樑、座椅橫樑、前防撞梁等部位，主要為車體碰撞傳力梁（薄區變形吸能，厚區高剛性），其中B柱應用最多；

成形工藝：VRB零部件的成形以熱成形為主，主要通過熱壓成形鋼（Hot Press Forming Steels,HPF）+VRB的工藝組合實現碰撞傳力件的碰撞性能和輕量化的最大化；

厚度分佈：一般有5～8種厚度，範圍1.2～2.7 mm，最大厚度分佈在上鉸鏈區域（1.7～2.7 mm），兩側厚度近似對稱且逐漸遞減，最小厚度分佈在兩端（1.2～1.5 mm），具有中間厚兩端薄的典型特點，如下圖所示；

搭接結構：與周邊件搭接採用零間隙貼合設計

典型應用結構

③Soft Zone（分區強化）

熱成型強化分區工藝是指板料原料為一個等厚等強度料片，通過特殊工藝（模內分區加熱、爐內分區加熱）實現不同區域、不同強度的功能。

同一個零件上分成了幾個區：硬區和軟區，硬區抗拉強度仍為1300MPa以上；軟區抗拉強度則為500MPa-800MPa。

下圖為本田雅閣車型（北美版）使用的分區強化示意圖。該技術無專利限制，可自主開發應用，但是由於需要增加加熱控制裝置（固定投資，熱衝壓廠投資100-200萬），加熱部位的鑲塊需要高熱疲勞材料（170-180元/kg）且需鋪設加熱絲，因此模具成本上升20%左右。如果不能規模化應用，節拍和收益不大。

一般年銷量在20萬以下車型不建議使用。對於年銷量大的車型，使用該工藝相對TWB和TRB工藝可顯著降低料片成本。目前大眾、福特、本田等幾家車企應用較多，大部分車企基本沒有應用。

④Patch（補丁板）

補丁板技術通常是在熱衝壓零件需個別加強的區域，預先在坯料上焊接好另一塊或數塊熱衝壓材料，然后一起加熱並在同一套模具內一起淬火成型，從而實現不同區域的不同料厚和結構強度。該工藝可以節省衝壓模具，綜合成本相對較低，是廣泛採用的工藝。但是需特別注意儘量避免補丁板很厚，這樣會增加與基板的厚度差，對后續加熱和淬火保壓控制不利。

圖為嵐圖FREE車型使用的補丁板技術示意圖。嵐圖FREE還全球首發了TRB+PATCH補丁板的複合熱成型方案，A柱加強版通過該方案優化，實現減重0.9kg，同時保證了25%小偏置碰撞與車頂靜壓的性能。

（轉自：中金協裝配式建築分會）