熱沖壓鋼板幫助汽車提高燃效及輕量化
為減輕車體重量，面向日本的汽車近年來(lái)越來(lái)越多地采用熱沖壓鋼板。例如本田2011年11月上市的輕型汽車”N BOX”，中柱(B柱)的加強(qiáng)件就使用了熱沖壓鋼板，這是首次在面向日本市場(chǎng)的本田車中采用熱沖壓鋼板(圖1)。其效果是，車重減輕了2kg。
圖1：輕型汽車”N BOX”，是首款采用了熱沖壓鋼板的日版本田車。中柱的加強(qiáng)件使用了熱沖壓鋼板。
除了N BOX之外，本田在面向日本的其他本田車上也廣泛采用了熱沖壓鋼板。比如2012年11月上市的輕型汽車”N-ONE”和2013年6月21日上市的新款混合動(dòng)力車”雅閣混合動(dòng)力車”等。N-ONE的中柱加強(qiáng)件使用了熱沖壓鋼板，雅閣混合動(dòng)力車的中柱加強(qiáng)件和門檻梁的一部分采用了熱沖壓鋼板，為減輕車重做出了貢獻(xiàn)(圖2)。
圖2：本田新款混合動(dòng)力車”雅閣混合動(dòng)力車”，中柱的加強(qiáng)件和門檻梁的一部分采用了熱沖壓鋼板。
馬自達(dá)也是積極采用熱沖壓鋼板的汽車廠商之一。該公司2012年2月上市的新款SUV(多功能運(yùn)動(dòng)車)————”CX-5”的前后保險(xiǎn)杠就使用了強(qiáng)度為1800MPa級(jí)的熱沖壓鋼板(圖3)。汽車采用如此高強(qiáng)度的熱沖壓鋼板在全世界也是史無(wú)前例的。借助熱沖壓鋼板，CX-5的車重減輕了4.5kg?！ ?/p>
圖3：馬自達(dá)新款SUV”CX-5”，保險(xiǎn)杠采用1800MPa級(jí)高強(qiáng)度熱沖壓鋼板。
進(jìn)一步提高高強(qiáng)度鋼板的強(qiáng)度
那么，熱沖壓鋼板究竟是什么呢?說(shuō)到底，就是高張力鋼板的一種。
熱沖壓鋼板與在常溫下沖壓成型(冷壓成型)的普通高張力鋼板的不同是，制作熱沖壓鋼板，是在將原材料加熱、使其軟化的狀態(tài)下沖壓成型，而且，成型品還在模具里時(shí)使其快速冷卻，以提高強(qiáng)度。加熱材料使其軟化可使材料容易成型，高溫材料在沖壓成型后立即快速冷卻，這樣的淬火效果可提高強(qiáng)度。提高鋼板強(qiáng)度有助于減薄板厚，從而減輕車重。
具備上述特點(diǎn)的熱沖壓鋼板此前雖然被用于面向歐美市場(chǎng)的汽車，但面向日本的汽車卻很少使用*，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致制造成本升高。不過(guò)，隨著燃效規(guī)定日益嚴(yán)格，日本的汽車也越來(lái)越多地采用熱沖壓鋼板。
* 在歐美采購(gòu)的冷壓高張力鋼板與在日本采購(gòu)的產(chǎn)品相比，材料的性能偏差較大。因此，即便調(diào)整了模具，使第一批材料在沖壓成型時(shí)不會(huì)產(chǎn)生褶皺和裂紋，但在下一批材料時(shí)還是會(huì)出現(xiàn)不合格等問(wèn)題。這是面向歐美的汽車率先采用熱沖壓鋼板的原因之一。
據(jù)悉，汽車廠商要在2020年之前將二氧化碳排放量減少到2005-2006年時(shí)的約60%。換算成燃效的話，相當(dāng)于改善6-7成，難度非常大。為此，汽車廠商制定了分階段改善燃效的目標(biāo)，到2015年前后改善約3成，到2020年前后再改善約3成。因此，為了盡量減輕車重，除了冷壓成型的普通高張力鋼板外，還越來(lái)越多地采用熱沖壓鋼板。
那么，為何要采用熱沖壓鋼板呢?原因是，熱沖壓鋼板可進(jìn)一步提高普通高張力鋼板越來(lái)越難提高的鋼板強(qiáng)度。
為了使碰撞能量不傳遞到駕駛室，汽車車體上有像前后車架那樣希望通過(guò)損毀部材來(lái)吸收能量的部分，也有像駕駛室周圍那樣為了保護(hù)乘員、即使受到?jīng)_擊也不希望損毀的部分。通常，前者采用的是低強(qiáng)度和中強(qiáng)度的高張力鋼板，后者采用高強(qiáng)度的高張力鋼板*。因此，如果想減輕駕駛室周圍的重量，就要進(jìn)一步提高高強(qiáng)度高張力鋼板的強(qiáng)度。
*低強(qiáng)度和中強(qiáng)度的高張力鋼板由于材料能實(shí)現(xiàn)一定程度的拉伸，因此能在損毀的同時(shí)吸收沖擊，因此被用于想要吸收沖擊的部分。而高強(qiáng)度的高張力鋼板因材料難以拉伸，即使遭到破壞也不容易變形，因此被用于不希望變形的部分。
問(wèn)題在于，冷沖壓用普通高張力鋼板的強(qiáng)度越高，成型和模具設(shè)計(jì)越難。也就是說(shuō)，提高冷沖壓用高張力鋼板強(qiáng)度的話，會(huì)出現(xiàn)以下缺點(diǎn)：(1)沖壓成型時(shí)容易出現(xiàn)褶皺，容易產(chǎn)生裂紋;(2)材料變硬，模具損耗嚴(yán)重;(3)回彈量6增大，模具設(shè)計(jì)更難。
*回彈量：回彈是指物體在受到彎曲和擠壓后恢復(fù)原狀的性質(zhì)，回彈量是描述恢復(fù)程度的量。
制造成本降至與冷沖壓980MPa級(jí)高張力鋼板相當(dāng)?shù)某潭?/strong>
熱沖壓鋼板就不存在這些缺點(diǎn)。也就是說(shuō)，由于是在把鋼板加熱到變成紅色、變軟的狀態(tài)下沖壓成型，因此沖壓成型時(shí)不容易出現(xiàn)裂紋和褶皺，對(duì)模具的負(fù)荷也小。另外，沖壓成型時(shí)鋼板發(fā)生的應(yīng)變也容易在鋼板溫度升高后消除，所以很難出現(xiàn)回彈。而且，沖壓成型后使材料在模具內(nèi)快速冷卻，具有淬火的效果，可使鋼板的組織變硬，提高強(qiáng)度?？傊?，熱沖壓鋼板是”強(qiáng)度高但容易成型的高張力鋼板”。
例如，本田用于N BOX中柱強(qiáng)化件的熱沖壓鋼板在加工前的強(qiáng)度為590MPa左右，沖壓成型時(shí)通過(guò)加熱將其軟化為與270MPa級(jí)鋼板相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，沖壓成型后借助淬火效果，將強(qiáng)度提高到了1500MPa左右。
當(dāng)然，熱沖壓鋼板也有缺點(diǎn)。第一，與冷壓不同，熱沖壓在模具內(nèi)冷卻鋼板，需要一定時(shí)間。因此與冷壓相比生產(chǎn)效率降低。第二，從模具中取出后切除多余部分(修邊)時(shí)，以及打孔時(shí)，需要可進(jìn)行高硬度加工的激光加工設(shè)備。由于鋼板淬火后變硬，考慮到刀具的磨耗，很難使用切削加工。第三，需要加熱鋼板的設(shè)備。也就是說(shuō)，不但要花錢買設(shè)備，而且生產(chǎn)效率也比較低，因此制造成本高，這就是熱沖壓鋼板的缺點(diǎn)。
各廠商設(shè)法降低了采用熱沖壓鋼板時(shí)的制造成本。例如，本田開(kāi)發(fā)了三項(xiàng)新技術(shù)來(lái)降低成本。第一，找到了可將熱沖壓鋼板的加熱時(shí)間較原技術(shù)縮短40%的加熱條件(溫度和時(shí)間)，開(kāi)發(fā)了可密切追蹤該條件的技術(shù)。將該技術(shù)用于加熱爐管理系統(tǒng)后，可使加熱爐的尺寸比采用以往技術(shù)時(shí)更小，從而減少了設(shè)備投資額。
第二，開(kāi)發(fā)出了大幅縮短在模具內(nèi)冷卻成型品的時(shí)間的技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)在模具與成型品的縫隙間注水，將熱沖壓鋼板的成型周期提高至原技術(shù)的4倍。第三，開(kāi)發(fā)出了”無(wú)需激光加工的模具系統(tǒng)”。利用該技術(shù)，可在鋼板沖壓成型后尚處于高溫柔軟狀態(tài)時(shí)，在模具內(nèi)進(jìn)行修邊和打孔，由此無(wú)需使用激光加工設(shè)備。本田利用這些技術(shù)，將采用熱沖壓鋼板時(shí)的制造成本降到了與采用普通冷壓980MPa級(jí)高張力鋼板時(shí)相同的程度。
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