汽車越來越輕，高速行駛時還能保證穩定安全嗎？

出品| 網易新聞

作者| 甘亞平，汽車行業高級工程師

　　在大多數人眼裡，汽車的車身足夠重才能保障行駛的穩定和安全，因此，高端車型的整車質量非常大，卻得到不少人青睞。大家對這類車的普遍評價是開起來很帶感，但油耗太高了。

　　其實，汽車的穩定性主要來源於空氣動力而非自重，在保證汽車的強度、剛度、模態以及安全性能的前提下，儘可能地降低汽車的整備質量，能夠有效降低能耗，提高汽車的動力性和操控性，減少排氣污染。研究顯示，車重每減少100千克，每百公里可節省燃油0.3-0.5L，重量減輕，可以提高車輛的加速度和操控性，使車輛獲得更好的制動響應並縮短制動距離。

　　中國已經連續9年成為全球汽車第一大生產國，對汽車的輕量化方面的需求，顯然也最為迫切。

　　那麼，在車重降低的情況下不降低、甚至還要提高安全標準，需要怎麼做呢？對汽車用鋼的熱處理就是非常有效的一種辦法。

（一）汽車為什麼必須使用熱成型鋼？

　　汽車是大批量生產的產品，對車身鋼板的要求除了強度外，還要求良好的工藝性，也就是加工成型成本低。

　　汽車生產的主要工藝是衝壓。汽車車身用鋼板要求成型容易，回彈小，衝壓過程中對模具的磨損小。汽車用鋼板從屈服強度350MPa的軟鋼一路發展，經歷了雙相鋼、相變誘導塑性鋼、多相鋼、馬氏體鋼，屈服強度一路增長到了900MPa。整個發展過程的規律就是強度越來越高，金相組織中的馬氏體成分越來越多，但是與此同時，可加工性越來越差，成型難度越來越高，而且衝壓回彈非常大。

　　分析鋼板的金相組織，成型容易要求鋼板中的鐵素體和奧氏體成分儘可能得多，但是鐵素體和奧氏體的強度很低；高強度則要求馬氏體成分儘可能得多，但是馬氏體脆性大，變形困難，汽車用鋼板的技術發展一時陷入了瓶頸狀態。

　　這時，全鋁車身結構出現了，它被最早用於奧迪A8車型上面。但是，全鋁車身結構成本非常高昂，限制了大規模應用，只能用在頂級車型上面。於是，人們的目光最終還是回到了鋼材上面。

　　其實，汽車鋼板中的馬氏體組織除了鋼板變形相變可以得到外，還可以通過熱處理得到，於是新的思路產生了。

　　人們開發了一系列新材料的鋼板，典型的牌號為22MnB5，成分如下圖所示。由於這些鋼板的主要強化元素為硼，它們也被稱為硼鋼。

　　22MnB5原始金相組織為鐵素體+珠光體，加熱到900攝氏度左右轉變成為奧氏體，在模具中液壓成型並淬火，轉變成為100%的高強度馬氏體組織，成型性能好，成型後強度高，性能非常優越。

　　熱成型鋼最突出的特性，一個是強度特別高，一個是成型性能好，還有一個就是沒有衝壓回彈。

1. 超高強度。

　　熱成型後屈服強度可1000~1200MPa，抗拉強度可達1400~1600MPa，減重效果非常明顯。

2. 成型性能好，可以用於複雜幾何形狀的零件。

　　在顏值決定一切的今天，汽車外形的設計越來越偏向時尚化，年輕化。

　　汽車外形曲面設計越來越複雜，對於材料的成型性能要求越來越高，熱成型鋼剛好可以適應這種趨勢。而且，熱成型鋼製成的複雜車身零件可以用一個零件取代幾個小的衝壓件，實現車身結構的整體化，減少焊接，進一步減重。

3. 無回彈。

　　通常鋼板的強度越高，衝壓回彈就越大。熱成型鋼通過加熱後成型，然後在模具中完成淬火得到馬氏體組織，基本上沒有回彈，工藝性能非常好。

（二）汽車的哪些部位會用到熱成型鋼？

　　俗話說，好鋼要用在刀刃上，熱成型鋼並不便宜，因此最初主要用於車身防侵入零件上，後來慢慢開始向著能量吸收和平台零件擴展。

　　熱成型鋼的使用區域通常都是看不見的部位，相反，消費者看得見的車身覆蓋件使用的都是易成型的低強度鋼板。

　　熱成型鋼輕量化潛力可達30%，也就是說安全性不變的情況下可減重30%，或者重量不變的情況下提升強度30%。

　　防侵入零件是包裹汽車乘員座艙的結構件，在汽車發生碰撞的時候要保證不能有大的變形，從而保護乘員。

　　在汽車上，防侵入零件主要包括ABC柱、車頂和車底側梁、地板梁、前後車身吸能區域等等。

　　熱成型鋼的使用量已經成為了評價汽車被動安全的重要指標，通常使用量越大，汽車被動安全性越好。汽車被動安全性的重要指標是異物侵入量，也就是汽車發生碰撞後乘員艙向內部變形的量。

　　熱成型鋼是目前唯一兼顧輕量化、安全性要求和生產成本的車身結構，這種技術大量應用後，直接取代了全鋁車身結構、鋼鋁混合車身結構，成為了市場主流。

（三）熱成型鋼是怎樣生產出來的？

　　典型的熱成型生產線如下圖所示，鋼板料片進入帶保護氣氛的加熱爐中加熱到880~930攝氏度，通過傳動帶和取料機械手進入熱成型工序，這時候料片自然降溫至830攝氏度左右。

　　高溫料片進入熱成型模具後，在液壓壓力機的壓力下通過模具成型，同時，模具中的冷卻水道使零件快速降溫淬火，最終得到100%馬氏體組織的高強度成型零件。

　　加熱的料片進入模具成型後，必須在10秒之內冷卻到400攝氏度以下，否則就得不到100%的馬氏體組織。考慮到生產節拍的要求和生產實際情況，實際生產過程中模具對料片的冷卻速度要達到100攝氏度/秒，3~5秒之內必須將料片溫度從800多攝氏度降低到400攝氏度以下。如下圖所示。

　　那麼，熱成型工藝怎樣在衝壓成型的同時實現對零件的淬火的呢？秘訣就在於模具上的冷卻流道。

　　設計熱成型模具的時候，不但要做傳統衝壓模具的成型分析，同時也要做熱分析，通過CAE軟體分析冷卻流道的分布，使得模具在成型的同時快速冷卻零件，實現對零件的淬火功能。

　　熱成型工藝目前已經發展了兩代，分別是間接工藝法和直接工藝法。

　　（間接工藝法和直接工藝法對比）

　　間接工藝法使用的是無鍍層的鋼板，由於鋼板是在高溫狀態下進行成型的，表面不可避免地會產生氧化皮。零件成型後需要做噴砂去氧化皮處理。這會影響零件的精度，所以還需要做冷衝壓校正，而且最終零件還要塗油防鏽，工藝非常複雜。

　　直接工藝法使用的是帶鋁硅塗層的硼鋼，由於有塗層的保護，整個過程不產生氧化皮，加熱過程無需惰性氣體保護。另外，鋼板表面無需脫碳處理，無需噴砂處理，沒有噴砂造成的零件變形，成型精度高，不需要冷整形和上油防鏽，生產工藝簡化了許多，成本大幅降低。

結語

　　硼鋼熱成型工藝是目前最具應用價值的車身輕量化的材料和工藝技術，目前研究人員正在開發屈服強度1500MPa、抗拉強度超過2000MPa的硼鋼材料，以及延伸率更高的硼鋼材料。材料和工藝的進步使得汽車在方便人們出行的同時滿足日趨嚴苛的排放法規和安全法規，硼鋼熱成型工藝是其中最重要的一塊拼圖。

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編輯| 史文慧