热成型冲压技术

本文旨在为介绍热成型冲压技术（Hot Stamping，也称为热冲压成形或冲压硬化工艺）的基本概念和实践要点。内容涵盖工艺原理、高强度钢冶金原理、生产设备与模具，以及零件质量控制与检测方法，帮助技术人员、管理者和一线员工全面理解并掌握热成型冲压技术。

1. 热成型冲压基本原理

工艺流程： 热成型冲压是一种将钢板加热到红热状态再进行冲压成形并同时淬火的工艺。典型流程包括以下步骤：

1. 下料准备： 根据零件尺寸裁剪板料，并进行清理去毛刺等处理。
2. 高温加热： 将板料送入加热炉，加热至约880～950℃，使钢板完全奥氏体化。此阶段板料呈红热状态，软化具高延展性。
3. 快速转移： 将加热后的板料迅速从炉内转移到冲压压力机，通常要求几秒钟内完成以防板料过度冷却。
4. 冲压淬火： 在专用压力机上完成闭合冲压，将板料压塑成型的同时，模具内的冷却水道迅速带走热量，使板料在模具中淬火。钢材发生相变，从高温的奥氏体转变为硬而脆的马氏体组织。
5. 脱模与后处理： 取出已成型且硬化的零件。根据需要进行修边、冲孔（若未提前完成）以及去除氧化皮（若使用裸板材则可能需要喷丸去氧化皮）。

通过上述流程，热冲压工艺可将钢材抗拉强度从约500–600MPa大幅提高至约1500MPa。也就是说，经过热成型淬火后的零件强度可达到原来的2.5倍左右，大大提升了零件的强度性能。与此同时，由于淬火形成了马氏体相，零件的硬度显著提高，形状在冷却后基本固定，几乎没有回弹变形问题。

工艺优点： 相较传统冷冲压，热成型冲压具有多方面优势：

• 成形能力强： 高强钢加热后屈服强度大幅降低，塑性显著提升，材料变形抗力变小，能够冲压成形复杂的形状而不易开裂，成形极限更高。这意味着可一次成形以前难以冷冲压的复杂件，同时所需压机吨位较低。
• 零件强度高： 成形后经模内淬火，零件组织全部转变为超高强度的马氏体，相比冷成形件强度大幅提高。这种高强度零件对提升车身抗碰撞性能和疲劳寿命至关重要，可明显提高汽车安全性。
• 轻量化设计： 由于零件强度和抗冲击能力提高，可使用较薄的板材或减少额外加强件，在保证强度的同时减轻重量。这有助于简化车身结构设计，减少焊接拼接件数量，实现车身轻量化目标。同时，热成型件没有回弹和翘曲问题，尺寸精度高，减少了为补偿回弹所需的反复调校。
• 加工步骤减少： 热成形将冲压成形与淬火硬化合二为一，一步到位获得最终性能。由于零件成形后硬度已达要求，可减少后续独立热处理工序。此外，超高强度使零件在结构上可集成设计，降低焊接装配工序。

工艺缺点： 虽然热成型冲压优点显著，但也存在一些限制和挑战：

• 工艺设备投入大： 需要配备专门的加热炉、快速传送机械手和带冷却系统的压力机等设备，初始投资和能耗成本高于冷冲压工艺。
• 生产节拍较慢： 单件周期包括加热和淬火保压，时间长于冷冲压，产能相对降低。批量生产中往往需要多工位联动来提高效率。
• 材料选择受限： 仅特定可淬硬的硼钢等适用于热冲压，普通钢材在此工艺下无法获得超高强度。镀锌等涂层板材在高温直热成形时易出现裂纹，需要采用间接工艺绕过这一问题。
• 后续加工困难： 淬火后的零件硬度很高，传统冲裁和打孔难以进行，通常需采用激光切割等方法修边。另外，未涂覆板料在高温加热时会氧化生锈，需要额外的保护措施（如惰性气体保护或加热后喷丸清理氧化皮），增加了工序和成本。
• 模具损耗较高： 模具反复承受高温和冷却循环，易出现磨损和热疲劳裂纹（详见后文模具部分），因此维护要求高。

适用范围： 凭借上述优点，热成型冲压技术已在汽车制造业中得到广泛应用。目前汽车白车身中许多承载和防撞部件都采用热成形高强度钢制造。例如，汽车的前后防撞梁、保险杠、车门防撞杆、车顶加强件、中央通道梁、以及关键的立柱（A柱、B柱、C柱）等结构件大量使用热冲压工艺生产。这些零件要求既具有复杂造型又具备极高的强度，热成型工艺正好满足了其设计标准。如图1所示，现代乘用车白车身中典型的热成形零件分布及种类众多。图1：热成形技术在汽车高强度结构件上的应用示例。图中标示出了车身各处常用的热冲压零件，包括门梁、车顶侧围加强件、门槛加强板、前后保险杠、B柱等结构部件。由于热成形零件强度重量比高，现代汽车上单车热成形件数量不断增加，占车身材料的比例可达45%以上。

2. 高强度热成型钢的冶金原理

组织转变过程： 热成型用钢在加热和冷却过程中会经历显著的金相组织变化，这是其强度大幅提升的根本原因。在初始室温状态，下料钢板通常为铁素体+珠光体等软组织。当将其加热到约900℃并保温后，钢板全部转变为奥氏体（高温下的均匀固溶体）。奥氏体状态下材料非常软且易塑形。随后的模内淬火冷却是关键一步：板料在模具中以几十℃每秒的速度急冷，奥氏体来不及向平衡相转变而发生马氏体相变，形成马氏体组织。马氏体是一种过饱和固溶体，具有高度畸变的晶格结构，因而硬度和强度极高。实验表明，22MnB5钢只要冷却速度≥约10℃/s即可获得以马氏体为主的组织，冷却越快马氏体比例越高。实际热冲压模具冷却速度通常远高于此，能使绝大部分奥氏体转变为马氏体，从而赋予零件超高的强度。图2：热成型钢22MnB5在热冲压前后的性能和相变示意图。（a）为不同钢种抗拉强度-延伸率关系图，22MnB5钢由退火态（左侧约600MPa抗拉强度、延伸率20%以上的区域）经热冲压淬火后，性能跃升至马氏体状态（右侧约1500MPa抗拉强度、延伸率5%左右的区域），显示出强度的大幅提升但延展率有所下降。（b）为22MnB5钢的温度-时间-相变图，展示了获得马氏体所需的条件范围。其中蓝色虚线约27K/s表示临界冷却速率，只有快于此冷却才能避免出现铁素体、珠光体等软相，确保形成以马氏体为主的组织（红色区域）。

强度提升机理： 高强度热成型钢的强度主要来源于上述马氏体相变硬化机制。奥氏体在快速冷却下转变成马氏体时，碳原子来不及扩散，马氏体晶格畸变严重，内部产生高密度位错和应变，从而显著提高了材料的屈服强度和抗拉强度。同时，22MnB5等材料中添加的硼元素进一步促进淬透性，确保即使较厚截面也能淬硬。典型的22MnB5钢经过热冲压淬火后，可达到约1100MPa的屈服强度和1500MPa的抗拉强度，同时保持5%以上的延伸率。虽然延展性相较原始状态有所降低，但仍能满足结构件的韧性要求。值得注意的是，马氏体组织的产生使材料硬度提高（约45~50HRC），这既保证了零件服役强度，又使其在碰撞中可以吸收大量能量而不发生过度变形，极大提升了车辆的被动安全性能。

钢材成分设计： 为实现上述组织与性能，热冲压用高强钢在成分上经过特殊设计。以22MnB5钢为例，其中含碳约0.22%、锰1.2%、硼约0.002%（以及适量铬、钼、钛等元素）。高碳和高锰提高钢的基体强度，硼元素显著降低临界冷却速度，增强淬透性，使整个截面都能硬化。一些厂家还在22MnB5基础上开发了不同含碳量的硼钢，例如30MnB5（约0.30%C）和37MnB5（约0.37%C），它们在热成形淬火后可分别达到约1800MPa和2000MPa的抗拉强度。不过含碳量越高，材料延伸率会进一步下降，用途上多用于更高强度需求且形状相对简单的件。除此之外，钢厂也开发出局部软化变体（如所谓的“Ductibor”钢种），通过调整成分使部分组织为贝氏体，从而提高零件某些区域的延展性，以满足碰撞时的能量吸收需求。这类材料常与马氏体钢配合使用，实现“一件多强度”的差异化性能设计。

常见牌号与规格： 当前热成形钢板的商业牌号众多，其中国际上最主要的是22MnB5系列。欧洲和国内通常直接以成分命名，如22MnB5表示0.22%C-1.2%Mn-加硼钢；在美国有时称为15B22。在此基础上，不同钢厂推出了自有品牌名称，例如Usibor® 1500就是由安赛乐米塔尔（ArcelorMittal）推出的22MnB5钢板，预先在表面镀覆了一层铝硅合金以防止加热时氧化。Usibor 1500 等材料在热冲压后强度可达1500MPa，因无需去氧化皮且耐腐蚀，被广泛应用于汽车安全结构件。安赛乐还开发了更高强度的Usibor® 2000牌号，其抗拉强度提高约30%，可满足特定部位进一步减重的需求。国内方面，钢铁企业也纷纷推出等效产品，例如宝钢的BR1500HS热成形钢（抗拉强度1500MPa级别）已实现批量应用。这些钢板有的为裸板（无涂层），有的在出厂时已镀层（典型是铝硅镀层，也有锌基镀层）。裸板在加热时须使用保护气氛炉以减轻氧化和脱碳，否则成形后需增加喷丸清理氧化皮的工序；而铝硅镀层板由于在热冲压过程中不氧化，省去了清理工序且零件耐腐蚀性更佳，现已成为汽车热成形件的主流选择。不同厂家推出的钢号在成分和涂层上略有差异，但基本都围绕提高淬透性和成形性能进行设计，满足1500MPa及以上强度等级的要求。

3. 热成型生产设备与模具

加热炉与压力机： 热成型生产线通常由加热系统、传送系统、冲压压力机以及后续切割设备组成。其中，加热炉多采用连续式辊底炉或多室炉设计，能够在5~8分钟内将板料加热到约900℃并均匀奥氏体化，同时尽量避免氧化和脱碳。对于裸露板料，可通入惰性气体保护炉内气氛；对于铝硅镀层板，则可直接加热且不会产生严重氧化皮。板料出炉后由机械手或机器人高速传送至压力机模具之间。热成型压力机一般为大型液压压力机，也有采用伺服机械压力机者。压力机需具备快速合模和高吨位保压能力，以便在短时间内完成成形并维持模具闭合数秒进行淬火。例如，一台热冲压压力机通常要求快速下行速度、高刚性机身以及精确的位移控制，以确保在模具闭合时提供充分压紧力进行冷却。为匹配工艺节拍，压力机周边还配备自动上料机、机械手臂、传送带等，实现板料从加热炉到压机、再到冷却后的成品输送的全自动联动。整个系统需要精准协同，以保证每片板料都能在规定时间内完成加热、成形和淬火工序。

模具结构与设计要点： 热成型模具不仅承担成形作用，还兼具淬火冷却的功能。上、下模通常采用高强度的热作模具钢（如H13钢）制造，以承受反复的热冲击和压力。模具型面内部加工有纵横交错的冷却水道，通入循环水以快速带走板料热量。冷却水道直径和间距需精心设计：既要尽可能贴近型面以提高冷却效率，又需保证模具足够的强度和刚性。典型设计是水道直径约10～14mm，相邻水道中心距15～20mm，水道离型面距离大于15mm，以兼顾冷却效果与模具寿命。另外，大型或形状复杂的模具可能拆分为多个镶块，各镶块内设独立冷却回路，这样可以均匀控制整个型面的温度并便于制造更精细的型腔。模具型面通常进行淬硬及表面处理（如渗氮或涂覆耐热涂层），以增强抗磨损和抗氧化能力。在模具设计中，还需考虑热胀冷缩带来的公差影响，通常预留一定的热补偿，以确保模具在工作温度下仍能保持准确的尺寸配合。此外，热成形模具往往需要设计特殊的压边和排气结构。由于热冲压板料极软易起皱，冷冲压常用的压边圈、拉延筋在这里效果有限，常采用间隙垫块等方案控制材料流动，以避免成形过程中出现褶皱并在闭合末段将其压平。模具的排气孔也很重要，因为板料放入模具时会有空气需要迅速排出，以保证板料和模具型腔紧密贴合，提高冷却传热效率。

模具寿命与维护： 热成型模具因其工作环境特殊，寿命和维护需要特别关注。模具每个冲压循环都经历由室温到高温再到冷却的反复热循环，应力波动剧烈，易产生热疲劳裂纹和变形。如果模具材料淬火不足或使用不当，还可能在高温下软化，导致型面磨损加剧。此外，加热的板料会氧化产生氧化皮或涂层残渣，这些硬质微粒在冲压时可能粘附或嵌入模面，加速模具磨损并影响零件表面质量。尤其是使用铝硅镀层板料时，铝硅涂层在高温下会部分熔化并转移到模具上，造成粘模和磨损。针对这些问题，需要采取一系列维护保养措施：

• 定期清理：每生产一定批量后需停机清理模具型腔，去除附着的氧化皮和涂层残留，保持型面光洁。必要时对模具进行抛光或喷砂处理，以恢复表面光洁度。
• 检查冷却系统：定期检查水路通畅和泄漏情况，确保冷却效率稳定。如发现水道堵塞应及时疏通，冷却水水质也需控制避免水垢沉积影响传热。
• 磨损修复：监测模具型面尺寸，一旦出现异常磨损（如局部凹陷、刮痕）应及时补焊或机械加工修复，然后重新热处理和表面硬化处理。这样可延长模具寿命并保证制件尺寸精度。
• 预防措施：在批量生产前，可对模具进行表面强化处理（如镀铬、涂覆耐热陶瓷涂层等）以降低粘附和磨损。生产过程中严格控制板料加热温度和清洁度，避免过烧或脏污板料进入模具。此外，合理设置压机参数（如压合力曲线）减少模具所受冲击载荷，也有助于模具寿命。

由于热成型模具比冷冲压模具承受更苛刻的工况，其维护频次一般更高，寿命往往略低于冷冲压模具。但通过科学的设计与保养，高品质热冲压模具仍能经济地完成大批量生产。例如一些汽车B柱热成形模具已能稳定生产数十万件零件而无需更换，大大满足了工业应用的要求。

4. 热成型零件质量控制与检测

缺陷类型分析： 在热成型冲压过程中，可能出现一些特有的缺陷，需要及时识别和控制。主要缺陷类型包括：

• 裂纹与撕裂（开裂）：如果板料加热不充分或在转运过程中温度下降过多，材料在冲压时局部已开始相变变硬，延展性不足，容易在应力集中的区域产生裂纹。另外，模具间隙不当或拉延过大也可能导致成形时材料拉断。
• 起皱：由于高温下板料极软，在冲压时如果压边力不足或材料流动控制不好，容易在凸模周边或型腔角落形成褶皱。冷却后这些皱纹会被压扁留存在零件表面，影响外观和强度。合理的压边设计和间隙控制是防皱关键。
• 回弹变形：热冲压件通常回弹很小，但如果淬火不彻底、零件局部软硬不均，冷却后可能出现轻微的变形或翘曲。模具设计需考虑充分夹持和均匀冷却，以避免成品形状偏差。
• 软点和硬度不均：零件不同区域冷却速度不一致时，可能产生组织差异。例如厚截面或离水道远的区域可能形成一部分贝氏体或铁素体，导致该处硬度低于设计要求（“软点”）。软点会降低零件整体强度，需要通过优化水道布局或延长保压时间来解决。
• 表面氧化和脱碳：裸板料在高温加热时表面生成氧化皮且碳元素烧损，造成成品表层硬度下降、耐磨性变差。这要求在加热阶段控制气氛或使用镀层板来避免。若零件表面有严重氧化发黑或脱碳层，可通过喷砂等方式清理表面，但一般应在工艺上预防。
• 尺寸超差：热成形件通常精度良好，但仍需注意尺寸和孔位偏差。成形过程中模具或零件受热膨胀、冷却收缩都会影响尺寸。另外，超高强度导致传统整形修正困难，因此一旦模具制造或工艺设定有偏差，零件尺寸超出公差范围将很难校正。需通过模拟仿真提前补偿，以及严格控制工艺参数来保证尺寸稳定。

缺陷预防与改进： 针对上述缺陷，生产中可采取多种预防和改进措施：

• 确保充分加热： 严格按照工艺规范将板料加热到奥氏体化温度并保温足够时间，使其内部组织均匀。监控炉温曲线，保证出炉板料温度在目标范围。对于厚板或传热慢的材料，可适当延长加热时间。这样可避免因材料未软化而冲压开裂。
• 缩短转运时间： 从加热炉到压力机的时间应尽可能短，一般控制在6–10秒内，以防板料表面开始冷却相变。在机械手设计和冲压节拍上进行优化，使热料尽快进入模具成形。必要时，可提高模具温度（如采用预加热的模具）以减缓板料冷却速率。
• 优化模具和工艺参数： 采用适当的压边力或支撑垫来控制材料流动，防止起皱。提出，可使用带有间隙的压边垫使板料在成形初期适当起伏、末段再压平，以消除皱纹。此外，通过CAE模拟优化冲压速度和压力曲线，避免材料过度堆积或拉伸。对复杂形状件，可考虑间接热成形工艺（先冷成形预制，再加热淬火）以降低一次成形难度，从根本上避免开裂和起皱。
• 均匀淬火冷却： 设计和维护好模具冷却系统，保证各部位冷却一致。对可能冷却不足的区域，加密水道或采用高导热镶块。生产中监测零件不同部位的硬度，发现硬度不足时，可通过提高冷却水流速、降低入模温度或延长模内保压时间等手段加强淬火效果，消除软点。
• 表面保护： 对无镀层板料，推荐在炉内使用保护气氛（如N₂）或涂覆防氧化涂料，以减少氧化脱碳。采用铝硅镀层板是更有效的方案，可彻底避免氧化并简化后处理。同时，加热炉温度不宜过高过久，防止氧化皮过厚难以清理。
• 尺寸控制： 在试模阶段利用数值模拟和实际测量相结合的方法，对模具型面进行回弹补偿和收缩补偿，使批量生产的零件尺寸落在公差范围。每批次生产过程中定期抽样测量关键尺寸，如发现偏移，及时检查设备精度和工艺参数是否变化。必要时通过调整压机行程或垫片等方式微调成形尺寸。

通过上述措施的大力控制，热成形工艺可实现高质量的一致生产，将缺陷率降到最低。实践证明，在成熟的生产线上，热冲压零件（如车门防撞梁、B柱）完全可以达到汽车工业严格的质量要求。

检测标准与方法： 热成形零件的质量检验包含力学性能和尺寸精度两大部分：

• 力学性能测试： 由于热冲压零件的主要目标是达到规定的高强度，通常需要对其硬度和强度进行抽检。一种快捷的方法是硬度检测，例如用维氏硬度计在零件的不同部位测量表面硬度，以估算马氏体含量和强度水平。典型的22MnB5热成形件硬度应在约480HV左右（约45HRC），对应抗拉强度约1500MPa。如硬度偏低则可能存在软区或淬火不良。对于关键安全部件，会进一步进行拉伸试验和弯曲试验，从零件上切取样条测试其屈服强度、抗拉强度和延伸率是否达到标准。例如汽车用热冲压件通常要求抗拉强度≥1500MPa，断后延伸率≥5%。如果材料有局部软化设计（如局部退火区），还需验证这些区域的性能满足吸能要求。所有这些测试应符合相关国家或行业标准（如ISO或GB/T标准）的方法和指标规范。

• 尺寸精度检测： 热冲压件的外形尺寸和孔位需要满足设计图纸要求，以确保装配吻合。常用检测手段包括三坐标测量（CMM）或激光扫描，将测得的三维形状与CAD模型对比，评估各关键点的偏差。一线生产中也常使用专用检具进行快速尺寸检查。由于热成形件通常无回弹，尺寸精度主要取决于模具精度和热处理收缩，一般能够达到±0.5～1.0mm的公差。如果发现尺寸超差，需分析是否因模具磨损、冷却不均造成，应在模具维护或工艺上加以纠正。

• 表面及微观检测： 对于表面质量要求高的零件（比如外露件），需检查其表面粗糙度、是否有裂纹、压痕等缺陷。通过目视检查和渗透探伤等方法可以发现细小裂纹。另外，可对零件进行金相显微分析，观察其组织是否为全马氏体、是否存在脱碳层等，以评估工艺稳定性。如果是镀层板，还应检查涂层的完整性和附着状况。涂层厚度和均匀性通常由金相切片或X射线荧光方法检测，以确保镀层在冲压过程中没有脱落且仍符合防腐要求。

在质量控制过程中，建议建立完善的质量管理体系，对每批热成形件的加热温度、保温时间、转运时间、冷却水温等关键工艺参数进行记录。一旦力学性能或尺寸检测发现异常，可追溯相应批次的工艺记录，及时找出问题根源并整改。例如，如果发现某批次硬度不足，追查记录可能会发现当时冷却水温度偏高或传送延迟，从而有针对性地修正工艺。通过闭环的质量监控和反馈，热成型冲压生产能够保持稳定的出厂质量，生产出符合设计规范的高强度零件，满足汽车等行业严苛的使用要求。

综合而言，热成型冲压技术将材料加热、成形和强化融为一体，使原本难以成形的超高强度钢得以应用于复杂结构件的制造，显著提升了产品的强度和安全性能。本手册所述的基本原理、材料特性、设备模具要点及质量控制方法，将帮助新员工全面了解这一先进工艺。在实践中，还需要根据具体产品和生产条件不断积累经验，优化参数，以充分发挥热成型冲压技术的优势，为公司制造出高质量的轻量化高强度零件。希望本手册能为您的工作提供有益指导，助力大家更好地掌握和应用热成型冲压技术！