先进高强度钢在汽车行业的应用与挑战

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为了满足汽车行业严格的油耗法规、加强行人保护、提高车辆性能，抗拉强度大于1000MPa（1GPa）的高等级钢种，如先进高强钢（AHSS）和超强钢高强度钢（UHSS），用于汽车。已被业界迅速采用。先进高强度钢由于其优异的强度和延展性而表现出最佳的性能。然而，从冲压模具性能的角度来看，这些先进的高强度钢与传统模具材料和表面处理技术结合时具有挑战性。模具维护和生产中断通常会导致成本大幅增加。

图1 World AutoSteel 2011未来钢制汽车（FSV）项目中使用的先进高强度钢种钢种。许多钢种的抗拉强度超过900MPa。

为了帮助金属零件加工商解决这些问题，美国汽车/钢铁合作伙伴（A/SP）的冲压模具优化（STO）项目组开始研究先进高强度钢和超高强度钢的影响关于模具设计和维护。他们的研究成果将在项目各阶段完成后用于其成员公司（美国菲亚特克莱斯勒、通用汽车和福特）的冲压模具设计标准。

图2 2016款本田Pilot采用拼焊热冲压门框，抗拉强度为1,500MPa。

国际钢铁行业启动了一系列合作项目，从1998年的超轻钢车身（ULSAB）项目到2011年世界汽车钢联盟的未来钢制汽车（FSV）项目。这些项目均采用新型先进高高强度钢材和创新制造技术，在显着减轻重量从而提高燃油经济性方面取得了巨大成果。事实上，FSV 研究项目使汽车设计和制造工程师目前可用的先进高强度钢类型和创新制造技术的数量几乎增加了一倍。

图3 2015款克莱斯勒Colorado和GMC Canyon车型采用热冲压B柱，其横截面连续变化（厚度连续变化），抗拉强度为1500MPa。

北美汽车行业已经采用了 FSV 项目的研究结果——许多先进高强度钢材和创新制造技术的快速采用就证明了这一点。图 2 和图 3 列出了北美市场目前生产的车型中使用的一些材料和制造创新。这些应用实例凸显了抗拉强度高于 1 GPa 的先进高强度钢的加工性能的重要性。随着这些钢种逐渐获得认可，A/SP冲压及冲压模具优化项目团队开始在现有汽车制造体系内开发这些钢种的成形技术。

双相钢加工模具耐久性研究

不久前，A/SP STO研究团队完成了DP1180级钢在实际生产条件下的测试。本研究的目的是评估冲压模具在DP1180裸钢卷边过程中的耐用性，并根据结果更新汽车模具标准。

图4 本研究是根据实际生产条件在Richard Tool & Die Company（迈阿密New Hudson）的级进模上进行的，分两个阶段完成。根据设计，14工位冲压模具将生产出一个测试样品（如图所示），其中包含12个形状复杂的折痕。

这项研究是在理查德工具和模具公司（位于迈阿密新哈德逊）的级进模的实际生产条件下进行的，并分两个阶段完成。根据设计，14个工作站冲压模具将生产出一个测试样品（如图4所示），其中包含12个形状复杂的折痕。选用的冲压材料——1.2mm厚的DP1180裸钢板，是目前冷冲压工艺中使用的最具挑战性的代表性材料。图5显示了带材布局上14个级进模的操作情况，图6显示了冲压过程中压力机中模具的情况。

测试中使用的级进模具由 31 个镶件组成，采用 11 种模具材料和 9 种表面处理技术（涂层）的组合。第一阶段的研究于2015年进行，使用了18种适合加工目前抗拉强度低于980MPa的先进高强度钢的模具材料和涂层组合。第二阶段研究于2016年开展，在第一阶段研究成果的基础上，采用13种模具材料和涂层组合对拉伸强度大于980MPa的零部件材料进行了测试。测试的模具材料包括TD2、D2、T44、CC1、D6510、DC53、S2333、S0050A、SLD-I、Toolox 44和Caldie模具钢，涂层包括PVD Duplex CrN、Duplex CrN and Most、CR Plate、Cool Sheet ，概念，概念和大多数，铬板，离子氮化铬板和双相变体（TiAlCN）。

图 5 显示了用于加工测试样品的 14 道级进模冲压操作的条带布局。

测试前，研究人员使用LS-Dyna和AutoForm软件进行模拟计算，以确保预操作设置不存在加工可行性问题。

图 6 级进模、测试冲头和条带在 Richard Tool & Die 工厂接受测试。

新模具材料和涂层组合

冲压模具的磨损判断依据如下标准：安全（无磨损）、冲压件表面有轻微划痕和非常粗糙的划痕（见图7）。每冲压 100 次就对冲压板材进行评估。 2015 年进行的试验使用冲压模具和涂层材料组合，成功用于抗拉强度低于 980MPa 的钢材，结果表明，性能问题会在 35 个冲压件后迅速出现，大多数镶件在 20,000 次冲压件后出现。出了点问题。唯一能经受住 20,000 次冲压的组合是带有 CoolSheet 涂层的 TD2 材料。

图 7 测试样本上有粗糙的划痕，这是由磨损的冲头造成的。

2016年，研究团队再次研究了新型模具材料和涂层组合的耐久性，以确定采用该组合的冲压模具是否可以用于加工抗拉强度大于980MPa的新一代先进高强度钢。总体而言，模具镶件的性能较2015年有了很大的提高。虽然本研究在4,000次冲孔后出现了一次失败，但大多数镶件的冲压次数都超过10,000次，使四种组合的冲孔总数达到65,800次。事实上，在2015年测试中表现最好的镶件（使用TD2材料和CoolSheet涂层的组合）在2016年测试中仍然表现良好，没有出现重大问题，冲压总数超过80,000次。

研究小组进一步分析了两次测试的结果，试图找到模具磨损与镶件硬度和表面粗糙度之间的关系。结果显示与模具磨损程度没有直接关系。然而，先前的研究表明，硬度高于 60 洛氏 C 的刀片更容易崩刃，而硬度高于 54 洛氏 C 的刀片会出现早期磨损。刀片表面粗糙度的分析比硬度更不规则，但表明中等粗糙度可能是最好的结果。

第二阶段的结果是在第一阶段试验的重复基础上得出的。与第一阶段相比，团队发现模具性能和测量结果之间没有直接关系。作为试验分析第二阶段的一部分，该团队测量了钢板原始状态和最终加工后的表面粗糙度。在模具磨损的情况下，最终加工零件的表面粗糙度将根据法兰材料和涂层的不同而变化。在某些情况下，粗糙度如预期增加。但在其他情况下，表面粗糙度下降，表明在卷边操作过程中，模具开始磨损工件表面的突起。

此外，团队还用扫描电子显微镜仔细观察每个磨损的模具镶件，并使用图像处理软件测量和分析磨损区域。这些结果与工件表面评估结果进行了比较，证实了之前的推测，即目前批量生产中使用的模具和涂层材料无法承受DP1180钢的冲压工艺，会导致冲压工具过早损坏。并造成冲压件表面严重划伤。

模具/涂层组合是坚韧钢材加工的关键

A/SP 冲压模具优化项目团队最近进行的研究表明，加工拉伸强度超过 1 GPa 的钢材需要改进模具材料和涂层的组合。事实证明，一些模具材料和涂层组合在耐磨性方面比以前用于冲压拉伸强度小于 1GPa 的钢板的模具设计表现更好。

此外，研究团队计划继续研究模具硬度与粗糙度之间的关系，以提高超高强度钢加工的模具性能。随着汽车行业对先进高强度钢的接受和采用速度加快，以及钢铁行业不断开发更强、更具延展性的钢种，不断改进模具技术以跟上步伐变得越来越重要。