高强度板材凭借其质轻且抗压性强的优势，是达成汽车减重目标、减少能源消耗、增强车辆抗撞击能力的有效手段，正逐步在车体部件领域普及开来。
常温下高强钢板延展性有限，成型能力不足，若选用冷压成型工艺，所需压力巨大，易产生破裂现象。此外，回弹效应显著，导致零件尺寸难以精确把握。尤其是当钢板抗拉强度突破550兆帕阈值，常规冷压工艺几乎失效，故汽车行业倾注大量资源，致力于高强钢板研发及热压成型技术探索。1984年，瑞典SAAB率先在汽车上应用了热冲压零件，1991年，采用热冲压技术制作的保险杠开始面世。现阶段，热冲压成形技术在汽车制造领域已经实现了普遍应用。
本文围绕工艺、装备、应用三个维度，详细说明了热冲压成形的运作机制、种类划分以及具体制作步骤，探讨了高强度钢板与热冲压设备的性能指标，介绍了热冲压成形技术在汽车零部件制造中的实践情况和发展动态，有助于推动热冲压成形技术知识的普及和实际应用。
热冲压成形工艺流程
（1）热冲压的工艺原理 热冲压又常被称为“冲压硬化”技术。初始强度在500～600MPa的高强度板材需要先被加热至880～950℃的温度，接着送入具备冷却功能的模具中进行冲压成型，并且在此过程中保持加压状态，随后以20～300℃/秒的速率进行快速冷却淬火，因为奥氏体成功转变为马氏体，导致零件的强度显著增强，从而能够制造出抗压强度达到1500MPa的冲压产品。
热冲压工艺可以分成两种主要类型，一种是直接热冲压方法，另一种是间接热冲压方法。
热冲压流程里，工件先被加热，接着直接送入封闭模具里，随即完成冲压塑形和急冷处理，随后再执行冷却、切除边缘与开孔（或者用激光进行切割）、进行表面处理等后续步骤。
热冲压工艺流程中，首先实施冷冲预成形步骤，接着开展加热处理，随后执行热冲压操作，再进行切边和冲孔作业，最后完成表面清理工作。
这两种工艺的差异在于，间接热冲压在加热之前比直接热冲压多了一道冷冲预成形步骤，直接热冲压将板料送入加热炉，而间接热冲压则把冷冲预成形件送入加热炉，具体形态见图1。
图1
通常情况下，直接热冲压技术适合制作构造简单的零件，而间接热冲压技术则适用于构造繁复的零件，或者是需要进行深拉深加工的零件。
热冲压成形工艺流程如图2所示。热冲压包含核心步骤，分别是加热、冲压、保压以及冷却。加热环节对高强度钢板的可塑性有显著作用，冲压时发生的淬火过程则对零件的强化效果有根本性影响。
图2
热冲压高强板
热冲压高强度板材通常选用含硼钢板，其初始抗拉强度介于400到600兆帕之间，通过热冲压工艺、保压处理以及淬火操作，其强度可提升至大约1500兆帕。
热冲压淬火时，奥氏体发生向马氏体的转变，同时伴随再结晶现象。高强钢板需要加热到再结晶温度以上，与空气接触会导致表面氧化和脱碳。这种成分的钢板适合热冲压过程中奥氏体和马氏体的热循环，并且拥有良好的抗高温性能和耐腐蚀能力。
增强热冲压超高强度钢板在高温环境中的抗腐蚀性能，防止加热期间氧化膜的形成，通常会在金属板材表面施加覆盖层。覆有覆盖层的超高强度钢板与未覆有覆盖层的超高强度钢板在热成型工艺中存在各自的长处与短处，具体内容参见表格。
非镀层高强板因其焊接性能优良、生产成本不高、且无需进行喷丸工艺，因而应用广泛。为防止非镀层钢板在热冲压加热环节出现表面氧化和碳化现象，一般会在加热设备中导入保护性介质，以此阻碍氧化膜的形成。
部分学术探讨指出，在未经过镀层处理的超高强度钢板表面，涂抹特定类型的防护性油脂，能够显著减少热冲压工艺过程中氧化皮的形成。
现在，能够大量供应高强度钢板的公司，海外主要涉及阿塞洛、瑞典SSAB和蒂森克虏伯，宝钢仅能制造无镀层的热成型用钢。
热冲压主要装备
热冲压的核心装置涵盖加热炉、热成型机械以及热冲压模组等，具体构造如图3所示。
图3 热冲压工艺设备
加热炉能够进行加热和温度控制,可以在规定时间内将高强度钢板加热到再结晶温度,使其进入奥氏体状态,并且能够满足大批量自动化连续生产的需求。由于高温坯料只能通过机器人或机械手进行装卸,因此加热炉的进出料必须实现自动化,并且定位要精确。另外,在加热未镀层钢板时,能够提供气体保护,防止坯料表面氧化和脱碳。
热成形压机是热冲压工艺的关键设备，它必须具备迅速成型、稳定施压的性能，同时还要配置快速降温装置，其技术难度远高于普遍的冷冲压设备。现阶段只有少数海外公司能够研发生产这种压机，国内完全依靠进口，成本很高。
热冲压模具兼具成型和淬火两大功能：成型时，坯料送入模腔，模具即刻完成压制，确保零件在材料形成马氏体相变前成型完毕；随后进入冷却阶段，工件在模腔内热量持续传递给模具，模具内冷却管借助流动冷却液迅速移除热量，工件温度降至425℃时，开始出现奥氏体向马氏体的转变；当温度降至280℃时，这种转变过程完成，200℃时将工件取出模腔。模具在淬火时起到稳定作用，目的是避免零件因热胀冷缩不均造成显著形变和尺寸偏差，进而避免废品产生；此外，它还能提升工件与模具之间的热量交换能力，从而加速冷却过程。
冷却的快慢不仅关系到生产节奏，也关系到奥氏体和马氏体转变的快慢程度。冷却的快慢决定了会形成什么样的晶体结构，也关系到工件最终硬化的程度。硼钢的临界冷却速度大约是30℃每秒，只有当冷却的速度超过了这个临界值，才能最充分地形成马氏体组织。当冷却速度达不到某个界限值时，材料内部会形成贝氏体之类不属于马氏体的结晶构造。不过，冷却速度并非越快越好，如果速度太快，成型品可能会出现断裂现象，必须依据材料特性和制作方法来找出恰当的冷却速度区间。
冷却管的设计直接影响冷却快慢，通常依据最大热交换效能来规划管路，因此形成的冷却管道布局较为繁复，浇铸模具结束后，难以用机械钻孔实现。为规避机械加工的束缚，常在模具成型前预留水路方案。
长期经受200℃至880~950℃的剧烈温度波动考验，热冲压模具材料需要具备出色的结构稳固性，同时拥有优异的散热性能，以便有效应对高温下坯料引发的热力摩擦，以及被磨落氧化层微粒造成的磨蚀作用。而且，模具材质还须对冷却介质具备良好的抗腐蚀特性，以此确保冷却通道的通畅无阻。
热冲压后零件的强度可达到1500兆帕，若使用压力机进行切边和冲孔，对设备吨位要求很高，同时模具刃口会快速磨损，因此通常选用激光切割单元来执行切边和割孔的任务。
热成形技术的优缺点分析
与传统冷冲压相比，热冲压技术有如下优点：
运用热成形工艺能够显著减薄汽车部件的材质层，因为部件的承压能力增强，车身中的加固板材、加固条得以大幅削减，车身整体重量随之减轻，能够有效增强车辆在碰撞时的安全性能，同时降低汽车运行时的燃料消耗。
钢板经过加热处理后，其塑形性能显著增强，压制时所需的力量明显降低，同时压制机械的承载能力也可以减小。
（3）钢板的回弹系数大大降低，零件尺寸精度好。
（4）冲压噪音也比冷冲压小得多。
但相对冷冲压而言，热冲压也有不足之处：
热冲压CAE仿真的准确度不高，这是因为它缺少关于热胀冷缩、材料结构变化以及回弹效应等方面的试验数据支持，导致产品研发过程复杂，零件本身的不良品比例显著高于常规冷冲压工艺。
由于必须借助热炉对钢板实施预处理，这就引入了额外的加热装置，并且导致生产过程中的能量消耗加大，最终造成零件的造价变得昂贵。
加工环节必须实施升温处理，并且要维持压力状态完成淬火步骤，因此导致生产周期变长，加工效能不高。
（4）热冲压压机、模具、激光切割机及整套设备的自动控制系统，基本上都掌握在国外公司手里，技术封锁非常严格，现阶段技术及投资方面的门槛都相当高。
热冲压成形技术在汽车制造业的应用
热冲压工艺多用于制造轿车中需要高强度的车身部件，例如车门防撞梁、柱内板、地板中央通道、车身纵梁和横梁、门槛、保险杠等安全防撞构件（见图4），能够显著提升车辆在安全碰撞测试中的表现等级。
当前，汽车制造领域越来越多地采用热冲压零件，根据相关数据，1977年全球热成形零件数量约为300万件，同年该数字增至800万件，到了2007年，数量已突破1亿件
图4
国际上特别是欧洲，通过长时间的研究与实践，已经形成了比较系统的制造与使用知识，探索的领域正转向制作更庞大的构件。舒勒公司表示，借助他们研制的PCH热冲压工艺和配套装置，即将迅速生产出汽车车门等巨型热成型部件。
结语
全球能源日益紧缺，促使汽车行业将节能环保低碳安全作为核心研究目标。高强度板热冲压技术作为汽车实现轻量化的关键手段之一，其发展历程虽短，却在车身减重和提升安全性能方面展现出显著优势。汽车制造业是我国经济的重要基础,需要迅速推进高强度钢板及热成型工艺的研究和推广,争取尽快在材料、热成型装备领域实现关键进展,解除国外技术限制,推动国内汽车产业进步。
