1.2.1 热成形钢

热成形钢是指用于直接和间接热冲压成形的钢板或钢带。目前，汽车用热成形钢以1500MPa钢级为主，国内市场普通消费级汽车用量约占白车身10%以内，但欧洲车型普遍使用量达到白车身30%以上。相关机构预测，国内热成形钢在白车身的使用将很快增加至30%的用量。

据统计，全球热成形钢的年使用量超过400万t，热成形零件消耗数量约为10亿件。中国目前有热成形产线超过200条，中国市场热成形钢使用量约为120万t，并且在不断增加。

从使用角度来看，力学性能和表面状态是热成形钢需要重视的两大方面。近些年，国内热成形钢在技术上有了较为明显的突破，以2GPa为代表的高强度热成形钢和铝硅薄涂层热成形钢是热成形钢新材料的典型代表，受到汽车行业的高度关注。

1.2.1.1 汽车钢板热成形技术

热成形钢是热冲压成形钢与热成形工艺技术相结合的钢种，通过将成形和强化分为两个步骤来解决强度和成形性的矛盾，生产出超高强度汽车零部件。与冷成形相比，热成形具有零件强度高、成形性好、零件尺寸精度高等优势，广泛用于防止汽车碰撞过程中变形的加强件，如车门防撞梁、保险杠梁、侧边梁、A柱、B柱加强件和中央通道等。

热成形技术在1977年由瑞典开发，应用于割草机刀片等。1986年，瑞典Saba公司最早将这一技术应用于汽车的防撞部件，如A柱、B柱、门内侧梁/柱、底板中央通道、车身纵梁和横梁、门槛、保险杠等。这些部件的强度级别直接关系到轿车的安全性能，尤其是国家提高了对汽车防撞级别的要求，这些部件的强度级别更是关系到整车的安全星级。

热成形技术可以很好地解决高强度和超高强度钢板成形困难的问题。在热冲压工艺中，板料在加热炉中被加热到奥氏体化温度（900～950℃），并在奥氏体区保持3～5min，然后将板料转移到压力机，在冲压模具中同时进行冲压成形和淬火，使成形零件获得100%马氏体组织，可以形成强度高达1500MPa的冲压件，而且高温下成形几乎没有回弹，具有成形精度高、成形性能好等优点。

1.2.1.2 超高强热成形钢

随着汽车消费市场的发展，低油耗和安全环保受到消费者的普遍青睐，轻量化与安全可靠性是对汽车用钢性能提出的新要求。例如，1800MPa级热成形汽车钢与1500MPa级热成形汽车钢相比，同等条件下可实现零件减重10%～15%。根据汽车用钢的强度对钢材强度等级进行划分，国内汽车用钢屈服强度低于200MPa、抗拉强度小于270MPa的钢为低强钢（LSS）；屈服强度为210～550MPa、抗拉强度为270～700MPa的钢为普通高强钢（HSS）；屈服强度高于550MPa、抗拉强度高于700MPa的钢为先进高强钢（UHSS）。超高强钢是指抗拉强度和屈服强度分别达到1500MPa和1200MPa的汽车用钢。目前，超高强钢板在汽车上的应用已经达到80%，采用超高强钢制造汽车零部件比采用普通钢板减重20%以上。因此，越来越多的关键构件采用高强度级别的钢材制造，如汽车A柱、B柱、保险杠等。

材料的成形能力取决于材料的强度和伸长率。强度低、伸长率高的材料塑性好，更容易进行塑性加工。然而，金属材料的强度和塑性通常是制约关系，强度越高，通常塑性越差，越不易于塑性变形。由于金属的塑性与温度是密切相关的，高温条件下塑性更好，所以室温下采用冷变形的方法加工高于1000MPa的金属是非常困难的事情。因此，需要采用热成形工艺制造超高强钢汽车零部件。此外，热成形技术是在高温形变的同时利用相变提升钢板的力学性能，应用这种钢板可以显著改善汽车的碰撞安全性，同时减少汽车零部件重量，实现了轻量化。

冷成形钢主要依赖加工硬化提升钢的强度，而热成形钢主要依靠相变强化。在汽车碰撞过程中，冷成形钢形变能力较差，热成形钢具有更高的强度和抗碰撞性能，所以其吸能效果明显优于冷成形钢。由于热成形钢在工艺设计中将成形和强化分为两步执行，所以其高温流变应力小，易加工成形且能获得更高的力学性能，成品率高。

鉴于热成形技术的优势，在汽车行业生产高强度钢板主要采用热成形技术。然而，冷成形钢也有其优势，那就是制造过程中不需要加热，制造成本低。近些年，热成形钢研发与使用呈现新变化。热成形技术受到冷成形技术发展的影响，二者的竞争愈发激烈，1200MPa级冷成形产品的相继开发，导致1500MPa热成形钢的使用和发展受到威胁，因此，开发更高强度级别热成形钢势在必行。当前，各个企业都在开发1800MPa级别产品，采用1800MPa级以上级别产品替代1500MPa产品应成为未来发展的必然趋势。面对更为苛刻的汽车碰撞安全性要求和进一步轻量化的需求，全球各大钢铁巨头均致力于开发1.8GPa以上的热成形钢，旨在提高10%～20%的碰撞性能指标。如何在现有热冲压条件下，不增加额外工艺，确保2.0GPa级热成形钢达到1500MPa级钢材同等的伸长率和韧性，以实现更优异的碰撞吸能效果成为当下遭遇的技术瓶颈。

目前，国内汽车行业应用最广泛的热成形钢是22MnB5，其在拥有冷却系统的模具中淬火后可获得完全的马氏体组织，因而获得优异的力学性能。22MnB5热成形钢的化学成分见表1-2。该钢的临界冷速为27℃/s，Ms温度为394℃，Mf温度为261℃。热成形工艺为零件加热至930℃，充分奥氏体化后进行热成形及模具淬火工艺，保压适量时间，以保障开模温度在250℃以下，最终制备零件为全马氏体组织，抗拉强度1500MPa，伸长率5%以上。白车身使用热成形钢零件以1.4～2.0mm规格为主，底盘零件此前很少使用热成形零件，少量使用3.5mm厚的热成形钢制备管梁，采用水淬工艺生产。

1.超高强热成形钢成分设计

合金元素是影响钢材性能的重要因素之一，合金化是提升钢材力学性能的重要手段，所以提高热冲压成形钢强度最有效的方式就是提高合金含量，如C、Mn等。然而，钢材的强度和塑性通常是相互制约的关系。钢材强度提高的同时改变了具有良好韧性的板条马氏体形貌，使之转变为孪晶马氏体组织，最终导致伸长率大幅度下降，并存在延迟开裂等潜在问题。研究人员发现，微合金化在调节钢材强度和塑性方面有突出的优势。钒微合金化，利用钒与碳之间相互作用，充分发挥钒碳溶解析出作用，调控奥氏体和淬火后马氏体中的碳含量，从而改善超高强度热冲压钢强度与塑性之间的关系，并利用碳化钒析出相，起到提高强度改善氢脆的效果，这一技术目前主要用于1800～2000MPa及以上的产品。

通常情况下，碳化钒在相对较低温度析出，一般在700℃左右，并且随着钢中钒含量增加，碳化钒析出温度略有提高，但一般伴随着铁素体转变而析出。然而，当钒含量足够高时，碳化钒的初始析出温度可提高至奥氏体相中，从而实现不同温度奥氏体中碳含量的调控，即淬火时得到可控碳含量的马氏体。以碳含量0.30%为例，不添加钒或添加少量钒时，不同温度奥氏体组织中碳含量均为0.30%，而当添加足够多钒元素后，奥氏体相中先析出碳化钒，温度降低后奥氏体中碳含量也逐渐下降，因而马氏体中的碳含量开始下降，如图1-1所示。

采用钒为主合金设计时，充分结合热成形工艺，加热、缓冷、变形、淬火四个过程，利用V与C的相互作用，使高温奥氏体具备高碳稳定性，部分未溶解的VC具有细化奥氏体组织的效果；热冲压成形过程，充分利用V的应变诱导析出作用，减少奥氏体组织中碳含量，转变为弥散析出的VC，起到析出强化效果；如图1-1所示，热冲压钢在820℃淬火，马氏体中碳含量减少为0.27%，则最终获得低碳板条马氏体组织，保障了良好的韧性和塑性。基于以钒为主的合金设计，综合运用固溶强化、细晶强化以及析出强化复合作用，并实现马氏体低碳控制技术，保障强度、塑性同时提高，可以制备出2000MPa级以上热冲压成形钢，实现伸长率大于6%的控制目标。钒微合金化是超高强度热成形钢制备技术的主要发展趋势。

2.超高强热成形钢组织特征

钒微合金显著改善了热成形钢的微观组织结构。采用钒微合金化后，热冲压钢在加热过程中，奥氏体中开始析出碳化钒析出相，具有显著的钉扎奥氏体晶界作用，可以获得更加细小、均匀的奥氏体组织。如图1-2所示，对比传统22MnB5热冲压钢，采用高碳、高钒可以获得显著的晶粒细化效果。奥氏体组织的细化，一方面来自于碳化钒析出作用，另一方面采用高碳成分设计，也可以采用更低的奥氏体化温度，在节能的同时进一步实现微观组织结构的细化。

钒微合金化主要影响奥氏体中的碳含量，进而影响淬火马氏体的组织形态。如图1-3所示，单独采用高碳设计时，淬火获得高碳马氏体组织，组织形态以孪晶马氏体为主，呈现凸透镜形貌特征。该形貌特征组织具有较高的强度，但韧性相对较差，并且氢脆敏感性较高，易发生氢致延迟开裂。采用高钒设计时，适量的钒可以调控淬火前奥氏体中的碳含量，进而获得相对低碳的板条马氏体组织，从而有效提高韧性，并降低氢脆风险。

钒合金化热冲压钢，淬火后获得细小弥散分布的碳化钒析出相，形貌如图1-4所示，沉淀析出相以5～20nm粒子居多，极少量在晶界附近分布20～50nm析出相。性能检测结果与传统1500MPa产品对比，沉淀析出相的弥散强化作用使钢的强度提高500MPa，伸长率没有降低，并略有提高，从而解决了超高强度热冲压钢的组织设计问题。

PHS2000热成形钢相变测试是合理制定热冲压工艺的重要依据。其在全自动相变仪（Formastor-FII）上进行测试，得到 A _c1 温度和 A _c3 温度分别为669℃和785℃。冷却速度为5℃/s时，组织为贝氏体和马氏体；冷却速度为7℃/s时，贝氏体含量很少；冷却速度10℃/s时，其组织全部为马氏体，如图1-5所示。

结合不同冷却速度PHS2000钢的显微组织和温度-膨胀量曲线得到静态CCT曲线，如图1-6所示。PHS2000与传统22MnB5相比，可以在更低的加热温度和更低的临界冷却速率下实现热冲压生产，在提高材料强度前提下，可以实现降低碳排放并提高生产效率。

3.超高强热成形钢力学性能

抗拉强度、弯曲和疲劳性能是评价超高强热成形钢产品性能的重要指标。PHS2000与传统22MnB5热冲压后，平板样品取样分析，力学性能对比如图1-7所示。与传统22MnB5相比，PHS2000强度提高500MPa，伸长率略有增加。基于高钒合金设计，综合析出强化、细晶强化、组织强化等达到预期目标，在提高材料强度的同时，伸长率没有降低。

图1-8和图1-9分别给出了1.4mm厚PHS2000板材低周疲劳试样尺寸和检验前后试样图像。试验采用轴向应变控制，循环应变比 R =-1，频率0.02～1.0Hz（大应变时采用较低的频率，小应变时采用较高的频率），疲劳试验加载波形为三角波，试验设备为MTS 370.25电液伺服疲劳试验系统，并采用10mm轴向引伸计测量控制应变。疲劳试样的失效采用载荷下降法确定，取峰值载荷下降50%或试样断裂作为试样失效的判据。

PHS2000钢的循环应力-应变曲线和应变-寿命曲线分别如图1-10a和b所示。PHS2000钢的循环应力-应变曲线参数和应变-寿命曲线参数分别见表1-3和表1-4。

冷弯性能是表征金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂的能力，能很好地反映试件弯曲处的塑性变形，揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。冷弯性能也是评价热成形钢质量的重要性能指标。根据德国汽车工业协会发布的三点弯曲试验标准VDA238-100（图1-11），汽车制造商要求热成形钢有1个最小弯曲角（60°～70°）。而实际上传统的热冲压成形钢构件的弯曲角一般为50°～60°，处于下限水平，有过早弯曲开裂的危险。汽车碰撞时，要保证较好的吸能效果，尤其是侧碰性能，不允许保险件提前出现断裂或者吸能不足。吸能性能与弯曲性能的关系如图1-12所示，一般弯曲角越大、弯曲载荷越大，吸能越多。如果在弯曲角度较小时出现断裂，则反映材料的吸能效果较差。

冷弯样品的方向（即平行于轧制方向为纵向、与轧制方向成直角为横向）、冷弯速度、支承辊之间的跨距、试样的宽度、弯心直径等都是影响冷弯性能的重要因素。相关技术检验标准中对这些因素均做了规定。比如，德国汽车工业协会发布的VDA238-100标准，规定冷弯试样尺寸为60mm×60mm，跨距 L =2 a +0.5mm， a 为厚度。在按照VDA238-100规定的弯曲试验装置上进行弯曲试验，试样放置于两辊筒上，尽可能保证安装的辊筒无摩擦。设定预载荷阈值为30N。以10mm/min的横梁位移速度进行预加载，达到设定值后，以20mm/min的横梁位移速度向下压，压力达到最大值后下降30～60N试验结束。不同状态的PHS2000热成形钢的载荷-弯曲角度曲线如图1-13和图1-14所示。

图1-13和图1-14所示的结果表明，热冲压后经过170℃/20min回火模拟汽车喷烤漆环节处理的弯曲试样的弯曲角度较未进行回火处理的弯曲试样的弯曲角度有所提高；垂直于轧制方向的冷弯性能较平行于轧制方向的冷弯性能更优异；对比不同奥氏体化温度下PHS2000热冲压后板料的冷弯性能可知，900℃奥氏体化温度下热冲压后的板料最大载荷下的弯曲角度较大，冷弯性能较850℃时热冲压的板料得到改善。

通用汽车中国科学研究院采用帽型件冲压评估分析，不同技术路线1.8GPa以上强度级别的热成形钢比较结果表明，PHS2000兼具优良韧性和伸长率，如图1-15所示，PHS2000热成形钢对比22MnB5性能提高约20%。

4.超高强热成形钢高温成形性能

PHS2000热成形钢采用热膨胀仪模拟冲压情况拉伸数据，测试方案如图1-16所示，测试曲线如图1-17所示。PHS1500和PHS2000热冲压成形钢在高温条件下的变形能力以及不同温度下延伸性能的变化情况对比表明，不同工况下，PHS2000热成形过程伸长率均大于35%，可以满足成形复杂零件要求。

为了验证高温成形过程对模具和设备的要求，采用JMatPro软件对热冲压成形钢PHS1500（22MnB5）和PHS2000的高温应力应变曲线进行模拟计算。如图1-18所示，对比结果表明，850℃以上冲压无差异，800℃冲压，PHS2000应力略大于PHS1500，但不影响成形过程，现有装备可以满足PHS2000热成形工艺。

5.国内外超高强热成形钢技术及产业发展情况

将国内外各先进钢铁企业的1800MPa级以上热成形钢产品的企业标准和国家标准进行对比，见表1-5。

不同企业设计热冲压成形成分体系见表1-6。1800MPa级以上的热冲压成形钢，技术路线不同，采用不同成分体系。

北汽新能源将工业连续退火板料切成尺寸为1.5mm×160mm×1110mm，进行热冲压件（汽车左右门防撞梁）的工业试制。热冲压构件及所使用的模具如图1-19所示。其工艺为：①加热温度850℃保温5min，出炉至合模的时间控制在10～12s，模面温度80℃以下，压强20MPa，保压时间不变（10s）；②加热温度875℃保温5min，出炉至合模的时间控制在10～12s，模面温度80℃以下，压强20MPa，保压时间不变（10s）；③为模拟汽车喷烤漆涂装工艺，对各工艺热冲压后的零件抽取部分进行170℃加热、保温20min的回火工艺处理。

拉伸试样分别按照ASTM A370-2014（A50）和JIS Z2241-2011（JIS5）标准进行加工和测试，拉伸工程应力-工程应变曲线如图1-20所示，拉伸性能见表1-7。零件焊接装车碰撞结果良好，溃缩10mm弯曲变形未发生断裂，验证了材料的高韧性，北汽新能源车量产PHS2000热成形钢应用展示效果如图1-21所示。

爱弛汽车U5为纯电动汽车，其采用上钢下铝设计方案，电池铺装于地板下方，车身重量较燃油汽车略重。其中车门防撞梁采用本钢提供的PHS2000进行测评，热成形工艺采用加热910℃淬火，具体零件形貌如图1-22所示，热成形后的力学性能见表1-8，各项指标均满足用户的使用要求。采用PHS2000作为前后门防撞梁进行碰撞测试，测试结果如图1-23所示，侧面碰撞车门防撞梁起到关键作用，防撞梁发生弯曲，没有断裂。

6.小结

热成形钢是热冲压成形钢与热成形工艺技术相结合的钢种，将成形和强化分为两个工艺步骤来解决强度和成形性的矛盾，生产出超高强度汽车零部件。与冷成形相比，热成形具有零件强度高，成形性好，零件尺寸精度高等优势。1.8～2.0GPa级别热成形钢作为新兴高强度热成形钢种的代表，在各项性能上均达到了汽车行业应用需求，将为汽车轻量化进程提供强大助力。

高强钢（热成形钢）在汽车上主要用于安全笼零件，承担抗变形作用，1.8～2.0GPa级别钢强度较高但韧性普遍降低，与较低级别的热成形钢相比其吸能效应需要更多数据验证，同时1.8～2.0GPa级别钢材焊接窗口与1.5GPa相比将进一步缩小，需要更多数据验证。2.0GPa级别热成形钢仍处于产业推广阶段，面临着两个突出问题：其一，国内能够生产此类钢材的企业相对较少，以本钢、宝钢、首钢、唐钢为代表的钢铁企业正在进行商品化开发，距离真正完成商品化并替代广泛应用的Mn-B系热成形钢种仍有一段距离，产业供应规模不充分带来的供应链风险是阻碍此类钢种大规模应用的原因之一；其二，各钢企生产的1.8～2.0GPa级别热成形钢成分体系并不一致，为下游企业的应用产生一定困扰。

当前，高强度热成形钢是汽车材料行业重点发展的方向之一，具有较高的应用价值。汽车轻量化发展方兴未艾，高强度钢材的应用在提升整车安全性的同时又减少了重量，降低了油耗，这是汽车绿色发展的必由之路。预期在充分解决产品脆性问题与产品规模化生产问题后，1.8～2.0GPa级别将成为汽车用热成形钢的应用主流。

随着“碳中和”目标的提出，以及热冲压钢面临的国外专利“卡脖子”问题，开发自主知识产权、低碳排放的热冲压产品和技术，是未来热冲压领域的发展方向。高强度、高韧性、良好的加工性能是未来汽车用钢的重要发展方向，随着轻量化进程的持续推进，高强度热成形钢的应用将会得到更广泛的普及。

1.2.1.3 热成形钢铝硅镀层

热成形钢板具有极高的材料强度和延展性，不仅因为高的延展性有利于成形复杂零部件，还有利于获得高强度提升零部件的安全性。因此，热成形钢在汽车车身上应用呈现出迅猛增长趋势。然而，汽车零部件用热成形钢成形过程中需要将材料加热至950℃以上，导致材料表面氧化形成氧化皮，高温条件下钢板表层金属脱碳影响了钢板的服役性能，因而需要后续喷丸或抛丸处理进而清除氧化皮并提升金属零部件的服役性能。喷丸或抛丸工艺不仅增加成本，还会影响钢板的残余应力以及零部件的尺寸，同时有粉尘和噪声污染。铝硅镀层技术的出现解决了高强度热成形钢板成形工艺中面临的这一技术难题。

1.热成形钢铝硅镀层简介

根据热成形钢表面镀层不同，热成形钢产品可以分为无镀层（裸板）、Al-Si镀层、锌基镀层等。锌基镀层热成形钢在热冲压过程中易导致基板脆裂，因而很少应用。铝硅镀层在热冲压过程中无氧化铁皮，冲压成形后无需抛丸处理，显著降低了热成形钢的生产成本，同时铝硅镀层还可以提升热成形零件的耐蚀性能，因此广泛应用于热成形零部件的制造。

1999年，安塞乐米塔尔钢铁公司（Arcelor Mittal）最早成功开发了铝硅镀层技术并申请了专利（国内专利号CN101583486B），对铝硅镀层热成形钢确定了自己的加热温度区间和保温时间，若采用该材料生成汽车零部件，必须要避开此工艺区间。目前，安塞乐米塔尔专利技术的铝硅镀层最为成熟，其性能已得到充分的应用验证，成分为8%～11%Si、2%～4%Fe、余量为铝，典型成分为Al-9.3%Si-2.8%Fe在热成形钢板表面镀上铝硅镀层，Al-Si系合金镀层材料高温氧化环境下表面生成连续、均匀、致密的氧化铝、氧化硅氧化保护薄膜；易与富Si的SiC内镀层之间形成成分梯度过渡。相比较于其他类型的镀层，铝硅镀层可以耐高温，950℃的高温环境下依然能保持镀层的形态和性能。由于铝硅镀层热冲压钢在加热过程中不需要加入气体保护控制，在加热后不会产生氧化铁皮，而且由于省去了喷丸处理，改善了加工环境，增强了尺寸精度，因此广受各大汽车冲压厂、主机厂的欢迎。目前，安塞乐米塔尔铝硅镀层专利已授权蒂森和新日铁使用，其他钢企生产铝硅镀层热成形钢可能面临知识产权纠纷。

2.铝硅镀层制备工艺

安塞乐米塔尔对铝硅镀层热成形钢确定了加热区间和保温区间，此区间也是该专利的核心工艺参数，受到专利保护，如图1-24所示。钢板连续热浸镀铝硅的工艺流程为酸轧→清洗→连续退火→热浸镀→气刀→冷却→光整→表面处理。

3.薄铝硅镀层性能评价

薄铝硅镀层热成形钢除了高冷弯性能外，同时还兼具优异的焊接性能、涂装耐蚀性能、抗氢致延迟开裂性能等。

薄铝硅镀层热成形钢相较于常规铝硅镀层热成形钢，最显著的特点是冷弯性能的明显提升。良好的冷弯性能意味着良好的断裂韧性，即良好的安全性能。图1-25所示为薄铝硅镀层热成形钢（90g/m ² ，单面镀层厚度约15μm）与常规铝硅镀层热成形钢（150g/m ² ，单面镀层厚度约25μm）在常规热成形工艺下的冷弯性能对比。可见，当镀层厚度由25μm减薄至15μm后，冷弯角由约57°提升至约67°，提高了15%以上。

焊接性能作为铝硅镀层热成形钢最重要的应用性能之一，主机厂具有非常高的要求，一般要求焊接电流工艺窗口>1kA。本节按照SEP1220标准评价了薄铝硅镀层热成形钢的点焊性能，试验条件见表1-9。

薄铝硅镀层热成形钢在三种焊接时间（170ms、200ms、230ms）下的焊接电流工艺窗口不低于1.2kA，结果如图1-26所示。薄铝硅镀层热成形钢具有良好的焊接性能。

涂装耐蚀性能作为铝硅镀层热成形钢最重要的应用性能之一，主机厂要求较为严格，一般要求预镀层磷化电泳后划痕腐蚀扩展宽度 C _max ≤4mm。本节按照通用标准（GMW15282、GMW14872）对薄铝硅镀层热成形钢（标记M）与Arcelor-Mittal AS150（标记A）磷化电泳后的划痕腐蚀扩展宽度进行评估，结果见表1-10。薄铝硅镀层热成形钢具有良好的涂装耐蚀性性能，其磷化电泳后划痕腐蚀扩展宽度与常规铝硅镀层热成形钢相当，可满足主机厂要求。

随着铝硅镀层热成形钢强度的提高，产品氢致延迟断裂敏感性也随之增大，氢致延迟断裂敏感性高已经成为制约高强度级别钢种推广应用的一个重要因素。抗氢致延迟开裂性能的评估一般是将试样进行预应力加载后放入酸溶液中浸泡若干时间，记录试样开裂时间。采用四点弯曲夹具（图1-27）对薄铝硅镀层热成形钢（标记M）与Arcelor-Mittal AS150（标记A）进行预应力加载，加载应力选择100%屈服强度，随后放置于盐酸溶液中（pH=1）120h，记录试样开裂时间，结果见表1-11。两种铝硅镀层热成形钢抗延迟开裂性能相当，在100%屈服强度对应的应力水平上进入pH=1的盐酸溶液中应保证120h不发生开裂。

4.国内外技术及产业发展情况

根据欧洲白车身会议及热成形国际会议统计结果，2014年热成形零件占白车身重量的比例在欧洲主流车型约10%，北美车型约6%，国内自主品牌约1%，2018年欧洲车型中热成形零件占白车身比例达到23%，北美车型约15%，国内自主品牌车型约5%。

根据中国汽车工程学会统计数据，国内热成形钢用量在2011年后快速增长，典型应用情况如图1-28所示。2014年，国内热成形钢需求量达26.6万t，其中Al-Si镀层占57%；2016年，国内热成形钢需求量达46.8万t，其中Al-Si镀层占81%；2018年，国内热成形钢需求量达87.5万t，Al-Si镀层占90%。未来，国内热成形钢需求量将不断提高，Al-Si镀层热成形钢的应用比例也将不断提高。

在对车身碰撞安全性能的研究中，弯曲极限角度是评价热成形钢塑韧性的重要指标。汽车用材料或零件冷弯性能（弯曲极限角度）不足会导致在车辆碰撞过程中零件容易出现过早脆断，无法有效吸收碰撞产生的能量，给乘员带来安全威胁。对于热成形钢而言，在德国汽车工业联合会（Verband Der Automobilindustrie ev，VDA）测试规范中，VDA冷弯性能是评价其热成形后韧性的非常重要的指标，很多主机厂都在标准中明确提出了对冷弯角的具体指标要求（如通用汽车，在其最新版热成形钢标准GMW 14400-2019-06中，增加了热成形钢VDA冷弯性能增强的要求，热成形后冷弯角大于或等于60°）。然而据统计，安塞乐米塔尔铝硅热成形钢在热冲压成形后冷弯性能只有55°，无法满足主机厂的要求。

为开发更高冷弯性能的铝硅镀层热成形钢，马钢联合育材堂（苏州）材料科技有限公司、通用汽车中国研究院共同开展研究。研究发现，安塞乐米塔尔铝硅镀层热成形钢冷弯性能不良的主要原因是在热成形过程中，镀层与基体相互扩散反应，且随着加热的进行，镀层不断增厚，由于靠近基体侧镀层不溶碳，因而在镀层向基体扩展的过程中，基体靠近镀层侧的碳不断向内侧扩散，从而相比基体中间位置，存在一个碳的浓度梯度，靠近镀层侧碳浓度最高。经电子探针（EMPA）分析，常规热成形后靠近镀层附近的基体碳的质量分数可达到0.4%（富碳层深度约为2μm），而基体中碳平均的质量分数仅为0.2%，如图1-29所示。界面处的高碳基体在热成形后形成高碳马氏体，相比基体内侧更脆，从而导致冷弯性能无法满足更高的要求。

通过研究，相关学者提出了减薄镀层的方式来提高铝硅镀层板的VDA冷弯角的方法，提出降低预镀层厚度至3～19μm，降低碳原子在镀层/基体界面附近（基体一层）富集程度，相比于常规预镀层厚度，冷弯角显著提高。镀层减薄之后，可实现镀层在热成形过程中快速合金化，结合辊道炉的加热工艺调整（快速高温加热奥氏体化），可实现热成形后基体性能满足要求的基础上，镀层结构的转变（三层或三层+不连续的第四层的镀层结构）。2019年，马钢成为国内首家推出薄铝硅镀层热成形钢产品的钢铁企业，有效填补了国内空白，实现了国内铝硅镀层热成形钢产品由0到1的跨越性突破。

5.小结

铝硅镀层是提升热成形钢零部件服役性能的关键技术。然而，其厚度影响热成形钢板的弯曲性能。薄铝硅镀层技术突破了镀层热冲压钢的韧性技术瓶颈，对比现有技术可进一步减薄汽车零件，更好地实现汽车轻量化。根据德国汽车工业协会标准（VDA standard），在1500MPa级热冲压钢中，该技术是全球目前唯一可以实现65°折弯角的高韧性镀层技术。薄铝硅镀层热成形钢较传统铝硅镀层热成形钢具有更高的轻量化水平，更优异的韧性，有望成为新一代的铝硅镀层热成形钢产品。推动薄铝硅镀层热成形钢的应用对于促进国内车用热成形钢产业的可持续发展有重要的意义，也将为国内汽车轻量化技术的发展提供支撑。

从技术角度来看，热成形钢铝硅镀层工艺已经较为成熟，工艺路线也较为清晰。从产业角度看，安塞乐米塔尔的铝硅镀层专利对加工制备过程中的工艺及成分窗口进行了详尽的约束保护，很大程度上制约了国内产业发展。该专利将于2026年10月30日失效。

随着汽车行业安全、环保性能的要求越来越高，铝硅镀层热成形钢向着更高耐蚀性能、更高强度、更高抗氢致延迟开裂性能等发展。就更高耐蚀性能，安塞乐米塔尔已开展新一代高耐蚀铝硅镀层热成形钢开发，主要在铝硅镀层中添加一定含量的Zn、Mg，使得镀层具有一定的牺牲阳极保护作用；就更高强度，安塞乐米塔尔已开发出第二代热冲压用钢USIBOR2000（抗拉强度2000MPa），较第一代热冲压用钢USIBOR1500（抗拉强度1500MPa）强度大幅提高，具有更好的车身轻量化效果（数值模拟估算有30%的减重潜能）；就更高抗氢致延迟开裂性能，马钢通过在基体中添加合金元素Nb、V来生成纳米级碳化物，从而降低可扩散氢含量，提高了铝硅镀层热成形钢抗氢脆能力，同时细化了高温奥氏体晶粒，冷却后得到细小马氏体组织，增加变形时裂纹扩展阻力，提高了铝硅镀层热成形钢冷弯性能；就更高冷弯性能，安塞乐米塔尔、蒂森专利针对提高热成形产品冷弯性能为突破口，对铝硅镀层热浸镀过程中的脱碳程度进行控制，最终可保证热成形产品的高冷弯性能（冷弯角55°以上）。 dldsIIm8N1GjGTIsEcn7WD6Ntu9kfhMBixlUlhjNQum9plaeB5mmxSskTFG5Ivnq