一、研究的背景与问题

近年来迅速发展的汽车用钢的轻量化高强化技术，通过提高汽车用钢强度，减薄汽车零件，在保证汽车安全性能前提下，实现汽车减重，成为汽车工业节能减排的有效途径。针对超高强钢的变形抗力大问题，采取热冲压钢与热冲压工艺技术相结合，通过将成形和强化分为两个步骤来解决强度和成型性的矛盾，生产出超高强度汽车零部件，与冷成型相比，热冲压具有零件强度高，成型性好，零件尺寸精度高等优势，广泛用于减轻汽车碰撞变形的加强结构件，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。目前，汽车用热冲压钢以1500MPa钢级为主，国内市场普通乘用车用量约占白车身10%左右，但欧洲车型普遍用量达到白车身30%以上，有关预测表明国内热冲压钢在白车身的使用将很快增至30%。

与此同时，近些年高强度冷成型钢研发也进展迅速，冷成型用QP1180产品也可承担较复杂的变形，用于制备B柱等。因此，1500MPa级热冲压钢的竞争优势不再明显，为了提高热成型钢的应用安全性和市场竞争力、需要将热冲压钢的强度提高到2000MPa以上，但材料强度提高则韧性下降，2000MPa级别热冲压钢研究成为国际难题。

传统1500MPa热冲压钢应用也出现新动向。此前，白车身使用热冲压零件以1.4-2.0mm规格为主，但近些年，热冲压钢使用呈现两种变化。一方面，薄规格产品用量呈现增加趋势，由于汽车轻量化要求的提高，热冲压钢开始替代部分高强钢使用，因此，薄规格零件，如1.0-1.2mm产品开始大量使用，因热冲压工艺生产特点，薄规格产品，尤其是在北方冬季生产的产品，由于温降过快，冲压前发生铁素体相变，导致废品率显著增加，因此，针对薄规格产品急需开发“宽工艺窗口热冲压钢”以适应批量生产需求。

另一方面，随着热冲压技术的发展，汽车底盘结构件也开始尝试使用热冲压零件，厚度需求逐渐提高至3.5-6.0mm。传统热冲压钢为22MnB5，其临界冷却速率为27℃/s，部分3.5mm管状热处理零件，通过水淬方式生产可以满足要求。但厚规格热冲压底盘扭力梁零件，核心技术指标为疲劳性能，需要保障零件组织均匀一致，但传统热冲压钢淬透性不足，无法满足使用要求。

1、PHS2000设计原理

充分利用C和V的溶解析出行为，利用VC析出细化奥氏体晶粒，如图1所示。PHS2000淬火后奥氏体晶粒尺寸显著降低，细晶强化效果明显，与传统1500MPa热冲压钢相比，强度显著增加；此外，钢中大量V和C以VC纳米析出相形式析出，起到析出强化作用，如图2所示；而奥氏体中C含量通过析出相析出被消耗，导致淬火得到相对低碳的板条马氏体组织，消除孪晶马氏体的影响，如图3和图4所示，获得相对较好的韧性。VC作为热冲压钢中所含高结合能的不可逆氢陷阱，对改善氢脆问题也具有积极影响。通过复合强化手段，最终实现热冲压钢2000MPa强度，并保持良好的韧性和塑性。性能检测结果与传统1500MPa产品对比如图5所示。（易红亮，常智渊,才贺龙等.热冲压成形钢的强度与塑性及断裂应变[J].金属学报，2020，56(04):429-443）

2、宽工艺窗口热冲压钢开发

薄规格零件温降过快，导致冲压前发生铁素体转变，引起废品率显著增加，这一问题已成为限制薄规格热成形零件的批量生产的棘手问题。提高材料奥氏体稳定性，推迟铁素体相变，保障在更低温度冲压，依然为奥氏体单相区，是解决薄规格产品生产问题的关键。为此，采用优化合金设计来推迟铁素体转变，保障在较宽工艺窗口内不发生铁素体转变，以实现薄规格产品的稳定生产。经过全新的成分设计，有效保障较低温度获得奥氏体组织，如图6所示，有效解决了薄规格热冲压零件生产问题。 

3、特厚规格热冲压底盘零件开发

针对市场需求的特厚规格热冲压底盘扭力梁零件设计要求，采用模拟仿真技术手段，结合成分设计，解决厚规格热冲压钢零件不同部位组织均匀性问题，提高热冲压钢的疲劳性能，如图7所示。首先，采用优化的合金设计，提高材料的淬透性，保障心部也可以获得马氏体组织，解决零件截面应力梯度过大的问题。其次，利用Mo元素降低C在奥氏体中扩散速率的特点，减少热冲压钢脱碳现象，同时减少成形过程氧化铁皮脱落问题，提高底盘结构件的疲劳性能。此外，采用特殊的夹杂物控制技术，改善钢中夹杂物尺寸及分布状态，提高热冲压钢的疲劳性能。

本设计彻底解决了厚规格1500MPa级热冲压钢心部淬透性不足导致性能不合格、疲劳寿命低的问题，实现厚规格6.5mm热冲压钢在现有设备上冲压出合格零件，其中6.0mm厚度批量商业使用，制备扭力梁累计供货超过20万辆汽车。

三、主要创新性进展

本课题中1500MPa级热冲压成形钢依托传统22MnB5经典成分体系，结合本钢生产工艺特点完成二次开发和设计，并实现了批量供货。

1、超高强度2000MPa热冲压钢技术原创性突破。

利用V和C相互作用，控制VC溶解和析出，实现细晶强化、降低马氏体基体碳含量和氢陷阱等作用，开发PHS2000热冲压钢，抗拉强度不小于2000MPa，延伸率不小于6%，具备优良的强塑性匹配，经金属学会鉴定，达到国际领先水平。

2、特厚规格热冲压钢在汽车底盘结构件上应用的技术突破。

应用钼铬合金化设计、特殊夹杂物控制技术等，开发了6.0mm厚规格1500MPa级热冲压钢，应用于底盘扭力梁零件，解决疲劳问题，满足了整车轻量化设计要求。

3、超薄规格和超宽规格热冲压生产及应用技术突破。

开发热冲压钢1500～2000MPa系列化产品，最宽规格达到1.2mm×1800mm，针对薄规格产品，开发宽工艺窗口热冲压钢，解决北方冬季零件制备问题。

四、应用情况与效果

2014年~2015年，完成冷轧产品厚度规格1.0mm~2.5mm热冲压钢产品开发，并实现稳定供货能力。

2015年~2016年，项目完成了热轧产品厚度6.5mm产品开发工作，并形成6.0mm厚规格的批量供货业绩。独家供货某热销MPV车型扭力梁零件，累计销量超过20万辆。

2016年~2017年，完成1800MPa和2000MPa热冲压钢开发工作，2017年全球首发2000MPa级热冲压钢产品，成功应用于北汽新能源汽车车门防撞梁零件，取代1500MPa级产品，实现减重要求。

2019年开发了极限宽度规格1.2mm×1800mm生产工艺，具备热冲压钢1800mm规格稳定生产及供货能力。

1、全球首发2000MPa热冲压钢在北汽新能源汽车使用情况

2017年10月全球首发产品，PHS2000产品由无锡朗贤汽车组件研发中心有限公司进行热冲压扭力梁零件生产，并批量应用北汽新能源LITE车型，这也是乘用车首次实现2GPa强度材料商业应用，如图8所示。

2、2000MPa热冲压钢爱驰汽车车门防撞梁使用情况

爱弛汽车U5为纯电动汽车，电池铺装于地板下方，车身重量较燃油车略重。为了实现轻量化要求，其四个车门防撞梁采用PHS2000进行测评，各项指标均满足用户的使用要求，如表1所示，保障了碰撞测试效果，如图9所示。该车型已于2019年上市，这也是首款SUV车型批量应用PHS2000产品。

3、特厚6.0mm规格1500MPa热冲压钢扭力梁使用情况

特厚规格热冲压扭力梁零件技术难度大，主机厂经过材料测试、台架测试、路试等严苛条件的测试，最终满足其设计要求，并批量应用于MPV车型。2017年7月正式上线使用，独家使用本项目开发的6.0mm厚规格热冲压材料制备的扭力梁零件。该车型累计销量已经超过20万辆。如图10所示。

项目研发过程获授权发明专利2项，在4个国家申请了国际专利。发表相关学术论文10篇，形成企业技术秘密12项，获省级基金资助3项，参与制定国家标准1项，获冶金科技进步一等奖一项、辽宁省科技进步二等奖2项，企业科技进步一等奖1项，中国汽车轻量化设计奖1项。其中，1800~2000MPa超高强钢产品先后在华晨、长安、东风、长城等汽车主机厂开展并完成材料评估，新车型将陆续得到应用。该项目涉及的超高强度与特厚规格热冲压钢系列化产品在汽车整车上得以应用，实现零件减重和减量，对我国乃至国际推进汽车节能减排意义重大，为汽车工业用材料提供了多样性选择。