模压淬火新技术

模压淬火技术帮助OEM制造商运用新材料制造轻型汽车
随着欧盟立法变得越来越严格，美国和其他国家减少温室气体排放量的举动成为全球趋势，这对汽车制造商提出了更高的要求，力求减轻车辆的重量。在与碰撞安全（要求增加汽车重量）之间达到某种平衡的要求，将这个行业推向风口浪尖。
 
让我们一起进入热冲压技术，或这叫模压淬火工艺的世界里看看。在过去的十年中，对汽车车体组件的热冲压技术，已经从一个小型技术演变成一个高强度钢材减轻重量不可或缺的技术。举个例子，大众公司声称已经开创先河，在最新Golf车型上使用该技术，使公司轻型结构技术。
 
那么模压淬火到底是怎么运作的呢？德国舒乐公司销售部经理Jens Aspacher是该技术领域的专家。他说明，“首先，将未成形的组件放进熔炉里加热到930°C。加热后的组件立即送进冲压机，以免空气冷却；有一个时间窗口，只显示10秒到12秒的时间。冲压机在成型过程中会多关闭几秒钟，组件完成冷却和硬化。”
 
模压淬火的循环时间，大约在8秒到30秒之间。然而，结合两道冲压技术和舒乐的快速进给技术，公司用PCH理念提高了生产率，有时能减少6秒钟的时间。而且，几何结构极其复杂的组件和最新结合的板材，也能利用该技术轻松完成制造。

Aspacher强调说，“决定高质量循环时间短的关键因素，就是将滚烫的组件迅速放进冷水冷却。这个环节中最为薄弱的部分决定速度。”
 
舒乐公司冲压开发主管Dirk Haller补充说，“组件冷却期间的决定因素包括转移能量（这很大层度上决定于板材的厚度），还有板材和冲模之间的热量转移。”
 
他继续说道，“更深入的因素有冲模的导热系数和能量散步，也就是冷却通道的数量、冷却介质的温度和冷却通道的流量。”
 
Haller到目前为止的工作是为模压淬火工艺完成了设计、建造和运输近50个冲模，客户主要是菲亚特、大众、中国的赛科利公司和马来西亚的宝腾公司。

控制接点接触
根据舒乐公司提供的信息，模压淬火的基本规则就是：接触压力越大，传热速度就越快，冷却时间久越短 — 其效果就越好。
 
Haller说，“接触压力通常来自冲模里的弹簧组件、氮气弹簧或液压缸，或者是冲模里的拉力缓冲。通过PCH缓冲垫和冲模来增加接触压力，优化冷却通道，并且根据组件选择模具钢，我们已经成功地促进传热过程，并减少的循环时间。”
 
组件最后从冲模里出来时的温度仍然有200°C，并准备进入深加工阶段。表面形成的结垢可以进行喷砂清理或者其他处理，通过提前给板材喷涂来彻底避免这种情况的发生。
 
一旦得到冷却，最后出来的组件具有高达1,500MP的抗拉强度，也就是说它们只能通过激光进行切割。然而，由于硬度很高，每个组件不需要太多的材料来确保相同水平的稳定性，因此就可以减轻重量了。舒乐公司还说，与高强钢的冷锻相比，该工艺所需挤压力更小：400-1,200吨比2,500-3,000吨。而且，在该行业里谈之色变的反弹效应也得到了控制。

模压淬火前景看好
所有这些优点都推动全球使用模压淬火工艺大量制造组件，目前适用于缓冲器支架、顶棚结构、基石、B柱和隧道。使用情况从1997年800万件，到2010年总量上涨到1.24亿件。再过两年，到了2015年年末，需求有望突破4.5亿件大关。

部分原因可能是现在对组件特性能够判定得更准确。比如，用碎片板材或“定制回火”的方法来制作零部件。舒乐公司还协作完成一个由德国科技部赞助的联合项目，项目名称为‘特制原件特征和热锻工艺链中提高能源效率的灵活热处理’（Flexible heat treatment for the tailored shaping of part characteristics and the increased energy efficiency of the hot forging process chain）
 
焦点放在诸如B柱（这需要中间部分尽可能地坚硬，而末端需要变形，以便在碰撞的情况下吸收能量）这样的组件上。这可以通过具有多个温度区的冲模完成：加热，冷却或隔热处理。
 
舒乐公司在模压淬火方面最新的进展是一个新的切割线，它结合了成熟线圈进给技术和创新的激光技术，创造了第一个持续激光切割线圈工艺。公司说，这种独立编程协力完成激光刀头的技术，能够确保灵活性，并且为定制切割板材展提供全新的视角 — 生产率达到空前的水平。

使用更强的钢
如果说模压淬火技术的成功很大程度上得益于钢的高强度，这一说法一点也不为过，因为在锰硼合金领域里开发钢铁极其重要。
 
举例来说，总部在瑞典的Uddeholm公司称，制造商在热冲压时使用特制工具钢，能够避免一些常见问题，达到更长的可以预见的生产运营，并且减少循环时间。直到最近，冷成型才成为高强钢制造关键性结构构件的主导方法，但是这又很快被热冲压所取代，这对加工中使用的钢提出了新的要求。
 
用于热冲压的工具钢需要特殊的性质，以应对加工过程中特定的破坏机理。选择正确的钢意味着，汽车制造商有机会提高最终的产品质量。
 
为了在相关温度中具有可靠功能，工具钢需要拥有卓越的导热系数、高温屈服强度、高韧性和柔软性。这是因为，这个工艺存在使工具提前报废的风险，导致计划外生产停滞或耽误。简言之，高端工具钢在高温中将耗损最低化，改善尺寸公差，减少工具划痕引起的组件报废。

Uddeholm公司生产很多种适合用于热冲压工具的钢种。比如，QRO 90 Supreme就是公司推荐的产品，它能在工具表面暴露于极高温度是还能优化生产的循环时间。这主要归功于产品的高导热性，以及高强度和韧性，能有效完成内部冷却。用于先进高强钢成型的冲模在加热之后，必须有时间在冲压中间得到冷却。QRO 90 Supreme工具钢能帮助提高生产力，降低循环时间。
 
另一个用于热冲压的Uddenhol材料是Unimax，这种材料在冲模里的过度磨损中显示出极高的品质。Unimax的硬度是56HRc，抗磨损，冷热都一样，并且据说可以极大提高热冲压模具的使用寿命。
 
公司称，钢和热冲压工艺的结合可以减少每辆汽车上的结构性组件，还能降低个体组件30%到35%的重量。

 
应用于本田Acura MDX
诠释热冲压材料方案最佳实例就是ArcelorMittal Usibor门环，这是一项创新性的能救命的方案，应用于本田Acura MDX，显著减轻重量，提高安全性。ArcelorMittal Tailored Blanks公司美洲地区总裁Todd Baker说，“本田公司找到我们，想要我们提高他们汽车的性能，尤其是MDX。他们想要一个单片门环，这可以成就他们一系列的目标。”
 
2014 Acura MDX首席工程师Jim Keller补充说，“新款MDX更轻，更快，更强，更节能。车身结构几乎是全新的，但是给汽车减重，同时增加强度可不是件容易的事情。我们想要的设计，就是要在乘客周围分散负载 — 通过地板、顶棚和门。我们不得不重新考虑，要把这些极为集中地负载分散开来，保证安全。我们的方法就是使用一个新的热冲压门环。”Keller声称，在门周围的全部结构上都使用高强钢，这是热冲压在这个领域的独特应用。
 

The hot-stamped door ring in the Honda Acura MDX offers up to five times greater strength than a cold-pressed component

本田Acura MDX从设计的第一天，就把新的小抵消障壁碰撞测试作为其设计战略。这个测试就是让汽车前部大约25%的部分与另一辆汽车或柱子相撞。Baker说，“这种类型的事故造成25%的死亡率，是前部撞车事故中的主要伤害类型。目前，只有大约30%的车辆的小抵消撞击率还算令人满意。”
 
ArcelorMittal全球研发部副总裁Greg Ludkovsky说，“Acura MDX使用我们的门环之后，在测试当中达到最高水平。在这个非常严峻的前部碰撞测试当中，我们将汽车前端撞出许多风琴褶，但我们还能够走到车前，打开前门，出入驾驶区完全没问题。热冲压门环要比冷压材质更显著地提高强度 — 一般在4至5倍以上。”
 
这个项目是ArcelorMittal公司内部协同作战的最佳实例。Usibor钢材一旦生产出来，就运到ArcelorMittal公司于Delaco的合资公司，即密歇根的Dearborn工厂。未加工门环继而运到公司在俄亥俄Pioneer定制工厂，进行激光烧蚀和激光焊接。然后组件就转到田纳西Clinton的工厂，在最后送到阿拉巴马本田公司之前进行热冲压处理。
 
Baker下结论说，“这是行业里第一个热冲压激光焊接的Usibor门环。我们向北美引进了全新的工艺，叫做激光烧蚀，可以焊接Usibor材料。我相信，这创造了行业标准，其他汽车制造商会在小抵消碰撞测试当中拿来参照。”