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东北大学自主研发汽车钢高韧性铝硅镀层新技术

2019-10-02 11:35

  9月18日,东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室易红亮教授团队在2019年中国汽车轻量化大会上发布高韧性新型铝硅镀层技术。团队提出了铝硅镀层和钢基体界面间高碳致脆的新理论,在汽车钢铝硅镀层强韧化领域实现从“0到1”的突破。

  东北大学孵化的创业企业育材堂(苏州)材料科技有限公司将这一理论转化为界面降碳韧化技术,并通过中国马鞍山钢铁股份有限公司和鞍钢蒂森克虏伯(重庆)汽车钢有限公司批量工业试制出高韧性铝硅镀层热冲压钢产品。这一新材料可达到现有材料的同等强度,并实现韧性20-30%的提升,助推汽车零件安全性能的提升。

  对比现有技术,新技术在多个维度上具有新颖性和创造性,已获得中国发明专利授权,该专利有望降低该类钢材的销售价格和零件成本。该技术一开始便引发了通用汽车(北美)材料团队的高度关注,通用汽车今年五月份正式要求马钢着手准备新钢种认证所需要的完整技术数据。

  在今年六月公布的通用汽车公司全球材料新标准GMW14400中,首次增加了高韧性铝硅镀层热冲压钢,并提出了韧性提高20% 的技术要求。以推动产品应用为目标,育材堂、马钢、通用汽车组建了联合技术团队,在东风(武汉)实业量产热冲压线上进行了多轮零件热冲压验证。实验证明,采用新型钢材制造的零件碰撞性能提升达28%,延迟开裂风险大幅降低,涂装性能等各项指标均符合GMW14400标准。目前,多家国内外汽车制造商正持续追踪和评价界面降碳韧化技术。

  减重节能和提高安全性,是汽车行业发展的两大重要方向。而超高强钢的应用,则是经济有效的、可以兼顾二者的解决方案。和传统的冷冲压成形技术相比,热冲压成形技术可以克服钢板回弹严重、强度不高、成形困难、生产效率低等技术痛点,因此成为当下白车身用超高强钢的主流解决方案。

  传统的无镀层热冲压钢,在加热中会导致钢板表面脱碳和氧化铁皮的产生。氧化铁皮容易脱落在模具中,增大钢板与磨具的摩擦系数,降低模具的使用寿命,而定期清理模具中的氧化铁皮,严重降低生产效率。为满足冲压件的后续处理要求,需要通过喷丸去除表面生成的氧化铁皮。而喷丸处理不仅会导致成本增加,而且影响零件的尺寸精度。

  为避免热冲压钢板表面氧化和脱碳,并使其具备耐高温性和耐腐蚀性,安赛乐-米塔尔钢铁公司于1999年早成功开发了铝硅镀层技术。这项技术有效避免了无镀层热冲压钢板表面氧化的问题,同时,在磨具保护、零件尺寸精度、耐蚀性等方面也表现出优异性能,从此热冲压成形用钢在汽车上的应用逐年快速增长,全球铝硅镀层钢板的应用已超过每年300万吨。

  “铝硅镀层汽车钢板虽然有诸多优点,但汽车企业在使用过程中发现这类钢板有一个重要缺陷:韧性不足。韧性不足会直接导致汽车碰撞安全件的失效断裂,韧性不足还会导致零件延迟开裂,即零件冲压完并未开裂,但焊接装配后开裂。若这个瓶颈得到破解,汽车车门防撞梁、保险杠、B柱等这一类的安全结构件的安全性还可进一步加强。”易红亮介绍说。

  “产品的缺陷和难点,必有其存在的原因,我们下决心找出这个原因,然后实现靶向攻破。”易红亮说。中国工程院院士王国栋表示,团队从理论突破入手,发现了超高强热成形汽车用钢铝硅镀层与钢基体界面间富碳致脆的物理机制,正是这从“0”到“1”的基础理论探索,才得以开发出突破硅铝镀层热冲压钢板韧性瓶颈的界面降碳韧化技术。根据汽车企业对高韧性热冲压镀层产品的设计需求、热冲压企业对降低延迟开裂风险产品的需求、钢铁企业对自主知识产权产品的需求,育材堂公司以东北大学的理论突破为基础开发出这一突破性技术。该开发过程,是一个以企业为主体,市场为导向,产学研深度融合、协同创新的生动案例。

  经研究发现,铝硅镀层钢板在奥氏体加热过程中,镀层合金化使界面向22MnB5基材方向移动,形成合金化层和高铝含量的δ-铁素体扩散层,这两者均不含碳,因此导致22MnB5基材以及扩散层界面附近存在大量碳富集,并在随后的冷却过程中形成高碳马氏体。正是这层高碳马氏体的极低韧性,显著降低了铝硅镀层产品的韧性。

  基于这样的理论发现,易红亮团队在无须改变镀层和基材合金成分的前提下,打出“降低镀层厚度”和“优化加热工艺”组合拳,以减少22MnB5基材与镀层间的合金化,从而降低高碳马氏体层的厚度,大大改善了铝硅镀层产品的韧性,实现了弯曲断裂应变大幅提升、延迟开裂风险大幅下降。

  “这项技术始于理论创新,形成了自主知识产权,不仅中国发明专利已经获得授权,国际专利也正在申请中,该技术的产业化将在全球超过300万吨(中国近100万吨)的舞台上发挥重要作用,这是对中国汽车轻量化发展的贡献,也是中国对世界汽车工业的贡献。”中国工程院院士毛新平说。

  这项依靠科学发现产生的原始创新成果,衍生出高韧性新型超高强钢铝硅镀层技术。这套技术可以在现有钢厂铝硅镀层板产线上直接生产,镀层的减薄可使企业每吨超高强汽车钢降低成本60元左右。易红亮教授团队还提出了热冲压快速加热工艺,使加热效率提升10~20%。与此同时,新型高韧性铝硅镀层技术完全满足汽车企业对涂层附着力、抗石击能力、耐腐蚀性等方面的要求。

  据悉,东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室在“中国制造2025”及产业技术升级的大背景下,积极与国内外相关知名企业合作,开展了一批具有科学前瞻性、产业应用性的创新项目,在技术突破、应用研究和技术产业化上取得的坚实成果,有力推进了我国钢铁关键共性技术领域的进步。

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  (责任编辑:静静)

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