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科技成果(省校合作)
從0到1,從紙上到車上的技術突破——東北大學自主研發汽車鋼高韌性鋁硅鍍層新技術
 
    發布時間:2019-10-14 09:14:28    訪問次數:210     返回
    

    918日,東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室易紅亮教授團隊在2019年中國汽車輕量化大會上發布高韌性新型鋁硅鍍層技術。團隊提出了鋁硅鍍層和鋼基體界面間高碳致脆的新理論,在汽車鋼鋁硅鍍層強韌化領域實現從“01”的突破。

東北大學孵化的創業企業育材堂(蘇州)材料科技有限公司將這一理論轉化為界面降碳韌化技術,并通過中國馬鞍山鋼鐵股份有限公司和鞍鋼蒂森克虜伯(重慶)汽車鋼有限公司批量工業試制出高韌性鋁硅鍍層熱沖壓鋼產品。這一新材料可達到現有材料的同等強度,并實現韌性20-30%的提升,助推汽車零件安全性能的提升。

對比現有技術,新技術在多個維度上具有新穎性和創造性,已獲得中國發明專利授權,該專利有望降低該類鋼材的銷售價格和零件成本。該技術一開始便引發了通用汽車(北美)材料團隊的高度關注,通用汽車今年五月份正式要求馬鋼著手準備新鋼種認證所需要的完整技術數據。

在今年六月公布的通用汽車公司全球材料新標準GMW14400中,首次增加了高韌性鋁硅鍍層熱沖壓鋼,并提出了韌性提高20%的技術要求。以推動產品應用為目標,育材堂、馬鋼、通用汽車組建了聯合技術團隊,在東風(武漢)實業量產熱沖壓線上進行了多輪零件熱沖壓驗證。實驗證明,采用新型鋼材制造的零件碰撞性能提升達28%,延遲開裂風險大幅降低,涂裝性能等各項指標均符合GMW14400標準。目前,多家國內外汽車制造商正持續追蹤和評價界面降碳韌化技術。

減重節能和提高安全性,是汽車行業發展的兩大重要方向。而超高強鋼的應用,則是最經濟有效的、可以兼顧二者的解決方案。和傳統的冷沖壓成形技術相比,熱沖壓成形技術可以克服鋼板回彈嚴重、強度不高、成形困難、生產效率低等技術痛點,因此成為當下白車身用超高強鋼的主流解決方案。

傳統的無鍍層熱沖壓鋼,在加熱中會導致鋼板表面脫碳和氧化鐵皮的產生。氧化鐵皮容易脫落在模具中,增大鋼板與磨具的摩擦系數,降低模具的使用壽命,而定期清理模具中的氧化鐵皮,嚴重降低生產效率。為滿足沖壓件的后續處理要求,需要通過噴丸去除表面生成的氧化鐵皮。而噴丸處理不僅會導致成本增加,而且影響零件的尺寸精度。

為避免熱沖壓鋼板表面氧化和脫碳,并使其具備耐高溫性和耐腐蝕性,安賽樂-米塔爾鋼鐵公司于1999年最早成功開發了鋁硅鍍層技術。這項技術有效避免了無鍍層熱沖壓鋼板表面氧化的問題,同時,在磨具保護、零件尺寸精度、耐蝕性等方面也表現出優異性能,從此熱沖壓成形用鋼在汽車上的應用逐年快速增長,全球鋁硅鍍層鋼板的應用已超過每年300萬噸。

 “鋁硅鍍層汽車鋼板雖然有諸多優點,但汽車企業在使用過程中發現這類鋼板有一個重要缺陷:韌性不足。韌性不足會直接導致汽車碰撞安全件的失效斷裂,韌性不足還會導致零件延遲開裂,即零件沖壓完并未開裂,但焊接裝配后開裂。若這個瓶頸得到破解,汽車車門防撞梁、保險杠、B柱等這一類的安全結構件的安全性還可進一步加強。”易紅亮介紹說。

 “產品的缺陷和難點,必有其存在的原因,我們下決心找出這個原因,然后實現靶向攻破。”易紅亮說。中國工程院院士王國棟表示,團隊從理論突破入手,發現了超高強熱成形汽車用鋼鋁硅鍍層與鋼基體界面間富碳致脆的物理機制,正是這從“0”到“1”的基礎理論探索,才得以開發出突破硅鋁鍍層熱沖壓鋼板韌性瓶頸的界面降碳韌化技術。根據汽車企業對高韌性熱沖壓鍍層產品的設計需求、熱沖壓企業對降低延遲開裂風險產品的需求、鋼鐵企業對自主知識產權產品的需求,育材堂公司以東北大學的理論突破為基礎開發出這一突破性技術。該開發過程,是一個以企業為主體,市場為導向,產學研深度融合、協同創新的生動案例。

經研究發現,鋁硅鍍層鋼板在奧氏體加熱過程中,鍍層合金化使界面向22MnB5基材方向移動,形成合金化層和高鋁含量的δ-鐵素體擴散層,這兩者均不含碳,因此導致22MnB5基材以及擴散層界面附近存在大量碳富集,并在隨后的冷卻過程中形成高碳馬氏體。正是這層高碳馬氏體的極低韌性,顯著降低了鋁硅鍍層產品的韌性。

基于這樣的理論發現,易紅亮團隊在無須改變鍍層和基材合金成分的前提下,打出“降低鍍層厚度”和“優化加熱工藝”組合拳,以減少22MnB5基材與鍍層間的合金化,從而降低高碳馬氏體層的厚度,大大改善了鋁硅鍍層產品的韌性,實現了彎曲斷裂應變大幅提升、延遲開裂風險大幅下降。

 “這項技術始于理論創新,形成了自主知識產權,不僅中國發明專利已經獲得授權,國際專利也正在申請中,該技術的產業化將在全球超過300萬噸(中國近100萬噸)的舞臺上發揮重要作用,這是對中國汽車輕量化發展的貢獻,也是中國對世界汽車工業的貢獻。”中國工程院院士毛新平說。

這項依靠科學發現產生的原始創新成果,衍生出高韌性新型超高強鋼鋁硅鍍層技術。這套技術可以在現有鋼廠鋁硅鍍層板產線上直接生產,鍍層的減薄可使企業每噸超高強汽車鋼降低成本60元左右。易紅亮教授團隊還提出了熱沖壓快速加熱工藝,使加熱效率提升10~20%。與此同時,新型高韌性鋁硅鍍層技術完全滿足汽車企業對涂層附著力、抗石擊能力、耐腐蝕性等方面的要求。

據悉,東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室在“中國制造2025”及產業技術升級的大背景下,積極與國內外相關知名企業合作,開展了一批具有科學前瞻性、產業應用性的創新項目,在技術突破、應用研究和技術產業化上取得的堅實成果,有力推進了我國鋼鐵關鍵共性技術領域的進步。



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