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專訪丨中國汽研 趙巖博士:創新合作機制下高強韌熱成形鋼的開發及產業化推廣

   日期:2019-11-12     來源:汽車材料網    評論:0       [ 進入汽車材料社區 ] [ 汽車材料館 ]
核心提示:在不久前結束的2019中國汽車工程學會年會暨展覽會現場上,舉行了“中國汽車工業科學技術獎”頒獎儀式。其中“高性能熱成型馬氏體鋼開發及其在汽車安全件上的應用”項目斬獲一等獎,該項目完成單位為中國汽車工程研究院股份有限公司、中信金屬股份有限公司、馬鞍山鋼鐵股份有限公司、重慶長安汽車股份有限公司、安徽江淮汽車集團有限公司、東莞市豪斯特熱沖壓技術有限公司、上海交通大學。中國汽車工業科學技術獎被譽為中國汽車界的"諾貝爾獎",旨在表彰汽車工業領域先進的科學技術成果,是我國汽車工業的最高獎勵。
   【中國汽車材料網】在不久前結束的2019中國汽車工程學會年會暨展覽會現場上,舉行了“中國汽車工業科學技術獎”頒獎儀式。其中“高性能熱成型馬氏體鋼開發及其在汽車安全件上的應用”項目斬獲一等獎,該項目完成單位為中國汽車工程研究院股份有限公司、中信金屬股份有限公司、馬鞍山鋼鐵股份有限公司、重慶長安汽車股份有限公司、安徽江淮汽車集團有限公司、東莞市豪斯特熱沖壓技術有限公司、上海交通大學。中國汽車工業科學技術獎被譽為中國汽車界的"諾貝爾獎",旨在表彰汽車工業領域先進的科學技術成果,是我國汽車工業的最高獎勵。
  
  一等獎獲獎證書
 
  
  項目第1和第3完成人趙巖博士和路洪洲博士表在頒獎儀式現場
  
  中國汽車材料網有幸邀請到“高性能熱成型馬氏體鋼開發及其在汽車安全件上的應用”項目第一完成人:中國汽車工程研究院股份有限公司趙巖博士,與我們一起討論:新型高性能熱成形鋼22MnB5NbV的開發與產業化推廣。
  
  新型高強韌熱成形鋼22MnB5NbV的開發過程
  
  目前常用的熱成形鋼22MnB5成分配方源于德國,用于制造汽車AB柱、門防撞梁等安全結構件,其在服役過程中存在碰撞韌性差和高氫脆敏感性的問題,這就給汽車使用過程留下了“安全隱患”。為了解決22MnB5熱成形零部件所帶來的“安全隱患”,中國汽車工程研究院股份有限公司汽車輕量化工程技術研究中心團隊牽頭組織了材料、零部件、整車企業和高校等單位,國內外首次研發并量產了高強韌性、高氫脆抗力的新型熱成形鋼22MnB5NbV。
  
  通過Nb、V復合微合金化的成分設計實現了材料的晶粒細化,提升了零部件在實車碰撞工況下準平面應變變形狀態及基于應力三軸度、洛德角復雜應力狀態下的斷裂抗力;通過納米級碳化物形成有效的氫陷阱,“捕捉”基體內的可擴散氫原子,有效提升了材料的抗氫致延遲斷裂能力。趙巖博士表示,“高性能熱成型馬氏體鋼開發及其在汽車安全件上的應用”項目詮釋了熱成形鋼從微觀到宏觀、從材料到零件的強韌化機理,形成了自主創新的、具有自主知識產權的新型熱成形鋼開發及應用的成套技術,研究成果已在汽車行業實現了規模化應用,有效解決了汽車熱成形安全件碰撞韌性不足和氫脆敏感性高的問題,屬于熱成形技術領域的重要研究成果。
  
  據趙巖博士介紹,“高性能”主要指在不降低強度和延伸率的前提下具有更高的韌性和氫致延遲斷裂性能。相比較傳統淬火態熱成形鋼22MnB5,新鋼種22MnB5NbV在德國VDA 238-100金屬材料彎曲應變標準測試中,其極限尖冷彎角可達到65-70度(裸板無脫碳層),高于寶馬企業認證標準的60度,也高于國內產品55-60度的平均水平;在氫致延遲斷裂斷裂實驗中,彎曲載荷為0.9倍抗拉強度和浸泡環境為0.5mol/L鹽酸水溶液中可以保持300小時不開裂,而在抽樣測試的傳統熱成形鋼22MnB5在十幾個小時就出現了斷裂情況。
  
  在實際安全碰撞過程中,熱成形安全件應力峰值區一般呈準平面應變狀態的變形,其變形狀態與VDA 238-100標準測試是一致的,因此新鋼種極限尖冷彎角的提升就代表其在實車碰撞過程中具有更高的斷裂抗力,能夠更好地保護車內乘員。當鋼的強度高于1000MPA時,就具有較高的氫脆敏感性,也就是說容易在氫原子的影響下出現延遲開裂現象,所謂延遲開裂,就是材料在承受低于其抗拉強度的載荷下,經過一段時間出現開裂現象,這種現象在試驗車輛中曾經發生過,安全件的延遲開裂是一種安全隱患,如果發生就意味著安全件起不到保護乘客的目的,而主機廠也需要批量召回,對人、財、物是很大的損失。
  
  趙巖博士表示,這個項目的研究目的,是想傳達給主機廠傳統熱成形零部件的問題在哪里,可能發生什么問題,如何解決發生的這些問題。除了實現新材料產業化,更重要的是能夠提出汽車安全件更科學的性能評價標準和更優的解決方案,進而使得上市銷售的乘用車安全性更加有保障。
  
  車用高強度鋼應用的“冷/熱”平衡
  
  在汽車高強度鋼技術發展歷程中,冷(成形)熱(成形)之爭從未停止,趙巖博士認為二者其實并不沖突,合適的工藝、合適的材料用在合適的位置。
  
  在安全結構件的應用上,超高強鋼的冷成形存在回彈嚴重和成形區間小的問題,就不太適合做復雜形狀。處于關鍵受力區域的安全件,因為成形與強度不可兼得,這時就用熱成形技術來解決。當然,熱成形工藝也有它自身的劣勢,比如奧氏體化加熱過程能耗高、裸板噴丸變形嚴重,若用到鋁硅涂層原材料則成本更高,所以在一些強度要求不苛刻或者形狀比較簡單的位置,則普遍采用高強鋼或先進高強鋼的冷成形技術。
  
  在覆蓋件的應用上,肯定還是采用冷成形的軟鋼或者普通高強度鋼,不可能會用到熱成形技術。未來冷成形超高強度零件要繼續發展,需要解決精準的CAE仿真分析、模具設計和工藝控制等問題;而熱成形鋼則會在鍍層、韌性、強度、延遲開裂、一體成形、變厚度、變強度等技術領域持續升級。進而發揮兩種工藝各自的優勢,為汽車輕量化、高安全,以及高的性能比提供有利的支撐。
  
  創新驅動變革熱成形鋼產業競爭格局
  
  近兩年來,國內熱成形鋼材料和制造工藝(新鋼種、涂層技術、工藝裝備等)開發了不少重要成果,例如節能箱式加熱爐、1800-2000MPa熱成形鋼的開發、變強度和變厚度熱成形零件的開發與應用、一體化熱成形門環等等,以及該團隊所開發的高強韌性、高氫致延遲斷裂抗力的新型熱成形鋼22MnB5NbV。
  
  隨著國內技術的發展,所產生的最直接影響就是熱成形件定價權不再掌握在國外企業手中,價格降了之后,不僅降低了生產成本,還會使更多的熱成形件用在車身上,使汽車更安全。總體來講,國內外的熱成形材料和制造工藝相差不大,問題主要在于國內的熱成形零件生產企業對國外設備的依賴,以及國內原始創新能力較弱。因為大多數的技術工藝是從國外搬過來的,這樣導致的后果就是國外開發出新產品后,會以較高的價格占領中國市場,等國內企業實現量產的時候,同質化競爭導致利潤越來越低,市場越來越不好做,而這個時候國外又推出新的產品繼續占領市場。因此,國內外熱成形鋼的競爭格局,取決于企業的原始創新能力。
  
  車用結構材料技術仍有巨大潛力可挖
  
  隨著電動化、智能網絡化逐漸成為汽車技術重要發展的方向,導致行業對于汽車結構材料技術的發展關注度在不斷削弱。趙巖博士表示,電動化和智能網聯的發展并不能覆蓋安全、輕量化、NVH、底盤性能等方面,更不能限制這些領域的發展。汽車結構與材料是汽車的基礎,而且與當今的發展熱點也息息相關。
  
  例如:電動車要想續航里程高,就需要高能量密度的三元鋰電池,當電池溫度超過電池隔膜的熔點時,電池就會產生呈鏈式反應的熱失控導致整車的自燃事故,如果能夠開發出熔點更高的電池隔膜,那么就能降低電動車的事故概率,這也是汽車材料要做的事;其次,如果電動車有更高的輕量化水平,那么同樣的續航里程也不需要那么高的輸出能量,也會降低電動車的事故概率。
  
  趙巖博士介紹,國外車企即使在電動化和智能網聯化上投入了更多的資源,而在汽車結構與材料上的研發投入并未明顯縮減,如果僅僅在技術上純粹追隨市場或政策潮流,受損失的還是自己的汽車產業。而傳統汽車結構與材料的角色,不需要去適應汽車新四化的潮流,而是應該考慮怎么使汽車更安全、更可靠、更節能。
  
  專家信息:
  
  趙巖,英國倫敦帝國理工學院與重慶大學聯合培養博士、高級工程師、英國開放大學博士后,現任中國汽研數據采集及應用中心負責人、汽車輕量化工程技術中心副總工程師,中國汽車工程學會標準金屬材料分會委員,中國汽車工程學會材料分會委員。負責或承擔科技部、國家自然科學基金、省級、國際合作項目、企業研發項目10余項,獲得軟件著作權2項,發明專利4項,以第一作者發表SCI/EI論文10余篇。
 
 
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