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专访丨创新合作机制下高强韧热成形钢开发及产业化推广

2019-11-12 14:15 57 0
简介
专访丨赵岩博士:创新合作机制下高强韧热成形钢开发及产业化推广【汽车轻量化在线】在不久前结束的2019中国汽车工程学会年会暨展览会现场上,举行了“中国汽车工业科学技术奖”颁奖仪式。其中“高性能热成型马氏体钢 ...


专访丨赵岩博士:创新合作机制下高强韧热成形钢开发及产业化推广

【汽车轻量化在线】在不久前结束的2019中国汽车工程学会年会暨展览会现场上,举行了“中国汽车工业科学技术奖”颁奖仪式。其中“高性能热成型马氏体钢开发及其在汽车安全件上的应用”项目斩获一等奖,该项目完成单位为中国汽车工程研究院股份有限公司、中信金属股份有限公司、马鞍山钢铁股份有限公司、重庆长安汽车股份有限公司、安徽江淮汽车集团有限公司、东莞市豪斯特热冲压技术有限公司、上海交通大学。中国汽车工业科学技术奖被誉为中国汽车界的"诺贝尔奖",旨在表彰汽车工业领域先进的科学技术成果,是我国汽车工业的最高奖励。

专访丨赵岩博士:创新合作机制下高强韧热成形钢开发及产业化推广

一等奖获奖证书

专访丨赵岩博士:创新合作机制下高强韧热成形钢开发及产业化推广

项目第1和第3完成人赵岩博士和路洪洲博士表在颁奖仪式现场

中国汽车材料网有幸邀请到“高性能热成型马氏体钢开发及其在汽车安全件上的应用”项目第一完成人:中国汽车工程研究院股份有限公司赵岩博士,与我们一起讨论:新型高性能热成形钢22MnB5NbV的开发与产业化推广。

新型高强韧热成形钢22MnB5NbV的开发过程

目前常用的热成形钢22MnB5成分配方源于德国,用于制造汽车AB柱、门防撞梁等安全结构件,其在服役过程中存在碰撞韧性差高氢脆敏感性的问题,这就给汽车使用过程留下了“安全隐患”。为了解决22MnB5热成形零部件所带来的“安全隐患”,中国汽车工程研究院股份有限公司汽车轻量化工程技术研究中心团队牵头组织了材料、零部件、整车企业和高校等单位,国内外首次研发并量产了高强韧性、高氢脆抗力的新型热成形钢22MnB5NbV。

通过Nb、V复合微合金化的成分设计实现了材料的晶粒细化,提升了零部件在实车碰撞工况下准平面应变变形状态及基于应力三轴度、洛德角复杂应力状态下的断裂抗力;通过纳米级碳化物形成有效的氢陷阱,“捕捉”基体内的可扩散氢原子,有效提升了材料的抗氢致延迟断裂能力。赵岩博士表示,“高性能热成型马氏体钢开发及其在汽车安全件上的应用”项目诠释了热成形钢从微观到宏观、从材料到零件的强韧化机理,形成了自主创新的、具有自主知识产权的新型热成形钢开发及应用的成套技术,研究成果已在汽车行业实现了规模化应用,有效解决了汽车热成形安全件碰撞韧性不足和氢脆敏感性高的问题,属于热成形技术领域的重要研究成果。

据赵岩博士介绍,“高性能”主要指在不降低强度和延伸率的前提下具有更高的韧性和氢致延迟断裂性能。相比较传统淬火态热成形钢22MnB5,新钢种22MnB5NbV在德国VDA 238-100金属材料弯曲应变标准测试中,其极限尖冷弯角可达到65-70度(裸板无脱碳层),高于宝马企业认证标准的60度,也高于国内产品55-60度的平均水平;在氢致延迟断裂断裂实验中,弯曲载荷为0.9倍抗拉强度和浸泡环境为0.5mol/L盐酸水溶液中可以保持300小时不开裂,而在抽样测试的传统热成形钢22MnB5在十几个小时就出现了断裂情况。

在实际安全碰撞过程中,热成形安全件应力峰值区一般呈准平面应变状态的变形,其变形状态与VDA 238-100标准测试是一致的,因此新钢种极限尖冷弯角的提升就代表其在实车碰撞过程中具有更高的断裂抗力,能够更好地保护车内乘员。当钢的强度高于1000MPa时,就具有较高的氢脆敏感性,也就是说容易在氢原子的影响下出现延迟开裂现象,所谓延迟开裂,就是材料在承受低于其抗拉强度的载荷下,经过一段时间出现开裂现象,这种现象在试验车辆中曾经发生过,安全件的延迟开裂是一种安全隐患,如果发生就意味着安全件起不到保护乘客的目的,而主机厂也需要批量召回,对人、财、物是很大的损失。

赵岩博士表示,这个项目的研究目的,是想传达给主机厂传统热成形零部件的问题在哪里,可能发生什么问题,如何解决发生的这些问题。除了实现新材料产业化,更重要的是能够提出汽车安全件更科学的性能评价标准和更优的解决方案,进而使得上市销售的乘用车安全性更加有保障。

车用高强度钢应用的“冷/热”平衡

在汽车高强度钢技术发展历程中,冷(成形)热(成形)之争从未停止,赵岩博士认为二者其实并不冲突,合适的工艺、合适的材料用在合适的位置。

在安全结构件的应用上,超高强钢的冷成形存在回弹严重和成形区间小的问题,就不太适合做复杂形状。处于关键受力区域的安全件,因为成形与强度不可兼得,这时就用热成形技术来解决。当然,热成形工艺也有它自身的劣势,比如奥氏体化加热过程能耗高、裸板喷丸变形严重,若用到铝硅涂层原材料则成本更高,所以在一些强度要求不苛刻或者形状比较简单的位置,则普遍采用高强钢或先进高强钢的冷成形技术。

在覆盖件的应用上,肯定还是采用冷成形的软钢或者普通高强度钢,不可能会用到热成形技术。未来冷成形超高强度零件要继续发展,需要解决精准的CAE仿真分析、模具设计和工艺控制等问题;而热成形钢则会在镀层、韧性、强度、延迟开裂、一体成形、变厚度、变强度等技术领域持续升级。进而发挥两种工艺各自的优势,为汽车轻量化、高安全,以及高的性能比提供有利的支撑。

创新驱动变革热成形钢产业竞争格局

近两年来,国内热成形钢材料和制造工艺(新钢种、涂层技术、工艺装备等)开发了不少重要成果,例如节能箱式加热炉、1800-2000MPa热成形钢的开发、变强度和变厚度热成形零件的开发与应用、一体化热成形门环等等,以及该团队所开发的高强韧性、高氢致延迟断裂抗力的新型热成形钢22MnB5NbV。

随着国内技术的发展,所产生的最直接影响就是热成形件定价权不再掌握在国外企业手中,价格降了之后,不仅降低了生产成本,还会使更多的热成形件用在车身上,使汽车更安全。总体来讲,国内外的热成形材料和制造工艺相差不大,问题主要在于国内的热成形零件生产企业对国外设备的依赖,以及国内原始创新能力较弱。因为大多数的技术工艺是从国外搬过来的,这样导致的后果就是国外开发出新产品后,会以较高的价格占领中国市场,等国内企业实现量产的时候,同质化竞争导致利润越来越低,市场越来越不好做,而这个时候国外又推出新的产品继续占领市场。因此,国内外热成形钢的竞争格局,取决于企业的原始创新能力。

车用结构材料技术仍有巨大潜力可挖

随着电动化、智能网络化逐渐成为汽车技术重要发展的方向,导致行业对于汽车结构材料技术的发展关注度在不断削弱。赵岩博士表示,电动化和智能网联的发展并不能覆盖安全、轻量化、NVH、底盘性能等方面,更不能限制这些领域的发展。汽车结构与材料是汽车的基础,而且与当今的发展热点也息息相关。

例如:电动车要想续航里程高,就需要高能量密度的三元锂电池,当电池温度超过电池隔膜的熔点时,电池就会产生呈链式反应的热失控导致整车的自燃事故,如果能够开发出熔点更高的电池隔膜,那么就能降低电动车的事故概率,这也是汽车材料要做的事;其次,如果电动车有更高的轻量化水平,那么同样的续航里程也不需要那么高的输出能量,也会降低电动车的事故概率。

赵岩博士介绍,国外车企即使在电动化和智能网联化上投入了更多的资源,而在汽车结构与材料上的研发投入并未明显缩减,如果仅仅在技术上纯粹追随市场或政策潮流,受损失的还是自己的汽车产业。而传统汽车结构与材料的角色,不需要去适应汽车新四化的潮流,而是应该考虑怎么使汽车更安全、更可靠、更节能。

专家信息:

赵岩,英国伦敦帝国理工学院与重庆大学联合培养博士、高级工程师、英国开放大学博士后,现任中国汽研数据采集及应用中心负责人、汽车轻量化工程技术中心副总工程师,中国汽车工程学会标准金属材料分会委员,中国汽车工程学会材料分会委员。负责或承担科技部、国家自然科学基金、省级、国际合作项目、企业研发项目10余项,获得软件著作权2项,发明专利4项,以第一作者发表SCI/EI论文10余篇。

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