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專訪丨中信金屬 路洪洲博士:高性能熱成形馬氏體鋼的創新開發與應用

   日期:2019-10-10     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:近期,2019年度“中國汽車工業科學技術獎”終評會在長沙成功召開,4項材料領域技術獲得“中國汽車工業科學技術獎”,其中“高性能熱成形馬氏體鋼開發及其在汽車安全件上的應用”項目榮獲一等獎。該項目完成單位為中國汽車工程研究院股份有限沙巴体育足球开户、中信金屬股份有限沙巴体育足球开户、馬鞍山鋼鐵股份有限沙巴体育足球开户、重慶長安汽車股份有限沙巴体育足球开户、安徽江淮汽車集團有限沙巴体育足球开户、東莞市豪斯特熱沖壓技術有限沙巴体育足球开户。
   【中國汽車材料網】近期,2019年度“中國汽車工業科學技術獎”終評會在長沙成功召開,4項材料領域技術獲得“中國汽車工業科學技術獎”,其中“高性能熱成形馬氏體鋼開發及其在汽車安全件上的應用”項目榮獲一等獎。該項目完成單位為中國汽車工程研究院股份有限沙巴体育足球开户、中信金屬股份有限沙巴体育足球开户、馬鞍山鋼鐵股份有限沙巴体育足球开户、重慶長安汽車股份有限沙巴体育足球开户、安徽江淮汽車集團有限沙巴体育足球开户、東莞市豪斯特熱沖壓技術有限沙巴体育足球开户。
  
  獲獎項目中高性能熱成形馬氏體鋼的開發得到了中信鈮鋼發展獎勵基金資助,中國汽車材料網邀請到中信金屬股份有限沙巴体育足球开户汽車技術總監、集團高級專家路洪洲博士,與我們一起談談高性能熱成形馬氏體鋼的創新開發及應用過程。
  
  汽車工業科技進步獎是我國汽車工業的最高獎勵,從近10年的汽車工業獎記錄中來看,材料與工藝領域活動行業榮獲一等獎,最早還要追溯到2012年。獲得汽車工業科技進步獎一等獎代表著汽車行業的最高技術水平和創新能力。路洪洲博士表示在汽車智能化和電動化作為行業發展主要前沿方向的今天,以結構安全和輕量化為創新點的新材料和零部件技術能獲得行業的高度認同,也說明了以下幾點:
  
  第一,材料工藝和輕量化技術仍有很大的創新空間,需要業內同仁群策群力、協同合作;
  
  第二,從解決行業的痛點、難點問題以及終端用戶需求著手并提出切實可行的解決方案作為研發和創新的切入點,是可以得到行業認可的;
  
  第三,以解決存在的應用問題為目標,同時解決背后的科學問題,才能有更高水平的創新;
  
  第四,國內外很多所謂的“成熟”技術,仍然有很多再創新的潛力可挖,通過自主原始創新也完全可以超越國外。
  
  高性能熱成形馬氏體鋼的開發與應用
  
  最近的十年內,熱成形鋼和熱沖壓零部件已經得到了普遍應用,目前,每年全球的熱成形零部件應用量已經達到了5億件,中國的熱沖壓成形生產線已經達到了140條,極大地支撐了汽車的安全和節能減排。但事實上,22MnB5并非針對汽車使用開發的,最初用于農業機械,直到世紀80年代由薩博汽車首次用于汽車零部件制造。顯然農業機械的使用需求和汽車零部件使用需求完全不同,盡管熱沖壓的設備、熱成形零件工藝和設計進行過多次較大的革新,過去的30年22MnB5熱成形材料基本沒有變化,這為汽車的安全埋下了隱患。主要是熱成形零部件韌性不足的安全隱患和氫致延遲斷裂的安全隱患。比較典型的案例是裝車的熱沖壓成形A柱加強件在整車碰撞時,在設定的侵入量范圍內斷裂,呈現出韌性不足的問題。或者門防撞件在三點彎曲抽檢測試后24-48小時內開裂等,斷口分析呈現出典型的氫脆斷裂。這意味著一旦所使用的熱沖壓成形件存在彎曲吸能性能不足以及氫致延遲斷裂問題,在汽車發生碰撞時,僅幾百兆帕的沖擊載荷就可以將原設計為1500MPA的熱沖壓成形零部件造成斷裂,致使障礙物或者其他碰撞車輛等侵入乘員艙,造成傷害。如果事故認定為熱沖壓成形件脆斷所致,其索賠和召回將給整車企業和熱沖壓成形企業造成不可估量的經濟損失,同時也會對整個熱成形產業造成深遠的影響。
  
  圖片來源于網絡
  
  “高性能熱成形馬氏體鋼開發及其在汽車安全件上的應用”項目團隊對高性能熱成形馬氏體鋼的開發及其在汽車安全件上的應用進行了系統研究。包括:
  
  1)項目在傳統熱成形鋼22MnB5基礎上進行了Nb、V復合微合金成分設計,基于現代熱力學理論分析了新材料的相變規律、第二相析出行為和連續冷卻轉變曲線,以及力學性能、微觀組織和淬透性等實驗結果,最終確定了0.03-0.05% Nb和V微合金化的成分優化方案。
  
  2)項目針對22MnB5NbV的成分特點,合理制定了該鋼種的煉軋工藝,包括RH精煉脫氣、鑄坯緩冷、熱裝、低溫卷取等工藝技術,形成了22MnB5NbV熱成形的全譜系板材產品,批量生產結果表明該鋼種煉軋工藝良好。
  
  3)項目系統研究了淬火態22MnB5NbV準平面應變狀態極限尖冷彎、動態力學、沖擊韌性、氫致延遲斷裂和復雜應力狀態下斷裂特性。研究表明:該鋼在保證強度的前提下,極限尖冷彎角達到70度,滿足了奔馳和寶馬對材料韌性的要求(冷彎角不小于60度);在0.9倍抗拉強度的彎曲載荷和0.5mol/L鹽酸環境中,該鋼實現300小時不開裂,遠超過22MnB5的氫致延遲斷裂指標,通過精細的三維原子探針實驗探討了氫致延遲斷裂的機理;建立了材料動態力學性能的BP神經網絡模型,預測了材料在高應變速率中的流變特性與安全件碰撞吸能之間的關系。
  
  4)項目基于材料淬透性的提升,采用熱-力-相變耦合數學模型結合反凸模、壓力均衡加載等先進技術,確定了該鋼的熱成形工藝,提高了熱成形零件的成品率和生產率。
  
  5)項目提出了基于安全服役工況的汽車熱成形結構件材料性能-零部件功能-裝車應用的正向開發體系。基于材料的動態吸能模型和以應力三軸度、洛德角為變量的三維斷裂模型,預測了熱成形B柱的三點靜壓和低速臺車碰撞服役性能,并進行了實驗驗證;進行了22MnB5NbV熱成形零件在目標車型的裝車應用研究,在安全和輕量化可靠性上取得了良好的效果。
  
  該項目實現技術創新如下:
  
  1)基于Nb、V復合微合金化的設計思想,用現代熱力學理論結合力學性能實驗創新設計了新型熱成形鋼22MnB5NbV,提出了鈮釩復合微合金化熱成形鋼的綜合強化機理;
  
  2)針對新型鋼種的性能首次提出和應用了極限尖冷彎、動態力學、沖擊韌性、氫致延遲斷裂和復雜應力狀態斷裂特性的多維度評價思想和方法,系統準確地表征了熱成形鋼的韌性,為該類鋼種在汽車安全件上的應用提供了可靠的依據;
  
  3)項目在國內首次進行了汽車用超高強鋼系統的氫致延遲斷裂性能研究,在通過精細的三維原子探針實驗結果深入認識氫致延遲斷裂機理的前提下,制定了超高強鋼氫致延遲斷裂性能的評價標準。基于V對材料淬透性的提升以及Nb、V碳化物的析出和對組織性能影響的計算和實驗結果,制定了高成品率和高生產率的熱成形零件制造工藝技術,提出了改善工藝性能、提高成品率的路徑和方法。創新性提出了基于安全服役工況的汽車熱成形結構件材料性能-零部件功能-裝車應用的正向開發體系。
  
  路洪洲博士表示,“高性能熱成形馬氏體鋼開發及其在汽車安全件上的應用”項目共授權專利32項,其中發明專利21項;發表論文52篇,其中SCI收錄11篇,EI收錄27篇;制定技術標準19項,其中行業標準5項,企業標準14項;出版著述8部,其中專著2部。項目承擔單位共獲得經濟效益375.6億元,其中直接經濟效益1.86億元,間接經濟效益373.8億元。
  
  熱成形材料新技術開發與創新過程
  
  據悉,2012年,路洪洲博士和汽車行業著名材料專家馬鳴圖博士以及中國汽研趙巖博士等商討開發熱成形新技術事宜,先后對國內外的材料評價標準進行匯總分析,對國內外量產的熱成形材料進行對比測試,并對某知名零部件企業發生延遲斷裂的零件進行專業失效機理分析。基于中信金屬在鈮微合金化對熱成形材料作用的研究基礎,以及中國汽研承擔的國家科研課題的研究基礎以及中國汽研對于鈮釩復合汽車彈簧鋼、非調質鋼、防彈鋼等開發經驗,雙方將新鋼種定義為鈮釩復合的微合金化開發思路和設計思想。并由中信金屬牽頭組建包括中信金屬股份有限沙巴体育足球开户、中國汽車工程研究院股份有限沙巴体育足球开户、馬鞍山鋼鐵股份有限沙巴体育足球开户、重慶長安汽車股份有限沙巴体育足球开户、安徽江淮汽車集團股份有限沙巴体育足球开户、東莞市豪斯特熱沖壓技術有限沙巴体育足球开户等的聯合攻關項目并提供經費支持,期間聯合上海交通大學等申報自然科學基金委的汽車基金課題等國家和省市課題。
  
  技術研究實施過程中,中國汽研研究了通過熱力學計算及相關試驗確定了最優鋼種成分方案;進行了材料多維度性能評價的研究、提出了新型熱成形鋼的強化機制。建立了熱-力-相變耦合的熱成形數學模型,為熱成形工藝參數制定提供了依據。基于汽車安全件的服役性能,完成了B柱三點靜壓和低速臺車碰撞性能的模擬與實驗工作。中信金屬股份和中國汽研共同提出了提出Nb+V復合微合金化的設計思想,進行了微合金化熱成形鋼板成分優化、微觀組織表征、鋼板的冷彎及氫脆、熱成形B柱三點靜壓等方面的研究。在中國汽車工程學會的支持下,與中國汽研聯合牽頭制定了“超高強度汽車鋼板氫致延遲斷裂敏感性測試及評價規范”和“汽車用鋼板極限尖冷彎性能測試及評價規范”兩項CSAE標準。馬鞍山鋼鐵股份有限沙巴体育足球开户主要參與了22MnB5NbV的成分設計、工業化量產、熱成形零件試制、低速臺車碰撞服役性能等方面的研究。重慶長安汽車負責凌軒、CS55兩款車型22MnB5NbV熱成形零件的輕量化方案設計、裝車及驗證等工作。安徽江淮汽車完成了22MnB5NbV熱成形零件氫致延遲斷裂性能的評價,并進行了瑞風S3等5款車型的裝車應用。東莞豪斯特開展了高性能熱沖壓零件成形工藝、模具開發、產品質量控制等方面的關鍵技術研究,實現了高性能熱成形汽車零件制造產業化,為長安汽車等多家車企完成高性能熱成形零件產品配套。上海交通大學 參與了微合金熱成形鋼的熱力學分析、氫致延遲斷裂性能及微觀組織表征等方面的工作。期間,由中國汽研牽頭召開了4次熱成形鋼國際會議,中信金屬和中國汽研牽頭召開了兩次高強度鋼氫致延遲斷裂會議,項目團隊在進行技術開發和技術創新的同時,積極推動行業的技術進步與合作交流。
  
  高品質熱成形鋼生產線的應用推廣
  
  據路洪洲博士表示,高性能熱成形馬氏體鋼目前已經實現量產,其熱成形件在江淮和長安多款車型上得到應用,并指導重慶某汽車零部件有限沙巴体育足球开户建成一條高品質熱成形產線,依托于熱成形鋼/零件性能的多維度測試評價技術成果,在多家企業中進行了推廣應用,對熱成形鋼品質的提升起到了良好的促進作用,項目取得了良好的經濟和社會效益。下一步將開發鈮釩復合微合金化的1800MPa和2000MPa的高強韌性、高氫致延遲斷裂抗力的熱成形鋼和零部件,與通用汽車等國內外整車企業繼續加強合作,推動該系列高性能材料和技術的更大規模應用。另外中信金屬股份與悉尼大學在氫陷阱表征方面已經取得突破,屆時將向行業上下游分享研究成果。在氫脆機理方面,中國汽研和東北大學等正在開發基于第一性原理的氫脆機理研究,取得突破后也將向業界分享研究成果。目前中信金屬股份也在尋求與上下游企業之間的合作機會,以推動高性能材料的開發和產業化應用。
  
  重視材料技術在汽車產業的基礎性作用
  
  在汽車開發制造過程中,材料是基礎、工藝是紐帶、設計是龍頭,三者缺一不可。路洪洲博士表示,只有開發出高性能、高性價比的、可規模工業化生產的材料,汽車工業才能不斷的進行產業升級和技術更新,材料和工藝在汽車行業不是最關鍵的領域,但發揮著重要的作用,如全鋁車身的開發和應用、碳纖維車身的開發和應用,硅鋼和納米晶材料的開發和應用等等,極大地支持了車身技術和電機、電控技術的技術革新。材料工程師往往是隱形英雄,默默地支持汽車工業的發展。
  
  路洪洲博士認為,材料工程師應該以電動化、輕量化等行業熱點為抓手,在傳統汽車材料(如鋼材、鋁合金鎂合金復合材料)、三電材料等方面繼續進行創新。另外材料工程師應該聯合上下游資源創建一些實用的工具,如開發正向選材系統實現“合適的材料用在合適的地方”等工具和手段,支撐整車的正向開發和技術創新。也應該將真實的應用問題和業界的經驗反饋到科研院所等研究機構中,與高校和第三方研究機構深入合作,研究應用背后的科學問題,再從原理和機理的角度來解決實際的應用問題,切實支撐企業和行業發展。國家提出創新驅動發展和我國經濟的高質量發展,材料工程師只有將創新落到產品上、技術落到應用上、工藝落到質量上才能真正為國家和企業做出更大的貢獻。
  
  專家信息:
  
  路洪洲,男,工學博士,九三學社社員,高級工程師。曾任中國汽車工程研究院材料工藝部部長、輕量化分中心副主任。現任中信金屬股份高級經理/汽車技術總監、集團高級專家。先后兼任九三學社中央參政黨理論研究中心研究員、九三學社中信支社主委、中汽協會車輪分會理事、中國公路學會運輸與物流分會理事、中汽學會越野車分會委員、貨運裝備分會委員、材料分會委員、重慶市材料學會常務理事、吉林大學校外研究生導師、中信集團高級職稱評審委員會評委(2016年)等。
  
  2003年開始從事汽車開發和管理工作,先后承擔國家863課題4項,科技部國際合作1項,國家支撐計劃課題3項,主持重慶市自然科學基金1項、澳大利亞linkage Project課題1項及主持數30余項汽車零部件及材料開發項目,先后提出并推動了“中國汽車輕量化數據庫”、“汽車正向選材系統”、“系列輕量化解決方案”、“中國輕量化車身會議”、“Benchmark會議”、“汽車EVI及高強度鋼氫脆會議”等行業平臺。先后出版《乘用車輕量化及微合金化鋼應用》《世界汽車車身技術及輕量化技術研究》等著述5部、發表論文90余篇、授權發明專利6項,獲中國汽車工業科技進步獎三等獎和徐州市科技進步一等獎等獎項。目前在中信金屬股份有限沙巴体育足球开户負責汽車業務,包括汽車輕量化、新能源汽車等技術營銷、技術開發和技術管理工作,具體包括車身、車輪、車架、專用車上裝等開發和制造,以及電池、電機、電磁兼容等新能源汽車三電的優化。
  
  項目第一完成人 趙巖博士
  
  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,中國汽研數據采集及應用中心主任、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。先后為中汽院輕量化中心汽車用鋼學科帶頭人、英國開放大學材料工程系Research fellow。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。
 
連接技術 新能源
 
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