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自主零部件技术突围之路系列报道之六|抗拉强度超过2GPa 自主研发超高强钢实现工业化量产
2018年01月12日 06:00 中国汽车报网 赵玲玲

北汽新能源ARCFOX LITE

  不夸张地说,这是一个“破冰”的研发成果,在本领域内实现了国际领先。

  它就是由东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室教授易红亮带领团队研发、抗拉强度超过2GPa的超高强韧热冲压成形钢新钢种。据了解,该钢种在本钢板材有限公司实现了工业化量产,并成功应用于北汽新能源ARCFOX LITE上。

  一直以来,续驶里程有限一直成为电动汽车推广的掣肘之一。车企往往选择增加动力电池作为应对,但正因如此,也使车身减重的需求远大于传统燃油车。电动汽车车身要更轻,强度也不能打折扣,对车用材料提出了更高要求。易红亮和他的团队究竟如何通过技术创新,使电动汽车“避重就轻”,成功为我国汽车行业在材料领域的国际竞争中扳下一城?

  ■填补车用超高强钢的空白

  易红亮团队研发的超高强韧热冲压成形钢新钢种批量工业应用,意味着我国在汽车超高强用钢方面首次实现重要突破。根据其合作方通用汽车中国科学研究院评估分析,与其他国际钢铁巨头的1.8GPa强度钢比较,新材料在全球范围内首次实现了2GPa以上超高强度兼备优良韧性和延伸率的技术突破,其强度、延伸率和韧性均优于国际前沿水平。

  事实上,单纯从产量上来看,我国无疑是一个钢铁大国,从上世纪末开始,钢铁产量已连续十多年稳居世界第一,企业几乎可满足市场对车用高强钢板的所有需求。但是,我国缺乏全球领先、拥有高附加值的钢铁技术和产品。

  在汽车领域,超高强钢板是目前车辆A柱、B柱、保险杠、边梁、门梁等重要安全防护部件用钢的重要选择对象。而且,这些部件对超高强钢强度与性能的要求还在不断提升。因此,研发性能优异的车用超高强钢成为我国相关研发人员的目标和方向。易红亮及其团队的这一研究成果堪称我国车用超高强钢板取得自主创新成果的重要标志。

  对此,奇瑞汽车股份有限公司研究主任工程师、轻量化技术负责人李军表示,在车用材料领域,要满足标准法规的要求,传统的铝合金和软钢刚度不够,而如果加厚材料满足刚度,又无法实现轻量化。在这方面,高强度热成型钢是不错的选择。目前,行业多采用1.5Gpa热成型钢,易红亮团队研发的2GPa级产品在实现同等性能条件下,材料更薄,使整车的轻量化效果明显。

  李军进一步指出,在多材料轻量化技术路径下,高强度钢拥有比铝更高的刚度优势,迎来了新的机遇。

  ■“刚柔并济”的2GPa级高强钢

  易红亮在接受《中国汽车报》记者独家专访时表示,相比传统热冲压成形高强钢,他们研发的2GPa级超高强钢性能提高20%,比各大钢铁巨头开发的1.8GPa级热冲压高强钢性能提高9%以上。

  然而,实现超高的强度并不是惟一,在确保热冲压构件延展率和韧性的同时,协调和平衡超高强度与韧性、延伸率的关系并将抗拉强度提高至1.8GPa以上,意味着更大的挑战。

  开发更高强度热冲压成形钢的技术瓶颈在于,如何使1.8~2GPa级热成形钢达到1.5GPa的22MnB5同等延伸率和韧性,这是摆在无数科研人员面前的难题。

  面对高强钢性能的提升,国内外研究人员也做了许多尝试,但结果似乎并不很理想,要么成本太高,要么是在牺牲一方面性能的基础上实现另一方面性能的提高,总之未能最终形成产品。在易红亮看来:“技术进步的根本在于创新,但创新的思想需要结合产业链的需求。而要推动技术进步形成商业化的产品,离不开全产业链视角,应以技术需求和瓶颈为导向,结合实际进行创新性的研发。”

  “我们一开始就基于热冲压全产业链考虑问题,在不使工艺变复杂的基础上,采用新思路在材料设计上下功夫,聚焦强度与韧性矛盾的技术瓶颈,创新性地提出用含量较高的矾作为合金元素,这也成为这次研发成果的核心创新点。”易红亮告诉记者,他与团队成员针对如何解决汽车用1.8GPa以上超高强热冲压成形钢的强度、韧性及延伸率之间的矛盾,提出将钒微合金化与热冲压工艺条件耦合实现晶粒细化,并通过纳米碳化钒析出降低马氏体中的碳含量,从物理上抑制1.8GPa热冲压成形钢中脆性马氏体生成,从根本上改善材料韧性;并以马氏体强化、晶粒细化及纳米碳化钒析出三种强化机制的“组合拳”实现强度突破2GPa,真正研发出“刚柔并济”的新钢种。简言之,该钢种不仅具有超高的强度,还有良好的变形能力和韧性,可全方位满足汽车安全结构件的要求。

  ■可实现低成本量产前景向好

  项目从立项到在新车型上应用,只有短短三年时间,为何2Gpa级高强钢的研发能创下如此佳绩?

  这或许得益于易红亮对汽车产业的深入思考:“我之前一直与通用汽车中国科学研究院紧密合作,密切关注整车企业对高性能轻量化材料最前沿的需求,并深入思考碰撞安全对汽车高强钢的核心需求,以低成本为出发点,为整车企业实现轻量化做材料设计与研发。”

  据介绍,目前全球1.5GPa级的22MnB5热冲压钢用量在500万吨左右,中国的用量也在百万吨左右,而且还将持续增长。如果新的更高强度材料实现更轻量化,同时对整个产业链的原有生产模式与工艺等也不会造成影响,那么这种材料很容易就会替换当前材料,并实现大范围推广。易红亮表示:“基于以上思路,我们最开始与本钢合作,开发汽车轻量化用钢。然后,经整车企业验证得出,该材料性能优于国际先进水平。2016年年初,我们又开始与北汽新能源合作,2017年中旬产品通过该公司车辆碰撞验证,9月成功应用在量产车上。”

  李军告诉记者,对于钒微合金化的热成型高强钢,钢厂的生产工艺不需做大幅调整,所以成本可控。而且,采用国内工艺就可以生产出性能优异的钢材。同时,这种新材料对整车制造的四大工艺没有影响,成本也可控。这些是新材料实现应用的重要基础。“2Gpa级高强钢的研发,是我国车用钢领域的重大进展之一,不仅是前沿技术,而且产业化应用意义很大。”他说。

  易红亮对记者透露,目前汽车行业对这款新型超高强钢很感兴趣,4家自主品牌车企、2家跨国车企正在做技术推广验证。

(编辑:庞国霞)

责任编辑:胡晓实
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