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专访丨中信金属 路洪洲博士:高性能热成形马氏体钢的创新开发与应用

   日期:2019-10-10     来源:太阳城娱乐集团    评论:0       [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:近期,2019年度“中国汽车工业科学技术奖”终评会在长沙成功召开,4项材料领域技术获得“中国汽车工业科学技术奖”,其中“高性能热成形马氏体钢开发及其在汽车安全件上的应用”项目荣获一等奖。该项目完成单位为中国汽车工程研究院股份有限太阳城娱乐、中信金属股份有限太阳城娱乐、马鞍山钢铁股份有限太阳城娱乐、重庆长安汽车股份有限太阳城娱乐、安徽江淮汽车集团有限太阳城娱乐、东莞市豪斯特热冲压技术有限太阳城娱乐。
   【中国汽车材料网】近期,2019年度“中国汽车工业科学技术奖”终评会在长沙成功召开,4项材料领域技术获得“中国汽车工业科学技术奖”,其中“高性能热成形马氏体钢开发及其在汽车安全件上的应用”项目荣获一等奖。该项目完成单位为中国汽车工程研究院股份有限太阳城娱乐、中信金属股份有限太阳城娱乐、马鞍山钢铁股份有限太阳城娱乐、重庆长安汽车股份有限太阳城娱乐、安徽江淮汽车集团有限太阳城娱乐、东莞市豪斯特热冲压技术有限太阳城娱乐。
  
  获奖项目中高性能热成形马氏体钢的开发得到了中信铌钢发展奖励基金资助,中国太阳城娱乐集团邀请到中信金属股份有限太阳城娱乐汽车技术总监、集团高级专家路洪洲博士,与我们一起谈谈高性能热成形马氏体钢的创新开发及应用过程。
  
  汽车工业科技进步奖是我国汽车工业的最高奖励,从近10年的汽车工业奖记录中来看,材料与工艺领域活动行业荣获一等奖,最早还要追溯到2012年?;竦闷倒ひ悼萍冀浇币坏冉贝碜牌敌幸档淖罡呒际跛胶痛葱履芰?。路洪洲博士表示在汽车智能化和电动化作为行业发展主要前沿方向的今天,以结构安全和轻量化为创新点的新材料和零部件技术能获得行业的高度认同,也说明了以下几点:
  
  第一,材料工艺和轻量化技术仍有很大的创新空间,需要业内同仁群策群力、协同合作;
  
  第二,从解决行业的痛点、难点问题以及终端用户需求着手并提出切实可行的解决方案作为研发和创新的切入点,是可以得到行业认可的;
  
  第三,以解决存在的应用问题为目标,同时解决背后的科学问题,才能有更高水平的创新;
  
  第四,国内外很多所谓的“成熟”技术,仍然有很多再创新的潜力可挖,通过自主原始创新也完全可以超越国外。
  
  高性能热成形马氏体钢的开发与应用
  
  最近的十年内,热成形钢和热冲压零部件已经得到了普遍应用,目前,每年全球的热成形零部件应用量已经达到了5亿件,中国的热冲压成形生产线已经达到了140条,极大地支撑了汽车的安全和节能减排。但事实上,22MnB5并非针对汽车使用开发的,最初用于农业机械,直到世纪80年代由萨博汽车首次用于汽车零部件制造。显然农业机械的使用需求和汽车零部件使用需求完全不同,尽管热冲压的设备、热成形零件工艺和设计进行过多次较大的革新,过去的30年22MnB5热成形材料基本没有变化,这为汽车的安全埋下了隐患。主要是热成形零部件韧性不足的安全隐患和氢致延迟断裂的安全隐患。比较典型的案例是装车的热冲压成形A柱加强件在整车碰撞时,在设定的侵入量范围内断裂,呈现出韧性不足的问题?;蛘呙欧雷布谌阃淝?a href="http://www.ellasmiracle.com/testing/" target="_blank">检测试后24-48小时内开裂等,断口分析呈现出典型的氢脆断裂。这意味着一旦所使用的热冲压成形件存在弯曲吸能性能不足以及氢致延迟断裂问题,在汽车发生碰撞时,仅几百兆帕的冲击载荷就可以将原设计为1500MPA的热冲压成形零部件造成断裂,致使障碍物或者其他碰撞车辆等侵入乘员舱,造成伤害。如果事故认定为热冲压成形件脆断所致,其索赔和召回将给整车企业和热冲压成形企业造成不可估量的经济损失,同时也会对整个热成形产业造成深远的影响。
  
  图片来源于网络
  
  “高性能热成形马氏体钢开发及其在汽车安全件上的应用”项目团队对高性能热成形马氏体钢的开发及其在汽车安全件上的应用进行了系统研究。包括:
  
  1)项目在传统热成形钢22MnB5基础上进行了Nb、V复合微合金成分设计,基于现代热力学理论分析了新材料的相变规律、第二相析出行为和连续冷却转变曲线,以及力学性能、微观组织和淬透性等实验结果,最终确定了0.03-0.05% Nb和V微合金化的成分优化方案。
  
  2)项目针对22MnB5NbV的成分特点,合理制定了该钢种的炼轧工艺,包括RH精炼脱气、铸坯缓冷、热装、低温卷取等工艺技术,形成了22MnB5NbV热成形的全谱系板材产品,批量生产结果表明该钢种炼轧工艺良好。
  
  3)项目系统研究了淬火态22MnB5NbV准平面应变状态极限尖冷弯、动态力学、冲击韧性、氢致延迟断裂和复杂应力状态下断裂特性。研究表明:该钢在保证强度的前提下,极限尖冷弯角达到70度,满足了奔驰和宝马对材料韧性的要求(冷弯角不小于60度);在0.9倍抗拉强度的弯曲载荷和0.5mol/L盐酸环境中,该钢实现300小时不开裂,远超过22MnB5的氢致延迟断裂指标,通过精细的三维原子探针实验探讨了氢致延迟断裂的机理;建立了材料动态力学性能的BP神经网络模型,预测了材料在高应变速率中的流变特性与安全件碰撞吸能之间的关系。
  
  4)项目基于材料淬透性的提升,采用热-力-相变耦合数学模型结合反凸模、压力均衡加载等先进技术,确定了该钢的热成形工艺,提高了热成形零件的成品率和生产率。
  
  5)项目提出了基于安全服役工况的汽车热成形结构件材料性能-零部件功能-装车应用的正向开发体系?;诓牧系亩苣P秃鸵杂αθ岫?、洛德角为变量的三维断裂模型,预测了热成形B柱的三点静压和低速台车碰撞服役性能,并进行了实验验证;进行了22MnB5NbV热成形零件在目标车型的装车应用研究,在安全和轻量化可靠性上取得了良好的效果。
  
  该项目实现技术创新如下:
  
  1)基于Nb、V复合微合金化的设计思想,用现代热力学理论结合力学性能实验创新设计了新型热成形钢22MnB5NbV,提出了铌钒复合微合金化热成形钢的综合强化机理;
  
  2)针对新型钢种的性能首次提出和应用了极限尖冷弯、动态力学、冲击韧性、氢致延迟断裂和复杂应力状态断裂特性的多维度评价思想和方法,系统准确地表征了热成形钢的韧性,为该类钢种在汽车安全件上的应用提供了可靠的依据;
  
  3)项目在国内首次进行了汽车用超高强钢系统的氢致延迟断裂性能研究,在通过精细的三维原子探针实验结果深入认识氢致延迟断裂机理的前提下,制定了超高强钢氢致延迟断裂性能的评价标准?;赩对材料淬透性的提升以及Nb、V碳化物的析出和对组织性能影响的计算和实验结果,制定了高成品率和高生产率的热成形零件制造工艺技术,提出了改善工艺性能、提高成品率的路径和方法。创新性提出了基于安全服役工况的汽车热成形结构件材料性能-零部件功能-装车应用的正向开发体系。
  
  路洪洲博士表示,“高性能热成形马氏体钢开发及其在汽车安全件上的应用”项目共授权专利32项,其中发明专利21项;发表论文52篇,其中SCI收录11篇,EI收录27篇;制定技术标准19项,其中行业标准5项,企业标准14项;出版著述8部,其中专著2部。项目承担单位共获得经济效益375.6亿元,其中直接经济效益1.86亿元,间接经济效益373.8亿元。
  
  热成形材料新技术开发与创新过程
  
  据悉,2012年,路洪洲博士和汽车行业著名材料专家马鸣图博士以及中国汽研赵岩博士等商讨开发热成形新技术事宜,先后对国内外的材料评价标准进行汇总分析,对国内外量产的热成形材料进行对比测试,并对某知名零部件企业发生延迟断裂的零件进行专业失效机理分析?;谥行沤鹗粼陬晡⒑辖鸹匀瘸尚尾牧献饔玫难芯炕?,以及中国汽研承担的国家科研课题的研究基础以及中国汽研对于铌钒复合汽车弹簧钢、非调质钢、防弹钢等开发经验,双方将新钢种定义为铌钒复合的微合金化开发思路和设计思想。并由中信金属牵头组建包括中信金属股份有限太阳城娱乐、中国汽车工程研究院股份有限太阳城娱乐、马鞍山钢铁股份有限太阳城娱乐、重庆长安汽车股份有限太阳城娱乐、安徽江淮汽车集团股份有限太阳城娱乐、东莞市豪斯特热冲压技术有限太阳城娱乐等的联合攻关项目并提供经费支持,期间联合上海交通大学等申报自然科学基金委的汽车基金课题等国家和省市课题。
  
  技术研究实施过程中,中国汽研研究了通过热力学计算及相关试验确定了最优钢种成分方案;进行了材料多维度性能评价的研究、提出了新型热成形钢的强化机制。建立了热-力-相变耦合的热成形数学模型,为热成形工艺参数制定提供了依据?;谄蛋踩姆坌阅?,完成了B柱三点静压和低速台车碰撞性能的模拟与实验工作。中信金属股份和中国汽研共同提出了提出Nb+V复合微合金化的设计思想,进行了微合金化热成形钢板成分优化、微观组织表征、钢板的冷弯及氢脆、热成形B柱三点静压等方面的研究。在中国汽车工程学会的支持下,与中国汽研联合牵头制定了“超高强度汽车钢板氢致延迟断裂敏感性测试及评价规范”和“汽车用钢板极限尖冷弯性能测试及评价规范”两项CSAE标准。马鞍山钢铁股份有限太阳城娱乐主要参与了22MnB5NbV的成分设计、工业化量产、热成形零件试制、低速台车碰撞服役性能等方面的研究。重庆长安汽车负责凌轩、CS55两款车型22MnB5NbV热成形零件的轻量化方案设计、装车及验证等工作。安徽江淮汽车完成了22MnB5NbV热成形零件氢致延迟断裂性能的评价,并进行了瑞风S3等5款车型的装车应用。东莞豪斯特开展了高性能热冲压零件成形工艺、模具开发、产品质量控制等方面的关键技术研究,实现了高性能热成形汽车零件制造产业化,为长安汽车等多家车企完成高性能热成形零件产品配套。上海交通大学 参与了微合金热成形钢的热力学分析、氢致延迟断裂性能及微观组织表征等方面的工作。期间,由中国汽研牵头召开了4次热成形钢国际会议,中信金属和中国汽研牵头召开了两次高强度钢氢致延迟断裂会议,项目团队在进行技术开发和技术创新的同时,积极推动行业的技术进步与合作交流。
  
  高品质热成形钢生产线的应用推广
  
  据路洪洲博士表示,高性能热成形马氏体钢目前已经实现量产,其热成形件在江淮和长安多款车型上得到应用,并指导重庆某汽车零部件有限太阳城娱乐建成一条高品质热成形产线,依托于热成形钢/零件性能的多维度测试评价技术成果,在多家企业中进行了推广应用,对热成形钢品质的提升起到了良好的促进作用,项目取得了良好的经济和社会效益。下一步将开发铌钒复合微合金化的1800MPa和2000MPa的高强韧性、高氢致延迟断裂抗力的热成形钢和零部件,与通用汽车等国内外整车企业继续加强合作,推动该系列高性能材料和技术的更大规模应用。另外中信金属股份与悉尼大学在氢陷阱表征方面已经取得突破,届时将向行业上下游分享研究成果。在氢脆机理方面,中国汽研和东北大学等正在开发基于第一性原理的氢脆机理研究,取得突破后也将向业界分享研究成果。目前中信金属股份也在寻求与上下游企业之间的合作机会,以推动高性能材料的开发和产业化应用。
  
  重视材料技术在汽车产业的基础性作用
  
  在汽车开发制造过程中,材料是基础、工艺是纽带、设计是龙头,三者缺一不可。路洪洲博士表示,只有开发出高性能、高性价比的、可规模工业化生产的材料,汽车工业才能不断的进行产业升级和技术更新,材料和工艺在汽车行业不是最关键的领域,但发挥着重要的作用,如全铝车身的开发和应用、碳纤维车身的开发和应用,硅钢和纳米晶材料的开发和应用等等,极大地支持了车身技术和电机、电控技术的技术革新。材料工程师往往是隐形英雄,默默地支持汽车工业的发展。
  
  路洪洲博士认为,材料工程师应该以电动化、轻量化等行业热点为抓手,在传统汽车材料(如钢材、铝合金、镁合金、复合材料)、三电材料等方面继续进行创新。另外材料工程师应该联合上下游资源创建一些实用的工具,如开发正向选材系统实现“合适的材料用在合适的地方”等工具和手段,支撑整车的正向开发和技术创新。也应该将真实的应用问题和业界的经验反馈到科研院所等研究机构中,与高校和第三方研究机构深入合作,研究应用背后的科学问题,再从原理和机理的角度来解决实际的应用问题,切实支撑企业和行业发展。国家提出创新驱动发展和我国经济的高质量发展,材料工程师只有将创新落到产品上、技术落到应用上、工艺落到质量上才能真正为国家和企业做出更大的贡献。
  
  专家信息:
  
  路洪洲,男,工学博士,九三学社社员,高级工程师。曾任中国汽车工程研究院材料工艺部部长、轻量化分中心副主任。现任中信金属股份高级经理/汽车技术总监、集团高级专家。先后兼任九三学社中央参政党理论研究中心研究员、九三学社中信支社主委、中汽协会车轮分会理事、中国公路学会运输与物流分会理事、中汽学会越野车分会委员、货运装备分会委员、材料分会委员、重庆市材料学会常务理事、吉林大学校外研究生导师、中信集团高级职称评审委员会评委(2016年)等。
  
  2003年开始从事汽车开发和管理工作,先后承担国家863课题4项,科技部国际合作1项,国家支撑计划课题3项,主持重庆市自然科学基金1项、澳大利亚linkage Project课题1项及主持数30余项汽车零部件及材料开发项目,先后提出并推动了“中国汽车轻量化数据库”、“汽车正向选材系统”、“系列轻量化解决方案”、“中国轻量化车身会议”、“Benchmark会议”、“汽车EVI及高强度钢氢脆会议”等行业平台。先后出版《乘用车轻量化及微合金化钢应用》《世界汽车车身技术及轻量化技术研究》等著述5部、发表论文90余篇、授权发明专利6项,获中国汽车工业科技进步奖三等奖和徐州市科技进步一等奖等奖项。目前在中信金属股份有限太阳城娱乐负责汽车业务,包括汽车轻量化、新能源汽车等技术营销、技术开发和技术管理工作,具体包括车身、车轮、车架、专用车上装等开发和制造,以及电池、电机、电磁兼容等新能源汽车三电的优化。
  
  项目第一完成人 赵岩博士
  
  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,中国汽研数据采集及应用中心主任、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。先后为中汽院轻量化中心汽车用钢学科带头人、英国开放大学材料工程系Research fellow。负责或承??萍疾?、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。
 
连接技术 新能源
 
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