科技新進展：熱沖壓鋼高韌性AlSi鍍層技術開發(fā)與應用
作者：大鑫機械 發(fā)布時間：2024-10-11 08:07:02點擊：
隨著世界各國家和地區(qū)節(jié)能減排法律法規(guī)的日趨嚴格，汽車輕量化已成為全球汽車行業(yè)關注和亟待解決的焦點問題。高強度鋼鐵材料的使用能夠在保證安全的前提下實現零件的減薄，是汽車輕量化最經濟、有效的解決方案。采用冷沖壓成形制備高強度汽車零件時面臨回彈大、模具磨損嚴重、零件易沖壓開裂等問題，目前抗拉強度超過1500MPa的汽車零件只能通過熱沖壓成形制造。熱沖壓成形是指將鋼板加熱至奧氏體化狀態(tài)，然后轉移到模具內沖壓成形，同時利用模具導熱快速淬火使零件得到高強度馬氏體組織，成功解決了鋼板強度和成形性的矛盾。熱沖壓用鋼包括無鍍層產品（以下簡稱裸板）和鍍層產品。在熱沖壓成形過程中，采用裸板沖壓成形時，需在氮氣或氬氣等保護氣氛下加熱，以避免產生氧化皮和脫碳，然而送料和成形過程中的氧化則無法避免。氧化皮將影響到板料與模具接觸表面的狀態(tài)，既降低了模具和板料界面的接觸換熱系數，又增大了鋼板與模具的摩擦系數。沖壓時，脫落的氧化鐵皮將磨損模具表面，影響零件的成形質量以及模具壽命。更重要的是，裸板的熱沖壓成形構件必須進行噴丸或酸洗處理，以去除該氧化層后再進行汽車裝配和涂裝。噴丸處理會使零件殘余應力釋放而發(fā)生變形，導致汽車的裝配精度下降；酸洗處理會增加構件的氫致延遲開裂風險。上述兩種方式還存在潛在的環(huán)保問題并伴隨著生產成本的增加。此外，汽車廠普遍希望汽車部件具有更優(yōu)異的耐蝕性能。因此，開發(fā)帶涂層的熱沖壓成形用鋼板就成為熱沖壓成形技術發(fā)展的迫切需要。為了避免熱沖壓加熱和轉移過程中鋼板表面發(fā)生氧化和脫碳，通常在熱沖壓加熱前鋼板表面涂鍍一層金屬或合金，目前國內外研發(fā)出的鍍層主要有純鋅、合金化鋅鐵、鋅鎳以及鋁硅（AlSi）鍍層等，工業(yè)上應用最廣泛的為AlSi鍍層，其它鍍層僅有少量或未實現工業(yè)應用。熱沖壓鋼AlSi鍍層技術由全球最大的鋼鐵公司安賽樂米塔爾開發(fā)，于1999年申請了首個專利，保護其AlSi鍍層應用于熱沖壓成形鋼的原創(chuàng)技術，并在全球絕大多數工業(yè)國家獲得授權；安賽樂米塔爾于2006年申請了第二個核心專利，保護鍍層厚度和加熱工藝窗口等具體產品特征及其生產工藝，在全球絕大多數工業(yè)國家獲得授權，全球汽車企業(yè)均按照該專利所述的鍍層厚度范圍與工藝窗口制定了相應標準。該技術主要為熱沖壓前在22MnB5鋼板表面熱浸鍍一層鋁硅合金，鍍層典型成分為87Al-10Si-3Fe，鍍層厚度一般為20~33μm，如圖1a所示；奧氏體化加熱過程中22MnB5基體中的Fe擴散至鍍層，形成FeAl金屬間化合物層（圖1b），該合金化鍍層熔點達到1160oC以上。合金化鍍層的高熔點和耐氧化性能夠有效防止鋼板熱沖壓加熱和轉移過程中的氧化和脫碳，避免了熱沖壓成形之后零件的噴丸或酸洗工藝，解決了超高強度熱沖壓零件的尺寸精度問題，同時由外層FeAl金屬間化合物和內層高Al含量鐵素體構成的合金化鍍層（圖1b）使零件的耐腐蝕性得到提高。在汽車輕量化的推動下，AlSi鍍層熱沖壓鋼在汽車上的應用比例逐年提高，目前其全球年產量約400萬噸，其中，2021年預計國內應用達到~80萬噸。在白車身的輕量化用材中，熱沖壓成形鋼壓倒性地超越了其它所有對比材料的總和（1000MPa以上冷沖壓高強度鋼、鋁合金等）。
圖1 (a)熱沖壓前和(b)熱沖壓后AlSi鍍層熱沖壓鋼鍍層微觀組織AlSi鍍層技術完美地解決了1500MPa超高強度汽車安全結構件的尺寸精度與耐腐蝕性問題，但是相對于22MnB5裸板，其彎曲斷裂應變下降了20%以上，也隨之帶來了氫致延遲開裂風險。作為承載汽車安全的部件，韌性不足將直接導致其在汽車碰撞過程中發(fā)生提前斷裂，因此，保證強度的前提下提高熱沖壓鋼的韌性可進一步優(yōu)化車身安全件的結構與厚度設計，為汽車輕量化技術進步帶來新的發(fā)展空間，同時，提高韌性也可降低熱沖壓零件制造、裝配與服役過程中的氫致延遲開裂風險。汽車碰撞過程中的零件失效通常為平面應變狀態(tài)下的彎曲斷裂，一般采用德國汽車工業(yè)協會制定的VDA-238三點彎曲試驗標準評價熱沖壓鋼的韌性，現有1.4mm厚AlSi鍍層熱沖壓鋼的三點彎曲角度典型值~55°（標準要求≥50°），通用汽車在其2019版熱沖壓鋼全球材料標準GMW14400中增加了高韌性AlSi鍍層熱沖壓鋼（Improved Bendability），要求三點彎曲角度≥60°，對比該標準中的常規(guī)熱沖壓材料彎曲斷裂應變提高了20%。在不犧牲強度的前提下，如何提高AlSi鍍層熱沖壓鋼的韌性并消除熱沖壓零件的延遲開裂風險，已成為全球車身輕量化技術發(fā)展新的焦點。此外，盡管學術界和工業(yè)界對Al-Si鍍層熱沖壓鋼加熱過程中鍍層和基體微觀組織演化、鍍層高溫變形行為、焊接性能、涂鍍性能和耐腐蝕性等已進行了廣泛研究，但在實際工業(yè)應用中，現有AlSi鍍層熱沖壓鋼還存在爐輥結垢、加熱效率低、模具磨損嚴重等影響熱沖壓生產過程的問題；同時，AlSi鍍層熱沖壓鋼產品的耐腐蝕及電阻點焊等相關機理還未研究清楚。綜上，亟需在AlSi鍍層技術的開發(fā)上做出創(chuàng)新，大幅提高AlSi鍍層熱沖壓鋼的韌性，同時解決現有AlSi鍍層產品在生產端和應用端的一系列科學和技術痛點。目前，VDA三點彎曲實驗是工業(yè)界普遍采用的評價汽車用熱沖壓鋼板韌性的標準方法。大的彎曲角對應高的彎曲韌性，即汽車發(fā)生碰撞時零件具有更優(yōu)異的抗局部開裂失效能力。AlSi鍍層熱沖壓鋼在加熱過程中，AlSi鍍層和基體中金屬元素發(fā)生相互擴散，使鍍層/基體界面向基體側移動并形成合金化層（FeAl金屬間化合物）和擴散層（高Al含量的α-Fe）。易紅亮教授團隊在研究過程中發(fā)現，由于合金化層和擴散層內均不含碳，界面遷移使碳元素擴散至剩余基體中，在新的鍍層/基體界面靠近基體一側形成明顯的碳富集帶，如圖2和圖3所示，并在隨后的冷卻過程中形成高碳馬氏體，脆性的高碳馬氏體在VDA三點彎曲實驗中預先開裂，從而顯著降低了AlSi鍍層熱沖壓鋼的VDA彎曲角，這也是AM公司的AlSi鍍層熱沖壓鋼產品韌性不足的根本原因。基于上述發(fā)現，項目組提出降低產品鍍層厚度并在涂鍍前基板表面形成微脫碳層的新思路，得到了新型的高韌性AlSi鍍層熱沖壓鋼（該產品注冊商標為“AluSlim?”）。鍍層厚度降低，使得熱沖壓過程中鍍層和基板之間金屬元素的擴散得到抑制，鍍層/基板界面上的富碳程度明顯降低。而基板表面的脫碳處理使得界面富碳程度進一步降低，同時，通過精確控制脫碳層厚度在幾微米內，防止材料彎曲斷裂時峰值載荷大幅下降。通過減薄鍍層和微脫碳兩種技術手段，AluSlim?系列AlSi鍍層產品在熱沖壓后基板表層脆性高碳馬氏體生成得到顯著抑制，最終實現了材料的高韌性。
現有AlSi鍍層產品（左）與AluSlim?產品（右） 
現有AlSi鍍層產品（左）與AluSlim?產品（右）隨著鍍層的減薄，高韌性AlSi鍍層熱沖壓鋼的加熱制度也發(fā)生了顯著變化。通常情況下，AlSi鍍層鋼板加熱過程中，Al鍍層液化以及Fe/Al合金化反應均會吸收熱量，造成AlSi鍍層鋼板的升溫速率顯著低于無鍍層鋼板，因此，在達到相同的目標加熱溫度時，AlSi鍍層板需要更長的時間。然而，由于鍍層的減薄，AluSlim?系列AlSi鍍層產品的Al鍍層液化和合金化反應顯著減少，其在加熱過程中的吸熱也減少，進而使得AluSlim?系列AlSi鍍層產品的加熱效率得到提升。相比于現有AlSi鍍層產品，AluSlim?系列AlSi鍍層產品的加熱時間可縮短20%以上。結合項目組開發(fā)的適用于輥道爐的梯度快速加熱工藝，加熱時間可進一步縮短15%。
圖4 現有AlSi鍍層產品與AluSlim?產品加熱工藝的比較由于鍍層減薄以及加熱工藝的變化，AluSlim?產品的鍍層結構也發(fā)生了變化，與現有AlSi鍍層產品存在明顯不同，因此，需要對其應用性能進行全面評價。其中，在評價AluSlim?產品的電阻點焊性能以及涂裝防腐性能時發(fā)現，相互擴散層中的柯肯達爾孔洞以及FeAlSi過渡層分別對電阻點焊性能以及涂裝防腐性能存在影響。對于AluSlim?產品，在加熱過程中，減薄的鍍層熔化吸熱量遠小于現有AlSi鍍層熱沖壓鋼。因此，薄AlSi鍍層熱沖壓鋼具有更快的加熱效率。當加熱效率過快時，柯肯達爾孔洞更容易在相互擴散層中形成，柯肯達爾孔洞所在區(qū)域的電阻較高，因此，在焊接過程中容易發(fā)生火花飛濺，導致焊接性能下降。因此，為改善AluSlim?產品的電阻點焊性能，項目組對熱浸鍍工藝進行了優(yōu)化，抑制了初始柯肯達爾孔洞的生成，同時，在快速加熱工藝中通過設定合理的預熱工藝抑制了柯肯達爾孔洞在熱沖壓加熱過程的進一步形成和長大，從而使得產品的電阻點焊性能明顯改進。同時，通過研究發(fā)現，在AlSi鍍層熱沖壓鋼的鍍層結構中，FeAl（Si）相具有最低的腐蝕電位，與基體形成較大的電位差，在腐蝕過程中可以提供良好的犧牲陽極保護作用。然而，由于相互擴散層中的FeAlSi過渡層較薄，通常不超過5μm，該層的快速腐蝕容易造成鍍層自FeAlSi過渡層起發(fā)生剝離，鍍層擴蝕寬度較大，不能滿足汽車廠的涂裝防腐要求。為此，項目組通過加熱工藝的優(yōu)化設計，減少了相互擴散層中FeAlSi過渡層的厚度，減弱甚至抑制了其陽極保護的作用，從而解決了AluSlim?產品涂裝防腐評價時耐擴蝕能力不佳的問題。首先，團隊開發(fā)的熱沖壓鋼高韌性AlSi鍍層技術，即通過降低鍍層厚度以及預涂鍍前基板表面微脫碳的方案，降低了鐵素體/基體界面處碳的富集程度，在滿足防氧化和脫碳要求的同時，使AlSi鍍層熱沖壓鋼板的彎曲角度提高到68°。同時，在合作鋼廠試制的AluSlim?產品相比現有AlSi鍍層產品的韌性指標提高20%以上，也成為了全球唯一能夠滿足通用汽車新材料標準GMW14400中高韌性要求的產品。通過零件三點彎以及延遲開裂實驗評價發(fā)現，AlSi鍍層材料韌性的改善對提高零件碰撞變形過程中的能量吸收以及延遲開裂抗性的改善具有重要意義。其次，重點探索了AlSi鍍層產品加熱效率對熱沖壓工藝的影響。采用激光共聚焦、差熱分析儀DSC等設備測定了不同鍍層厚度鋼板升溫過程中表面粗糙度變化和化學反應，明確了升溫過程鋼板表面粗糙度變化并不是導致其加熱速率降低的原因，而是升溫過程中AlSi鍍層液化以及其與基體的化合反應吸熱導致了其升溫速率降低，在此基礎上，AluSlim?產品通過采用階梯快速加熱熱沖壓工藝后，在加熱效率提高35%以上的情況下，仍能實現完全奧氏體化，保證零件優(yōu)異的性能。隨后，項目組針對AlSi鍍層產品應用端重點關注的電阻點焊性能進行了探究。采用不同加熱工藝下獲得的具有不同鍍層結構特征的鍍層樣板進行電阻點焊，對其可焊電流區(qū)間進行了評價。結果顯示，柯肯達爾孔洞的嚴重程度顯著影響電阻點焊性能。為抑制柯肯達爾孔洞對薄鍍層產品電阻點焊性能的不利影響，分別從預涂鍍工藝和快速加熱工藝制度兩方面進行了優(yōu)化。通過調整帶鋼進入鋁鍋時，鋁鍋溫度以及鋼板與鋁鍋的溫度差，抑制初始柯肯達爾孔洞的數量，再通過調整快速加熱工藝增加預熱段比例，進一步控制柯肯達爾孔洞的尺寸和數量。將優(yōu)化的薄AlSi鍍層樣品與常規(guī)AlSi鍍層產品進行電阻點焊性能對比評價。由結果可知，優(yōu)化后的薄AlSi鍍層產品無論是可焊電流區(qū)間還是電極磨損情況均顯著優(yōu)于現有產品。最后，對AlSi鍍層熱沖壓鋼的防腐問題進行了研究。通過對涂裝與不涂裝情況下的薄AlSi鍍層產品和常規(guī)鍍層產品進行動態(tài)觀察，結果表明，相互擴散層中的FeAlSi過渡層具有犧牲陽極保護優(yōu)先腐蝕的作用，也決定了薄鍍層產品的耐擴蝕能力。通過優(yōu)化熱沖壓加熱工藝，降低FeAlSi過渡層的厚度進而抑制其犧牲陽極保護優(yōu)先腐蝕作用，從而解決了薄鍍層產品抗擴蝕能力不如常規(guī)AlSi鍍層的問題。經過多種耐腐蝕性評價實驗對比發(fā)現，優(yōu)化的薄鍍層產品其涂鍍防腐性能與現有AlSi鍍層產品基本一致。此外，采用高加熱效率熱沖壓工藝的高韌性AlSi鍍層產品，由于鍍層中的Al與基板中的Fe相互擴散受到影響，其形成的鍍層結構與現有AlSi鍍層產品完全不同。同時，高效率的熱沖壓加熱工藝則在目前普遍應用的熱沖壓工藝基礎上，大幅縮短了材料的在爐時間。鍍層結構和熱沖壓工藝上的差別也一并突破了安賽樂米塔爾的專利技術布局，形成了一系列的自主知識產權。目前，通過與鋼廠多輪的試制和驗證，薄AlSi鍍層產品的生產技術方案已趨于成熟，熱沖壓前，鍍層厚度為7~14μm，FeAlSi合金層厚度為2~6μm，而熱沖壓后，鍍層厚度為10~20μm，相互擴散層厚度為3~9μm，典型的組織形貌如圖5所示。 
圖5 熱沖壓前后薄AlSi鍍層熱沖壓用鋼的鍍層微觀組織
1、揭示了熱沖壓鋼AlSi鍍層與基體間界面富碳致脆機理，發(fā)明了高韌性AlSi鍍層技術，通過減薄鍍層厚度、減少界面移動和界面微脫碳技術，消除了碳在界面的富集。在鍍層厚度設計上與目前國際壟斷的AlSi鍍層技術為完全相反的技術路線，建立了與目前技術完全隔離的全新技術體系。在相同的22MnB5基材上，高韌性AlSi鍍層技術因脆性鍍層減薄和韌性提升，實現了強度提升5%的同時VDA三點彎曲韌性從55°提高至68°，在國際上首次解決了AlSi鍍層熱沖壓鋼韌性不足和延遲開裂兩大難題。2、揭示了AlSi鍍層熱沖壓鋼加熱過程中鍍層液化及合金化吸熱導致加熱效率降低的物理本質，修正了AlSi鍍層加熱效率受表面反射率影響的認知，發(fā)明了AlSi鍍層熱沖壓鋼高效加熱和階梯快速加熱技術，使AlSi鍍層熱沖壓鋼爐內加熱時間同比縮短了35%，使熱沖壓零件制造企業(yè)大幅提高了生產效率并降低了生產成本，同時也打破了國際壟斷。二手沖床回收3、首次提出了AlSi鍍層熱沖壓鋼柯肯達爾孔洞的組織遺傳性，發(fā)明了抑制柯肯達爾孔洞生長的AlSi鍍層熱浸鍍技術，降低了AlSi鍍層厚度對電阻點焊性能的敏感性，突破了薄鍍層熱沖壓鋼的電阻點焊關鍵技術。4、揭示了鐵鋁硅（FeAlSi）過渡層快速腐蝕的機理，修正了AlSi鍍層熱沖壓鋼耐腐蝕性與鍍層厚度相關的傳統認知，突破了薄鍍層熱沖壓鋼的涂裝耐腐蝕性關鍵技術。知識產權方面，授權中國發(fā)明專利4項，均完成了PCT申請，已申請全球多個國家專利8件。其中，專利CN108588612B已獲得韓國和日本發(fā)明專利授權1件。申請中國汽車工程學會團體標準1項，標準號為“T/CSAE 179-2021”，標準名稱為“汽車用高韌性熱鍍鋁硅合金鍍層熱沖壓鋼板技術要求”。此外，現有鍍層產品的技術公司安賽樂米塔爾于2019年對本項目技術的核心發(fā)明專利發(fā)起無效請求，2020年國家知識產權局最終判決維持專利有效。產業(yè)化方面，項目組將高韌性AlSi鍍層熱沖壓鋼相關技術通過技術許可的方式許可給國內兩家鋼鐵企業(yè)。同時，項目組還與歐洲鋼鐵巨頭洽談技術合作與許可協議，預計2021年內可簽署協議，實現中國技術走出國門，輸出到國外。同時，通過多輪材料生產和熱沖壓零件試制完成了原材料的可制造性測試和零件性能穩(wěn)定性驗證，并已通過了長城汽車、奇瑞汽車、廣汽、東風汽車、吉利汽車、江淮汽車等6家車企的材料認證。此外，一汽、長安汽車、比亞迪汽車、蔚來汽車、理想汽車等正在認證中，其中部分車企將于2021年內完成材料認證，同時，通用汽車、大眾汽車、福特汽車等三家外資車企也啟動了相應的材料認證程序。預計2021年底，長城汽車等幾家車企將達成十萬臺車級的批量應用示范。
