热冲压钢铝硅镀层技术：汽车轻量化的重要手段

近年来，“碳达峰”与“碳中和”成为影响全球汽车行业发展的重大战略，作为汽车行业实现节能减排的重要举措，车身轻量化、提高原材料利用率一直是汽车行业发展最重要的技术方向之一。热冲压钢是实现汽车轻量化的重要技术手段，其原理是将钢板加热到奥氏体状态，然后传送到模具中进行冲压，同时利用模具的热传导实现材料的快速冷却，从而获得高强度的马氏体组织，有效解决了超高强度钢的冲压与强度之间的矛盾，实现了高精度、高强度、轻量化零件的高效低成本制造。

为了防止热冲压钢在加热和传递过程中发生氧化、脱碳，国际钢铁巨头安赛乐米塔尔公司（以下简称“ARCELORMITTAL”）于1999年开发了热冲压钢铝硅涂层技术，并于2006年定义了铝硅涂层热冲压钢产品。其产品技术专利已在全球各主要工业国家获得授权，全球汽车制造商也根据产品的技术特点定义了相应的材料标准。此后，铝硅涂层热冲压钢在全球汽车行业得到广泛应用，全球年消耗量超过400万吨，其中中国市场约100万吨/年，且呈逐年快速增长态势。 针对汽车车身不同应用场景，特别是在新能源汽车时代引发的短流程激光焊接门环一体化车身制造技术的推动下，各车企在1500MPa热冲压钢基础上提出了超高韧性1000MPa及高强韧性2000MPa铝硅镀层热冲压钢的需求。安米已成功实现全强度系列材料及激光焊接门环商业化，但材料韧性提升及延迟开裂风险问题并未得到很好的解决，激光焊接工艺复杂导致成本居高不下，这两大难题始终困扰着车身轻量化及一体化制造技术的进一步发展。此外，安米已完成铝硅镀层热冲压钢材料技术、涂层技术、加热工艺及激光焊接技术的全球专利布局，形成了20余年来全球用量最大的汽车超高强度钢独家技术产品供应格局。 摆脱这种单一的供应链风险和成本控制已经成为全球汽车制造商的迫切诉求。

2017年以来，为突破全强度系列铝硅镀层热冲压钢提高韧性、降低延迟开裂风险的核心技术瓶颈，以及提高热冲压工艺和激光焊接工艺效率、降低成本等产业化应用的关键技术瓶颈和专利封锁，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室易红良教授团队进行了一系列基础理论研究和技术创新，开发出具有自主知识产权的1000-1500-2000-2200MPa级全强度系列新型高韧性铝硅镀层热冲压钢产品，韧性比全球同强度等级产品提升10%~20%，同时解决了产业化过程中的一系列技术痛点，打破了安米全球独家供应格局。主要技术创新如下。

1 热冲压钢高韧性薄铝硅涂层技术

铝硅涂层通常会恶化热冲压钢的弯曲韧性，并延长热冲压钢奥氏体化加热所需的时间，增加能耗，降低生产效率。研究团队提出“铝硅涂层/基体界面富碳脆性”理论，即奥氏体化加热过程中涂层与基体元素的相互扩散使涂层/基体界面向基体方向移动，导致奥氏体-基体界面处大量碳富集，在随后的冷却过程中形成高碳脆性马氏体（图1（a）），进而恶化钢板的韧性。 通过降低涂层厚度和涂层前钢板表面微脱碳，抑制界面碳富集（图1（b）），使1500MPa级铝硅镀层热冲压钢板VDA点尖端冷弯角度由54°左右提高到65°以上，同时峰值力提高约10%，综合弯曲韧性优于原产品20%以上（图1（d）），同时解决了铝硅镀层热冲压钢的延迟开裂问题。此外，该团队提出了“铝硅镀层熔化与Fe-Al合金化反应吸热”理论，即奥氏体化加热过程中涂层的熔化及其与基体发生吸热的合金化反应使镀层板加热效率降低，纠正了传统认为镀层板表面粗糙度降低使热反射增加从而降低加热效率的认识。 通过降低涂层厚度，减少涂层的熔融和与基体的吸热反应，使热冲压钢的加热工艺窗口左移，加热效率较原技术提高约30%。 新技术基于涂层厚度和加热工艺窗口的变化，实现了热冲压钢韧性的提高和加热时间的缩短，同时突破了Anmi的专利限制。

2 1000MPa级高韧性热成形钢材料技术

1000MPa级热冲压钢主要应用于较软区域（如B柱下端），提高汽车安全结构件在碰撞过程中的能量吸收能力。众所周知，贝氏体比马氏体具有更高的韧性，因此原有技术需要在马氏体基体中引入一定量的贝氏体组织。项目组发现，低碳钢中马氏体的位错密度较高且所有碳原子都位于位错线上，而贝氏体中的碳化物会显著降低材料的强度和韧性。因此，与贝氏体相比，马氏体具有更高的强度和更高的韧性。结合薄涂层技术，成功开发出具有全马氏体组织的1000MPa级铝硅涂层热冲压钢AluSlim®1000，其抗拉强度高于1100MPa，弯曲能量吸收比原有技术提高10%以上（图1（c））。 首次打破了安米公司在1000MPa级铝硅涂层热成形钢产品全球独家供应的格局。

32000/2200MPa级高韧性热冲压钢材料技术

2000 MPa级高强度铝硅镀层热成形钢（淬火态抗拉强度约2000 MPa，回火态抗拉强度约1850 MPa）用于车身防侵入部件，但原有技术的韧性缺陷使其碰撞安全性不足，仅在结构加强件中少量应用。该团队在前期2000 MPa级热成形钢纳米析出增韧技术基础上，添加0.3%～0.6%Al元素，提高马氏体相变终止温度，抑制孪生马氏体的形成，获得以位错马氏体为主的组织。同时，Al还能与N结合形成固态析出AIN夹杂物，其粒径远小于TiN，避免了使韧性恶化的大尺寸夹杂物的形成。 团队开发了超高强高韧热冲压钢AluSlim ®2000和AluSlim ®2200。AluSlim ®2000淬火状态下的抗拉强度约为2000 MPa，回火后约为1850 MPa，VDA三点尖端冷弯角度不小于50°；AluSlim ®2200淬火状态下的抗拉强度约为2200 MPa，回火后约为2050 MPa，VDA三点尖端冷弯角度不小于45°。与原工业产品相比，其综合弯曲强度和韧性提高10%~20%，如图1（e）所示。 其中AluSlim®2200是全球最高强度的铝硅镀层热冲压钢，同时打破了阿米2000MPa级铝硅镀层热冲压钢产品的全球独家供应格局。

4 激光简易焊接铝硅涂层热冲压钢技术

热冲压钢激光焊接一体化成形已成为汽车零部件生产的主流趋势。激光焊接时铝硅镀层中的Al进入焊缝中，导致热冲压后焊缝中存在软相δ铁素体，在碰撞变形时易导致焊缝断裂。现有技术1采用脉冲激光剥离表面镀层后再进行焊接，但增加的工序使工艺成本增加40%；现有技术2采用含有大量奥氏体稳定化元素的焊丝进行填充焊接，以中和焊缝中Al元素的影响，但又带来另外两个问题：一是焊接效率大大降低，焊接速度由8~10m/min降低到2~4m/min；二是对宽度仅为1mm的焊缝进行冶金工程控制，焊缝可靠性控制相对困难。新技术的铝硅镀层厚度仅为原技术的1/3。 在此基础上，通过优化基体成分，实现焊缝的稳定焊接冶金控制，突破了铝硅涂层热冲压钢的激光直接焊接核心技术，实现了无需附加工序、焊接效率高、焊接可靠性高，焊接效率提升30%以上，同时打破了安米公司的全球专利垄断。

该技术已在中国、美国、欧盟、日本、韩国申请发明专利35项，相关专利已授权给中国宝武集团、鞍钢集团及欧洲某钢铁巨头，首次实现我国原创汽车用钢技术向发达工业国家的反向输出。目前已通过长城、一汽、东风等国内大部分自主品牌车企的材料认证，也通过了通用、标致雪铁龙等外资汽车品牌的材料认证，是全球首个通过通用汽车高弯曲韧性铝硅镀层牌号（GMW14400）的产品。2021年开始批量供货，到2023年8月累计产量将突破6万吨，授权钢企将增加销售4.9亿元，增加效益9000万元。 已在长城、东风、一汽、奇瑞等汽车企业装配应用超过23万辆（如图2所示），降低汽车企业采购成本约2000元/吨，累计为汽车企业降本约2.4亿元，按目前汽车企业指定用料计算，预计2024年将应用超过200万辆。该技术被中国汽车工程学会评定为“国际领先”科技成果，入选《世界金属通报》“2022年世界钢铁行业十大科技新闻”，荣获2023年中国汽车工程学会技术发明奖一等奖，为我国汽车轻量化技术做出了重大贡献，也通过轻量化、激光焊接一体化制造助力国家“双碳”目标。

该项技术是产学研协同创新的又一代表性成果，东北大学通过基础研究，实现了从0到1的科学创新。东北大学孵化的科技企业御彩堂（苏州）材料科技有限公司进行技术研发和产业推动，联合汽车用钢产业链上下游企业，实现从原子到车身的全产业链一体化发展。 该技术协同了汽车用钢全产业链参与创新应用，其中包括：攀钢集团西昌钢钒有限公司、马鞍山钢铁股份有限公司、鞍山蒂森克虏伯汽车用钢有限公司、鞍山钢铁股份有限公司等钢铁企业，精诚工程汽车系统有限公司保定徐水精密冲压焊接分公司、东实（武汉）工业有限公司、凌云基因科技股份有限公司等热冲压零部件企业，长城汽车股份有限公司、东风汽车集团股份有限公司、中国一汽股份有限公司等多家汽车企业。

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来源：钢铁行业协同创新关键技术——2022-2023东北大学钢铁行业共性技术协同创新中心成果 钢铁行业共性技术协同创新中心整理

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