汽车轻量化技术之热冲压钢铝硅镀层技术的研究与应用

1 研究背景及问题

“碳达峰”和“碳中和”已成为影响全球汽车产业发展的重大战略。轻量化作为汽车行业实现节能减排的重要举措，已成为亟待解决的焦点问题。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至奥氏体化状态，然后转移到模具中进行冲压成型。同时利用模具传导热量，实现材料的快速冷却，获得高强度的马氏体组织。 ，有效解决了高强度钢在冷冲压时回弹大、模具磨损严重、零件容易出现冲压裂纹等问题。

为了避免热冲压件在加热传递过程中氧化、脱碳，国际钢铁巨头于1999年开发了热冲压件用铝硅涂层技术，2006年又发明了铝硅涂层热冲压件产品技术钢并获得专利授权。针对汽车车身不同应用场景，开发了1000MPa、1500MPa、2000MPa强度等级铝硅涂层热冲压钢等产品，并在全球汽车行业实现了规模化应用。全球年消费量已达400万吨以上，其中中国市场约100万吨/年。 20多年来，国际钢铁巨头完成了铝硅涂层热冲压钢及其激光拼焊技术的全球专利布局，独家垄断了全球市场。全球汽车公司每吨必须支付数千元的使用费用。成本。

随着汽车轻量化和碰撞安全对材料性能要求的提高，现有的铝硅涂层热冲压钢仍然面临韧性不足的问题。例如，美国通用汽车公司在其全球材料标准GMW14400-2019中增加了具有高弯曲韧性的新材料，要求1500MPa铝硅涂层热冲压钢的三点弯曲角度≥60°。但此时工业产品只能达到55°左右。同时，现有的铝硅镀层热冲压钢板在激光拼焊时需要剥离镀层或在大间隙内填充焊丝。该工艺需要投资昂贵的生产线，同时降低了焊接效率，显着增加了零件的生产成本。另外，根据国内外零部件及汽车企业的反馈，现有产品还存在加热效率低、电阻点焊电极易磨损、打磨频率增加等一系列技术问题。

2、解决问题的思路和技术方案

针对目前铝硅涂层热冲压钢被国际钢铁巨头独家专利垄断且现有技术存在韧性不足、延迟开裂风险、加热效率低等缺点的情况，国家重点实验室团队东北大学轧制技术与连轧自动化实验室开展一系列理论研究和技术创新，发明了热冲压钢高韧性薄涂层技术、1000MPa级高强韧性材料技术、2000/2200MPa级高强韧性材料技术、韧性材料技术、铝硅涂层热冲压钢直接激光拼焊技术和高阻点可焊性技术形成了热冲压钢涂层-材料-焊接技术的自主知识产权体系，并进行了全球专利布局。新开发的高韧性铝硅涂层热冲压钢AluSlim®1000、AluSlim®1500、AluSlim®2000、AluSlim®2200突破现有产品的强度和韧性边界，韧性提高10%~20%比同强度水平的原技术产品。其中AluSlim®2200是世界上强度最高的铝硅涂层热冲压钢。性能结果如下表所示。

新开发的铝硅涂层钢板与原技术同强度水平产品的性能对比

（1.4mm厚钢板，括号内为保证值）

三、主要创新成果

2017年至今，项目组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新系列1000-1500-2000-2200MPa全强度高韧性铝硅涂层热冲压钢产品产权，韧性优于世界。还解决了工业化过程中的一系列技术痛点，打破了国外钢铁企业的全球独家垄断。主要技术创新如下：

1、热冲压钢高韧性薄层铝硅涂层技术

铝硅涂层通常会恶化热冲压件的弯曲韧性，延长热冲压件奥氏体化和加热所需的时间，增加能耗，降低生产效率。研究小组发现，“铝硅涂层/基体界面富碳且脆”是涂层恶化热冲压钢韧性的本质原因。

图1 热冲压钢铝硅涂层的显微组织和界面碳分布

通过减小涂层厚度以及涂层前对基体表面进行微脱碳，抑制界面处的碳富集，使1500MPa级铝硅涂层热冲压钢板的三点弯曲角从～ 54°到65°以上，峰值力同时增加。 ~10%，综合强度和韧性比原产品提高20%以上。同时，涂层变薄减少了涂层的熔化以及与基体反应的吸热，加热效率较原技术提高约30%。基于涂层厚度和加热工艺窗口的变化，薄涂层技术可以提高热冲压钢的韧性并缩短加热时间，同时突破了原有技术的专利限制。

图21500MPa级铝硅涂层热冲压钢三点弯曲性能及加热工艺窗口

2、1000MPa级高韧性热冲压钢材料技术

1000MPa级热冲压钢主要用于软质区域（如B柱下端），以提高结构件在碰撞时吸收能量的能力。众所周知，贝氏体可以提高材料的韧性，所以原始技术是马氏体和贝氏体的双相组织。该项目研究团队发现，低碳钢中的马氏体位错密度较高，所有碳原子都位于位错线上，贝氏体中的碳化物显着降低了材料的强度和韧性。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1000MPa级全马氏体铝硅涂层热冲压钢AluSlim®1000。其抗拉强度高于1100MPa，弯曲吸能比原技术提高10%以上。同时打破了国际钢铁巨头拥有1000MPa级铝硅涂层热冲压钢的全球独家供应格局。

图3 1000MPa铝硅涂层热冲压钢的显微组织及拉伸、三点弯曲性能

3、2000/2200MPa级高韧性热冲压钢材料技术

车身防侵入件采用2000MPa级高强度铝硅涂层热冲压钢（淬火状态拉伸强度~2000MPa，回火状态~1800MPa）。但原有技术韧性缺陷使其碰撞安全性不足，仅少量用于增强件。中间。该团队在早期纳米沉淀增韧2000MPa热冲压钢技术的基础上，添加0.3%～0.6%的Al元素，以提高马氏体相变终止温度，抑制孪晶马氏体的形成，获得以位错为主的马氏体。同时，Al还可以与N结合形成固态AlN夹杂物，其尺寸比TiN小得多，防止大尺寸夹杂物的生成而使韧性劣化。

图4 2000/2200MPa铝硅热冲压钢的显微组织及拉伸、三点弯曲性能

开发超高强度、高韧性热冲压钢AluSlim®2000、AluSlim®2200。 AluSlim®2000淬火状态下抗拉强度≥2000MPa，回火后≥1850MPa，三点弯曲角度≥50°； AluSlim®2200在淬火状态下的抗拉强度强度≥2100MPa，回火≥2000MPa，三点弯曲角度≥45°。与原工业产品相比，其综合强度和韧性提高10%~20%。其中AluSlim®2200是世界上强度最高的铝硅涂层热冲压钢。也打破了国外钢铁巨头2000MPa级铝硅涂层热冲压钢的全球纪录。独家供应结构。

4、铝硅涂层热冲压钢直接激光焊接技术

热冲压钢一体化激光焊接已成为汽车零部件生产的主流趋势。激光拼焊时，铝硅镀层中的Al进入焊缝，导致热冲压后焊缝中存在软相δ-铁素体，很容易造成焊缝在碰撞变形时断裂。原有技术在焊前采用脉冲激光剥离镀层部分，或采用含有大量奥氏体稳定元素的焊丝进行填充焊，使焊缝具有全马氏体组织。这项技术也被国外钢铁公司申请了专利，需要昂贵的设备投资。还增加了生产工序，降低了生产效率，大大增加了零件的生产和使用成本。新开发的热冲压钢镀层变薄，以降低焊缝中的Al含量。同时，在母材中适当添加奥氏体稳定元素Mn，保证焊缝在加热过程中完全奥氏体化，热冲压后得到全马氏体。组织。新技术可实现1000MPa、1500MPa、2000MPa任意组合的直接激光拼焊，且热冲压变形后焊缝不会断裂。与剥皮后焊接相比，直接激光拼焊提高了30%的焊接效率，同时打破了国外钢铁巨头的全球专利垄断。

图5 新型1000-1500-2000MPa铝硅涂层热冲压钢直接激光拼焊后的拉伸曲线和宏观断裂行为

5、铝硅涂层热冲压钢高电阻点焊可焊性技术

电阻点焊是汽车车身零部件最常用的连接方法。但据各汽车主机厂反馈，铝硅镀层热冲压件镀层存在大量柯肯德尔孔，该区域电阻较高，导致局部热量过大。 ，焊接时容易产生飞溅，缩小了焊接工艺窗口。另外，热冲压后的涂层表面由高硬度的Fe2Al5金属间化合物构成，这使得电极容易磨损。与零件接触面积的变化很容易造成焊接飞溅，增加了现场打磨的频率，大大降低了焊接效率。

图6 Al-Si镀层热冲压钢镀层组织及电阻点焊性能

该团队提出了柯肯德尔孔的遗传效应，发现柯肯德尔孔的形成是热浸镀过程中产生的数十纳米的初生柯肯德尔孔。热冲压加热过程中不会产生新的柯肯德尔孔。达尔洞只是洞的生长。因此，解决柯肯达尔孔问题的关键在于热浸镀工艺。通过调节铝硅熔体的温度以及涂覆时带钢与铝液的温差，降低铝液与铁基体的合金化速度，抑制初始柯肯德尔孔。生成的薄涂层产品符合汽车行业的焊接标准。

四、应用及效果

该项目相关技术和产品打破了国际钢铁巨头对铝硅涂层热冲压钢技术全球独家专利垄断，使汽车企业吨钢采购成本降低20%至30%。同时，由于涂层变薄，新技术为钢铁企业每吨钢材节省~60元，热冲压钢炉内加热时间较现有技术缩短30%。此外，新开发的铝硅镀层热冲压钢可直接进行激光焊接，无需剥离镀层或预间隙填丝，激光焊接效率较现有技术提高30%。上述生产技术进步有利于降低能耗、提高生产效率、降低零件生产成本。本项目新开发的铝硅镀层热冲压钢的强度和韧性一般比同强度水平的原技术产品高10%~20%。是目前全球唯一符合通用汽车全球材料标准GMW14400-2019 HS1300T/950Y-MS的中高韧性产品，IB的技术为汽车轻量化提供了全新的技术解决方案。

相关专利已授权给中国宝武集团、马钢集团、鞍钢集团和欧洲钢铁巨头，首次实现我国原创汽车用钢技术向工业发达国家反向出口。已通过长城、一汽、东风等大部分国内自主品牌车企的材料认证，也通过了通用、PSA等国外汽车品牌的材料认证。基于该项目的研发，我们牵头制定的两项汽车工程学会团体标准已在全行业广泛使用和推广。国内外许多整车企业、零部件企业都参照团体标准制定了企业标准。 2021年开始批量供应，截至2023年8月，累计产量已超过6万吨。授权钢企新增销售额4.9亿元，新增效益9000万元；已在长城、东风、一汽、奇瑞等汽车企业安装应用。已使用车辆超过23万辆，为汽车企业吨钢成本降低20%至30%，累计降低成本2.4亿元。 2024年，应用车辆将突破100万辆。该技术被中国汽车工程学会评定为“国际领先”，并获得2023年中国汽车工程学会“技术发明奖”一等奖，为我国汽车工业做出了重大贡献。汽车轻量化技术同时助力国家“双碳”战略。

图7 高韧性铝硅涂层热冲压钢的汽车应用

该项目“全系列高韧性铝硅涂层热冲压钢应用量突破万吨”被《世界金属导报》评选为“2022年世界钢铁行业十大技术新闻”，并被高度评价：“该系列产品首次解决了热冲压钢材韧性不足和延迟开裂两大难题，打破了国际技术垄断，达到国际领先水平。高韧性的突破铝硅涂层热冲压钢技术极大地推动了热成型技术的进步，是真正的0到1的颠覆性创新。”

该技术是产学研合作协同创新的又一代表性成果。东北大学开展基础研究，东北大学孵化的科技企业育才堂（苏州）材料科技有限公司进行技术研发和产业化推广，并与汽车钢产业链上下游企业协作创新整合从原子到车身的全产业链发展。攀钢集团西昌钢钒有限公司、马鞍山钢铁有限公司、鞍山钢铁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、东石（武汉）实业有限公司、凌云基因科技有限公司等热冲压件企业、长城汽车股份有限公司、东风汽车集团有限公司、中国一汽股份有限公司等多家汽车企业。