中心新一轮建设成果展示｜新一代汽车用热冲压钢及其激光拼焊技术

易红亮教授团队开发出具有自主知识产权的1000-1500-2000-2200MPa全强度系列新型高韧性铝硅镀层热冲压钢产品，韧性优于全球同强度级别产品10%-20%的同时解决了产业化过程中的一系列技术痛点，主要技术内容如下。

1.1 热冲压钢高韧性薄铝硅镀层技术

铝硅镀层通常恶化热冲压钢的弯曲韧性，研究团队发现镀层/基体界面富碳是其弯曲韧性恶化的本质原因，通过减薄镀层厚度以及涂镀前钢板表面微脱碳，抑制界面处碳富集，使1500MPa级铝硅镀层热冲压钢板的VDA三点尖冷弯曲角度由~54°提高到65°以上，同时峰值力提升10%左右，综合弯曲强韧性优于原产品20%以上，解决铝硅镀层热冲压钢延迟开裂问题的同时突破了安米的专利限制。

1.2 1000MPa级高韧性热冲压钢材料技术

1000MPa级热冲压钢主要应用于软区（如B柱的下端）来提高汽车安全结构件在碰撞过程中能量吸收的能力。本项目团队研究发现，低碳钢中马氏体具有更高位错密度且碳原子全部位于位错线上，相比贝氏体，马氏体具有更高强度的同时兼具更高韧性。结合薄镀层技术，成功研发了1000MPa级全马氏体组织的铝硅镀层热冲压钢AluSlim®1000，其抗拉强度高于1100MPa，折弯能量吸收较原技术提升10%以上，并率先打破了安米在1000MPa级铝硅镀层热冲压钢产品的全球独家供货格局。

1.3 2000MPa/2200MPa级高韧性热冲压钢材料技术

2000MPa级高强度铝硅镀层热冲压钢（抗拉强度淬火态约2000MPa，回火态约1850MPa）用于车身防侵入件，但原技术韧性缺陷使其碰撞安全性不足，只少量应用于结构加强件中。在前期纳米析出韧化2000MPa级热冲压钢技术基础上，团队通过添加0.3%-0.6%的Al元素，提高马氏体相变结束温度，抑制孪晶马氏体生成，得到位错马氏体为主的组织，同时Al还可与N结合生成固析AlN夹杂物，其尺寸远小于TiN，避免大尺寸夹杂物的生成恶化韧性，开发了超高强度高韧性热冲压钢AluSlim®2000和AluSlim®2200。相较于原工业产品，其综合弯曲强韧性提高10%-20%，其中AluSlim®2200为全球最高强度铝硅镀层热冲压钢，同时打破了安米2000MPa级铝硅镀层热冲压钢产品的全球独家供货格局。

1.4 易激光拼焊铝硅镀层热冲压钢技术

热冲压钢激光拼焊一体化成形已成为汽车零件生产的主流趋势。激光拼焊时铝硅镀层中的Al进入焊缝，造成热冲压后焊缝中存在软相δ-铁素体，碰撞变形时易造成焊缝断裂。现有技术一是通过脉冲激光剥离表面镀层后再进行焊接，但增加了额外工序，导致工序成本增加40%；现有技术二是采用含有大量奥氏体稳定元素的焊丝进行填丝焊接，中和焊缝中Al元素的影响，但使焊接效率大幅降低同时焊缝可靠性控制比较困难。新技术铝硅镀层厚度仅为原技术的三分之一，并通过基材成分优化实现了焊缝稳定的焊接冶金控制，突破了铝硅镀层热冲压钢直接激光拼焊核心技术，实现无工序增加、高焊接效率且高焊接可靠性，提高了焊接效率30%以上，同时打破了安米公司全球专利垄断。

该技术相关专利已许可给中国宝武集团、鞍钢集团及欧洲某钢铁巨头，首次实现我国汽车钢原创技术向发达工业国家反向输出。现已通过长城、一汽、东风等国内多数自主品牌车企材料认证，也通过了GM、PSA等国外汽车品牌材料认证，为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，截至2023年8月累计生产超6万吨，授权钢铁企业新增销售额4.9亿元，新增效益9000万元，在长城、东风、一汽、奇瑞等车企装车应用超过23万辆（应用车型如图1所示），车企采购成本降低约2000元/吨，累计已为车企降本2.4亿元左右，根据目前车企的材料定点预计2024年将实现超两百万辆车应用。

徐伟教授团队与本钢板材研究院和通用汽车中国研究院共同研发了一种新型的Cr-Si合金免镀层热冲压钢，为解决热冲压钢裸板抗氧化问题提供了革命性的解决方案。该钢种通过加入适量的Cr、Si和Mn元素，成功地将三种合金元素的协同抗氧化作用引入到热冲压钢中，裸板热冲压后氧化铁皮厚度小于1μm。这一突破性技术为免镀层热冲压钢的开发提供了基础，为各行业带来了新的可能性。

2.1 高温抗氧化免镀层热冲压钢成分体系原创开发

免镀层热冲压钢的超薄氧化铁皮主要来自于其Cr-Si的合金体系的协同作用。通过优化合金成分中的Cr/Si/Mn元素配比，使Si和Mn元素在加热过程中能够与加热炉中的少量氧气反应，其生成在氧化膜/基体界面的连续非晶态SiO2层以及Mn富集氧化物提高了Cr2O3合金氧化层的致密性，在短时间内起到保护钢铁基体不被氧化的作用。在常规氮气气氛下，传统930℃-300s加热后表面生成氧化铁皮小于1μm，显著低于22MnB5裸板6-10μm的氧化铁皮。免镀层钢板热冲压后氧化铁皮厚度满足后续焊接、电泳涂装的技术要求，避免了裸板需喷丸处理而引起的零件尺寸精度差的难题。

2.2 高强韧高淬透性热冲压钢制备技术突破

传统22MnB5材料淬透性不足，27℃/s的极限冷却速率无法满足商用车厚零件全马氏体组织的需求。通过添加Cr元素，免去常规热冲压钢中B元素，大大增加材料淬透性，极限冷却速率达到5℃/s，实验室条件下最后可通过常规热冲压淬透8mm样品板，硬度达到免镀层热冲压钢零件需求。利用热轧过程中的控轧控冷技术，大幅度缩小原始奥氏体晶粒尺寸，由22MnB5钢的10μm缩小为5μm，进一步提升强塑性。利用Cr-Si元素在冷却过程中的促进配分与抑制渗碳体析出特性，通过控制热冲压过程中的保压压强与时间，促进碳元素动态配分，获得4.5%左右的残余奥氏体，实现抗拉强度1700MPa，延伸率8%-9%，冷弯角度60°的高强塑性匹配。

2.3 兼容传统工艺的柔性直接激光拼焊技术

免镀层热冲压钢的合金体系与生产过程中规避了加入稳定高温铁素体的Al元素，使免镀层材料可以进行直接激光拼焊，而不在焊缝区域生成高温铁素体软相，焊缝在热冲压后强韧性与基体类似，解决Al-Si镀层板拼焊过程中的镀层剥离问题，规避安米在镀层剥离领域的专利垄断。同时，技术团队根据市场需求，开发了适用于不同强度与厚度规格的柔性直接激光拼焊技术，可以兼容现有的22MnB5裸板激光拼焊工艺参数，大幅节省企业的替换成本。

免镀层钢热冲压后的性能、氧化铁皮厚度、焊接性能、胶粘性能以及氢脆延迟开裂性能等各项指标均达到通用汽车的测试与评价要求，通用汽车相关新车型材料认证已接近完成，并已完成多个零件试制（图2）。凌云吉恩斯、上海赛科利、上汽集团、理想汽车、加拿大Multimatic公司等国内外汽车及零部件生产厂商均有意向推进免镀层热冲压钢的材料评价工作。该项目及CF-PHS1500产品的全球首发为汽车行业的新一轮轻量化进程提供了技术保障，使我国钢铁企业、零部件行业、汽车生产商等技术企业摆脱国外厂商的技术限制，促进材料升级换代，为推动我国制造业高质量发展做出贡献。

基于上述研究成果，新一代超轻量化钢制车身技术方向发表论文42篇，其中SCI收录36篇；授权国内发明专利12项、PCT国际专利12项；获批纵向科研项目、新签横向科研项目20余项；获评“辽宁省优秀教师”1人，入选中国汽车工程学会“青年人才托举工程”1人。高韧性铝硅镀层热冲压钢技术获中国汽车工程学会“国际领先水平”科技成果评价，入选《世界金属导报》“2022年世界钢铁工业十大技术要闻”，获2023年中国汽车工程学会“技术发明奖”一等奖。免镀层热冲压钢技术相关成果被热冲压领域国际专著收录为经典案例，获2021年中国汽车工程学会轻量化应用技术创新成果大赛一等奖，获中国钢铁工业协会“国际领先水平”科技成果评价。