超级抗氢脆热成形钢HEROs2000正式发布

财富 2024-11-26 18:48 北京

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超级抗氢脆热成形钢HEROs2000正式发布

一

前言

近年来随着国内外新能源汽车的快速发展以及全球碳排放控制标准的日益严苛，汽车轻量化成为实现节能降碳和绿色发展的重要途径。在追求能源效率和环境可持续发展的过程中，汽车制造商大力推动车身结构设计与选材革新，其中轻量化材料的应用尤为突出。超高强度钢（Ultra High Strength Steel, UHSS）特别是热成形钢（Press Hardened Steel, PHS）在车身上的应用越来越多，达到了很好的轻量化效果。实践证明，热成形钢不仅能减轻整车重量，还能提高汽车碰撞安全性能，成为保险杠加强梁、车门横梁以及A/B柱等关键安全部件的理想选择。目前，热成形钢在乘用车白车身最高占比接近40%。

MnB系钢是应用最广泛的热成形钢之一，经过模压淬火处理后，MnB系钢显微组织为全马氏体，抗拉强度在1.0-1.5GPa之间。由于双碳政策的实施以及电动车续航里程焦虑，汽车轻量化的需求愈加迫切，1.5GPa级热成形钢已无法满足部分客户的要求。国内外企业逐步开发出抗拉强度达到1.8-2.0GPa的热成形钢，如欧洲的蒂森克虏伯和安赛乐米塔尔，以及亚太地区的新日铁和中国宝武、鞍钢、首钢等。

随着热成形钢强度的提升，尤其是超过1.5GPa时，氢脆现象（也称氢致延迟开裂）逐渐凸显，如图1所示。氢脆是可扩散氢在钢内部应力集中处聚集到一定浓度导致的脆性开裂现象。热成形钢的位错马氏体组织对氢脆极为敏感，强度达到2.0GPa的深冲件极易发生氢脆，限制了其在整车上的应用，阻碍了汽车轻量化水平的进一步提升。

微合金化技术是解决热成形钢氢脆问题的有效手段。一方面，添加微合金元素后，钢中能够形成弥散分布的纳米碳化物，这些碳化物能够有效吸附氢原子，起到强“氢陷阱”作用，从而避免氢原子在材料应力集中区的异常聚集，减轻氢致延迟断裂问题。另一方面，弥散分布的合金元素析出物不仅能够细化晶粒、强化组织，还能提高钢的韧性。细化后的基体组织降低了热成形零件的残余应力水平，还能产生更大面积的吸氢晶界（晶界具有一定的“氢陷阱”作用），使氢原子在钢基体沿晶界分布更加均匀，从而减少氢脆的发生。目前，常用的微合金元素有Nb、V、Ti等，这些元素均为碳化物形成元素，能够有效细化原始奥氏体晶粒，并使淬火后的马氏体板条尺寸更小，能够提升钢的韧性。此外，Nb、V、Ti的碳化物是强“氢陷阱”，能够有效抑制氢在钢中的扩散。研究表明，当钢中的Nb、V、Ti微合金元素含量相近时，这些碳化物的“氢陷阱”能力强弱顺序为：NbC>TiC>VC。因此，NbC在抗氢脆和强化组织方面具有更为优异的潜力，值得进一步深入研究。

北京理工大学重庆创新中心（简称“北理工重庆中心”）与中信金属股份有限公司（简称“中信金属”）基于Nb微合金化技术，成功研发了2GPa超级抗氢脆热成形钢HEROs2000 （Hydrogen Embrittlement Resistance Optimal Steel），并在2024年10月25日第二届微合金化高性能汽车钢研发及应用技术研讨会上进行了联合发布。HEROs2000通过析出的吸氢能力更强的非共格/半共格的纳米第二相NbC颗粒更多，达到了十分优异的抗氢脆性能，解决了困扰行业已久的2GPa热成形钢氢脆难题，在保证汽车服役安全的前提下，实现汽车进一步减重，符合当今汽车绿色、低碳、安全的发展要求，具有广阔的市场前景。

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二

技术概况及产品优势

HEROs2000是在34MnB5基础上，添加打破常规的Nb含量，以高析出率、大尺寸纳米级析出物且其析出占比超过70%为特征的超级抗氢脆热成形钢。HEROs2000的淬火态屈服强度为1267MPa，抗拉强度为1985MPa，断后延伸率（A50试样）为6.1%，其1.6mm厚淬火板经过170℃+20min烘烤后的极限尖冷弯角为56.3°，材料各项性能满足各大主机厂要求。

HEROs2000在各工艺阶段碳化物的析出比例及纳米级NbC析出物特征和尺寸分布分别如表1、图2、图3所示。由表1可知，HEROs2000在热轧后以纳米析出物形式存在的Nb含量为87%，退火后为88%，热冲压成形后高达90%，而商用高钒2GPa热成形钢在热成形后以纳米析出物存在的V含量仅为25%，相比之下，Nb的析出比例远高于V，高的微合金元素析出比例是抗氢脆性能优异的重要原因之一。图2为典型纳米析出物NbC形貌，其尺寸达到100nm以上，NbC与基体之间具有半共格/非共格界面。图3为HEROs2000与商用高钒2GPa的NbC、VC析出物尺寸分布，前者颗粒分布在60-200nm的占比达到70%以上，而后者大部分分布于10-60nm区间。综上所述，Nb的高析出比例以及大析出物尺寸使HEROs2000具备超级抗氢脆性能。HEROs2000的主要特征是具有大尺寸纳米析出物NbC（60-200nm），其与基体之间的半共格/非共格具有更强的氢结合能，半共格NbC的氢结合能为28-56kJ/mol，非共格NbC的氢结合能为55-60kJ/mol，而共格NbC的氢结合能则低于10kJ/mol，前两种析出物与基体的位向关系为HEROs2000提供了超强“氢陷阱”，保证了HEROs2000具有优异且稳定的抗氢脆性能。另外，通过350-800℃温度区间的氢热脱附试验，证明了半共格/非共格的吸氢能力更强，其与商用高钒的对比结果如图4所示。由图4可知，HEROs2000具有“双驼峰”超强氢陷阱，这是HEROs2000抗氢脆性能优异的重要证据。

此外，位错密度和晶粒尺寸对抗氢脆性能也有重要影响。首先，氢原子通常沿应力梯度扩散，而应力较大处位错密度较高，氢与位错的相互作用会导致氢脆的发生。尤其是在高位错密度的材料中，根据HELP机制（即“氢增强局部塑性”，Hydrogen Enhanced Local Plasticity），氢会降低位错滑移的临界剪切应力，位错滑移会携带氢一起运动，致使氢在晶界或者微裂纹处聚集，根据HEDE机制（即“氢增加脱聚”，Hydrogen Enhanced Decohesion），氢的聚集会弱化晶界结合强度，降低材料强度和延展性，从而引起材料脆断，因此降低位错密度是提高抗氢脆性能的手段之一。其次，晶界也是“氢陷阱”之一，较小的晶粒尺寸意味着晶界面积更大，同等氢含量条件下，单位晶界上氢原子个数更少且分布更均匀，从而限制了氢的聚集，根据HEDE机制，这会提升钢的抗氢脆性能。

研发团队通过合金成分与工业参数的优化，最大限度地降低了HEROs2000的位错密度与晶粒尺寸，并与同类别产品进行了对比，结果分别如图5和图6所示。图5为KAM值对比，HEROs2000比商用高钒2GPa的KAM值降低了20%，证明了前者的位错密度更低。图6为EBSD晶粒尺寸对比，HEROs2000晶界面积增加了27%，因此HEROs2000在单位晶界面积上的应力、位错、氢分布会更均匀，从而进一步提高了抗氢脆性能。

由于HEROs2000具有“超强氢陷阱”，且具有更低的位错密度和更细的晶粒尺寸，其裸板和AlSi镀层板与国内外同级别产品相对比，抗氢脆性能显著提升，测试结果如表2所示。

三

行业应用

北理工重庆中心和中信金属联合开发的HEROs2000具有抗氢脆性能优异、强塑积高、冷弯性能好等特点，突破现有2GPa热成形钢抗氢脆性能不足的问题，市场前景广阔，未来产品有望布局在乘用车白车身单/复合结构件上，其产品布局如图7所示。

3.1 解决2GPa热成形零件抗氢脆性能不足的问题

某主机厂新能源车型座椅横梁，使用了某钢厂2GPa热成形钢，在热成形产线上模压淬火后放置在车间仓库，几天后准备进行下一步喷丸工序时，发现一部分零件出现了开裂现象，如图8所示。经进一步研究表明，上述情况是热成形零件残余应力较大的位置产生了氢致延迟开裂。采用HEROs2000热成形钢冲压后的零件，如某主机厂新能源车型的A柱、B柱加强板，在热冲压后静置30天未发生延迟开裂现象，如图9所示。

3.2 提高2GPa热成形零件的冲击韧性

由于HEROs2000的冷弯性能优异，其极限尖冷弯角可达56.3°，远高于部分主机厂的要求值40°-45°，因此，HEROs2000热成形零件的冲击韧性更加优异。此外，零件在冲击后静置7天内未出现延迟开裂现象，进一步证明了HEROs2000拥有优异的抗氢脆性能。

3.3 降低2GPa热成形钢的合金成本

HEROs2000对标商用高钒2GPa热成形钢，每吨钢可降低合金成本100-200元；而HEROs2000_AS对标商用高钼2GPa_AS铝硅镀层热成形钢，每吨钢可降低合金成本800-900元。因此，HEROs2000在保证汽车服役安全前提下，可降低汽车原材料成本，产品更具市场竞争力。

四

HEROs2000开发、推进过程及标志性事件

2022年4月，中信金属、北理工重庆中心、唐山钢铁集团有限责任公司（简称“唐钢”）启动了“2GPa级Nb微合金化高韧性热成形钢开发与工业试制”项目，该项目也属于中信集团重大科技创新项目。项目启动后，北理工重庆中心与中信金属负责新钢种的研发与评价工作，唐钢负责新钢种的生产工作，悉尼大学和上海交通大学等协助开展微观表征研究。项目根据行业及整车企业实际需求，抗氢脆性能的技术目标较高，对各方来说均是巨大的挑战性。

项目第一阶段为实验室研究，研发团队在2022年4月至2023年3月的12个月时间里，按照成分设计、冶炼、锻造、轧制、退火、热处理、压模淬火等工艺流程，制备了多达20余种不同成分的新型热成形钢。根据力学性能、极限尖冷弯性能、氢脆试验、合金成本等性能指标，团队对这20余种热成形钢进行了综合评价，筛选确定了最优钢种成分。另外，为了能快速、准确地评价新钢种的抗氢脆性能，研发团队打破传统实验方法，采用了一种新型抗氢脆实验方法—极限尖冷弯恒载荷实验法，并申请了国家发明专利（CN202310988824.3：高强度钢板抗氢致延迟断裂性能的评价方法），此方法把实验结果一致性提高到了100%，并且可同时进行多组试验，效率更高，极大程度地加速了研发进程。团队最终于2023年4月顺利筛选出1组性能最优、合金成本较低的新钢种。

项目第二阶段为新钢种工业化试制与性能评价，2023年5月起，唐钢对于新钢种的成分配比和生产工艺参数进行了10余次小批量试生产，并在成分、热轧、卷取、连退等关键工艺环节开展了多轮试验与验证，评估了不同工艺条件下钢的力学性能和抗氢脆性能，最终于2023年9月确定了最优的成分与生产工艺。成分与工艺确定后，北理工重庆中心与中信金属的研发团队依据主机厂材料认证项目内容，对目标钢种进行了物理性能、化学成分、力学性能、金相组织、疲劳性能、高速拉伸性能、断裂卡片、焊接性能、延迟开裂性能、油漆兼容性等材料性能的全面评价。此外，研发团队对抗氢脆优异的机理进行了深入研究，包括采用SEM分析氢脆开裂断口的形貌特征、TEM观测纳米析出物NbC的微观特征、EBSD观测原始奥氏体晶粒尺寸、TDS测试“氢陷阱”的氢吸附量、SAXS统计析出物的尺寸分布等，最终发现Nb的高析出比例和大尺寸纳米析出物NbC的高析出占比是新钢种抗氢脆优异的关键原因。

项目第三阶段为热成形零件的试制与服役性能评估。唐钢于2024年3月成功工业化生产了500吨不同镀层及厚度的HEROs2000钢板，研发团队随后进行了某新能源车型A柱和B柱加强板的冲压试验，并测试了零件的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率、极限尖冷弯等力学性能。此外，团队还对零件整体进行了落锤冲击测试。最终结果表明，采用新钢种试制的热成形零件各项力学性能均满足主机厂要求，冲击性能优异且在冲击后长期静置未发生延迟开裂。

经历两年半的研发工作，涵盖实验室研究、材料工业化试制与性能评价、热成形零件试制与服役性能测试等阶段，研发团队进行了大量重要参数的试验验证及抗氢脆机理研究，最终成功研发了2GPa超级抗氢脆热成形钢——HEROs2000（2GPa Hydrogen Embrittlement Resistance Optimal Steel）。在此过程中，团队提交了6项相关专利申请，并发表了10余篇高水平学术论文，其中包括2篇SCI一区TOP期刊论文。

2024年9月，中信金属、北理工重庆中心、唐钢以及某主机厂启动了“2GPa含铌热成形钢在一体式门环中的研究与应用”项目，正式启动了HEROs2000在大型热成形零件上的应用研发。项目由唐钢负责HEROs2000的工业化生产，由北理工重庆中心和中信金属负责材料的各类性能及微观机理的研究，由主机厂负责一体式门环性能及整车匹配的评价。此外，项目还将重点测试零件的抗氢脆性能，最终综合评价零件的服役性能。

2024年10月底，北理工重庆中心和中信金属在第二届微合金化高性能汽车钢研发及应用技术研讨会（重庆）上正式对外发布了新型2GPa超级抗氢脆热成形钢——HEROs2000，发布会现场如图10所示，包括各大主机厂、零部件企业、钢厂、高校、科研院所在内的40余家单位近百人参加了此次发布会。中国汽车工程学会、中国汽研、东风汽车、中信金属相关领导高度评价了HEROs2000的研发成果，并对HEROs2000的应用前景表示高度期待。

五

展望

随着全球汽车产业朝着更安全、更低碳和更低成本的方向发展，超高强钢在汽车结构件上的应用需求愈加强烈，尤其要同时满足安全性、耐久性以及抗氢脆性能等多重要求。为应对这一需求，北京理工大学重庆中心与中信金属合作，采用新型Nb微合金微观组织调控技术，成功研发出2GPa超级抗氢脆热成形钢——HEROs2000。

HEROs2000钢的核心优势在于其集合了抗氢脆、高强度、高韧性、低成本的多重特性。氢脆是制约2GPa级超高强度钢在汽车制造中广泛应用的关键问题，特别是在汽车结构件如A/B柱、防撞梁等承载性部件的热冲压成形制备过程或服役过程中，氢致延迟断裂时有发生，严重影响汽车安全性能。HEROs2000通过创新的Nb微合金化技术，优化了钢材的微观组织，使得氢原子在材料中更难以集聚并减弱脆化发生，从而大幅提升了其抗氢脆能力。

此外，HEROs2000还具备高强度和高韧性，这使得它在服役过程中具有更高的碰撞断裂韧性，可有效降低车身碰撞侵入量且吸能更好，能够更好地保护驾乘人员的安全。在成本方面，HEROs2000能够良好匹配传统MnB钢的产线和工艺，且Nb微合金化技术可以有效减少钼、钒等贵合金元素的添加量，整体生产成本更低。

综上所述，HEROs2000超级抗氢脆热成形钢具备“三高一低”的优势——高抗氢脆、高强度、高韧性和低成本，解决了困扰汽车行业多年的2GPa热成形零件氢致延迟开裂的“顽疾”，使2GPa热成形钢在整车上的批量应用成为可能，能够推动汽车轻量化水平进一步提升。HEROs2000是我国汽车材料领域的完全自主创新产品，未来有望助力我国汽车产业向更低碳、更绿色、更安全的方向迈进。

（文/图：汪健路洪洲赵岩）

《世界金属导报》

2024年第45期 B08-B09

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