2GPa超级抗氢脆热成形钢HEROs2000在渝发布

2024年10月25日，北京理工大学重庆创新中心装备轻量化技术研究所（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”）联合发布了新一代汽车用2GPa超级抗氢脆热成形钢—HEROs2000 (2GPa Hydrogen Embrittlement Resistance Optimal Steel)。汽车材料网受邀参与了此次发布会。

随着近些年国内外新能源汽车的快速崛起，以及全球日益严苛的碳排放控制标准，汽车轻量化是实现汽车节能减排、绿色发展的重要途径。大量实践证明，超高强热成形钢在氢脆的应用（以强度换厚度）是同时实现汽车轻量化和服役安全的主要手段。

据了解，低碳MnB系钢是目前应用最广泛的热成形钢之一，经过模压淬火处理后，其组织为均匀的马氏体，具有很高的抗拉强度，通常在1.0～1.5GPa之间，此外，一些企业还开发出了抗拉强度达到1.8～2.0GPa级别的热成形钢，主要应用在汽车的关键安全部位，如门防撞梁、B柱加强板等位置。然而，随着热成形钢强度的不断提高，特别超过1.5GPa时，其氢脆现象会变得尤为明显。氢脆是由于氢在钢材内部吸附和扩散导致的，这可能发生在酸洗、电镀、热成形、服役等过程中，一旦氢被吸收到钢材内部，容易扩散至应力集中部位，与位错、晶界等缺陷发生相互作用，从而使钢材发生突然的脆性断裂，如图1所示。热成形钢微观组织是马氏体相，具有很高的强度和硬度，但这种位错马氏体也具有很高的氢脆敏感性，当强度增加至2GPa时，很容易发生氢脆，这就限制了2GPa热成形钢在整车上的应用。

图1 热成形零件氢脆现象及断口形貌

针对这一重大难题，北理工重庆中心和中信金属携手攻关，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。

HEROs2000是在34MnB5基础上，添加打破常规的Nb含量，并调整其它元素和生产工艺，开发出的具有高析出率、纳米级大析出物颗粒尺寸且其质量占比超过70%为特征的超级抗氢脆热成形钢，其淬火态屈服强度1267MPa，抗拉强度1985MPa，断后延伸率6.1%，极限尖冷弯角56.3°。HEROs2000的析出率测试结果、NbC析出物特征和析出物尺寸分布图分别如表1、图2、图3所示。由表1可知，HEROs2000在热成形后以纳米析出物形式存在的Nb含量高达90%，远高于国内同级别商用高钒2GPa的25%。图2为析出物NbC的TEM观测结果，其尺寸达到100nm以上。图3为HEROs2000与商用高钒2GPa的NbC、VC析出物颗粒尺寸分布图，前者晶粒分布在60-200nm的质量占比达到70%以上，而后者大部分分布在10-60nm。高析出率以及纳米级大析出物颗粒尺寸将直接影响钢种的抗氢脆性能。

表1 2GPa热成形钢Nb与V析出对比

图2 纳米第二相NbC颗粒

图3 HEROs2000以及商用高钒2GPa析出物尺寸分布图
 

HEROs2000的主要特征是具有大颗粒析出物NbC（60-200nm），其与基体之间的半共格/非共格具有非常强的氢结合能，半共格NbC氢结合能为28-56kJ/mol，非共格NbC氢结合能为55-60kJ/mol，而共格Nb氢结合能则不足10kJ/mol，前两者为HEROs2000提供了“超强氢陷阱”。另外，通过TDS进行350-800℃强氢陷阱区间的氢脱附试验，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。

图4 HEROs2000与商用高钒2GPa的氢脱附测试结果

另外，位错密度和晶粒尺寸也会对抗氢脆性能产生较大的影响，因此与同类别产品进行了对比试验，结果分别如图5、6所示。图5为KAM值对比图，由图5可知，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晶粒尺寸对比图，由图6可知，HEROs2000的原奥晶粒尺寸接近2GPa不含Nb热成形钢的一半，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。

图5 HEROs2000与商用高钒2GPa的KAM值对比图

图6 HEROs2000与2GPa不含Nb热成形钢原奥晶粒尺寸

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镀层板对比国内外同级别产品，其抗氢脆性能提升了3至12倍，其测试结果如表2所示。

表2 抗氢脆性能对比试验

 

HEROs2000具有抗氢脆性能优异、强塑积高、冷弯性能好等特点，市场前景广阔，未来产品将布局在乘用车热成形钢单零件和复合零件上，其产品布局如图7所示。

图7 HEROs2000产品布局
 

此次，北理工重庆中心和中信金属在新型超高强钢的研发和应用上取得重大突破，将有效提升在汽车行业的竞争力。

 

据了解，2022年4月该项目启动，经历实验室研究、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2年半时间的研发工作，进行了大量重要参数的试验验证、抗氢脆机理前沿微观表征等，最终北理工重庆中心与中信金属联合成功研发了超级抗氢脆热成形钢HEROs2000，提交了申请相关专利6篇，高水平学术论文10余篇，包括SCI一区TOP期刊两篇。

2024年10月25日，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，北理工重庆中心和中信金属联合发布了HEROs2000。包括各大主机厂、钢厂、高校、科研院所在内的40余家单位100余人参加了此次发布会。

中国汽车工程学会、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。

 

在汽车行业对钢材提出超高强度、轻量化及低成本要求的背景下，北京理工大学重庆创新中心与中信金属股份有限公司强强联合，通过应用新型Nb微合金微观组织调控技术，成功开发出革命性的2GPa超级抗氢脆热成形钢——HEROs2000。

HEROs2000钢材以其卓越的性能，为汽车关键部件的制造提供了前所未有的可能性。该材料特别适用于汽车A/B柱、防撞梁等关键安全部件的单零件制造，以及一体式门环、车窗总成、地板总成等复杂结构的复合零件生产。HEROs2000钢材展现了高抗氢脆性、高冷弯性能以及高强塑积，同时保持了低成本的优势，实现了“三高一低”的完美结合。