Neue technologische Fortschritte: Präzise Mikrostrukturkontrolle, Fertigungstechnologie und Anwendung von kostengünstigen, hochleistungsfähigen Kaltumformstahlblechen der GPa-Klasse

Angetrieben durch Chinas Dual-Carbon-Strategie und den rasanten Wandel hin zu Fahrzeugen mit alternativen Antrieben, ist die synergistische Verbesserung von Leichtbau und Crashsicherheit im Automobilbereich zu einem zentralen globalen Ziel der Automobilindustrie geworden. Kaltumformung im GPa-Bereich Stahl Bleche (Zugfestigkeit ≥1 GPa) finden weltweit große Beachtung. StahlHersteller und Erstausrüster (OEMs) schätzen die hohe Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, niedrigen Umformkosten und den geringen Energieverbrauch von Kaltumformteilen. Dennoch haben drei wesentliche industrielle Engpässe die Herstellung und Anwendung von Kaltumformteilen im GPa-Bereich lange Zeit eingeschränkt. StahlDie

Erstens ist die gleichzeitige Erzielung von Synergien mehrerer Leistungseigenschaften schwierig. Ultrahohe Festigkeit, Umformbarkeit, Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung und Beständigkeit gegen Flüssigmetallversprödung (LME) lassen sich nur schwer gleichzeitig erreichen. Herkömmliche Lösungen basieren auf teuren Legierungselementen wie Molybdän und Chrom, was die Materialkosten in die Höhe treibt. Der grundlegende Mechanismus für die Entwicklung kostengünstiger Hochleistungswerkstoffe im GPa-Bereich Stahl Die Möglichkeiten der Mikrostrukturtechnik sind weiterhin unklar.

Zweitens stellt eine stabile, hocheffiziente Produktion eine Herausforderung dar. Warmgewalzter Stahl der GPa-Klasse Stahl Es bildet sich eine dichte, siliziumreiche Oxidschicht, was zu geringer Beizeffizienz und minderwertiger Oberflächenqualität führt. Das heterogene Weich-Hart-Gefüge in den Warmbändern verursacht starke Schwankungen der Kaltwalzkraft, was Kantenrisse und Bandbrüche zur Folge hat. Hochlegierte warmgewalzte Coils weisen extrem hohe Festigkeiten auf, die sich den Belastungsgrenzen des Kaltwalzwerks annähern. Darüber hinaus führen dynamische Verfestigung und ungleichmäßige Reibung beim Kaltwalzen dazu, dass herkömmliche Walzmodelle für die Formvorhersage ungenau sind, was eine geringe Maßgenauigkeit und hohe Ausschussmengen zur Folge hat.

Drittens sind die Antrags- und Bewertungssysteme unvollständig. GPa-Grad Stahl Beim Stanzen tritt eine starke Rückfederung auf, und beim Punktschweißen besteht die Gefahr von LME (Low Metal Excession), was die Bauteilumformung und die Zuverlässigkeit der Verbindungen gefährdet. Gültige Bewertungsstandards für Wasserstoffversprödung und Dauerfestigkeit reichen für die Werkstoffqualifizierung und -auswahl nicht aus. Es fehlt eine integrierte, auf Material, Prozess und Bauteil abgestimmte Vorwärtsentwicklungsmethodik. Stahl Die Anwendung ist begrenzt, ihr Anteil an der Automobil-Karosseriebauweise liegt unter 5 %.

Dieses Projekt verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz der kollaborativen Innovation: „Theorie – Technologie – Produkt – Anwendung“. Mit Blick auf kostenintensive, leistungsschwache Produkte, instabile Produktion und eingeschränkte Anwendungsszenarien untersucht die Forschung die Auswirkungen der Mikrostruktur auf die Umformbarkeit, die Wasserstoffversprödung und die LME (Low Metal Excess) von niedriglegiertem C-Mn-Si-GPa-Stahl. StahlDas Unternehmen etabliert eine quantitative Methodik zur mehrphasigen Mikrostrukturkonstruktion und entwickelt präzise Technologien zur Steuerung mehrphasiger und gradientenstabilisierter Mikrostrukturen. Im Fertigungsbereich wird ein Mehrprozess-Steuerungssystem aufgebaut, das Oberflächenregulierung, Matrixerweichung und intelligentes, kollaboratives Walzen umfasst. Für Anwendung und Evaluierung werden Rückfederung und Punktschweiß-LME-Probleme gelöst; Prüf- und Bewertungsstandards für Wasserstoffversprödung und Ermüdung werden festgelegt. Ein in EVI integriertes Leichtbausystem liefert vollständige Leichtbaulösungen für Fahrzeuge.

Wichtigste innovative Errungenschaften

1. Quantitative Methode zur mehrphasigen Mikrostrukturkonstruktion für niedriglegierte GPa-Stähle Stahl mit ausgewogenen Mehrfacheigenschaften Das Projekt zeigt die Wechselwirkungen von Ferrit, gradientenstabilisiertem Restaustenit und frischem Martensit auf die Umformbarkeit, die Entstehung von Wasserstoffversprödungsrissen und die Ausbreitung von LME-Rissen auf. Heterogene verformungsinduzierte (HDI) Festigkeitssteigerung und transformationsinduzierte Plastizität (TRIP) ausgehend von gradientenstabilisiertem Austenit verbessern gemeinsam die Umformbarkeit. Das optimale Mikrostrukturfenster wird bestätigt: 10–30 % Ferrit, ≥ 12 % gradientenstabilisierter Austenit und kein frischer Martensit. Ferrit unterdrückt die Zinksegregation an den Korngrenzen, um das LME-Risswachstum zu verlangsamen und Wasserstoffrissspitzen abzustumpfen; hochstabiler Austenit reduziert lokale Spannungen und verzögert den wasserstoffinduzierten Bruch. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird eine neue quantitative Mehrphasen-Konstruktionstheorie vorgeschlagen. quantifizierter Ferrit + gradientenstabilisierter Austenit + null frischer MartensitDie

Es werden quantitative Korrelationen zwischen kontinuierlichen Glühparametern und mehrphasigen Mikrostrukturen untersucht. Der Einfluss orientierungsabhängigen Ferrits auf die Elementgradientenverteilung im Austenit und die mehrstufige martensitische Umwandlung wird aufgeklärt. Die Auswirkungen der Abkühlgeschwindigkeit und der Abschrecktemperatur auf die Phasenumwandlungskinetik werden quantifiziert. Mithilfe von ultraschnellen kontinuierlichen Glüh- und Verzinkungsanlagen wird eine Technologie zur kooperativen Gradientenstabilisierung für mehrere Phasen entwickelt. Zwei kostengünstige Kaltumformstähle mit GPa-Festigkeit (980 MPa und 1180 MPa) werden erfolgreich entwickelt. Durch den Verzicht auf teure Mo/Cr-Legierungen werden die Stahlkosten um mehr als 1100 CNY pro Tonne gesenkt. Im Vergleich zu internationalen Referenzwerten steigt das Lochaufweitungsverhältnis um 46 %, die Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung verbessert sich um mehr als das Doppelte, LME-Risse beim Punktschweißen werden vollständig beseitigt und die Punktschweißakzeptanzrate liegt bei 100 %.

2. Mehrprozess-Fertigungstechnologien zur Überwindung von Engpässen bei Beizen, Streifenbruch und Formkontrolle Um die übermäßige Kaltwalzkraft bei hochfesten Warmbändern zu reduzieren, wurde eine Technologie zur Matrixhomogenisierung und -erweichung für warmgewalzte Coils entwickelt. Durch gezielte Kantenerwärmung, adaptive Kantenabschirmung und asymmetrisches U-förmiges Wickeln wird ein homogenes Warmwalzgefüge erzielt. Durch Hochtemperatur-Phasenumwandlung, Erholung und statische Rekristallisation wird die Martensit-Bainit-Matrix in gleichachsiges, vergröbertes Ferrit-Perlit umgewandelt, wodurch die Warmbandfestigkeit gleichmäßig sinkt. Die Schrottlänge wird von 20 m auf unter 10 m verkürzt, wodurch die Stahlkosten pro Tonne um fast 200 CNY gesenkt und die Kaltwalzkraft um 45 % reduziert wird.

Ein innovatives mechanisches EPS-Entzunderungsverfahren in Kombination mit turbulentem Beizen kommt zum Einsatz. Dichte, siliziumreiche Zunderschichten werden effizient entfernt und Mikrokanäle für das Eindringen der Säure geschaffen. Die Beizgeschwindigkeit übersteigt 100 m/min (25 % höher als bei vergleichbaren internationalen Verfahren), und die Fehlerrate bei Farbunterschieden an der Oberfläche sinkt unter 0,18 %.

Es wurde ein thermomechanisch gekoppeltes dynamisches Verformungs- und Widerstandsmodell entwickelt. Ein genetischer Algorithmus optimiertes BP-Neuronales Netzwerk, die GWO-KELM-Walzkraftvorhersage und der globale Optimierungsalgorithmus GSTSA realisieren eine multikriterielle Co-Optimierung für Reibung, Bandform und Oberflächenqualität. Der Regelkreisfehler der Kaltbandform liegt bei ≤ 0,5 %, die Walzbandbruchrate unter 0,8 % und die Prozessausbeute bei über 96 %.

3. Anwendungsbewertungstechnologien und proprietäres Leichtbausystem für die Serienfertigung von Automobilen in großen Stückzahlen Zur Behebung von Rückfederungseffekten beim Stanzen und LME beim Punktschweißen werden die Wechselwirkungen zwischen Werkzeuggeometrie und Prozessparametern auf die Rückfederung aufgezeigt. Eine mehrkriterielle Rückfederungssteuerung basierend auf Werkzeugeckenradius, Stanzgeschwindigkeit und Ziehnahtdesign verbessert die Maßgenauigkeit der Bauteile. Ein neuartiges Punktschweißverfahren mit „Mehrpuls- und Anlassverfahren“ erweitert den stabilen Prozessbereich von 0,8 kA auf 1,6 kA.

Zur Schließung der Lücke in der Bewertung der Gebrauchstauglichkeit wurde ein auf Tiefziehen basierendes Wasserstoffversprödungsprüfverfahren für kaltgeformte Bleche der GPa-Klasse entwickelt, um die Nachteile des herkömmlichen U-Biegeversuchs zu überwinden. Eine eigens entwickelte Knickschutzvorrichtung verhindert das Knickversagen dünner (

Ein EVI-basiertes Leichtbau-Designsystem mit multikriterieller Sensitivitätsanalyse der Karosseriestruktur (BIW) ermöglicht die differenzierte Optimierung auf Komponentenebene. Für Sitzrahmenanwendungen ersetzt 1,0 mm und 1,4 mm dünnwandiger Stahl der Güteklasse GPa mit 980 MPa die herkömmlichen Stähle mit 350–650 MPa. Die Produkte werden für 31 verschiedene Fahrzeugteile, darunter B-Säulen und Batteriegehäuse, eingesetzt. Der Anteil des GPa-Stahls an der Karosseriestruktur steigt von 5 % auf 11 %, die maximale Gewichtsreduzierung einzelner Bauteile erreicht 25 %, die Reduzierung der Karosseriemasse 10 %. Damit werden die Anforderungen des C-NCAP-Crashtests mit 5 Sternen erfüllt. Die Materialien werden für 28 gängige Fahrzeugmodelle in Serie gefertigt.

Anwendungsergebnisse und sozioökonomische Vorteile

Innovationen entlang der gesamten Wertschöpfungskette, die Mikrostrukturtheorie, Fertigungsprozesse, Bewertungsmethoden und Fahrzeuganwendungen umfassen, wurden realisiert. Durch die Verwendung einer niedriglegierten C-Mn-Si-Zusammensetzung in Kombination mit ultraschneller Abkühlung wird ein Lochaufweitungsverhältnis von über 70 % erreicht; die Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung verdoppelt sich; LME-Risse beim Punktschweißen werden vollständig eliminiert. Die Gesamteigenschaften übertreffen internationale Referenzprodukte bei einer Kostenreduzierung von über 1100 CNY pro Tonne Stahl.

Die Technologie des mechanischen Entzunderns und des turbulenten Beizens steigert die Beizeffizienz um 25 %. Die Warmbandhomogenisierung und die anschließende Erweichung reduzieren die Ausschussrate um 90 % und die Walzkraft um 45 %. Dadurch werden Beizschwierigkeiten, Bandbrüche und ungenaue Formgebung bei hochfestem Stahl behoben und eine stabile Massenproduktion ermöglicht.

Technische Herausforderungen bei der Rückfederung von Stanzteilen und dem Punktschweißen von LME wurden gelöst. Fünf Gruppennormen wurden formuliert, um Lücken im Bewertungssystem für Wasserstoffversprödung und -ermüdung zu schließen. Die Produkte werden an elf große OEM-Marken wie GAC, BYD, Mercedes-Benz, BMW und Audi geliefert und decken 28 Fahrzeugmodelle mit über zehn Millionen verbauten Fahrzeugen ab. Die kumulierte Produktion erreichte in den letzten drei Jahren 810.000 Tonnen, was einen neuen Produktionswert von 4,7 Milliarden CNY und einen wirtschaftlichen Nutzen von 680 Millionen CNY generierte. Sechsunddreißig erteilte Erfindungspatente und achtunddreißig wissenschaftliche Publikationen wurden erzielt.

Das Projekt steigert die inländische Lieferkapazität von hochfestem Stahl für die Automobilindustrie erheblich, gibt den globalen technischen Trends bei kaltgeformtem Stahl der GPa-Klasse die Richtung vor und fördert die industrielle Modernisierung des Automobilstahlsektors.

Quelle: Chinesische Gesellschaft für Metallurgie