ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีใหม่: การควบคุมโครงสร้างจุลภาคที่แม่นยำ เทคโนโลยีการผลิต และการประยุกต์ใช้แผ่นเหล็กขึ้นรูปเย็นเกรด GPa ประสิทธิภาพสูง ต้นทุนต่ำ

ด้วยแรงผลักดันจากยุทธศาสตร์คาร์บอนคู่ของจีนและการเปลี่ยนแปลงสู่ยานยนต์พลังงานใหม่ที่รวดเร็ว การพัฒนาที่ประสานกันระหว่างการลดน้ำหนักรถยนต์และประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยในการชนจึงกลายเป็นเป้าหมายหลักระดับโลกสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ การขึ้นรูปเย็นระดับ GPa เหล็ก แผ่นวัสดุ (ความแข็งแรงดึง ≥1 GPa) ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในระดับโลก เหล็กผู้ผลิตและผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEM) ต้องการวัสดุที่มีความแข็งแรงสูง ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี ต้นทุนการขึ้นรูปต่ำ และการใช้พลังงานต่ำ อย่างไรก็ตาม อุปสรรคสำคัญสามประการในอุตสาหกรรมได้จำกัดการผลิตและการใช้งานของการขึ้นรูปเย็นระดับ GPa มาเป็นเวลานาน เหล็ก.

ประการแรก การบรรลุผลลัพธ์ที่ผสานกันหลายด้านนั้นทำได้ยาก ความแข็งแรงสูงมาก ความสามารถในการขึ้นรูป ความต้านทานต่อการเปราะตัวจากไฮโดรเจน และความต้านทานต่อการเปราะตัวจากโลหะเหลว (LME) นั้นยากที่จะได้มาพร้อมกัน วิธีแก้ปัญหาแบบดั้งเดิมอาศัยธาตุผสมที่มีราคาแพง เช่น โมลิบเดนัมและโครเมียม ซึ่งทำให้ต้นทุนวัสดุสูงขึ้น กลไกพื้นฐานสำหรับการออกแบบวัสดุเกรด GPa ประสิทธิภาพสูงต้นทุนต่ำจึงเป็นสิ่งสำคัญ เหล็ก ยังไม่เป็นที่แน่ชัดว่าวิธีการทางวิศวกรรมโครงสร้างจุลภาคจะเป็นอย่างไร

ประการที่สอง การผลิตที่มีประสิทธิภาพสูงและเสถียรนั้นเป็นเรื่องท้าทาย เหล็กเกรด GPa รีดร้อน เหล็ก เกิดชั้นออกไซด์ที่มีซิลิคอนสูงหนาแน่น ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการดองต่ำและคุณภาพพื้นผิวด้อยลง โครงสร้างจุลภาคแบบอ่อน-แข็งที่ไม่สม่ำเสมอในแถบรีดร้อนทำให้แรงรีดเย็นผันผวนอย่างรุนแรง ทำให้เกิดการแตกร้าวที่ขอบและแถบขาด ม้วนเหล็กอัลลอยสูงรีดร้อนมีความแข็งแรงสูงมากจนเกือบถึงขีดจำกัดของแรงรีดเย็น นอกจากนี้ การแข็งตัวแบบไดนามิกและแรงเสียดทานที่ไม่สม่ำเสมอในระหว่างการรีดเย็นทำให้แบบจำลองการรีดแบบดั้งเดิมไม่แม่นยำในการทำนายรูปร่าง ส่งผลให้ความแม่นยำของมิติไม่ดีและเกิดการสูญเสียเศษเหล็กจำนวนมาก

ประการที่สาม ระบบการสมัครและการประเมินผลยังไม่สมบูรณ์ เกรดเฉลี่ย (GPA) เหล็ก วัสดุนี้เกิดการคืนตัวอย่างรุนแรงระหว่างการปั๊มขึ้นรูป และมีความเสี่ยงต่อการเกิด LME ระหว่างการเชื่อมจุด ซึ่งคุกคามการขึ้นรูปชิ้นส่วนและความน่าเชื่อถือของรอยต่อ มาตรฐานการประเมินที่ถูกต้องสำหรับความเปราะจากไฮโดรเจนและประสิทธิภาพความล้าไม่เพียงพอสำหรับการรับรองและการคัดเลือกวัสดุ ขาดวิธีการออกแบบล่วงหน้าแบบบูรณาการ "วัสดุ-กระบวนการ-ชิ้นส่วน" เกรด GPa เหล็ก การใช้งานยังมีจำกัด โดยมีส่วนแบ่งในโครงสร้างตัวถังรถยนต์ (BIW) ต่ำกว่า 5%

โครงการนี้ใช้ตรรกะการสร้างนวัตกรรมร่วมกันแบบครบวงจร: “ทฤษฎี-เทคโนโลยี-ผลิตภัณฑ์-การประยุกต์ใช้” โดยมุ่งเป้าไปที่ผลิตภัณฑ์ที่มีต้นทุนสูงแต่ประสิทธิภาพต่ำ การผลิตที่ไม่เสถียร และสถานการณ์การใช้งานที่จำกัด การวิจัยนี้จึงชี้แจงผลกระทบของโครงสร้างจุลภาคต่อความสามารถในการขึ้นรูป การเปราะตัวจากไฮโดรเจน และ LME สำหรับโลหะผสมคาร์บอน-แมงกานีส-ซิลิคอนเกรด GPa ที่มีปริมาณโลหะต่ำ เหล็กงานวิจัยนี้ได้กำหนดวิธีการสร้างโครงสร้างจุลภาคแบบหลายเฟสเชิงปริมาณ และพัฒนาเทคโนโลยีการควบคุมโครงสร้างจุลภาคแบบหลายเฟสและแบบไล่ระดับที่แม่นยำ ในด้านการผลิต ได้สร้างระบบควบคุมหลายกระบวนการที่ครอบคลุม “การควบคุมพื้นผิว-การสร้างใหม่โดยการทำให้เมทริกซ์อ่อนตัว-การรีดร่วมมืออัจฉริยะ” สำหรับการใช้งานและการประเมินผล ได้แก้ปัญหาการคืนตัวและการเชื่อมจุด LME และได้กำหนดมาตรฐานการทดสอบและการประเมินผลสำหรับการเปราะตัวจากไฮโดรเจนและความล้า ระบบการออกแบบน้ำหนักเบาที่ฝัง EVI ช่วยให้ได้โซลูชันน้ำหนักเบาระดับยานยนต์ที่สมบูรณ์

ความสำเร็จด้านนวัตกรรมที่สำคัญ

1. วิธีการสร้างโครงสร้างจุลภาคหลายเฟสเชิงปริมาณสำหรับโลหะผสมเกรด GPa ต่ำ เหล็ก ด้วยคุณสมบัติที่หลากหลายและสมดุล โครงการนี้เผยให้เห็นผลกระทบร่วมกันของเฟอร์ไรต์ ออสเทนไนต์คงเหลือที่เสถียรด้วยการไล่ระดับ และมาร์เทนไซต์ใหม่ ต่อความสามารถในการขึ้นรูป การเริ่มต้นของรอยแตกจากการเปราะเนื่องจากไฮโดรเจน และการแพร่กระจายของ LME การเสริมความแข็งแรงที่เกิดจากการเสียรูปที่ไม่สม่ำเสมอ (HDI) และความยืดหยุ่นที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลง (TRIP) จากออสเทนไนต์คงเหลือที่เสถียรด้วยการไล่ระดับ ช่วยปรับปรุงความสามารถในการขึ้นรูปโดยรวม ช่วงโครงสร้างจุลภาคที่เหมาะสมที่สุดได้รับการยืนยันแล้ว คือ เฟอร์ไรต์ 10%-30% ออสเทนไนต์คงเหลือที่เสถียรด้วยการไล่ระดับ ≥12% และมาร์เทนไซต์ใหม่เป็นศูนย์ เฟอร์ไรต์ช่วยยับยั้งการแยกตัวของสังกะสีที่ขอบเกรนเพื่อชะลอการเติบโตของรอยแตก LME และทำให้ปลายรอยแตกจากไฮโดรเจนทู่ลง ออสเทนไนต์ที่มีความเสถียรสูงช่วยลดความเครียดเฉพาะที่และชะลอการแตกหักที่เกิดจากไฮโดรเจน จากผลการค้นพบข้างต้น จึงได้เสนอทฤษฎีการสร้างหลายเฟสเชิงปริมาณแบบใหม่: เฟอร์ไรต์เชิงปริมาณ + ออสเทนไนต์ที่เสถียรด้วยการไล่ระดับ + มาร์เทนไซต์สดเป็นศูนย์.

มีการศึกษาความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างพารามิเตอร์การอบอ่อนอย่างต่อเนื่องและโครงสร้างจุลภาคแบบหลายเฟส มีการชี้แจงอิทธิพลของเฟอร์ไรต์ที่ขึ้นอยู่กับทิศทางต่อการกระจายตัวของธาตุภายในออสเทนไนต์และการเปลี่ยนแปลงมาร์เทนไซต์หลายขั้นตอน มีการวัดปริมาณผลกระทบของอัตราการเย็นตัวและอุณหภูมิการชุบแข็งต่อจลนศาสตร์การเปลี่ยนแปลงเฟส โดยได้รับการสนับสนุนจากสายการผลิตอบอ่อนและชุบสังกะสีอย่างต่อเนื่องที่มีการระบายความร้อนเร็วมาก ได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีควบคุมการรักษาเสถียรภาพของธาตุแบบหลายเฟสร่วมกัน และได้พัฒนาเหล็กกล้าขึ้นรูปเย็นเกรด GPa ราคาประหยัดสองเกรด (980 MPa และ 1180 MPa) โดยไม่ต้องเติมโลหะผสม Mo/Cr ที่มีราคาแพง เหล็กกล้าดังกล่าวช่วยลดต้นทุนต่อตันได้มากกว่า 1100 หยวน เมื่อเปรียบเทียบกับมาตรฐานสากล อัตราการขยายตัวของรูเพิ่มขึ้น 46% ความต้านทานต่อการเปราะแตกเนื่องจากไฮโดรเจนดีขึ้นกว่า 2 เท่า และรอยแตกจากการเชื่อมจุด LME ถูกกำจัดออกไปอย่างสมบูรณ์ โดยมีอัตราการยอมรับการเชื่อมจุด 100%

2. เทคโนโลยีการผลิตแบบร่วมมือหลายกระบวนการที่ช่วยแก้ปัญหาคอขวดในการดอง การหักแผ่นโลหะ และการควบคุมรูปทรง เพื่อแก้ปัญหาแรงรีดเย็นที่มากเกินไปจากเหล็กแผ่นรีดร้อนที่มีความแข็งแรงสูง จึงได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีการปรับโครงสร้างเนื้อวัสดุให้เป็นเนื้อเดียวกันและการอ่อนตัวของเหล็กแผ่นรีดร้อน การให้ความร้อนเฉพาะขอบ การป้องกันขอบแบบปรับได้ และการม้วนแบบ U ที่ไม่สมมาตร ช่วยให้ได้โครงสร้างจุลภาคของเหล็กรีดร้อนที่เป็นเนื้อเดียวกัน ผ่านการเปลี่ยนแปลงเฟสที่อุณหภูมิสูง การฟื้นตัว และการตกผลึกใหม่แบบคงที่ เมทริกซ์มาร์เทนไซต์-เบนไนต์จะเปลี่ยนเป็นเฟอร์ไรต์-เพิร์ลไลต์แบบเม็ดกลมขนาดใหญ่ ซึ่งช่วยลดความแข็งแรงของเหล็กแผ่นรีดร้อนได้อย่างสม่ำเสมอ ความยาวของเศษเหล็กส่วนหัวและส่วนท้ายลดลงจาก 20 เมตร เหลือเพียง 10 เมตร ลดต้นทุนเหล็กต่อตันได้เกือบ 200 หยวน และลดแรงรีดเย็นลง 45%

มีการประยุกต์ใช้นวัตกรรมการขจัดคราบตะกรันเชิงกล EPS ร่วมกับการดองด้วยการไหลแบบปั่นป่วน สามารถขจัดคราบตะกรันที่มีซิลิคอนสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ และสร้างช่องขนาดเล็กเพื่อให้กรดแทรกซึมเข้าไปได้ ความเร็วในการดองสูงกว่า 100 เมตร/นาที (สูงกว่าคู่แข่งในระดับสากล 25%) และอัตราความบกพร่องจากความแตกต่างของสีบนพื้นผิวลดลงต่ำกว่า 0.18%

ได้มีการสร้างแบบจำลองความต้านทานการเสียรูปไดนามิกแบบเชื่อมโยงทางความร้อนและกลไกขึ้น โดยใช้โครงข่ายประสาทเทียม BP ที่ปรับให้เหมาะสมด้วยอัลกอริธึมทางพันธุกรรม การทำนายแรงรีด GWO-KELM และอัลกอริธึมการปรับให้เหมาะสมระดับโลก GSTSA เพื่อให้ได้การปรับให้เหมาะสมร่วมกันหลายเป้าหมายสำหรับแรงเสียดทาน รูปทรงของแผ่นโลหะ และคุณภาพพื้นผิว พบว่า ข้อผิดพลาดแบบวงปิดของรูปทรงแผ่นโลหะเย็น ≤0.5% อัตราการแตกหักของแผ่นโลหะรีดต่ำกว่า 0.8% และผลผลิตของกระบวนการเพิ่มขึ้นสูงกว่า 96%

3. เทคโนโลยีการประเมินการใช้งานและระบบลดน้ำหนักที่เป็นกรรมสิทธิ์สำหรับการผลิตรถยนต์จำนวนมากแบบต่อเนื่อง เพื่อแก้ไขปัญหาการคืนตัวหลังการปั๊มขึ้นรูปและการเชื่อมจุด LME ได้มีการเปิดเผยอิทธิพลร่วมกันของรูปทรงแม่พิมพ์และพารามิเตอร์กระบวนการต่อการคืนตัว การควบคุมการคืนตัวแบบหลายเป้าหมายโดยอาศัยรัศมีมุมแม่พิมพ์ ความเร็วในการปั๊มขึ้นรูป และการออกแบบรอยเชื่อม ช่วยปรับปรุงความแม่นยำของขนาดชิ้นส่วน กระบวนการเชื่อมจุดแบบใหม่ “หลายพัลส์ + การอบชุบ” ช่วยขยายช่วงกระบวนการที่เสถียรจาก 0.8 kA เป็น 1.6 kA

สำหรับช่องว่างในการประเมินประสิทธิภาพการใช้งาน: วิธีการทดสอบการเปราะตัวเนื่องจากไฮโดรเจนโดยใช้การขึ้นรูปดึงลึกถูกเสนอขึ้นเป็นครั้งแรกสำหรับแผ่นโลหะขึ้นรูปเย็นเกรด GPa เพื่อเอาชนะข้อเสียของการทดสอบการดัดรูปตัว U แบบดั้งเดิม อุปกรณ์ป้องกันการโก่งงอที่พัฒนาขึ้นเองช่วยแก้ปัญหาความล้มเหลวจากการโก่งงอสำหรับชิ้นงานทดสอบความล้าที่มีความหนาบาง (

ระบบการออกแบบน้ำหนักเบาแบบครบวงจร EVI ถูกสร้างขึ้นด้วยการวิเคราะห์ความไวแบบหลายเป้าหมายของ BIW เพื่อการเพิ่มประสิทธิภาพที่แตกต่างกันในระดับส่วนประกอบ เหล็กกล้าเกรด GPa 980 MPa ที่มีความหนา 1.0 มม. และ 1.4 มม. เข้ามาแทนที่เหล็กกล้า 350-650 MPa แบบดั้งเดิมสำหรับการใช้งานในโครงเบาะนั่ง ผลิตภัณฑ์ถูกนำไปใช้กับชิ้นส่วนรถยนต์ 31 ชนิด รวมถึงเสา B และตัวเรือนแบตเตอรี่ อัตราส่วนการใช้งานเหล็กกล้าเกรด GPa ใน BIW เพิ่มขึ้นจาก 5% เป็น 11% การลดน้ำหนักชิ้นส่วนเดี่ยวสูงสุดถึง 25% การลดมวล BIW บรรลุผล 10% ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยในการชนระดับ 5 ดาวของ C-NCAP วัสดุเหล่านี้ได้รับการผลิตจำนวนมากสำหรับรถยนต์รุ่นหลัก 28 รุ่น

ผลลัพธ์จากการสมัครและผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจและสังคม

นวัตกรรมครบวงจรที่ครอบคลุมทฤษฎีโครงสร้างจุลภาค กระบวนการผลิต วิธีการประเมิน และการประยุกต์ใช้ในยานยนต์ได้สำเร็จแล้ว การใช้ส่วนประกอบ C-Mn-Si อัลลอยต่ำร่วมกับการระบายความร้อนอย่างรวดเร็วเป็นพิเศษ ทำให้อัตราส่วนการขยายตัวของรูพรุนเกิน 70% ความต้านทานต่อการเปราะแตกจากไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า และรอยแตกจากการเชื่อมจุด LME ถูกกำจัดออกไปอย่างสมบูรณ์ คุณสมบัติโดยรวมเหนือกว่าผลิตภัณฑ์มาตรฐานระดับสากล พร้อมลดต้นทุนเหล็กต่อตันได้มากกว่า 1100 หยวน

เทคโนโลยีการขจัดคราบตะกรันเชิงกลและการดองแบบปั่นป่วนช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการดองได้ 25% การปรับปรุงโครงสร้างด้วยการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันและการอ่อนตัวของแถบโลหะขณะร้อนช่วยลดอัตราเศษโลหะเสียได้ 90% และแรงรีดได้ 45% แก้ปัญหาความยากลำบากในการดอง การแตกหักของแถบโลหะ และการควบคุมรูปทรงที่ไม่ดีสำหรับเหล็กกล้าความแข็งแรงสูง เพื่อให้สามารถผลิตในปริมาณมากได้อย่างมีเสถียรภาพ

ปัญหาคอขวดทางวิศวกรรมเกี่ยวกับการคืนตัวของสปริงจากการปั๊มขึ้นรูปและการเชื่อมจุด LME ได้รับการแก้ไขแล้ว มีการกำหนดมาตรฐานกลุ่มห้ากลุ่มเพื่อเติมเต็มช่องว่างในระบบการประเมินการเปราะตัวจากไฮโดรเจนและความล้า ผลิตภัณฑ์ถูกส่งมอบให้กับแบรนด์ OEM รายใหญ่ 11 แบรนด์ รวมถึง GAC, BYD, Mercedes-Benz, BMW และ Audi ครอบคลุมรถยนต์ 28 รุ่น โดยมีรถยนต์ที่ติดตั้งผลิตภัณฑ์มากกว่า 10 ล้านคัน ผลผลิตสะสมสูงถึง 810,000 ตันในช่วงสามปีที่ผ่านมา สร้างมูลค่าผลผลิตใหม่ 4.7 พันล้านหยวน และผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ 680 ล้านหยวน ได้รับสิทธิบัตรสิ่งประดิษฐ์ที่ได้รับอนุญาต 36 ฉบับ และบทความทางวิชาการ 38 ฉบับ

โครงการนี้ช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการจัดหาเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูงสำหรับยานยนต์ภายในประเทศอย่างมาก ชี้นำแนวโน้มทางเทคนิคระดับโลกของเหล็กกล้าขึ้นรูปเย็นเกรด GPa และส่งเสริมการยกระดับอุตสาหกรรมในภาคส่วนเหล็กกล้าสำหรับยานยนต์

ที่มา: สมาคมโลหะวิทยาแห่งประเทศจีน