第三届连接技术研讨会
智数汽车大数据锦湖日丽原材料麦克恒通汽车轻量化在线
查看: 61|回复: 0

[热成形工艺] 【深度】"铝硅涂层热成形钢"专利之争,何以破局?

[复制链接]
发表于 2020-3-31 13:45:01 | 显示全部楼层 |阅读模式

亲,赶快注册吧,有更多精彩内容分享!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
汽车材料网】近日,因一篇铝硅涂层热成形钢专利纠纷的新闻,搅动了汽车热成形钢应用领域的老话题--热成形钢涂层技术专利问题。

随着汽车安全法规的不断升级,结构安全仍将是汽车安全设计和选材首要考虑的因素,热成形钢也无可争议地将成为汽车车身用材的主要选择之一,其在解决汽车轻量化高强度钢冲压成形问题上有着不可替代的优势。同时随着其成本不断下降,行业应用也越来越多。作为一个兼顾轻量化、安全和成本多项优势于一身的热门技术,笔者今天带您一起来梳理一下该技术的热点话题——“铝硅涂层热成形钢”技术现状,以及未来的发展方向。





“铝硅涂层热成形钢”的由来

热成形钢成型过程需要将材料加热至950°C或以上的温度,这会导致材料表面氧化,出现大量的氧化铁皮。传统的无镀层热冲压钢,在加热中会导致钢板和氧化铁皮的产生,也会有一定的表面脱碳(少量脱碳对于热成形钢某种程度上是有益的,因为会增加热成形零件的韧性)。氧化铁皮容易脱落在模具中,增大钢板与磨具的摩擦系数,降低模具的使用寿命,而定期清理模具中的氧化铁皮,严重降低生产效率。为满足冲压件的后续处理要求,需要通过喷丸去除表面生成的氧化铁皮。但喷丸处理不仅会导致成本增加,而且影响零件的尺寸精度,同时也有粉尘和噪音污染。




(图片来源:htTPS://wenku.baidu.com/view/846aedf6793e0912a21614791711cc7931b77884.html)

为了避免在热冲压过程中的材料氧化,采用对钢板表面镀上Al-Si涂层,Al-Si系合金涂层材料高温氧化环境下表面生成连续、均匀、致密的氧化铝、氧化硅氧化保护薄膜;易于富Si的SiC内涂层之间形成成分梯度过渡。相比较于其他类形的涂层,铝硅涂层可以耐高温,950°C的高温环境下依然能保持涂层的形态和性能。

由于铝硅涂层热冲压钢在加热过程中不需要加入气体保护控制,在加热后不会产生氧化铁皮,而且由于省去了喷丸处理,改善了加工环境、增强了尺寸精度而广受各大汽车冲压厂、主机厂的欢迎。

安赛乐-米塔尔钢铁公司于1999年最早成功开发了铝硅镀层技术。这项技术有效避免了无镀层热冲压钢板表面氧化的问题,同时,在磨具保护、零件尺寸精度、耐蚀性等方面也表现出优异性能,从此热冲压成形用钢在汽车上的应用逐年快速增长,全球铝硅镀层钢板的应用已超过每年300万吨。目前,据笔者所知,阿赛洛米塔尔已将该技术授权新日铁等公司生产和销售。

阿赛洛米塔尔“铝硅涂层热成形钢”汽车零部件应用的专利组合

1)汽车零部件生成工艺

基于热成形过程的高温抗氧化情况,以及热成形后点焊性能等因素的综合考虑,阿赛洛对铝硅涂层热成形钢确定了自己的加热温度区间和保温时间,也称为工艺窗口。这也是该铝硅涂层热成形钢零部件制造工艺专利核心保护工艺参数指标。因而,若采用该材料生成汽车零部件,必须要避开此工艺区间。




(图片来源:https://wenku.baidu.com/view/846 ... 11cc7931b77884.html

确切的来说,铝硅涂层热成形钢板的涂层本质上是为了避免热成形过程的表面氧化,减少后续的喷丸处理带来的尺寸精度控制困难等问题。对于减少环境粉尘和噪音污染确实是非常不错的解决方案。本质上不是解决防腐问题。

2)激光拼焊板制造

铝硅涂层板坯的激光拼焊板技术,涉及的专利。简单的说就采用激光把铝硅涂层先剥离一层,再焊接。这样铝就不会渗进焊缝,生成脆性相(铝/硅氧化后的产物是二氧化硅和三氧化二铝),增加气孔率,进而影响焊缝的性能,作为安全部件是非常可怕的事情。用阿赛洛申请专利(来源:CN103917329B,具有非常高机械阻力的热成形经预先焊接的钢部件及生产方法)内容描述的方法进行涂层剥离处理的的主要原因如下:

“在焊接操作期间,由外覆金属合金层的与钢基材相接触的金属间合金层构成的铝基预涂层被焊缝金属区域内的钢基材稀释,该焊缝金属区域为在焊接操作期间呈熔融状态并且在该焊接操作之后凝固,形成两板之间的接合部的区域。”

在预涂层的铝含量的范围中,可发生两个(坏)现象。

第一,如果焊缝金属区域中的铝含量局部很高,那么会形成金属间化合物,这是由于稀释了焊缝金属区域内的一部分预涂层并且形成了在热成形步骤之前在随后加热焊接接头期间出现的合金所造成的。这些金属间化合物是裂纹最容易萌生的位置。

第二,如果焊缝金属区域中的铝含量较低,那么铝(其为基底中固溶体 的α基因防止转化成在冲压之前步骤期间出现的奥氏体(austenite)。因此,在热成形之后的冷却期间不再可能获得马氏体(martensite)或贝氏体(bainite),并且焊缝包含铁素体。于是焊缝金属区域表现出小于两个相邻板的硬度和机械强度的硬度和机械强度。

为了防止上述第一现象,公开专利(欧洲专利:EP0971044、EP2007545,Clad hot-rolled and cold-rolled steel sheet, presenting a very high resistance after thermal treatment )描述了一种由以下方式组成的解决方案:在预定进行焊接操作的板的外周的水平面上除去金属合金的表面层,留下金属间合金的层。该移除可通过刷擦或通过激光束进行。保存金属间合金层以确保耐蚀性并防止在进行成型操作之前热处理期间的脱碳和氧化的现象。

下图为剥离后示意图以及激光焊接过程(5所示部位即为剥离后的台阶),详细可查看上述公开专利:


单面剥离示意



双面剥离


用于实施本发明要求保护的方法的板的示意图(来源:专利号:CN103917329B)





本发明要求保护的方法的焊接操作开始的示意图(30位置为激光束焊接)(来源:专利号:CN103917329B)


“铝硅涂层热成形钢”专利如何破?--国外篇

既然铝硅涂层热成形钢的制造工艺方面已经被申请了专利,热成形钢又是汽车行业提高安全性能的有效手段之一,想要应用除了支付专利费,只有自主研发。以奥钢联为代表的钢企便另辟蹊径,开启镀锌热成形钢板的开发路线。

由于锌的熔点比较低,因而在高温加热同步热冲压时可能导致锌层的不均匀分布,同时锌也可能会渗入钢材基体中,产生脆性相。因而复杂零件的热冲压都需要采用两步冲压方法,减少在热状态锌层的影响,这也是两步法热成形工艺诞生的原因,也称为间接热冲压成形。对于一些形状复杂或者拉延深度较大的零件,间接热冲压成形可以避免成形开裂,零件的预成形可以减小材料与模具之间的相对位移,从而减小模具表面在高温下的磨损。采用镀锌涂层热成形钢的零件一般必须使用间接热冲压成形工艺。




为了提高镀锌热成形零件的生产效率,Gestamp等提出了新的锌基热成形工艺,也被俗称镀锌热成形新一步法工艺(direct MSHc, Multi-Step Hot Stamping Process*:PAtents PEnding),其省去了预冲压的工艺步骤。与铝硅涂层工艺基本一致。




(来源:Gestamp,New Zn Multistep Hot Stamping Innovation)

据官方描述其优点如下。




(来源:Gestamp,steel Innovations in Hot Stamping)


目前该技术已在宝马等汽车公司量产应用。选择镀锌热成形钢,其激光拼焊也不存在相应的专利保护,成功的避开铝硅涂层热成形激光拼焊的专利壁垒。

手握铝硅涂层专利技术的阿米,在竞争对手的技术路线也开展了专利的布局(专利申请号:CN201880028753.X,专利名称:用于制造抗液态金属脆化的镀锌扩散退火钢板的方法)。因为不管直接还是间接热成形的方式,镀锌层扩散到热成形钢基体的控制技术是非常关键的。阿赛洛米塔尔的这样的布局,也是我们国内企业需要学习的地方。法律和道德允许前提下,竞争对手的分析和Benchmark对标,一直是商业社会鼓励的行为。因为只有对标,才能找到差距,才能更好地促进企业的长久发展。


“铝硅涂层热成形钢”专利如何破?--国内篇

1) 新涂层材料专利

铝硅涂层很好地保护了热成钢基体不受氧化,因而在钢板表层由于涂层的保护不会产生表面脱碳。因而其热成形钢基体几乎实现100%马氏体转变(一般认为冷却速度达到27℃/S时,基体可以100%转变为马氏体。),板条马氏体具有较高强度、硬度的同时,还具有相当高的韧性和塑性。虽然马氏体组织本身有一定的任性和塑性,对服役条件的要求来说,其韧性有待提高。韧性提高会直接改善汽车碰撞安全件,韧性不足还会导致零件延迟开裂,即零件冲压完并未开裂,但焊接装配后开裂。”通用汽车、宝马公司等公司也都对热成形钢提出了抗冷弯角度的评价,近些年,通用汽车也首次增加了高韧性铝硅镀层热冲压钢,并提出了韧性提高20%的技术要求。国内汽车行业也制定的了相关的测试标准。(相关标准可查看:http://csae.sae-china.org/a3093.html

为了进一步提高韧性,东北大学易红亮教授等开发了高韧性热镀铝硅合金镀层。该技术的核心是通过镀层的减薄使得热成形零件的韧性得到改善,进而提升热成形钢零件的碰撞安全性。详见下图。




(来源:http://www.ral.neu.edu.cn/2019/1011/c4392a144096/page.htm

众所周知,裸板热成形钢在热冲压后因其表面存在一定的脱碳层,改善了其弯曲角,其最大弯曲角高于同材质同规格的铝硅镀层板。薄涂层铝硅是介于裸板和标准铝硅涂层之间的一个平衡选择。




目前该技术已被纳入汽车行业团体标准:http://csae.sae-china.org/a3555.html。该标准马钢及鞍钢蒂森也参与其中。

另外,通过热成形钢涂层技术通过专利的查询,我们了解到国内马钢等也开始在镀锌涂层钢板开发方面有所行动。想见下表。




2) 零件热成形工艺专利

作为国内第一大汽车钢企,宝钢在汽车板应用技术开发方面一直引领行业。由于铝硅涂层钢板的专利保护,近些年,虽然铝硅涂层钢板材料早已开发出来,但是应用端的专利保护限制,一致未能大规模的批量供应。因此,攻克铝硅涂层热成形钢板应用技术,研发人员也是绞尽脑汁。好在宝钢人才济济,也敢于在基础研究方向投入,也取得了一些重要的突破。

其铝硅涂层热成形钢工艺方面,涉及新的专利:(授权专利号:CN201811035118.2;专利名称:带铝硅合金镀层的热冲压部件的制造方法及热冲压部件

该发明一种带铝硅合金镀层的热冲压部件的制造方法及热冲压部件,可以有效解决铝硅镀层的粘辊问题,降低热处理炉辊子的结瘤概率,提升辊子的使用寿命,同时保证热冲压部件镀层的完整性及部件的机械性能、焊接性能、涂装性能及耐蚀性能。以钢板的厚度<1.5mm时为列:有以下三个推荐加热保温区,原理上也是规避AM关于铝硅涂层热成形工艺窗口的专利保护。




目前该专利还在实质审查阶段,能否最终授权我们持续关注。

易红亮教授在其薄铝硅涂层热成钢发明专利中也采用同样的思维去规避阿赛洛米塔尔的工艺参数专利要求。(授权专利号:CN108588612B;专利名称:热冲压成形构件、热冲压成形用预涂镀钢板及热冲压成形工艺




3) 铝硅涂层激光拼焊工艺专利

为了实现该技术的快速突破,宝钢海内外研究团队在已经实现1500MPa+低强度热成形铝硅材料激光拼焊量产供应的基础上,继续在1500MPa+1500MPa铝硅热成形材料激光拼焊上同时发力。位于德国的宝钢激光拼焊公司(Baosteel TB)开展以批量生产稳定性为核心的材料、工艺和设备研究与开发;位于上海总部的宝钢研究院着重双新解决方案——新型焊丝+新焊接工艺开发。(授权专利号:CN106466697B;专利名称。一种带铝或者铝合金镀层的钢制热冲压产品及其制造方法)




热成形钢应用未来展望

由于国内外汽车安全法规的不断提高,热成形钢以其优异的强度和刚性,相对较低的成本等特点,是目前轻量化材料中,符合中、低端汽车实现安全和轻量化性能,以及成本要求的最为理想的材料。近年来的快速增长的趋势也印证了这一观点。目前产业进入成熟期,但是未来也有一定的发展前景可期。

1)热成形钢还将有巨大的增量市场

据统计,全球每年热冲压成形零部件需求约6亿件,热冲压产线约500条,全球热成形钢年需求量400万吨左右;中国热冲压产线约150条,年需求热成形钢120万吨。由于热冲压成形零部件对汽车安全以及轻量化的显著作用,车身应用热成形零部件重量百分比平均达8%以上。以目前的市场发展,未来预计会增加到20%。所以市场空间上还有巨大的想象空间。




Steel Innovations in Hot Stamping(来源:Gestamp R&D North America)

2)热成形技术门槛不断降低,低成本趋势不可逆

任何技术的发展都是市场需求驱动的,近几年,2GPa热成形钢、新型热成形涂层钢板、热成形焊接技术、工艺装备及设计技术的技术突飞猛进,以及不断崛起的以屹丰为代表的本土热成形零部件制造商所代表的成熟供应链体系,正是国内强大的汽车市场需求所驱动。随着国内热成形市场的井喷发展,产业竞争进入红海区,进而也降低了其技术门槛。从(滚底炉和多层箱式炉)加热炉、电伺服冲压机,再到热成形零件的设计、工艺过程仿真、模具设计和国产化制造,都预示着这个行业的技术门槛在逐步降低,产业的发展已经不允许再有更多的高利润空间存在。

3)“平衡之道”力促产业内合作与互信

在汽车产业加速下行的今天,热成形钢领域中涂层热成形钢材料及工艺技术的企业目前仍然是这个产业链中效益最好的环节。回归单一产业或技术,获得合理收益的路径无非是“小产量、高利润”或“低利润、大规模”,选择什么样的路径是企业的自主行为。作为旁观者我们也不适合过多的评论,更不宜加以指责。

汽车产业的发展经验告诉我们,只有产业链各个环节的参与者都有所收益,才能维持产业链有效运转,且规模效应是汽车行业创造收益的前提。条条大路通罗马,一旦一条路受阻,一定会转向其他路径。回归到铝硅涂层的技术路线上,目前无论是材料、工艺和零件的加工方面都有不同的技术路径开始市场化的探索。在低成本的驱动下,市场会倒逼技术路线的变革,也会驱动更多的原始创新。所谓“平衡之道”就是审时度势,不断去调整应对策划。任何所谓的“新技术”都是基于一定的时间轴,唯一永恒不变的就是“变化”和“螺旋上升”。

编后

作为技术的引领者,在研发时投入了大量的人才和物力,其获得投入的经济收益无可厚非,也是全世界范围内鼓励创新的初衷。无论是阿赛洛米塔尔还是宝钢、东北大学等热成形钢领域的创新者,无论其创新的精神、研究成果以及成果的收益都是应该被尊重。正如VAMA在针对前期专利新闻的声明(详见VAMA官网)中指出的:“尊重知识产权,保护知识产权,是对企业创新技术成果的合法保护和激励,为客户的合法经济利益提供保障,对汽车行业的健康发展尤为重要”。在汽车产业环境不断变化的当下,铝硅涂层热成形钢替代技术也在不断发展,从产业的发展来说,相关方采用技术互换、专利授权或专利互换等方式来实效技术收益的最大化,开展产业链的合作,也不失为一种惠及产业链长远发展的新的尝试和探索。

(声明:对于本文中涉及的专利信息均来源与国家知识产权官网和专利服务商佰腾网公开信息,技术内容仅作为参考说明之用。由于专利本身复杂关系检索和法律关系不是本文探讨的内容,如有异议请联系相关专利权人。本文为中国汽车材料网原创文章,未经许可禁止转载。)


您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则