安賽樂米塔爾近年在汽車工業(yè)領(lǐng)域的重大技術(shù)創(chuàng)新

□ 柯華飛 康 斌

安賽樂米塔爾近年在汽車工業(yè)領(lǐng)域的重大技術(shù)創(chuàng)新

□ 柯華飛 康 斌

在全球汽車用鋼領(lǐng)域,鑒于安賽樂米塔爾在供貨量和多項技術(shù)領(lǐng)域處于前沿地位,對近年來安賽樂米塔爾在汽車用鋼的整體解決方案、工藝、材料、涂鍍層等領(lǐng)域的創(chuàng)新進行了總結(jié)分析。

安賽樂米塔爾；汽車用鋼；輕鋼解決方案；工藝；材料；涂鍍層

汽車業(yè)務(wù)是安賽樂米塔爾的主營業(yè)務(wù)之一,在全球汽車用鋼領(lǐng)域,安賽樂米塔爾提供的扁平材位列供應(yīng)商第一,還提供拼焊板、長材和管材產(chǎn)品。在先進高強鋼、鍍鋅和涂鍍鋼材領(lǐng)域,以及專利產(chǎn)品(如Extragal和Usibor)方面,安賽樂米塔爾都是技術(shù)領(lǐng)先者,產(chǎn)品應(yīng)用于汽車、貨車和卡車制造。

全球約1/5的汽車用鋼來自安賽樂米塔爾,安賽樂米塔爾的生產(chǎn)基地跨越四大洲的22個國家。還在全球擁有汽車業(yè)制造基地,通過以設(shè)備、聯(lián)合和合資的方式進行戰(zhàn)略整合。該公司約54%的汽車用鋼產(chǎn)自歐洲,45%產(chǎn)自美洲,1%產(chǎn)自南非。在印度、土耳其和中國建立合資企業(yè),在日本則與NSC結(jié)盟。到2015年,位于中國境內(nèi)的VAM合資企業(yè)(華菱安賽樂米塔爾汽車板合資公司)計劃開始提供高強鋼和高附加值產(chǎn)品。

安賽樂米塔爾汽車用鋼性能杰出,且覆蓋全冶金系列、涂鍍及表面處理,在外部件鍍鋅鋼和熱沖壓鍍層鋼技術(shù)方面處于前沿地位。通過在輕量化和成形性之間爭取最佳平衡,借助自有的國際化網(wǎng)絡(luò)和合作加工中心、拼焊板生產(chǎn)廠家和沖壓廠家,在全球范圍內(nèi)提供產(chǎn)品及技術(shù)服務(wù)。

安賽樂米塔爾汽車用鋼的重大技術(shù)創(chuàng)新路徑見圖1。

圖1 安賽樂米塔爾汽車用鋼重大的技術(shù)創(chuàng)新

一、輕鋼解決方案創(chuàng)新

1.S-in motion項目(2010—2012年)

S-in motion(輕量型汽車用鋼)項目始于2010年,耗時2年,是面向21世紀(jì),為致力于建造更輕型、更安全和更環(huán)境友好型汽車的制造商們提出的一個新項目概念,其借助于一系列的零部件和解決方案來實現(xiàn)輕量化要求,提供了針對競爭材料的最具競爭力的生命周期模式。

S分別代表鋼鐵、減重、降本、可持續(xù)、安全、服務(wù)、強度以及解決方案。項目目標(biāo)：使用安賽樂米塔爾的先進高強鋼(AHSS)、壓力硬化鋼(PHS)、不銹鋼和長材,開發(fā)出重量最輕的、符合歐洲和北美碰撞要求的、且成本最低的汽車。項目計劃分2期展開：1期是適合歐洲和北美的子模塊(包括車頭模塊、車尾模塊、側(cè)身模塊、閉合模塊等)解決方案；2期是適合歐洲市場的最輕整車解決方案。

目前,該項目開發(fā)出了C級基準(zhǔn)車43個部件的多種解決方案,針對大多數(shù)43個部件的60種解決方案采用了壓力硬化鋼(PHS)和先進高強鋼(AHSS)、不銹鋼(17.7C-1.4310用于A 柱下外側(cè))和長材(如用于轉(zhuǎn)向節(jié)彈簧和鍛壓鋼SOLAMB1100的CRS2050)。以最輕整車解決方案為例,與C級基準(zhǔn)車相比,該方案可使整車重量減輕19%。

此外,項目還進行了生命周期評價(LCA),壓痕、碰撞、剛度,成形性、裝配模擬和風(fēng)險評估。 S-in motion項目中超高強鋼的使用,能夠在全生命周期取得14.5%的減排效果。白車身生產(chǎn)過程中可以減少15%的CO2排放當(dāng)量,這在很大程度上歸因于硬化鋼和先進高強鋼的環(huán)保性能。項目中基準(zhǔn)車使用周期200 000km,百公里燃耗為6.6L, LCA結(jié)果顯示：使用階段可減少13.5%的CO2排放當(dāng)量。結(jié)合生產(chǎn)過程中的減排量,每一輛白車身減排可達1 749 kg的CO2排放當(dāng)量,也就是6.2 g/km。

為了驗證安全性能,項目組進行了標(biāo)準(zhǔn)歐盟NCAP(歐盟新車評估組織)和AZT碰撞測試,包括后撞、頂棚擠壓和側(cè)撞。NCAP和AZT測試結(jié)果均超出最低法定要求。

2011年,S-in motion榮獲美國金屬市場報的“最佳工藝創(chuàng)新獎”,其創(chuàng)新意義使得鋼材能夠和鋁材方案汽車制造進行競爭,并在汽車材料市場中處于領(lǐng)先地位,已在北美、歐洲和日本的眾多汽車廠商中得到廣泛應(yīng)用,并已進入巴西和韓國市場。

2.超輕車門(2010—2013年)

自S-in motion明確了全方位創(chuàng)新鋼材解決方案以來,安賽樂米塔爾全球研發(fā)汽車部利用當(dāng)今的鋼材和技術(shù),歷經(jīng)3年時間取得了這些車門輕量化解決方案,已經(jīng)實現(xiàn)了鋼制車門27%的輕量化和降本成果。而借助先進高強鋼和未來幾年內(nèi)即將面世的技術(shù),采用超輕車門方案有望較現(xiàn)行車門方案減輕34%的重量。

(1)安賽樂米塔爾的超輕車門輕量化目標(biāo)和解決方案

——當(dāng)前鋼種的短期目標(biāo)：在保持結(jié)構(gòu)和安全要求的前提下,將車門重量從18.3kg減至13.3kg。解決方案：UHSS (MS1500 和 Usibor)用于結(jié)構(gòu)件,外板采用如FF280DP雙相鋼,重新設(shè)計的前車門外板采用了0.6mm的FF280DP,并進行局部增強以提高剛度,該方案還包括極薄的內(nèi)側(cè)激光拼焊板；外板使用極薄鋼已經(jīng)部分實現(xiàn)了中短期方案的減重目標(biāo)；采用down-gauging技術(shù)在提高鋼材強度的同時,確保車門符合耐沖擊標(biāo)準(zhǔn)。

——采用新鋼種的中期目標(biāo)(研發(fā)中)：進一步輕量化,激光拼焊板提升了局部性能；根據(jù)客戶需求,開發(fā)了數(shù)種新鋼種以匹配不同類型車門；新的高強鋼和應(yīng)用技術(shù)將于未來數(shù)年面世,2017年有望實現(xiàn)中期方案。解決方案：重新設(shè)計的前車門外板采用了0.6mm的FF280DP,并進行局部增強以提高剛度,該方案還包括極薄的內(nèi)側(cè)激光拼焊板；C級車門包含對正面和側(cè)向碰撞載荷的管控；要繼續(xù)輕量化34%,整體車門重約12k(g26.4磅),涉及到當(dāng)前正在開發(fā)的創(chuàng)新鋼種,如用于某些非可視部件的Usibor2000,以及可將外板厚度減至0.5mm的先進高強鋼；大型D級車門對正向碰撞載荷沒有要求,因此車門可以進行有限的輕量化。

(2)不同規(guī)格車門的解決方案

——A、B、C級車。標(biāo)準(zhǔn)鋼制前車門重約18 kg( 40磅)。中型車車門沉重是因為必須包含加載路徑來管控正向碰撞產(chǎn)生的力度。在大型車(如D級車),這個加載路徑已經(jīng)成為白車身的一部分,所以車門稍輕。要使車門輕量化34%,整體車門重約12k(g26.4磅),涉及到當(dāng)前尚在開發(fā)的創(chuàng)新鋼種,如用于某些非可視部件的Usibor2000,以及可將外板厚度減至0.5mm的先進高強鋼。

——大型D級車。由于大型D級車對正向碰撞載荷沒有要求,因此車門可以進行有限的輕量化。在中期計劃里計劃實現(xiàn)29%的輕量化：第一種方案是調(diào)整C級車門的中期發(fā)展計劃以適應(yīng)D級車門要求,實現(xiàn)車門重量10.4 kg (22.9 磅)；第二種方案是推進設(shè)計進步,采用結(jié)構(gòu)性整體加載路徑優(yōu)化,并重點開發(fā)裝配和制造技術(shù),該方案中包括外板在內(nèi)的大量部件共同作用,提高碰撞性能,目前仍在開發(fā)中,并采用薄規(guī)格AHSS如熱沖壓Usibor。

3.S-in motion電動車(2010—2012年)

該項目采用標(biāo)準(zhǔn)燃油型C級車作為基準(zhǔn)車,旨在改造基準(zhǔn)車來創(chuàng)建電動車,并采用在原S-in motion研究中得到認(rèn)定的方案,因而與那些有意制造傳統(tǒng)汽車電動版的汽車制造商們尤為相關(guān)。S-in motion電動車解決方案如下：

(1)輕量化。S-in motion電動車上大量使用AHSS (35%～58%)有助于減少白車身重量30k(g11%)。盡管為保護電池而需要額外使用鋼材,依然能取得輕量化效果。此外,輕量化使得材料用量減少,帶來了5%的成本下降；同時,處理、裝配、加工成本會因使用AHSS而略微上漲。因而,S-in motion電動汽車白車身成本僅高出基準(zhǔn)車2%。

(3)用白車身保護電池。S-in motion電動車?yán)密嚿淼鬃M行必要保護,擴大電池通道,將電池托盤用螺栓拴在通道和后座的下方,以形成保護。該方法已成功應(yīng)用于通用Chevy Volt。在該方案里,電池通道采用熱成形鋼,電池托盤則采用DP1180。這兩個鋼種都擁有高強度,并有助于減輕重量。通道方案能夠在發(fā)生碰撞時為電池提供360°保護,高強度鋼種也改善了白車身的抗扭剛度。

4.卡車方案(2013年)

基于長期經(jīng)驗,安賽樂米塔爾汽車和卡車用鋼種能囊括所有需求,激光拼焊和熱成型技術(shù)也應(yīng)用于先進卡車制造中。未來,混合動力和電動卡車用電工鋼也在研制中。目前,對于輕型貨車,安賽樂米塔爾完成了S-in motion 模擬的重要步驟,結(jié)果顯示對該類型貨車可以減重23%。卡車的解決方案如下：

(1)創(chuàng)新設(shè)計。幾乎所有汽車創(chuàng)新正在融入卡車駕駛室設(shè)計。高強鋼(HSS)和先進高強鋼(AHSS)——包括雙相鋼和硼鋼,已經(jīng)在S-in motion項目中得到驗證,在保持性能的情況下取得輕量化效果。

(2)先期參與。安賽樂米塔爾研制的新涂層,如Zagnelis有助于延長使用壽命,其含有3%鎂和3%鋁,較熱浸鍍鋅易損件更能耐受腐蝕。在全球汽車研發(fā)人員指導(dǎo)下,安賽樂米塔爾的卡車客戶服務(wù)團隊,能做出合理建議,選擇鋼種和改善工藝,在保持可靠性、安全性、舒適度以及經(jīng)濟性的前提下最大化減輕重量。

(3)S-in motion理念。安賽樂米塔爾能夠提出鋼材解決方案來滿足卡車設(shè)備商對駕駛室更輕、更牢固和更安全的設(shè)計要求。對于拖車底盤的通用輕鋼方案——Trailtech,采用高強度低合金鋼種,如S700MC來減少油耗和排放。HSS用來減輕卡車車輪重量的10%～15%。

目前,安賽樂米塔爾的卡車方案已經(jīng)應(yīng)用于Shutterstock、沃爾沃、斯塔尼亞、M.A.N、雷諾卡車、依維柯、梅賽德斯、道夫等卡車品牌。

二、工藝創(chuàng)新

1.熱成形工藝

熱成形鋼鍍層工藝：安賽樂米塔爾最早開發(fā)出金屬鍍層的熱成形鋼系列,提供具有更高延展性的新產(chǎn)品；安賽樂米塔爾可提供Usibor1500P熱成形鋼AlSi、GI和GA鍍層板,其中AlSi鍍層為全球鋼企中的首創(chuàng)。

應(yīng)用安賽樂米塔爾的熱成型工藝,大眾帕薩特B6重量減輕25kg,NCAP碰撞測試5星,成本比傳統(tǒng)方案更低。奧迪Q5側(cè)梁使用了Usibor1500P鋼(22MnB5)專用焊激光焊接板系列。

2.局部激光剝蝕工藝

局部激光剝蝕技術(shù)是創(chuàng)新型專利技術(shù),為激光拼焊板提供了優(yōu)異的焊接性能和防腐蝕保護,目前正在與ANDRITZ Soute合作進行商業(yè)化推廣。該技術(shù)有望在全球推廣,提高激光拼焊技術(shù)在熱成形鋼應(yīng)用的有效性。

三、材料創(chuàng)新

1.高強汽車用鋼

2.AHSS激光拼焊板

安賽樂米塔爾擁有15年的激光拼焊經(jīng)驗,并持續(xù)追求創(chuàng)新及新技術(shù)開發(fā)。為了改善防撞性以及輕量化,目前安賽樂米塔爾拼焊板已能夠覆蓋全規(guī)格的AHSS,隨著汽車市場競爭的加劇,新的方案必須極少甚至無成本增加。而由于材料使用量減少以及拼焊板功能集成的優(yōu)勢,帶來了綜合生產(chǎn)成本的下降。

3.iCAReTM鋼(2012年)

iCAReTM是安賽樂米塔爾汽車用鋼的創(chuàng)新電工鋼產(chǎn)品,寓意是為未來的汽車尋求創(chuàng)新(i)和環(huán)境友好型(e)解決方案。

iCAReTM鋼結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)和和高性能電工鋼,專門為滿足電動汽車和混合動力車的特殊需求而設(shè)計,具有高磁導(dǎo)率、低損耗水平和卓越的屈服強度。能夠幫助汽車制造商取得以下成效：混合動力車的低CO2排放和高燃油效率,延長現(xiàn)有電池駕程,降低總的電氣化成本,電機能有更好的功率密度來減小電動傳動系統(tǒng)的尺寸和重量。

iCAReTM產(chǎn)品有3種型號,分別針對不同的典型應(yīng)用：Save、Torque和Speed。安賽樂米塔爾可以提供2種iCAReTM涂鍍產(chǎn)品——C3和C5,適用于混合及電動牽引機和壓縮機的全加工鋼種。

Save鋼具有極低損耗,核心作用是優(yōu)化電池電流的使用?？梢詼p少同步電機定子的鐵損,尤其是減少高速混合和電動牽引機的鐵損,以及發(fā)電機的鐵損從而延長電動車的使用壽命。

Torque是高磁導(dǎo)鋼系列,能夠使電機或電機供電的機械功率輸出達到最高級別,在5 000A/m時,最小偏振超過1.65 T。該鋼種可以協(xié)助生成通量,使電機產(chǎn)生更多機械輸出。如果無需考慮機械輸出,可以減少永磁和銅線圈以降低成本。

Speed是特殊高強電工鋼種,用于高速轉(zhuǎn)子以保持其高磁性,可以使電機更緊湊,擁有更高的功率密度。該鋼種保障了屈服強度和磁性,在機械性能和損耗之間提供了極好的平衡。

四、涂鍍層創(chuàng)新

2.薄有機涂層

安賽樂米塔爾的薄有機涂層具有極高的耐腐蝕性,借助包含在有機基質(zhì)里的金屬顆粒,可以保持良好的焊接性能。有機涂層涂敷于金屬鍍層之上,使鋼板擁有優(yōu)質(zhì)表面,易成形、易焊接。

安賽樂米塔爾產(chǎn)線包括一代和二代有機樹脂和無鉻表面處理工藝,其他薄有機涂層正在工業(yè)化過程中。一代涂層適用烘烤硬化鋼之外的所有基質(zhì),二代適用烘烤硬化鋼。見表1。

表1 安賽樂米塔爾的一代和二代薄有機涂層

3.潤滑涂層

安賽樂米塔爾開發(fā)了潤滑油表面處理涂層,在提高耐腐蝕性的同時,改善深沖性能。針對更為嚴(yán)苛的深沖性能要求,安賽樂米塔爾潤滑油涂層開發(fā)應(yīng)用情況見表2。

表2 安賽樂米塔爾的潤滑涂層開發(fā)應(yīng)用情況

五、突破性技術(shù)創(chuàng)新

安賽樂米塔爾致力于通過大量投入來攻克突破性技術(shù),典型的就有真空PVD(物理氣相沉積),為突破性產(chǎn)品開發(fā)帶來新的前景。該技術(shù)在別的行業(yè)已經(jīng)存在,只是沒有應(yīng)用于煉鋼工藝中。

這些初代產(chǎn)品就有由真空沉積得到的ZEMg鍍層。ZEMg PVD鍍層的耐腐蝕性以及表面質(zhì)量適用于很多汽車部件,包括外部件和非外部件。其研發(fā)專門針對提高空心件耐腐蝕性以及相鄰部件的接合?？梢詼p少額外如上蠟和填補劑之類的保護措施,還可以改善對空心部分的保護,極大地降低設(shè)計成本。主要應(yīng)用于閉合件、車體側(cè)邊件、車底部件、減震系統(tǒng)以及所有空心梁,旨在滿足車身制造商減少耐腐蝕成本的要求。

六、 結(jié)束語

安賽樂米塔爾汽車業(yè)務(wù)的技術(shù)創(chuàng)新成果主要是提供創(chuàng)新性解決方案,以及在保證成本控制的情況下,開發(fā)突破性產(chǎn)品和技術(shù)。安賽樂米塔爾研發(fā)的首要目標(biāo)是保持前沿地位,在汽車行業(yè)面對的環(huán)境、安全和成本控制問題上采取先行策略,尋求高效、可持續(xù)的解決方案。

1.客戶導(dǎo)向的前沿型技術(shù)創(chuàng)新

安賽樂米塔爾研發(fā)的首要目標(biāo)是保持前沿地位,在汽車行業(yè)面對的日益苛刻的環(huán)境、安全和成本控制問題上,采取先行策略,尋求高效、可持續(xù)的解決方案。與汽車制造商密切合作,安賽樂米塔爾開發(fā)了S-in motion——一種更輕量化且有安全保障的汽車用鋼解決方案,同時還減少了碳排放,并開發(fā)了iCAReTM創(chuàng)新環(huán)境友好型電工鋼產(chǎn)品。安賽樂米塔爾通常在新車型發(fā)布的前5年開始參與設(shè)計研究,并將在新車下線后持續(xù)提供服務(wù)。2013年,Honda 2014M Acura MDX下線,采用世界首例創(chuàng)新性單件式、熱成形、激光拼焊、側(cè)開式門環(huán)面板技術(shù),應(yīng)用鋼種為UsiborAlusi熱成形鋼。該技術(shù)將協(xié)助Honda贏得美國公路交通安全管理局的5星安全評級,同時還改善了燃油經(jīng)濟性。

2.長期國際化合作促進創(chuàng)新

安賽樂米塔爾借助研發(fā)部門與全球合作伙伴、大學(xué)和研究機構(gòu)長期合作,在全球12個國家擁有合作大學(xué)、7個國家擁有合作研究機構(gòu),其研究內(nèi)容覆蓋汽車用鋼的重點領(lǐng)域。如,和蒂森克虜伯合作研發(fā)Fe-C-Mn系TWIP鋼專利產(chǎn)品,與Gestamp Automoc ió n(針對汽車行業(yè)金屬構(gòu)件和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行設(shè)計開發(fā)制造的國際公司)合作研發(fā)熱成形汽車用鋼。最近,該公司與ANDRITZ Sout(e專業(yè)焊接系統(tǒng)供應(yīng)商)合作開展的新型局部激光剝蝕技術(shù)的商業(yè)化研究,促進了激光拼焊板的長期集成應(yīng)用以及應(yīng)用擴大化。

3.關(guān)注汽車行業(yè)未來發(fā)展的超前研發(fā)

安賽樂米塔爾的汽車用鋼解決方案涵蓋了幾乎所有不同性能、不同成分的鋼材。預(yù)計未來對輕鋼汽車的管理和客戶期望都會增強。安賽樂米塔爾還參加了國際鋼協(xié)FSV項目,使用2015年以后才會實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的先進高強鋼種。2014年,推出了冷沖壓第三代先進高強鋼系列的首個產(chǎn)品,開啟了未來輕量化和更安全汽車用鋼的新系列,確立了在全球汽車用鋼輕量化解決方案的技術(shù)領(lǐng)先地位。

[1］李晟.從鋼鐵制造商到整體解決方案提供商[J］.世界鋼鐵, 2012(6).

[2］Third generation AHSS now available[EB/OL］.http://flateurope.arcelormittal.com/UpdateMay2014.

[3］S-in motion, lightening a car's chassis[EB/OL］.http:// flateurope.arcelormittal.com/UpdateMay2011.

[4］http://automotive.arcelormittal.com/products.

(作者單位：武鋼研究院,湖北武漢430080)

F273.1

A

1002-1779 (2015) 04-0019-04