第三代汽車鋼專利分析

□ 董 剛 齊殿威

一、技術(shù)背景

隨著汽車先進(jìn)高強(qiáng)鋼生產(chǎn)工藝的改善和技術(shù)更新，現(xiàn)有汽車鋼已劃分為第一代、第二代和第三代。其中，中錳鋼和Q&P鋼作為第三代汽車鋼，因其較好的力學(xué)性能，受到了各大汽車制造商的青睞。第一代先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼主要包括無(wú)間隙原子鋼（IF）、高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA）、雙相鋼（DP）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP）和馬氏體鋼等鋼種，其強(qiáng)塑積為10～20GPa·%。第一代先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼已經(jīng)可以應(yīng)用于汽車工業(yè)。第二代先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼具有較高的合金元素添加，如添加較高比例錳元素的孿晶誘發(fā)塑性鋼（TWIP）。第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的織構(gòu)基本為全奧氏體組織，強(qiáng)塑積往往在50GPa·%以上。由于第二代先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼添加了較高比例的合金元素，并且需要復(fù)雜的處理工藝，因此第二代先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼成本較高，其應(yīng)用受到了一定限制。第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼織構(gòu)基本是一種以貝氏體、馬氏體或兼而有之的高強(qiáng)度相為基體，以殘余奧氏體、少量鐵素體為韌性相，強(qiáng)塑積在20～40GPa·%的多相鋼，具有多相、亞穩(wěn)和多尺度的精細(xì)組織。

相對(duì)于第二代先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼，第三代先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼的目標(biāo)是降低合金添加量以降低成本，獲得較高強(qiáng)塑積及良好成型性的先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼，從而滿足汽車工業(yè)的需求。目前認(rèn)為，中錳鋼是第三代先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼的重要發(fā)展方向。

第三代汽車鋼是2007年由美國(guó)科學(xué)家首先提出開(kāi)發(fā)的，這類鋼材性能和成本介于第一代和第二代汽車鋼之間，強(qiáng)度高、可塑性強(qiáng)，性價(jià)比更易被企業(yè)接受。第三代汽車鋼，是指輕量化和安全性指標(biāo)高于第一代汽車鋼、生產(chǎn)成本又低于第二代汽車鋼的高強(qiáng)高塑鋼，主要通過(guò)多相、亞穩(wěn)和多尺度的組織精細(xì)調(diào)控獲得，其強(qiáng)塑積一般為30GPa·%以上，伸長(zhǎng)率35%以上，強(qiáng)度900MPa以上。本文根據(jù)檢索到的專利情況，將強(qiáng)度為780MPa、880MPa、980MPa、1 180MPa及以上級(jí)別，強(qiáng)塑積在25～45GPa·%，伸長(zhǎng)率在24%～51%的汽車用鋼統(tǒng)稱為第三代汽車鋼。

二、專利概況

1.專利地域分布

2008—2017年在全世界公開(kāi)的第三代汽車鋼專利共涉及5個(gè)國(guó)家和組織，包括中國(guó)（CN）30件、日本（JP）26件、韓國(guó)（KR）8件、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）28件及美國(guó)（US）1件。在這些國(guó)家和組織中，以在中國(guó)、日本、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織公開(kāi)的專利為主，其公開(kāi)專利合計(jì)84件，占全部公開(kāi)的第三代汽車鋼專利總數(shù)的90.32%。

2.主要申請(qǐng)人公開(kāi)專利情況

2008—2017年全世界公開(kāi)的第三代汽車鋼專利共涉及國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人21個(gè)，以鋼鐵公司和大學(xué)為主，其中國(guó)外申請(qǐng)人5個(gè)，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人16個(gè)，詳見(jiàn)圖1。

圖1 2008—2017年第三代汽車鋼專利主要申請(qǐng)人的專利數(shù)量分布

由圖1可知，國(guó)外以JFE、神戶制鋼、新日鐵住金及浦項(xiàng)為主的申請(qǐng)人在申請(qǐng)公開(kāi)專利數(shù)量上位居前列，尤其是JFE和神戶制鋼最近2年對(duì)第三代汽車鋼的研發(fā)數(shù)量突飛猛進(jìn)。國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人以北京科技大學(xué)和東北大學(xué)為主，其次是鞍鋼和武鋼，但從數(shù)量看，均無(wú)法與國(guó)外申請(qǐng)人相提并論。尤其是雖然申請(qǐng)人很多，但有關(guān)第三代汽車鋼的研發(fā)十分零散，沒(méi)有形成規(guī)模，申請(qǐng)公開(kāi)第三代汽車鋼專利僅為1件的申請(qǐng)人多達(dá)11家。從鋼鐵企業(yè)看，武鋼近2年沒(méi)有公開(kāi)有關(guān)第三代汽車鋼研發(fā)進(jìn)展方面的專利。

此外，從研讀專利過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，JFE、神戶制鋼等國(guó)外公司非常注重國(guó)際專利的申請(qǐng)。從2016—2017年公開(kāi)的專利看，JFE申請(qǐng)公開(kāi)PCT國(guó)際專利19件，神戶制鋼6件，浦項(xiàng)1件。截至2017年，尚未有國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人申請(qǐng)過(guò)國(guó)際專利。

三、第三代汽車鋼專利技術(shù)分析

1.抗拉強(qiáng)度780MPa的第三代汽車鋼專利技術(shù)

國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人申請(qǐng)公開(kāi)的抗拉強(qiáng)度為780MPa的第三代汽車鋼板專利有：WO2016093598A，申請(qǐng)人浦項(xiàng)；CN201710598094，申請(qǐng)人首鋼；JP2017145466A，申請(qǐng)人新日鐵住金；CN201610867413，申請(qǐng)人馬鋼。

2.抗拉強(qiáng)度880MPa的第三代汽車鋼專利技術(shù)

國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人申請(qǐng)公開(kāi)的抗拉強(qiáng)度為880MPa的第三代汽車鋼板專利有：CN201610058165，申請(qǐng)人河北鋼鐵；WO2017141588A和WO2017141587A，申請(qǐng)人JFE；WO2017141740A，申請(qǐng)人神戶制鋼；KR2016078839A，申請(qǐng)人浦項(xiàng)。

3.抗拉強(qiáng)度980MPa的第三代汽車鋼專利技術(shù)

抗拉強(qiáng)度為980MPa的第三代汽車鋼專利主要由國(guó)外申請(qǐng)人，特別是神戶制鋼和JFE申請(qǐng)公開(kāi)，這2個(gè)申請(qǐng)人基本以抗拉強(qiáng)度980MPa以上級(jí)別的專利為主，具體為：WO2017154401A，申請(qǐng)人JFE；JP2016028172A，申請(qǐng)人新日鐵住金；WO2016136625A，申請(qǐng)人神戶制鋼；KR1736635B1，申請(qǐng)人浦項(xiàng)；CN201610784977，申請(qǐng)人內(nèi)蒙古科技大學(xué)；CN201710660260，申請(qǐng)人鞍鋼（攀鋼集團(tuán)）。

4.抗拉強(qiáng)度1 180MPa及以上級(jí)別的第三代汽車鋼專利技術(shù)

公開(kāi)的抗拉強(qiáng)度為1 180MPa及以上級(jí)別第三代汽車鋼專利涉及到的國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人較為分散，尚未形成一家獨(dú)大的局面。國(guó)內(nèi)有山東建筑大學(xué)、上海交通大學(xué)、東北大學(xué)及寶山鋼鐵股份有限公司等。國(guó)外有新日鐵住金、JFE和神戶制鋼等。具體為：CN201710207367，申請(qǐng)人山東建筑大學(xué)；CN201510730748，申請(qǐng)人上海交通大學(xué)；CN201710786424，申請(qǐng)人東北大學(xué)；CN201610601222，申請(qǐng)人寶鋼；JP2017145469，申請(qǐng)人新日鐵住金；WO2017141953A ，申請(qǐng)人JFE；JP2016050337A，申請(qǐng)人神戶制鋼。

從以上這些熱軋板、冷軋板及鍍鋅板專利技術(shù)要點(diǎn)、工藝參數(shù)和效果來(lái)看，具有以下特點(diǎn)：

（1）熱軋板的成分設(shè)計(jì)中對(duì)碳含量限定基本在0.15%～0.30%，而對(duì)錳含量限定范圍各專利之間差異較大，含量范圍低至1.80%～3.50%，最高3.00%～8.00%。此外，有部分熱軋板專利要求添加鉻、鉬、硼、銅、鎳、鈮、硅、釩、鈣和鎂等多種合金化元素1種以上，但也有個(gè)別熱軋鋼板專利沒(méi)有明確規(guī)定添加何種合金元素，但均對(duì)其他關(guān)鍵元素硅、酸溶鋁、磷、氮、硫的含量范圍進(jìn)行了限定。

（2）冷軋板成分方案中碳、錳、硅、酸溶鋁元素含量限定范圍與熱軋板類似，但武鋼公開(kāi)的專利中將錳含量增至7.00%～11.00%的高限范圍，在國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人中較為特殊。

（3）開(kāi)發(fā)的鍍層用專利鋼的成分設(shè)計(jì)方案相對(duì)最為復(fù)雜，部分專利所提及的成分達(dá)20多種，并提供幾組合金元素添加方案。

（4）有些專利鋼可同時(shí)提供熱軋板、冷軋板和鍍層板，其成分設(shè)計(jì)中的主要成分碳、硅、錳、磷、硫和酸溶鋁含量大同小異，但添加的合金化元素有所不同，有的專利限于添加鉻、鈣和硼等合金元素，有的專利限于添加銻、錫、鉭、鈣、鎂、REM等合金元素。

（5）典型第三代汽車鋼組織一般由馬氏體、殘余奧氏體及少量鐵素體構(gòu)成，但浦項(xiàng)公開(kāi)專利中第三代鋼以回火馬氏體、貝氏體、鐵素體及馬氏體為主，比較特殊。

四、結(jié)論

截至目前，世界各大鋼鐵企業(yè)、大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)對(duì)第三代汽車鋼已經(jīng)進(jìn)行了10多年的研究開(kāi)發(fā)，不過(guò)僅就專利研發(fā)勢(shì)頭看，專利申請(qǐng)人主要集中在日本JFE、神戶制鋼和新日鐵等鋼鐵企業(yè)，特別是自2016年以來(lái)已在專利數(shù)量上逐漸形成壟斷之勢(shì)，JFE和神戶近2年專利數(shù)量增幅巨大。相較而言，國(guó)內(nèi)除個(gè)別大學(xué)對(duì)第三代汽車鋼研究相對(duì)活躍，其他申請(qǐng)人從公開(kāi)的專利數(shù)量看，顯得不積極，申請(qǐng)人也十分分散。在國(guó)內(nèi)，北京科技大學(xué)和東北大學(xué)對(duì)第三代汽車鋼的研究最為突出。國(guó)外則以日本幾家世界著名的鋼鐵企業(yè)為主，其中神戶和JFE公司都以研發(fā)抗拉強(qiáng)度在980MP以上級(jí)別的技術(shù)領(lǐng)域?yàn)橹?，且都以申?qǐng)PCT國(guó)際專利為主。隨著各申請(qǐng)人對(duì)第三代汽車鋼的深入研究和開(kāi)發(fā)，可以預(yù)見(jiàn)，該鋼的力學(xué)性能、可鍍性、表面質(zhì)量等各項(xiàng)指標(biāo)的綜合性能會(huì)越來(lái)越穩(wěn)定。以汽車輕量化、低成本、安全為目的而開(kāi)發(fā)的、具有較好綜合力學(xué)性能的第三代汽車鋼也許將會(huì)逐漸成為汽車用鋼的主力軍。