國內(nèi)外汽車用鋼的技術(shù)進(jìn)展及EVI銷售新模式

中國金屬學(xué)會 北京 100081

世界汽車用鋼聯(lián)盟（World Auto Steel）是世界鋼鐵協(xié)會發(fā)起成立的專業(yè)化組織，專注于研究汽車用鋼技術(shù)和市場發(fā)展問題，成員包括浦項、安賽樂米塔爾、寶武集團(tuán)及河鋼集團(tuán)等全球20家最大的汽車用鋼生產(chǎn)企業(yè)。其成員汽車鋼產(chǎn)品占全球市場份額80%以上，我國寶武集團(tuán)、河鋼集團(tuán)等單位加入了該聯(lián)盟。

隨著地球溫室效應(yīng)的影響和CO2排放量的日益增加，世界鋼協(xié)從20世紀(jì)開始就致力于發(fā)展先進(jìn)的汽車材料和制造技術(shù)，以滿足汽車的輕量化、節(jié)能和減排的要求。1998年開始發(fā)展先進(jìn)高強鋼以及改進(jìn)汽車車身結(jié)構(gòu)，例如陸續(xù)完成的汽車技術(shù)項目有超輕鋼質(zhì)車身（ULSAB，1998，見圖1a）、超輕鋼質(zhì)汽車車門系統(tǒng)（ULSAC，2000，見圖1b）、超輕鋼質(zhì)汽車懸掛系統(tǒng)（ULSAS，2002，見圖1c），以及先進(jìn)概念汽車（ULSAB-AVC，2002—2008，見圖1d）。大量高強鋼和先進(jìn)制造技術(shù)的利用在該項目中得以體現(xiàn)，使車身質(zhì)量比標(biāo)桿車降低20%，扭轉(zhuǎn)剛度增加80%，彎曲剛度增加52%，滿足碰撞的各項要求，但沒有增加制造成本。目前這些技術(shù)早已被廣泛地應(yīng)用于汽車的制造領(lǐng)域。

圖1 世界鋼協(xié)對汽車先進(jìn)技術(shù)的前期貢獻(xiàn)

日本浦項制鐵（POSCO）汽車用先進(jìn)高強鋼的最新進(jìn)展

為了滿足汽車工業(yè)在提高安全性、燃油經(jīng)濟性、耐用性和舒適性等方面的要求，浦項制鐵開發(fā)了不同的鋼材并應(yīng)用在車身結(jié)構(gòu)上。更加先進(jìn)的汽車用鋼正在加緊研發(fā)中，如圖2所示。

圖2 汽車用鋼強度和延伸率之間的關(guān)系

塑積小于25 000MPa%的汽車用鋼已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽車行業(yè)，如IF鋼、HSLA低合金高強度鋼、傳統(tǒng)的先進(jìn)高強鋼AHSS，如DP雙相鋼、TRIP相變誘導(dǎo)塑性鋼、CP復(fù)相鋼、馬氏體鋼和HF熱沖壓成形鋼。另外兩組鋼，分別稱為高強度先進(jìn)高強鋼（X-AHSS）和超高強度先進(jìn)高強鋼（U-AHSS），具有優(yōu)越的強度和塑性平衡，強塑積大于25 000MPa%，被稱為下一代汽車用鋼。表1為浦項制鐵先進(jìn)高強鋼的研發(fā)情況。

1.熱沖壓成形鋼

浦項開發(fā)了新的具有高錳氮成分體系的熱沖壓成形鋼，這種鋼的優(yōu)點是可以在較低的加熱溫度（850℃）條件下完全奧氏體化，并且在冷卻過程中能夠完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（傳統(tǒng)22MnB5鋼完全奧氏體化溫度為880℃）。如圖3所示為加熱不同溫度的彎折性能。

圖3 加熱溫度對三點彎曲性能的影響

沖壓溫度一定要高于850℃。如果加熱溫度低于850℃或者低于完全奧氏體化溫度，三點彎曲的斷裂角度就會明顯下降，原因是應(yīng)力會在殘余鐵素體中集中。

熱沖壓成形鋼的應(yīng)用范圍很廣，并且需要表面鍍鋅。然而，鋅基涂層在熱沖壓過程中容易氧化和蒸發(fā)，并且容易發(fā)生斷裂。浦項開發(fā)了一種新的含Zn涂層來解決上述問題。新涂層的特征是在加熱過程中能夠形成穩(wěn)定的Fe-Zn，合金層中富Zn的區(qū)域很小。形成的涂層在熱沖壓過程中也不會產(chǎn)生液態(tài)金屬脆性敏感的問題。新發(fā)展的合金涂層在熱沖壓過程中基板上不會出現(xiàn)裂紋，如圖4所示。

圖4 熱沖壓成形鋼高應(yīng)力區(qū)域的截面照片

表1 浦項先進(jìn)高強鋼的研發(fā)狀態(tài)

2.AHSS鋼的成形和應(yīng)用技術(shù)

盡管具有良好的強度和塑性，但是AHSS鋼在加工過程中存在兩個問題：一是沖壓過程中的回彈，二是剪切斷裂。

為了減小AHSS鋼的回彈，在數(shù)值模擬時首先要解決回彈的預(yù)測。然而，使用傳統(tǒng)的材料模型和材料性能來預(yù)測回彈量，預(yù)測精度有限，這是由于每個AHSS鋼具有獨特的、不同的塑性變形行為。最新解決回彈問題的方法是建立基于連續(xù)拉伸/壓縮試驗的精確的屈服和硬化模型。浦項開發(fā)了“雙面塑性模型”來考慮應(yīng)變速率對回彈的作用。

另一個問題是剪切斷裂。這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在沖壓過程中小的圓弧半徑。在傳統(tǒng)的FLD圖上難以準(zhǔn)確預(yù)測出剪切斷裂，業(yè)內(nèi)研究了不同的方法來預(yù)測剪切斷裂發(fā)生的位置。浦項開發(fā)了基于商用有限元模型軟件的剪切斷裂預(yù)測方法和變形方式，并將預(yù)測和避免剪切斷裂的方法提供給用戶。浦項在OEM和零部件制造商的車身設(shè)計階段提供AHSS鋼的應(yīng)用技術(shù)。這項活動被稱為供應(yīng)商前期介入（EVI）。通過這樣的合作，OEM廠商可以得到優(yōu)化的材料信息來實現(xiàn)車身減重、成本降低和性能提高。

AHSS鋼被大量應(yīng)用在量產(chǎn)的新型電動汽車上，例如，通用公司在Chevy Volt車型的下部結(jié)構(gòu)上使用了27%的AHSS鋼，日產(chǎn)在LEAF車身上使用了31%的AHSS鋼。為了提供低成本的鋼鐵解決方案，浦項開發(fā)了PBC-EV輕量化鋼制車身。一方面，在PBC-EV上應(yīng)用的輕量化材料是具有高延伸率的先進(jìn)高強鋼，如DP780、TRIP980及TWIP980等，主要用于吸收碰撞能量的部件。另一方面，超高強度鋼，如DP980、HPF2000、Duplex980等，主要用于減少對乘客和電池區(qū)域的撞擊。通過使用先進(jìn)高強鋼，車身質(zhì)量降低了26.4%，如圖5所示。

圖5 PBC-EV車上高強鋼的分布和類別

3.浦項EVI理念

浦項公司為了更好地服務(wù)汽車制造商，制定了更先進(jìn)的EVI概念。浦項的EVI計劃不僅涵蓋加工/原型制造階段的支持活動，而且涵蓋零件制造和子裝配。先進(jìn)的EVI計劃包括四項戰(zhàn)略：CE（并行工程）/ SE（同步工程），VA（價值分析）/VE（價值工程），VI（價值創(chuàng)新）和PP（部分提案），如圖6所示。CE/SE意味著浦項公司的工作流程實現(xiàn)了與客戶并行。

為了與汽車制造商建立雙贏的戰(zhàn)略，浦項公司從設(shè)計到批量生產(chǎn)的每一個階段都提供最佳的用鋼方案。在VA/VE戰(zhàn)略的基礎(chǔ)上，浦項從成本角度提出了最適合的材料，包括降級、減薄、物流及包裝等。從這一點出發(fā)，客戶能夠獲得最佳的材料信息，減輕質(zhì)量、節(jié)約成本和性能改進(jìn)。EVI活動中的VI是為了減少或消除不必要值來節(jié)省資金，以增強客戶的競爭力。

圖6 浦項 EVI 概念

中國寶武集團(tuán)汽車用先進(jìn)高強鋼的最新進(jìn)展

20世紀(jì)90年代初，當(dāng)時國內(nèi)的車型主要以桑塔納、捷達(dá)和富康為主，高強度鋼板的使用相對較少，這個時期的產(chǎn)品主要是常規(guī)的高強度鋼，如高強度IF鋼、烘烤硬化鋼、碳錳鋼和高強度低合金鋼板系列。2000年1550mm冷軋投產(chǎn)后，寶鋼汽車板品種中的熱鍍鋅和電鍍鋅鋼板得到了快速發(fā)展。

在此階段重點開發(fā)了電鍍鋅烘烤硬化鋼、電鍍鋅各向同性鋼、冷軋及熱鍍鋅雙相鋼及高強度低合金鋼系列，滿足了奧迪、帕薩特和別克等代表車型的需求。

2005年1800mm冷軋的投產(chǎn)，重點解決了以日系車天籟、皇冠等車型為主的熱鍍鋅合金化鋼板的生產(chǎn)。2008年投產(chǎn)的1780mm冷軋，特別是高強鋼專用生產(chǎn)線的投產(chǎn)，為寶鋼超高強度鋼板的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，將寶鋼可提供的抗拉強度級別從780MPa提高到1500MPa，成為國際上為數(shù)不多的幾家可生產(chǎn)超高強度鋼板的企業(yè)。

經(jīng)過近20年的持續(xù)發(fā)展，寶鋼汽車用高強度鋼板已經(jīng)形成了齊全的家族系列，具體見表2。

1.寶鋼先進(jìn)高強度鋼板現(xiàn)狀與發(fā)展目標(biāo)

汽車板是寶鋼的戰(zhàn)略產(chǎn)品。寶鋼一直致力于汽車用鋼板品種的拓展和質(zhì)量的提高，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)建設(shè)和改造以輥冷和氣冷為快速冷卻方式的 3 條連續(xù)退火機組和 4 條熱鍍鋅機組用于汽車板生產(chǎn)。寶鋼已經(jīng)開發(fā)了高強度IF鋼、烘烤硬化鋼和各向同性鋼等產(chǎn)品并獲得了市場的歡迎。隨著國內(nèi)汽車板市場競爭的加劇，寶鋼需要不斷開發(fā)新產(chǎn)品來提升其競爭力，其中先進(jìn)高強鋼鋼板系列將是現(xiàn)在和今后一段時間內(nèi)的一個主要研發(fā)方向，具體如下：

表2 寶鋼高強度汽車板品種情況

圖7 不同類型先進(jìn)高強鋼的微觀組織

1）高強度和超高強度先進(jìn)高強鋼的開發(fā)，包括熱軋 DP 鋼、TRIP 鋼、CP 鋼、熱鍍鋅 DP 鋼和 TRIP 鋼。

2）開展先進(jìn)高強鋼鋼板的使用技術(shù)研究，主要包括鍍鋅鋼板的成形、高強度鋼板的高速動態(tài)性能、疲勞性能以及焊接性能等，為用戶更好地使用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

目前，寶鋼已經(jīng)開始了熱軋雙相鋼和熱TRIP鋼的研發(fā)，并在實驗室取得成功，不久將應(yīng)用于生產(chǎn)。冷軋先進(jìn)高強鋼方面完成了 600MPa 冷軋TRIP鋼和500MPa 冷軋DP的開發(fā)，并試制成功。同時，開展了高可焊性雙相鋼的研究，以針對特定用戶的需求。此外熱鍍鋅 TRIP 鋼也已經(jīng)開展了實驗室研究。

2.寶鋼先進(jìn)制造技術(shù)

（1）激光拼焊 激光拼焊板是利用“裁縫”的原理，根據(jù)汽車零件設(shè)計的要求，把不同厚度、不同強度和不同鍍層種類的鋼板通過激光焊接起來，然后再進(jìn)行整體沖壓。這一技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)得到了普遍使用，寶鋼先后在上海、長春、廣州等8個基地共建成了16條生產(chǎn)線，總產(chǎn)能超過了1000萬件，國內(nèi)市場占有率達(dá)60%～70%。

（2）熱沖壓成形 熱沖壓成形是提高零件強度、實現(xiàn)汽車“減重節(jié)能”的一種技術(shù)，它集成了材料熱處理和成形技術(shù)于一體。這種技術(shù)因其具有良好的零件形狀穩(wěn)定性、可沖制復(fù)雜的零件和強度高等優(yōu)點正越來越受到重視，自20世紀(jì)90年代初被引用到汽車工業(yè)中以來，目前國際上的生產(chǎn)線已經(jīng)超過了50條，而且還有加快發(fā)展的趨勢。

寶鋼的熱沖壓實驗室線從2004年底開始進(jìn)行研發(fā)工作，2008年8月開始投入試用，具備年產(chǎn)15萬件的能力。為了滿足國內(nèi)汽車的發(fā)展，年產(chǎn)100萬件的生產(chǎn)線也于2009年底投產(chǎn)。

3.寶鋼EVI理念

寶鋼的EVI技術(shù)營銷工作從20世紀(jì)90年代時就已經(jīng)開始，從最初的與上汽、一汽共同開展車用鋼板國產(chǎn)化替代開始起步，進(jìn)而慢慢發(fā)展起來。寶鋼EVI以滿足客戶需求為目的，來促進(jìn)寶鋼產(chǎn)品與技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)市場推廣與商務(wù)合作的技術(shù)營銷活動（見圖8）。

圖8 寶鋼EVI概念

EVI來源于國外，而國內(nèi)企業(yè)在推進(jìn)EVI的過程中必然要面對國內(nèi)外不同文化差異的客戶群體。寶鋼在EVI方面是隨著汽車用戶不斷變化的需求而逐步形成的，在這一過程中，寶鋼始終堅持創(chuàng)新和變革。這幾年寶鋼在汽車板研發(fā)方面進(jìn)展快速，實現(xiàn)了多頂全球首發(fā)汽車板產(chǎn)品，特別是全球首發(fā)第三代超高強鋼和Q&P鋼，并實現(xiàn)在一汽轎車和上汽通用等車企的全球率先批量應(yīng)用，引領(lǐng)了世界汽車用材的新趨勢，形成了寶鋼自己的核心競爭力。

結(jié)語

1）先進(jìn)高強鋼是解決車身減重、保證安全性、防腐和降低成本等方面最有應(yīng)用前途的金屬材料。

2）大多數(shù)強塑積低于25 000MPa%的傳統(tǒng)先進(jìn)高強鋼已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)供貨。具有鍍鋅類型的熱沖壓成形鋼、超高強度鋼和具有良好塑性的輕質(zhì)鋼已成為汽車用鋼的熱點問題。浦項成為世界上首家實現(xiàn)TWIP鋼商業(yè)供貨的鋼鐵企業(yè)（應(yīng)用在防撞梁上）。

3）先進(jìn)高強度鋼板和先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用在寶鋼得到加速應(yīng)用，特別是在國內(nèi)自主品牌轎車上。

4）寶鋼作為國內(nèi)主要的汽車板供應(yīng)商，除了提供用戶需要的各種高品質(zhì)鋼板外，還把向汽車用戶提供一攬子的輕量化技術(shù)解決方案作為努力的方向，為我國汽車工業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。