高強(qiáng)不銹鋼的研究現(xiàn)狀及其在新能源汽車材料輕量化中的應(yīng)用

朱雙春

江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇南通 226006

新能源汽車的發(fā)展及輕量化需求

得益于政府的政策支持，我國新能源汽車行業(yè)在長期的研發(fā)和投產(chǎn)中逐漸形成了較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了積極成效，在基礎(chǔ)材料、基礎(chǔ)零件、電機(jī)、電控、電池以及整車等各方面都取得了實質(zhì)性突破。截至2022年，我國新能源汽車產(chǎn)銷量連續(xù)八年位居全球第一，累計推廣新能源汽車近1600萬輛，特別是近兩年新能源汽車的產(chǎn)銷量的躍升尤為突出，據(jù)統(tǒng)計，2021年我國新能源汽車銷量達(dá)352.1萬輛，占新車銷售比例13.4%，2022年我國新能源汽車銷售688.7萬輛，占汽車新車銷售比例25.6%，按照2020年11月國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》提出的要求，到2025年新能源新車銷售量達(dá)到汽車新車銷售總量的20%左右，已經(jīng)提前三年完成規(guī)劃目標(biāo)。雖然我國新能源車發(fā)展較快，成熟度較高，但即使在2022年我國新能源車產(chǎn)銷量同比大幅增長的情況下，新能源車占汽車全年產(chǎn)銷量的比值也僅為25.6%左右，燃油車還是占據(jù)著汽車產(chǎn)銷的主流地位。為鞏固和擴(kuò)大新能源汽車發(fā)展優(yōu)勢，近年來國家在規(guī)劃和政策方面保持推進(jìn)和鼓勵總方向，從生產(chǎn)、消費、基礎(chǔ)設(shè)施等方面為新能源汽車產(chǎn)業(yè)保持高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障。

相較于傳統(tǒng)的燃油車，新能源汽車特別是純電動汽車的續(xù)駛里程一直是推廣應(yīng)用短板和痛點，除了動力電池的影響之外，新能源汽車搭載了三電系統(tǒng)和大量的智能化設(shè)備，增加整車的整備質(zhì)量，同樣影響續(xù)駛里程和行駛速度，給新能源汽車的推廣和發(fā)展帶來了一定的障礙。有研究表明，新能源汽車整備質(zhì)量降低10%，對應(yīng)續(xù)駛里程可增加5%～10%，節(jié)約15%～20%的電池成本以及20%的日常損耗成本，輕量化的需求更為迫切。有學(xué)者認(rèn)為，在目前三電系統(tǒng)輕量化進(jìn)程緩慢、動力電池能量密度問題暫時無法很好解決的情況下，新能源汽車整車的輕量化技術(shù)重點在于輕量化材料的應(yīng)用。

高強(qiáng)不銹鋼研究現(xiàn)狀

高強(qiáng)不銹鋼正如其名，在強(qiáng)度和耐蝕性方面有天然優(yōu)勢，在汽車、船舶、建筑、橋梁等行業(yè)有著非常廣闊的應(yīng)用預(yù)期，如何在大幅降低不銹鋼的原材料成本而不顯著降低材料的力學(xué)性能和耐蝕性能，并且具有優(yōu)良的冷熱加工性能，成為當(dāng)今高強(qiáng)不銹鋼研究開發(fā)的熱門方向。

為降低不銹鋼成本，近年來，通過降低Ni含量，以“Mn+N”代替Ni的合金化設(shè)計思路，調(diào)控奧氏體穩(wěn)定性，控制鋼材層錯能，綜合提高鋼材的強(qiáng)度和伸長率，開發(fā)出高強(qiáng)韌、節(jié)約型不銹鋼成為研究熱點。如日本的Fujisawa等、德國的Raabe等以及韓國的Park等相繼開發(fā)出Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的系列節(jié)約型雙相不銹鋼，通過Mn、C、N等元素來調(diào)節(jié)奧氏體的穩(wěn)定性，使其在變形過程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生TRIP效應(yīng)，綜合改善不銹鋼的強(qiáng)度及塑性。國內(nèi)寶鋼在低成本高強(qiáng)不銹鋼研究開發(fā)方面走在了行業(yè)前列，開發(fā)出客車車身用低成本節(jié)鎳型高強(qiáng)亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別控制在350～700MPa和900～1200MPa范圍內(nèi)，延伸率在30%以上，并針對材料的強(qiáng)化機(jī)理、力學(xué)性能、形變誘導(dǎo)相變、形變過程組織和織構(gòu)演變等進(jìn)行了一系列的研究。

高強(qiáng)不銹鋼在新能源汽車輕量化中的應(yīng)用

盡管應(yīng)用于新能源汽車輕量化的材料有高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維等多種方案，但高強(qiáng)鋼在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面，比鋁、鎂合金具有明顯的優(yōu)勢，能夠滿足減輕汽車質(zhì)量和提高碰撞安全性能的雙重需要，甚至從成本與性能角度來看，是目前滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的最佳材料，占據(jù)著汽車輕量化材料的主導(dǎo)地位。

近年來，隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，降低汽車全生命周期的碳排放以及使用成本成為汽車發(fā)展的重要方向，延長汽車服役年限是效果顯著的切實可行方案。新能源汽車的動力來源電池包或電池殼方便更換，大大提高了新能源汽車服役年限，新能源汽車的服役年限更多地依靠車身的使用壽命來決定，在這樣的背景下，已有客戶要求車身服役年限從傳統(tǒng)汽車的8年延長到未來新能源汽車的20年或更多，這對車身材料的耐腐蝕性能提出了較高的要求。普通的碳鋼高強(qiáng)鋼或低合金高強(qiáng)鋼在通過電泳涂裝后，仍然無法滿足未來新能源汽車的長壽命要求，行業(yè)急需開發(fā)新的耐蝕性能優(yōu)良的新能源汽車用高強(qiáng)鋼。針對新能源汽車耐蝕性能優(yōu)良的高強(qiáng)鋼應(yīng)用需求，國外各大主要鋼鐵企業(yè)爭相研究開發(fā)相關(guān)鋼鐵產(chǎn)品，如蒂森克虜伯、奧托昆普、浦項等均提出開發(fā)汽車用高強(qiáng)不銹鋼，并發(fā)布了屈服強(qiáng)度達(dá)到400～1000MPa的產(chǎn)品，表1為奧托昆普發(fā)布的系列高強(qiáng)不銹鋼牌號和性能，初步研究顯示高強(qiáng)不銹鋼有望成為下一代汽車用關(guān)鍵材料。

表1 奧托昆普發(fā)布的系列高強(qiáng)不銹鋼牌號和性能

我國鋼鐵龍頭企業(yè)中國寶武鋼鐵集團(tuán)根據(jù)新能源汽車對高強(qiáng)不銹鋼的性能和成本要求，成功開發(fā)出全球首創(chuàng)的高強(qiáng)不銹鋼BFS600原料及型材，屬于節(jié)鎳型高強(qiáng)亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，大大降低高強(qiáng)不銹鋼的應(yīng)用成本，目前已成功為比亞迪C9電動大巴底盤及車身骨架材料提供了全部高強(qiáng)不銹鋼型材，整車在德國漢諾威國際車展上展出，完成高強(qiáng)不銹鋼在新能源客車領(lǐng)域的試水應(yīng)用，圖1和圖2分別為寶鋼生產(chǎn)的BFS600高強(qiáng)不銹鋼成品管材和采用BFS600高強(qiáng)不銹鋼制造的比亞迪C9電動大巴原型車。

圖1 BFS600高強(qiáng)不銹鋼成品管材

圖2 應(yīng)用BFS600高強(qiáng)不銹鋼的比亞迪C9電動大巴

新能源汽車輕量化用高強(qiáng)不銹鋼性能發(fā)展趨勢

在新能源汽車應(yīng)用場景中，不可避免地會受到大氣環(huán)境尤其是沿海地區(qū)腐蝕性更強(qiáng)的高鹽含量大氣環(huán)境腐蝕，另外汽車底盤暴露在車底部位還會受到冬季融雪鹽造成的含鹽水腐蝕，正因為如此，新能源汽車用高強(qiáng)不銹鋼主打性能——耐蝕性，成為車企關(guān)注的主要性能之一，并得到一些學(xué)者的研究，如何在降低材料成本的前提下提升耐蝕性以滿足新能源汽車長壽命周期的服役預(yù)期，成為高強(qiáng)不銹鋼在新能源汽車領(lǐng)域規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵。另外汽車企業(yè)在應(yīng)用高強(qiáng)不銹鋼生產(chǎn)制造過程中發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)不銹鋼較難冷彎成型和焊接，因此要想應(yīng)用高強(qiáng)不銹鋼實現(xiàn)新能源汽車輕量化材料的低碳化更新?lián)Q代，高強(qiáng)不銹鋼的開發(fā)還需要結(jié)合材料的冷成型性能、焊接性能等工藝性能要求一體化設(shè)計，在降低高強(qiáng)不銹鋼材料成本設(shè)計的同時保證工藝性能以及服役性能，加快推進(jìn)低成本高強(qiáng)不銹鋼在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。