國內外汽車用鋼的技術進展及EVI銷售新模式

中國金屬學會 北京 100081

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

隨著地球溫室效應的影響和CO2排放量的日益增加，世界鋼協從20世紀開始就致力于發展先進的汽車材料和制造技術，以滿足汽車的輕量化、節能和減排的要求。1998年開始發展先進高強鋼以及改進汽車車身結構，例如陸續完成的汽車技術項目有超輕鋼質車身（ULSAB，1998，見圖1a）、超輕鋼質汽車車門系統（ULSAC，2000，見圖1b）、超輕鋼質汽車懸掛系統（ULSAS，2002，見圖1c），以及先進概念汽車（ULSAB-AVC，2002—2008，見圖1d）。大量高強鋼和先進制造技術的利用在該項目中得以體現，使車身質量比標桿車降低20%，扭轉剛度增加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。目前這些技術早已被廣泛地應用于汽車的制造領域。

圖1 世界鋼協對汽車先進技術的前期貢獻

日本浦項制鐵（POSCO）汽車用先進高強鋼的最新進展

為了滿足汽車工業在提高安全性、燃油經濟性、耐用性和舒適性等方面的要求，浦項制鐵開發了不同的鋼材并應用在車身結構上。更加先進的汽車用鋼正在加緊研發中，如圖2所示。

圖2 汽車用鋼強度和延伸率之間的關系

塑積小于25 000MPa%的汽車用鋼已經廣泛應用在汽車行業，如IF鋼、HSLA低合金高強度鋼、傳統的先進高強鋼AHSS，如DP雙相鋼、TRIP相變誘導塑性鋼、CP復相鋼、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高強鋼（X-AHSS）和超高強度先進高強鋼（U-AHSS），具有優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為浦項制鐵先進高強鋼的研發情況。

1.熱沖壓成形鋼

浦項開發了新的具有高錳氮成分體系的熱沖壓成形鋼，這種鋼的優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變為馬氏體（傳統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，原因是應力會在殘余鐵素體中集中。

熱沖壓成形鋼的應用范圍很廣，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，并且容易發生斷裂。浦項開發了一種新的含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定的Fe-Zn，合金層中富Zn的區域很小。形成的涂層在熱沖壓過程中也不會產生液態金屬脆性敏感的問題。新發展的合金涂層在熱沖壓過程中基板上不會出現裂紋，如圖4所示。

圖4 熱沖壓成形鋼高應力區域的截面照片

表1 浦項先進高強鋼的研發狀態

2.AHSS鋼的成形和應用技術

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，在數值模擬時首先要解決回彈的預測。然而，使用傳統的材料模型和材料性能來預測回彈量，預測精度有限，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拉伸/壓縮試驗的精確的屈服和硬化模型。浦項開發了“雙面塑性模型”來考慮應變速率對回彈的作用。

另一個問題是剪切斷裂。這種現象經常發生在沖壓過程中小的圓弧半徑。在傳統的FLD圖上難以準確預測出剪切斷裂，業內研究了不同的方法來預測剪切斷裂發生的位置。浦項開發了基于商用有限元模型軟件的剪切斷裂預測方法和變形方式，并將預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計階段提供AHSS鋼的應用技術。這項活動被稱為供應商前期介入（EVI）。通過這樣的合作，OEM廠商可以得到優化的材料信息來實現車身減重、成本降低和性能提高。

AHSS鋼被大量應用在量產的新型電動汽車上，例如，通用公司在Chevy Volt車型的下部結構上使用了27%的AHSS鋼，日產在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，浦項開發了PBC-EV輕量化鋼制車身。一方面，在PBC-EV上應用的輕量化材料是具有高延伸率的先進高強鋼，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域的撞擊。通過使用先進高強鋼，車身質量降低了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汽車制造商，制定了更先進的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。先進的EVI計劃包括四項戰略：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了與客戶并行。

為了與汽車制造商建立雙贏的戰略，浦項公司從設計到批量生產的每一個階段都提供最佳的用鋼方案。在VA/VE戰略的基礎上，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，客戶能夠獲得最佳的材料信息，減輕質量、節約成本和性能改進。EVI活動中的VI是為了減少或消除不必要值來節省資金，以增強客戶的競爭力。

圖6 浦項 EVI 概念

中國寶武集團汽車用先進高強鋼的最新進展

20世紀90年代初，當時國內的車型主要以桑塔納、捷達和富康為主，高強度鋼板的使用相對較少，這個時期的產品主要是常規的高強度鋼，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展。

在此階段重點開發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，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。2008年投產的1780mm冷軋，特別是高強鋼專用生產線的投產，為寶鋼超高強度鋼板的生產奠定了基礎，將寶鋼可提供的抗拉強度級別從780MPa提高到1500MPa，成為國際上為數不多的幾家可生產超高強度鋼板的企業。

經過近20年的持續發展，寶鋼汽車用高強度鋼板已經形成了齊全的家族系列，具體見表2。

1.寶鋼先進高強度鋼板現狀與發展目標

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

表2 寶鋼高強度汽車板品種情況

圖7 不同類型先進高強鋼的微觀組織

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

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

目前，寶鋼已經開始了熱軋雙相鋼和熱TRIP鋼的研發，并在實驗室取得成功，不久將應用于生產。冷軋先進高強鋼方面完成了 600MPa 冷軋TRIP鋼和500MPa 冷軋DP的開發，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 鋼也已經開展了實驗室研究。

2.寶鋼先進制造技術

（1）激光拼焊 激光拼焊板是利用“裁縫”的原理，根據汽車零件設計的要求，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，然后再進行整體沖壓。這一技術在國內已經得到了普遍使用，寶鋼先后在上海、長春、廣州等8個基地共建成了16條生產線，總產能超過了1000萬件，國內市場占有率達60%～70%。

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

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

3.寶鋼EVI理念

寶鋼的EVI技術營銷工作從20世紀90年代時就已經開始，從最初的與上汽、一汽共同開展車用鋼板國產化替代開始起步，進而慢慢發展起來。寶鋼EVI以滿足客戶需求為目的，來促進寶鋼產品與技術發展，促進市場推廣與商務合作的技術營銷活動（見圖8）。

圖8 寶鋼EVI概念

EVI來源于國外，而國內企業在推進EVI的過程中必然要面對國內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，寶鋼始終堅持創新和變革。這幾年寶鋼在汽車板研發方面進展快速，實現了多頂全球首發汽車板產品，特別是全球首發第三代超高強鋼和Q&P鋼，并實現在一汽轎車和上汽通用等車企的全球率先批量應用，引領了世界汽車用材的新趨勢，形成了寶鋼自己的核心競爭力。

結語

1）先進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用前途的金屬材料。

2）大多數強塑積低于25 000MPa%的傳統先進高強鋼已經實現商業供貨。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鋼已成為汽車用鋼的熱點問題。浦項成為世界上首家實現TWIP鋼商業供貨的鋼鐵企業（應用在防撞梁上）。

3）先進高強度鋼板和先進制造技術的應用在寶鋼得到加速應用，特別是在國內自主品牌轎車上。

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