現代制鐵電動車解決方案品牌H-SOLUTION

□ 羅 曄 曾雄峰

一、背景

近年來，隨著各國的油耗標準日益嚴格，電動車市場正在不斷發展壯大。為了應對這一趨勢，現代制鐵公司正在全力打造安全、環保、超高強輕量化車身，同時在現代汽車集團的引導下，現代制鐵正式推出了面向未來的電動車解決方案品牌“H-SOLUTION”。

2018年11月，現代制鐵以公司名義向韓國知識產權局提交了“H-SOLUTION”商標注冊申請書。商標類別劃分為汽車結構成形與碰撞分析技術研究、汽車性能及零配件產品等[1]。2019年4月16日，在中國上海國家會展中心（NECC）舉辦的上海國際汽車工業展覽會上，韓國現代制鐵公司首次展示了自創的電動車品牌“H-SOLUTION”，并對外展示了自主設計的概念車身[2]。

H-SOLUTION充分利用了現代制鐵的材料和應用技術，意指“為客戶定制的汽車解決方案”。作為汽車材料專業制造商，現代制鐵與客戶建立了緊密的合作關系，為了在全球市場競爭中取得穩固優勢，該公司實施了差異化戰略。與此同時，為了給客戶創造價值，從材料入手，在成形、焊接、防腐、涂裝和零部件等技術方面都提供細致入微的服務，從而降低制造成本、提升性能和品質。通過采用安全環保的汽車技術，實現超高強輕量化車身的最終目標[3]。

從產品圖案標識看（見圖1），左側大寫“H”分別代表了Hyundai steel （現代制鐵）、High Performance （高性能）及Hybrid Technology （混合動力技術），展示了現代制鐵的愿景為“創造超出鋼鐵的價值”，為了構建最佳的汽車性能，迎接復雜的技術挑戰。上部的弧線表示未來汽車的幾何形狀，以展示現代制鐵靈動的技術。下部的“SOLUTION”表示現代制鐵借助汽車解決方案提供輕量化和超高強鋼材的技術服務。

圖1 H-SOLUTION的標識

2020年1月30日，現代制鐵正式推出電動車解決方案品牌“H-SOLUTION”的宣傳門戶網站，被視為搶占未來汽車材料市場的戰略舉措。此次在其官網內新增了“AE服務門戶”，AE服務是“Application Engineering”（應用工程）的縮寫，意指現代制鐵獨有的業務戰略，從材料規劃和設計階段到生產、銷售的各個環節提供差異化價值[4]。

現代制鐵借助AE服務門戶網站推廣“H-SOLUTION”，致力于打造安全、環保的超高強輕量化車身；同時，還開發了手機應用程序。客戶通過網站和手機可以充分了解現代制鐵的汽車用鋼材和零部件應用技術等。為了應對汽車行業模式的變化，此次AE服務門戶網站的建設，不僅可以對汽車材料進行宣傳，還能向客戶提供配套的技術服務。

作為現代制鐵的技術服務平臺，AE服務門戶網站涵蓋了材料、應用工程、零部件解決方案（Materials，Application engineering，Parts Solution，即MAP） 3方面內容，主要包括：定制材料的開發，評估材料的特性，借助結構、碰撞、成形分析提供解決方案建議，汽車零部件的開發與評價，等等。作為汽車材料的探路者，H-SOLUTION將為未來汽車提供高強輕量化車身服務。

二、H-SOLUTION電動車概念車身

1.概念設計

通過“H-SOLUTION”集成工程技術，開發了“CUV型電動車”概念車身。該車身的外觀設計主題著眼于藍鯨的長距離潛水能力、在海中游泳的外觀及其力量和耐力。此外，車身規格是根據延長行駛里程而制定的，可以預先審查各種新技術的應用情況，并將這些技術提交給客戶。

在車身底部電池包設計方面，后輪與車尾的距離為170 mm，電池包空間長2 050 mm、寬1 540 mm。通過流體分析進行外觀設計，風阻系數為0.29。在安全性能方面，從車身概念設計階段開始就采用了拓撲優化技術，基礎設計完全滿足國際汽車碰撞安全法規的嚴格要求，從而實現了最優設計。

H-SOLUTION的設計亮點主要包括：采用A型前部構件，利用最優沖擊荷載傳遞結構將車身撞擊力降至最小，同時應對正面小重疊碰撞；對電池包采用加強側梁，改進側面碰撞性能，從而保護電池包；拆卸電池包安裝零部件，擴展了電池包空間；采用22英寸以上的寬幅輪胎，即時荷載傳遞，提高了輪胎摩擦力，有利于電動車的發動機驅動結構；雙轉子電動機實現高效功率傳輸。

2.車身規格

H-SOLUTION車高1 600 mm，前輪距1 650 mm，后輪距1 670 mm，前懸870 mm，軸距2 850 mm，后懸780 mm，車身總長4 500 mm。

3.材料應用

H-SOLUTION車身框架采用1.8 GPa級PHS鋼和1.5 GPa級冷軋超高強鋼，實現了車身的輕量化效果。與此同時，為了確保汽車的安全性，外板采用了490 MPa高強汽車板、鋁材和CFRP等不同的輕量化材料，與同類電動車相比，重量可減輕9%（包括運動零部件），實現了輕量化的效果，而平均強度則提高了52%。從材料類別看，590 MPa以下低碳軟鋼占比34%，590～780 MPa級HSS占比27%，1.0～1.5 GPa級AHSS占比15%，1.5/1.8 GPa級PHS占比20%；鋁材和CFRP均占比2%。

4.輕量化技術

在輕量化技術方面，H-SOLUTION進行了多方面改進。

第一，利用新型PHS鋼，借助不同的熱成形工藝解決方案改善鋼材性能。將1.5 GPa級PHS鋼更換為1.825 GPa級高強PHS鋼，應用于碰撞零部件；采用TWB-熱成形工藝，提高了碰撞能的吸收能力，改善了韌性；借助TWB+H/S工藝，利用不同厚度和強度的鋼材提高了防撞性。

第二，采用第三代AHSS鋼材零部件解決方案。進行零部件一體化，減少了工序，降低了制造成本，提高了剛度；將780～980 MPa級鋼種用于前側梁，改善了防撞性；利用冷成形和輥壓成形工藝，將1.5 GPa級超高強冷軋鋼板應用于車頂縱梁、前保險杠橫梁，降低了制造成本。

第三，通過融合應用技術研究對車身性能進行改進。利用熱成形工藝實現了零部件一體化，在B柱上采用補丁板技術，在管件上采用了熱氣脹成形技術。

第四，對CFRP和鋁材開展深入研究，制造輕量化外面板。將CFRP應用于車頂（HP-RTM）和行李箱蓋（CF-SMC），將鋁材應用于引擎蓋；同時，車門采用混合材料，主要是將鋁材用作車門外側面板、鋼材用作車門內側面板。

三、現代制鐵的汽車板產品

現代制鐵的汽車板鋼種大致分為低碳軟鋼、HSS和AHSS等三大類。低碳軟鋼主要包括CQ、DQ、DDQ、EDDQ等；HSS主要包括BH、IF HS、含磷鋼和HSLA等；AHSS涵蓋了DP、CP、PHS、MS和FB等。

1.低碳軟鋼

根據鋼中碳含量的不同，將低碳軟鋼分為CQ、DQ、DDQ和EDDQ，碳含量的降低提高了深沖成形性能。該鋼種適用于要求內部或外部成形性復雜的零部件，以及具有高度汽車設計自主權的領域。

2.高速鋼（HSS）

高速鋼 （HSS）主要包括BH、IF HS、含磷鋼和HSLA等。

（1） BH

BH鋼在烘烤過程中（160℃～170℃，20min）通過固溶碳原子的擴散提高屈服強度，使得成形過程中產生位錯釘扎。由于屈服強度提高了約30 MPa，BH鋼烘烤后表現出優異的抗凹陷性，而且具有良好的剛度，主要應用于外面板一類的外部車身零部件。

（2） IF HS

IF HS鋼是一種延伸率高、r值高、抗拉強度在340 MPa以上的高強鋼。改善成形性的機理與IF鋼（通過添加鈦和鈮等強碳化物形成元素，固定溶質碳原子和氮）及固溶強化元素相同。IF HS鋼通常用于汽車內外板，成形性和強度均高于低碳軟鋼。

（3）含磷鋼

含磷鋼是在低碳鋼中添加固溶強化元素制成的固溶強化鋼，抗拉強度在340 MPa以上。由于錳、磷、硅元素原子的尺寸與鐵元素相似，所以采用錳、磷和硅作為固溶強化元素，固溶強化元素會引起晶格變形和內應力增加，并通過相互作用抑制電勢來提高抗拉強度。一般來說，固溶強化元素對強度的提升效果不如間隙元素，這類鋼種主要用于側梁和各種加強件。

（4） HSLA

在碳鋼中添加了約0.1%的釩、鈮和鈦元素，由此制造的HSLA鋼具有較高的沖擊韌性和強度。通過碳化物的形成，使得上述元素產生析出強化的效果，這些碳化物通過抑制動態再結晶和奧氏體區晶粒長大，細化了鐵素體晶粒尺寸，從而改善了強度和韌性。HSLA鋼具有較高的屈服強度和彎曲性能，經過輥壓成形和彎曲成形后，主要用于結構加強件。其中，冷軋產品用于A柱、車頂縱梁和各種加強件；熱軋產品用于底盤、懸架和輪轂。

3.先進高強度鋼（AHSS）

先進高強度鋼（Advanced High Strength Steel，AHSS）主要涉及DP、CP、PHS、MS和FB等鋼種。

（1） DP

DP鋼具有一種雙相組織，少量的馬氏體在軟質鐵素體基體中形成。生產過程中隨著奧氏體轉變為馬氏體，由于體積擴大產生了可動位錯，進而產生連續屈服現象，從而使得DP鋼的延性優于固溶強化鋼或析出強化鋼。該鋼種由于具有較低的屈強比，因此適用于那些需要拉伸成形的、復雜形狀的汽車零部件。

（2） CP

CP鋼是一種多相組織鋼，由貝氏體、鐵素體和馬氏體組成。由于貝氏體和馬氏體之間的差異較小，因此，該鋼種具有彎曲性且屈服強度可以通過鐵素體分數進行控制，通過析出物分布，實現晶粒細化，通過快速冷卻改善彎曲性，在快速冷卻后進行熱處理時，隨著馬氏體軟化，彎曲性顯著增強。該鋼種主要用于保險杠或側梁。

（3） PHS

熱成形工藝是將落料后的板料加熱到900℃～950℃高溫進行沖壓成形，隨后在沖模中快速冷卻從而制造出高強零部件。PHS鋼通過在高溫條件下成形，成形性和尺寸精密度都有所改善，同時減小了回彈；減輕加強件的重量，實現了輕量化的效果，同時增加了電動車的續航里程數。PHS鋼主要用于高強高成形零部件，特別是汽車座艙區，從而在碰撞事故中保護乘客的安全。

（4） MS

MS鋼是馬氏體基體，由少量的貝氏體和鐵素體組成，該鋼種的抗拉強度約為1 700 MPa，但延伸率較低，快速冷卻后通過適當的回火工藝可以改善屈服強度。MS鋼通過簡單的彎曲工藝成形，主要用于保險杠梁和側梁。

（5） FB

FB鋼由鐵素體和貝氏體組成，具有較高的延伸率和拉延翻邊性能。通過析出強化和微合金元素的晶粒細化，FB鋼可確保一定的強度，材料的塑性取決于熱軋過程中的卷曲溫度，鐵素體經過空冷后形成過飽和鐵素體，然后通過分步冷卻將過飽和鐵素體轉變為貝氏體。經過加工后，FB鋼可具有復雜形狀，同時擴孔率較高，主要用于輪輞輪輻、控制臂。

四、H-SOLUTION零部件及解決方案

H-SOLUTION充分利用高強鋼對外板、座椅框架、橫梁、縱梁等進行優化設計，同時自創了鋼輪轂、前副車架、前下擺臂、CTBA管形梁等關鍵部件。

1.車身零部件

（1）高強外板

可采用成形性和表面質量俱佳的高強鋼（490 MPa）外板。具體根據零部件需求特性選擇不同的鋼種，從而達到零部件的性能要求。在解決方案方面，主要是將外側板上現有的DDQ（0.65 mm）逐步替換為IF160（0.65 mm），應力從132.3 N增大為156.8 N，抗凹陷性能提高18%，通過削減車身面板加強件降低制造成本。

（2）高強座椅框架

在高強座椅框架解決方案方面，主要是在座椅側板支架上采用高拉伸型鋼種DP980（0.8 mm）替代現有的DP780（1.0 mm），減輕重量20%；在座椅導軌上采用高彎曲型鋼種DP980 （1.6 mm）替代現有的DP780（1.6 mm），使得零部件強度提高25%；側墊零部件采用高拉伸型和高彎曲型鋼種DP980 （1.4 mm）替代現有的DP780（1.6 T）。通過高強薄壁化減重13%～20%，零部件強度提高25%，在發生碰撞時提高了座椅導軌的固定力。

（3）外側密封件

外側密封件采用冷軋1470MPa電鍍鋅鋼板（1.2mm），確保優異的耐腐蝕性，屈服強度為1180～1480 MPa，抗拉強度大于1470 MPa，延伸率大于3%，替代現有的冷軋1180 MPa零部件（1.4 mm）時，可減重14%，且彎曲系數表R/T小于5，彎曲性能優異，適用于輥壓成形工藝；通過提高車身底板強度，加強了對電池包的保護。

（4）中心地板零部件和前保險杠橫梁

采用1.5GPa級超高強冷軋鋼板，屈服強度為1 000～1 250 MPa，抗拉強度大于1 470 MPa，延伸率大于5%，焊接性和抗氫脆性優異，低屈強比，可以進行冷成形加工。替代1.5 GPa熱成形零部件時，可降本22%；替代1.2 GPa零部件時，可減重14%。

（5）座椅橫梁

座椅橫梁采用厚度均一的熱成形零部件（2.3 mm），而借助熱成形TWB不同厚度（2.3 mm-1.8 mm-2.3 mm）零部件，可減重約9%，通過厚度和強度的組合，改善了零部件整體性能并提高了設計自由度，同時還可應用于B柱等各種零部件。

（6） B柱外加強件

采用1.8 GPa級PHS鋼，屈服強度大于1200MPa，抗拉強度大于1800 MPa，延伸率大于4%，焊接性能優秀，同時采用抗氫脆技術。零部件性能提高20%，厚度減小，減重12%～14%。

（7）門環

同時采用1.8 GPa級和1.5 GPa級PHS鋼，其屈服強度大于1 000 MPa，抗拉強度大于1 400 MPa，延伸率大于6%。通過零部件一體化，減少零部件數量，降低制造成本10%；通過結構優化，減重10%；借助TWB或補丁板工藝提升零部件性能，降低制造成本。

（8）行李箱內部和中心車頂縱梁

采用CFRP作為加強件，相較普通鋼板，減重50%～60%，可以設計成不同的形狀，提高了設計自由度；可以形成運動型或豪華風格的圖案。借助HP-RTM （高壓樹脂傳遞模塑）、WCM（濕壓模塑）和壓縮模塑等工藝，積極開展CFRP成形解決方案研究。

2.底盤、鋼管熱成形零部件

（1） Star guild鋼輪轂

采用590 MPa和780 MPa高強熱軋板制作輪轂時，具有出色的焊接性和擴孔性；用作輪輞時，具有優異的對焊性和成形性。與鋁鑄輪轂相比，Star guild鋼輪轂不僅重量減輕約20%，而且設計風格更為時尚，散熱性顯著改善。

（2）前副車架

采用370 MPa、440 MPa和504 MPa級鋼板，并借助液壓成形技術向圓形鋼管內部施加高壓水，無需焊接管件，制造出特殊形狀的零部件。傳統工藝在1個分總成上至少需要6個零配件，重量約10 kg，采用液壓成形工藝后，僅需1個零部件，重量約7.9 kg，可減重21%。此外，該工藝還可應用于底盤架、拖曳臂、后軸側梁等零部件。

（3）前下擺臂

780 MPa、980 MPa級超高強熱軋板應用于底盤零部件，提高了耐用性和加工性。其中，780 MPa鋼的屈服強度大于675 MPa，抗拉強度大于780 MPa，延伸率大于10%，擴孔率大于45%；980 MPa鋼的屈服強度大于800 MPa，抗拉強度大于980 MPa，延伸率大于8%，擴孔率大于25%。

（4） CTBA管形梁

采用780 MPa級冷成形鋼板，其屈服強度大于660 MPa，抗拉強度大于780 MPa，延伸率大于10%，具有優秀的制管焊接性和冷成形性，可以降低零部件成本；采用1 400 MPa級PHS鋼，其屈服強度大于1 000 MPa，抗拉強度大于1 400 MPa，延伸率大于6%，具有較高強度和耐用性，可以提高性能，實現輕量化效果。

（5）車門防撞梁、下部加強件、后保險杠梁

將590 MPa級鋼管加熱至900℃以上，在成形的同時進行水冷，制作出1.5 GPa以上的超高強零部件。該工藝可用于后保險杠系統、門板防撞梁和下部加強件。

五、H-SOLUTION應用技術

1.成形

汽車成形技術是一種根據車身零部件的形狀和結構，加工汽車板的關鍵技術。從而提升汽車的碰撞性能，完成汽車零部件的加工和材料的輕量化效果，完成復雜性設計。

（1）邊裂

在超高強鋼汽車零部件的成形工藝中，對剪切加工后邊緣處產生的成形裂紋需要進行額外的加工。如果借助超高強鋼專用的材料性能評價方法，就可以預測邊部成形質量。在超高強鋼成形裂紋預測方面，采用了擴孔性評價的方法；借助擴孔性評價法還可以預測剪切面的成形裂紋；在汽車零部件開發時，通過預測剪切面的成形裂紋，對工藝進行必要的設計和改進。

（2）可變摩擦

汽車零部件在成形時，在材料上產生的摩擦系數會隨著成形模具部位和行為的不同而變化。在汽車零部件加工中以可變摩擦預測成形時，可以確保更高的一致性，為了提高摩擦試驗和零部件成形預測的準確性，對摩擦特性的評價非常重要，需要采用具有一致性的數據計算方法。為了進行汽車零部件成形，主要對材料摩擦試驗評價方法進行研究；借助制定的SO標準摩擦試驗方法，計算出準確性更高的摩擦試驗數據；利用可變摩擦試驗結果，進行汽車零部件成形和工藝設計。

（3）晶體塑性研究

隨著汽車零部件超高強和輕量化需求的增加，具有多種復雜組織特征的超高強鋼也在增多。很難用單一特性解釋具有復雜結構材料的成形或剪切行為，借助顯微組織進行成形行為機理分析，及剪切或成形分析時，可以實現更為精準的評價。

（4）伺服成形技術

盡管汽車零部件的強度增大，但塑性降低，同時會導致高回彈應變，很難進行傳統的沖壓成形。借助伺服成形機可以在成形區內自由改變沖壓機運動，最大程度地提高成形性和尺寸精度。

2.連接

為了應對燃效、環境、碰撞、安全法規的要求，汽車采用了不同的材料。500余塊鋼板成形零部件經過連接后，制作成一個車身，主要采用了電阻點焊、熔化極氣體保護焊、激光焊、異種材料連接技術等工藝。

（1）超高強鋼板點焊方案

由于合金含量高，超高強鋼是一種高剛性材料，具有較高的電阻。熔核在低電流區域長大之前，容易出現中部毛刺，因此，很難進行窄間隙焊。通過對焊接適用性和性能進行評價，根據材料特性開發最佳的焊接電流波形，從而提供最佳的解決方案，為客戶提供定制化的技術支持。

（2） LME解決方案

由于鋅熔點低導致液態金屬脆化（LME），以及氧化鋅層厚而導致焊接強度降低，為了將GA涂層PHS鋼應用于汽車白車身，通過橫截面分析、LME定量化分析、LME敏感性分析及SORPAS模擬點焊LME機制闡明LME現象的基本原因。研究發現，提高涂層中α-Fe(Zn)相比例是防止鋅熔化的有效途徑。此外，噴砂去除較厚的氧化鋅層可以改善GA涂層PHS鋼的電阻點焊性[5]。

（3）熱成形TWB激光焊接

采用TWB熱成形融合技術，將強度和厚度各異的鋼板進行切割焊接后，再進行一體化的熱成形，制作成單個零部件。為了避免鋁元素混入熔融零部件焊縫區域，傳統工藝需要將鋁-硅涂層去除后，確保焊縫區的強度，在激光焊接時采用了填充焊絲進行強度補償，這種焊絲的碳含量為0.59wt%～0.66wt%，錳含量為0.30wt%～0.60wt%。通過采用這種高碳高錳成分的填充焊絲，可以防止TWB焊縫因鋁-硅涂層成分偏析所造成的強度下降[6]。

（4）超高強鋼板和輕量化材料異種連接技術

由于超高強鋼和輕量化材料的應用比重增加，異種材料的機械連接技術已成為趨勢，通過開發高強鋼和輕量材料異種連接解決方案，為客戶提供符合鋼板特性的工藝，并對機械連接特性進行評估和研究。

3.腐蝕

為了開發防腐解決方案，目前主要研究涂裝技術、耐腐蝕性評價技術、超高強鋼的氫脆抑制技術。由于強度和剛度高，部分超高強鋼只要存在極微量的氫，就會產生脆性。因此，要求對于抗拉強度1 GPa以上的鋼板必須對氫致延遲斷裂進行評價。同時，還借助裂紋擴展模擬進行HEDE驗證，借助TEM進行HELP驗證。

4.防碰撞

為了改善車身的碰撞性能，采用碰撞能力吸收性優異的高強材料。對于車身結構不僅要求具有足夠的空間，而且要可以抵消從外部傳遞的碰撞能力，在汽車發生碰撞時保護乘客；為此，進行了高速拉伸試驗和斷裂試驗、壓潰試驗、V形彎曲試驗和結構/碰撞分析。

5.疲勞、耐久性

當材料承受的重復載荷或應變小于斷裂應力或屈服應力時，應進行一定次數的重復試驗，在裂紋發生、擴展，直至斷裂之前，評價使用壽命。主要采用高周疲勞試驗和低周疲勞試驗，由此為客戶提供用于耐久性分析的疲勞特性，同時提供S-N和e-N曲線，對母材和焊縫區等各種試樣進行評價。

六、借鑒與思考

作為鋼鐵企業，現代制鐵公司推出H-SOLUTION品牌，標志著該公司已經成為具有差異化競爭優勢的汽車材料制造企業。公司將通過大膽采用新鋼種和新技術，持續改進H-SOLUTION電動車的配套解決方案。

H-SOLUTION從高強汽車板和熱成形工藝著手，涵蓋了材料性能、成形、焊接、防腐、涂裝和零部件制造的全套服務，最終達到“改進材料性能、降低制造成本、提高產品質量”的目標。

通過提供全方位的技術服務，為客戶創造價值，現代制鐵積極搶攻全球汽車板市場，占據了優勢地位。相關的成功經驗證實：在風云變幻的市場環境下，與下游客戶的合作共贏，同樣也會是中國鋼鐵企業生存與發展的必由之路。