安賽樂米塔爾近年在汽車工業領域的重大技術創新

□ 柯華飛 康 斌

安賽樂米塔爾近年在汽車工業領域的重大技術創新

□ 柯華飛 康 斌

在全球汽車用鋼領域,鑒于安賽樂米塔爾在供貨量和多項技術領域處于前沿地位,對近年來安賽樂米塔爾在汽車用鋼的整體解決方案、工藝、材料、涂鍍層等領域的創新進行了總結分析。

安賽樂米塔爾；汽車用鋼；輕鋼解決方案；工藝；材料；涂鍍層

汽車業務是安賽樂米塔爾的主營業務之一,在全球汽車用鋼領域,安賽樂米塔爾提供的扁平材位列供應商第一,還提供拼焊板、長材和管材產品。在先進高強鋼、鍍鋅和涂鍍鋼材領域,以及專利產品(如Extragal和Usibor)方面,安賽樂米塔爾都是技術領先者,產品應用于汽車、貨車和卡車制造。

全球約1/5的汽車用鋼來自安賽樂米塔爾,安賽樂米塔爾的生產基地跨越四大洲的22個國家。還在全球擁有汽車業制造基地,通過以設備、聯合和合資的方式進行戰略整合。該公司約54%的汽車用鋼產自歐洲,45%產自美洲,1%產自南非。在印度、土耳其和中國建立合資企業,在日本則與NSC結盟。到2015年,位于中國境內的VAM合資企業(華菱安賽樂米塔爾汽車板合資公司)計劃開始提供高強鋼和高附加值產品。

安賽樂米塔爾汽車用鋼性能杰出,且覆蓋全冶金系列、涂鍍及表面處理,在外部件鍍鋅鋼和熱沖壓鍍層鋼技術方面處于前沿地位。通過在輕量化和成形性之間爭取最佳平衡,借助自有的國際化網絡和合作加工中心、拼焊板生產廠家和沖壓廠家,在全球范圍內提供產品及技術服務。

安賽樂米塔爾汽車用鋼的重大技術創新路徑見圖1。

圖1 安賽樂米塔爾汽車用鋼重大的技術創新

一、輕鋼解決方案創新

1.S-in motion項目(2010—2012年)

S-in motion(輕量型汽車用鋼)項目始于2010年,耗時2年,是面向21世紀,為致力于建造更輕型、更安全和更環境友好型汽車的制造商們提出的一個新項目概念,其借助于一系列的零部件和解決方案來實現輕量化要求,提供了針對競爭材料的最具競爭力的生命周期模式。

S分別代表鋼鐵、減重、降本、可持續、安全、服務、強度以及解決方案。項目目標：使用安賽樂米塔爾的先進高強鋼(AHSS)、壓力硬化鋼(PHS)、不銹鋼和長材,開發出重量最輕的、符合歐洲和北美碰撞要求的、且成本最低的汽車。項目計劃分2期展開：1期是適合歐洲和北美的子模塊(包括車頭模塊、車尾模塊、側身模塊、閉合模塊等)解決方案；2期是適合歐洲市場的最輕整車解決方案。

目前,該項目開發出了C級基準車43個部件的多種解決方案,針對大多數43個部件的60種解決方案采用了壓力硬化鋼(PHS)和先進高強鋼(AHSS)、不銹鋼(17.7C-1.4310用于A 柱下外側)和長材(如用于轉向節彈簧和鍛壓鋼SOLAMB1100的CRS2050)。以最輕整車解決方案為例,與C級基準車相比,該方案可使整車重量減輕19%。

此外,項目還進行了生命周期評價(LCA),壓痕、碰撞、剛度,成形性、裝配模擬和風險評估。 S-in motion項目中超高強鋼的使用,能夠在全生命周期取得14.5%的減排效果。白車身生產過程中可以減少15%的CO2排放當量,這在很大程度上歸因于硬化鋼和先進高強鋼的環保性能。項目中基準車使用周期200 000km,百公里燃耗為6.6L, LCA結果顯示：使用階段可減少13.5%的CO2排放當量。結合生產過程中的減排量,每一輛白車身減排可達1 749 kg的CO2排放當量,也就是6.2 g/km。

為了驗證安全性能,項目組進行了標準歐盟NCAP(歐盟新車評估組織)和AZT碰撞測試,包括后撞、頂棚擠壓和側撞。NCAP和AZT測試結果均超出最低法定要求。

2011年,S-in motion榮獲美國金屬市場報的“最佳工藝創新獎”,其創新意義使得鋼材能夠和鋁材方案汽車制造進行競爭,并在汽車材料市場中處于領先地位,已在北美、歐洲和日本的眾多汽車廠商中得到廣泛應用,并已進入巴西和韓國市場。

2.超輕車門(2010—2013年)

自S-in motion明確了全方位創新鋼材解決方案以來,安賽樂米塔爾全球研發汽車部利用當今的鋼材和技術,歷經3年時間取得了這些車門輕量化解決方案,已經實現了鋼制車門27%的輕量化和降本成果。而借助先進高強鋼和未來幾年內即將面世的技術,采用超輕車門方案有望較現行車門方案減輕34%的重量。

(1)安賽樂米塔爾的超輕車門輕量化目標和解決方案

——當前鋼種的短期目標：在保持結構和安全要求的前提下,將車門重量從18.3kg減至13.3kg。解決方案：UHSS (MS1500 和 Usibor)用于結構件,外板采用如FF280DP雙相鋼,重新設計的前車門外板采用了0.6mm的FF280DP,并進行局部增強以提高剛度,該方案還包括極薄的內側激光拼焊板；外板使用極薄鋼已經部分實現了中短期方案的減重目標；采用down-gauging技術在提高鋼材強度的同時,確保車門符合耐沖擊標準。

——采用新鋼種的中期目標(研發中)：進一步輕量化,激光拼焊板提升了局部性能；根據客戶需求,開發了數種新鋼種以匹配不同類型車門；新的高強鋼和應用技術將于未來數年面世,2017年有望實現中期方案。解決方案：重新設計的前車門外板采用了0.6mm的FF280DP,并進行局部增強以提高剛度,該方案還包括極薄的內側激光拼焊板；C級車門包含對正面和側向碰撞載荷的管控；要繼續輕量化34%,整體車門重約12k(g26.4磅),涉及到當前正在開發的創新鋼種,如用于某些非可視部件的Usibor2000,以及可將外板厚度減至0.5mm的先進高強鋼；大型D級車門對正向碰撞載荷沒有要求,因此車門可以進行有限的輕量化。

(2)不同規格車門的解決方案

——A、B、C級車。標準鋼制前車門重約18 kg( 40磅)。中型車車門沉重是因為必須包含加載路徑來管控正向碰撞產生的力度。在大型車(如D級車),這個加載路徑已經成為白車身的一部分,所以車門稍輕。要使車門輕量化34%,整體車門重約12k(g26.4磅),涉及到當前尚在開發的創新鋼種,如用于某些非可視部件的Usibor2000,以及可將外板厚度減至0.5mm的先進高強鋼。

——大型D級車。由于大型D級車對正向碰撞載荷沒有要求,因此車門可以進行有限的輕量化。在中期計劃里計劃實現29%的輕量化：第一種方案是調整C級車門的中期發展計劃以適應D級車門要求,實現車門重量10.4 kg (22.9 磅)；第二種方案是推進設計進步,采用結構性整體加載路徑優化,并重點開發裝配和制造技術,該方案中包括外板在內的大量部件共同作用,提高碰撞性能,目前仍在開發中,并采用薄規格AHSS如熱沖壓Usibor。

3.S-in motion電動車(2010—2012年)

該項目采用標準燃油型C級車作為基準車,旨在改造基準車來創建電動車,并采用在原S-in motion研究中得到認定的方案,因而與那些有意制造傳統汽車電動版的汽車制造商們尤為相關。S-in motion電動車解決方案如下：

(1)輕量化。S-in motion電動車上大量使用AHSS (35%～58%)有助于減少白車身重量30k(g11%)。盡管為保護電池而需要額外使用鋼材,依然能取得輕量化效果。此外,輕量化使得材料用量減少,帶來了5%的成本下降；同時,處理、裝配、加工成本會因使用AHSS而略微上漲。因而,S-in motion電動汽車白車身成本僅高出基準車2%。

(3)用白車身保護電池。S-in motion電動車利用車身底座進行必要保護,擴大電池通道,將電池托盤用螺栓拴在通道和后座的下方,以形成保護。該方法已成功應用于通用Chevy Volt。在該方案里,電池通道采用熱成形鋼,電池托盤則采用DP1180。這兩個鋼種都擁有高強度,并有助于減輕重量。通道方案能夠在發生碰撞時為電池提供360°保護,高強度鋼種也改善了白車身的抗扭剛度。

4.卡車方案(2013年)

基于長期經驗,安賽樂米塔爾汽車和卡車用鋼種能囊括所有需求,激光拼焊和熱成型技術也應用于先進卡車制造中。未來,混合動力和電動卡車用電工鋼也在研制中。目前,對于輕型貨車,安賽樂米塔爾完成了S-in motion 模擬的重要步驟,結果顯示對該類型貨車可以減重23%?？ㄜ嚨慕鉀Q方案如下：

(1)創新設計。幾乎所有汽車創新正在融入卡車駕駛室設計。高強鋼(HSS)和先進高強鋼(AHSS)——包括雙相鋼和硼鋼,已經在S-in motion項目中得到驗證,在保持性能的情況下取得輕量化效果。

(2)先期參與。安賽樂米塔爾研制的新涂層,如Zagnelis有助于延長使用壽命,其含有3%鎂和3%鋁,較熱浸鍍鋅易損件更能耐受腐蝕。在全球汽車研發人員指導下,安賽樂米塔爾的卡車客戶服務團隊,能做出合理建議,選擇鋼種和改善工藝,在保持可靠性、安全性、舒適度以及經濟性的前提下最大化減輕重量。

(3)S-in motion理念。安賽樂米塔爾能夠提出鋼材解決方案來滿足卡車設備商對駕駛室更輕、更牢固和更安全的設計要求。對于拖車底盤的通用輕鋼方案——Trailtech,采用高強度低合金鋼種,如S700MC來減少油耗和排放。HSS用來減輕卡車車輪重量的10%～15%。

目前,安賽樂米塔爾的卡車方案已經應用于Shutterstock、沃爾沃、斯塔尼亞、M.A.N、雷諾卡車、依維柯、梅賽德斯、道夫等卡車品牌。

二、工藝創新

1.熱成形工藝

熱成形鋼鍍層工藝：安賽樂米塔爾最早開發出金屬鍍層的熱成形鋼系列,提供具有更高延展性的新產品；安賽樂米塔爾可提供Usibor1500P熱成形鋼AlSi、GI和GA鍍層板,其中AlSi鍍層為全球鋼企中的首創。

應用安賽樂米塔爾的熱成型工藝,大眾帕薩特B6重量減輕25kg,NCAP碰撞測試5星,成本比傳統方案更低。奧迪Q5側梁使用了Usibor1500P鋼(22MnB5)專用焊激光焊接板系列。

2.局部激光剝蝕工藝

局部激光剝蝕技術是創新型專利技術,為激光拼焊板提供了優異的焊接性能和防腐蝕保護,目前正在與ANDRITZ Soute合作進行商業化推廣。該技術有望在全球推廣,提高激光拼焊技術在熱成形鋼應用的有效性。

三、材料創新

1.高強汽車用鋼

2.AHSS激光拼焊板

安賽樂米塔爾擁有15年的激光拼焊經驗,并持續追求創新及新技術開發。為了改善防撞性以及輕量化,目前安賽樂米塔爾拼焊板已能夠覆蓋全規格的AHSS,隨著汽車市場競爭的加劇,新的方案必須極少甚至無成本增加。而由于材料使用量減少以及拼焊板功能集成的優勢,帶來了綜合生產成本的下降。

3.iCAReTM鋼(2012年)

iCAReTM是安賽樂米塔爾汽車用鋼的創新電工鋼產品,寓意是為未來的汽車尋求創新(i)和環境友好型(e)解決方案。

iCAReTM鋼結合了標準和和高性能電工鋼,專門為滿足電動汽車和混合動力車的特殊需求而設計,具有高磁導率、低損耗水平和卓越的屈服強度。能夠幫助汽車制造商取得以下成效：混合動力車的低CO2排放和高燃油效率,延長現有電池駕程,降低總的電氣化成本,電機能有更好的功率密度來減小電動傳動系統的尺寸和重量。

iCAReTM產品有3種型號,分別針對不同的典型應用：Save、Torque和Speed。安賽樂米塔爾可以提供2種iCAReTM涂鍍產品——C3和C5,適用于混合及電動牽引機和壓縮機的全加工鋼種。

Save鋼具有極低損耗,核心作用是優化電池電流的使用。可以減少同步電機定子的鐵損,尤其是減少高速混合和電動牽引機的鐵損,以及發電機的鐵損從而延長電動車的使用壽命。

Torque是高磁導鋼系列,能夠使電機或電機供電的機械功率輸出達到最高級別,在5 000A/m時,最小偏振超過1.65 T。該鋼種可以協助生成通量,使電機產生更多機械輸出。如果無需考慮機械輸出,可以減少永磁和銅線圈以降低成本。

Speed是特殊高強電工鋼種,用于高速轉子以保持其高磁性,可以使電機更緊湊,擁有更高的功率密度。該鋼種保障了屈服強度和磁性,在機械性能和損耗之間提供了極好的平衡。

四、涂鍍層創新

2.薄有機涂層

安賽樂米塔爾的薄有機涂層具有極高的耐腐蝕性,借助包含在有機基質里的金屬顆粒,可以保持良好的焊接性能。有機涂層涂敷于金屬鍍層之上,使鋼板擁有優質表面,易成形、易焊接。

安賽樂米塔爾產線包括一代和二代有機樹脂和無鉻表面處理工藝,其他薄有機涂層正在工業化過程中。一代涂層適用烘烤硬化鋼之外的所有基質,二代適用烘烤硬化鋼。見表1。

表1 安賽樂米塔爾的一代和二代薄有機涂層

3.潤滑涂層

安賽樂米塔爾開發了潤滑油表面處理涂層,在提高耐腐蝕性的同時,改善深沖性能。針對更為嚴苛的深沖性能要求,安賽樂米塔爾潤滑油涂層開發應用情況見表2。

表2 安賽樂米塔爾的潤滑涂層開發應用情況

五、突破性技術創新

安賽樂米塔爾致力于通過大量投入來攻克突破性技術,典型的就有真空PVD(物理氣相沉積),為突破性產品開發帶來新的前景。該技術在別的行業已經存在,只是沒有應用于煉鋼工藝中。

這些初代產品就有由真空沉積得到的ZEMg鍍層。ZEMg PVD鍍層的耐腐蝕性以及表面質量適用于很多汽車部件,包括外部件和非外部件。其研發專門針對提高空心件耐腐蝕性以及相鄰部件的接合。可以減少額外如上蠟和填補劑之類的保護措施,還可以改善對空心部分的保護,極大地降低設計成本。主要應用于閉合件、車體側邊件、車底部件、減震系統以及所有空心梁,旨在滿足車身制造商減少耐腐蝕成本的要求。

六、 結束語

安賽樂米塔爾汽車業務的技術創新成果主要是提供創新性解決方案,以及在保證成本控制的情況下,開發突破性產品和技術。安賽樂米塔爾研發的首要目標是保持前沿地位,在汽車行業面對的環境、安全和成本控制問題上采取先行策略,尋求高效、可持續的解決方案。

1.客戶導向的前沿型技術創新

安賽樂米塔爾研發的首要目標是保持前沿地位,在汽車行業面對的日益苛刻的環境、安全和成本控制問題上,采取先行策略,尋求高效、可持續的解決方案。與汽車制造商密切合作,安賽樂米塔爾開發了S-in motion——一種更輕量化且有安全保障的汽車用鋼解決方案,同時還減少了碳排放,并開發了iCAReTM創新環境友好型電工鋼產品。安賽樂米塔爾通常在新車型發布的前5年開始參與設計研究,并將在新車下線后持續提供服務。2013年,Honda 2014M Acura MDX下線,采用世界首例創新性單件式、熱成形、激光拼焊、側開式門環面板技術,應用鋼種為UsiborAlusi熱成形鋼。該技術將協助Honda贏得美國公路交通安全管理局的5星安全評級,同時還改善了燃油經濟性。

2.長期國際化合作促進創新

安賽樂米塔爾借助研發部門與全球合作伙伴、大學和研究機構長期合作,在全球12個國家擁有合作大學、7個國家擁有合作研究機構,其研究內容覆蓋汽車用鋼的重點領域。如,和蒂森克虜伯合作研發Fe-C-Mn系TWIP鋼專利產品,與Gestamp Automoc ió n(針對汽車行業金屬構件和結構系統進行設計開發制造的國際公司)合作研發熱成形汽車用鋼。最近,該公司與ANDRITZ Sout(e專業焊接系統供應商)合作開展的新型局部激光剝蝕技術的商業化研究,促進了激光拼焊板的長期集成應用以及應用擴大化。

3.關注汽車行業未來發展的超前研發

安賽樂米塔爾的汽車用鋼解決方案涵蓋了幾乎所有不同性能、不同成分的鋼材。預計未來對輕鋼汽車的管理和客戶期望都會增強。安賽樂米塔爾還參加了國際鋼協FSV項目,使用2015年以后才會實現商業化應用的先進高強鋼種。2014年,推出了冷沖壓第三代先進高強鋼系列的首個產品,開啟了未來輕量化和更安全汽車用鋼的新系列,確立了在全球汽車用鋼輕量化解決方案的技術領先地位。

[1］李晟.從鋼鐵制造商到整體解決方案提供商[J］.世界鋼鐵, 2012(6).

[2］Third generation AHSS now available[EB/OL］.http://flateurope.arcelormittal.com/UpdateMay2014.

[3］S-in motion, lightening a car's chassis[EB/OL］.http:// flateurope.arcelormittal.com/UpdateMay2011.

[4］http://automotive.arcelormittal.com/products.

(作者單位：武鋼研究院,湖北武漢430080)

F273.1

A

1002-1779 (2015) 04-0019-04