高強不銹鋼的研究現狀及其在新能源汽車材料輕量化中的應用

朱雙春

江蘇工程職業技術學院 江蘇南通 226006

新能源汽車的發展及輕量化需求

得益于政府的政策支持，我國新能源汽車行業在長期的研發和投產中逐漸形成了較為完善的產業鏈，新能源汽車產業發展取得了積極成效，在基礎材料、基礎零件、電機、電控、電池以及整車等各方面都取得了實質性突破。截至2022年，我國新能源汽車產銷量連續八年位居全球第一，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銷量的躍升尤為突出，據統計，2021年我國新能源汽車銷量達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月國務院辦公廳印發《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》提出的要求，到2025年新能源新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右，已經提前三年完成規劃目標。雖然我國新能源車發展較快，成熟度較高，但即使在2022年我國新能源車產銷量同比大幅增長的情況下，新能源車占汽車全年產銷量的比值也僅為25.6%左右，燃油車還是占據著汽車產銷的主流地位。為鞏固和擴大新能源汽車發展優勢，近年來國家在規劃和政策方面保持推進和鼓勵總方向，從生產、消費、基礎設施等方面為新能源汽車產業保持高質量可持續發展提供強有力的保障。

相較于傳統的燃油車，新能源汽車特別是純電動汽車的續駛里程一直是推廣應用短板和痛點，除了動力電池的影響之外，新能源汽車搭載了三電系統和大量的智能化設備，增加整車的整備質量，同樣影響續駛里程和行駛速度，給新能源汽車的推廣和發展帶來了一定的障礙。有研究表明，新能源汽車整備質量降低10%，對應續駛里程可增加5%～10%，節約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。有學者認為，在目前三電系統輕量化進程緩慢、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重點在于輕量化材料的應用。

高強不銹鋼研究現狀

高強不銹鋼正如其名，在強度和耐蝕性方面有天然優勢，在汽車、船舶、建筑、橋梁等行業有著非常廣闊的應用預期，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性能和耐蝕性能，并且具有優良的冷熱加工性能，成為當今高強不銹鋼研究開發的熱門方向。

為降低不銹鋼成本，近年來，通過降低Ni含量，以“Mn+N”代替Ni的合金化設計思路，調控奧氏體穩定性，控制鋼材層錯能，綜合提高鋼材的強度和伸長率，開發出高強韌、節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等相繼開發出Cr質量分數為20%的系列節約型雙相不銹鋼，通過Mn、C、N等元素來調節奧氏體的穩定性，使其在變形過程中發生馬氏體轉變而產生TRIP效應，綜合改善不銹鋼的強度及塑性。國內寶鋼在低成本高強不銹鋼研究開發方面走在了行業前列，開發出客車車身用低成本節鎳型高強亞穩態奧氏體不銹鋼，屈服強度和抗拉強度分別控制在350～700MPa和900～1200MPa范圍內，延伸率在30%以上，并針對材料的強化機理、力學性能、形變誘導相變、形變過程組織和織構演變等進行了一系列的研究。

高強不銹鋼在新能源汽車輕量化中的應用

盡管應用于新能源汽車輕量化的材料有高強鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維等多種方案，但高強鋼在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面，比鋁、鎂合金具有明顯的優勢，能夠滿足減輕汽車質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，占據著汽車輕量化材料的主導地位。

近年來，隨著人們環保意識的增強，降低汽車全生命周期的碳排放以及使用成本成為汽車發展的重要方向，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。普通的碳鋼高強鋼或低合金高強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，行業急需開發新的耐蝕性能優良的新能源汽車用高強鋼。針對新能源汽車耐蝕性能優良的高強鋼應用需求，國外各大主要鋼鐵企業爭相研究開發相關鋼鐵產品，如蒂森克虜伯、奧托昆普、浦項等均提出開發汽車用高強不銹鋼，并發布了屈服強度達到400～1000MPa的產品，表1為奧托昆普發布的系列高強不銹鋼牌號和性能，初步研究顯示高強不銹鋼有望成為下一代汽車用關鍵材料。

表1 奧托昆普發布的系列高強不銹鋼牌號和性能

我國鋼鐵龍頭企業中國寶武鋼鐵集團根據新能源汽車對高強不銹鋼的性能和成本要求，成功開發出全球首創的高強不銹鋼BFS600原料及型材，屬于節鎳型高強亞穩態奧氏體不銹鋼，大大降低高強不銹鋼的應用成本，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不銹鋼型材，整車在德國漢諾威國際車展上展出，完成高強不銹鋼在新能源客車領域的試水應用，圖1和圖2分別為寶鋼生產的BFS600高強不銹鋼成品管材和采用BFS600高強不銹鋼制造的比亞迪C9電動大巴原型車。

圖1 BFS600高強不銹鋼成品管材

圖2 應用BFS600高強不銹鋼的比亞迪C9電動大巴

新能源汽車輕量化用高強不銹鋼性能發展趨勢

在新能源汽車應用場景中，不可避免地會受到大氣環境尤其是沿海地區腐蝕性更強的高鹽含量大氣環境腐蝕，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，新能源汽車用高強不銹鋼主打性能——耐蝕性，成為車企關注的主要性能之一，并得到一些學者的研究，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期，成為高強不銹鋼在新能源汽車領域規模化應用的關鍵。另外汽車企業在應用高強不銹鋼生產制造過程中發現高強不銹鋼較難冷彎成型和焊接，因此要想應用高強不銹鋼實現新能源汽車輕量化材料的低碳化更新換代，高強不銹鋼的開發還需要結合材料的冷成型性能、焊接性能等工藝性能要求一體化設計，在降低高強不銹鋼材料成本設計的同時保證工藝性能以及服役性能，加快推進低成本高強不銹鋼在新能源汽車領域的應用。