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第二代鋁硅鍍層熱成形鋼及輕量化應用

蓋世汽車薈薈 2022-09-14 13:52

安賽樂米塔爾自1999年研發(fā)出鋁硅鍍層熱成形鋼，20多年來在鋁硅鍍層熱成形鋼這一輕量化材料領(lǐng)域里不斷探索。近兩年，在“雙碳”目標的驅(qū)動下，輕量化材料得以進一步開發(fā)及應用，其中由華菱安賽樂米塔爾汽車板有限公司（VAMA）生產(chǎn)的最新產(chǎn)品第二代鋁硅鍍層熱成形鋼在商業(yè)應用上取得了極大進展。

2022年8月24日，由蓋世汽車主辦的2022第二屆中國車身大會上，VAMA資深客戶技術(shù)支持工程師李久茂以《第二代鋁硅鍍層熱成形鋼產(chǎn)品及應用介紹》為主題進行了演講。以下是演講內(nèi)容整理：

VAMA資深客戶技術(shù)支持工程師李久茂

鋁硅鍍層熱成形鋼的發(fā)展歷程

19世紀90年代末，安賽樂米塔爾發(fā)明了鋁硅鍍層熱成形鋼。與其它熱成形硼鋼尤其是裸板相比，鋁硅鍍層熱成形鋼的生產(chǎn)過程無需在加熱爐中加入任何保護氣體，熱成形后的零件表面不會形成氧化皮和脫碳，省去了后續(xù)拋丸處理工序，也非常適合高溫加熱沖壓工藝。2006年，第一代熱成形鋼產(chǎn)品Usibor?1500實現(xiàn)全球首次商用，主要應用于歐系車企。得益于其超高的強度、優(yōu)異的機械性能和簡化的熱成形生產(chǎn)工藝，鋁硅鍍層熱成形鋼特別適用于車身上的結(jié)構(gòu)件和加強件，隨后在歐洲和北美汽車市場實現(xiàn)了大規(guī)模的應用，全球用量于2011年達到50萬噸。2012年，中國成為全球最大的汽車市場，鋁硅鍍層熱成形鋼的全球用量迎來了爆發(fā)性增長，并于2018年達到300萬噸左右的水平。

圖片來源：VAMA

2018年之后，大部分汽車新興市場在鋁硅鍍層熱成形鋼的使用量上呈現(xiàn)平穩(wěn)向上的增長態(tài)勢。在和用戶溝通合作的過程中，我們有一點很明顯的感受，不管是外資品牌還是國內(nèi)的自主品牌，無論是高端車型還是偏中低端的車型，鋁硅鍍層熱成形鋼的應用，相比較之前提升得非?？?。伴隨新能源汽車的快速發(fā)展，鋁硅鍍層熱成形鋼的輕量化潛能及節(jié)能減排優(yōu)勢也越發(fā)突顯。我們有理由相信，鋁硅鍍層熱成形鋼在未來的前景會更加廣闊。

為了應對市場的強勁需求，安賽樂米塔爾在全球范圍內(nèi)，包括在國內(nèi)的合資公司VAMA進行了產(chǎn)能布局和擴張。至2017年，在全球范圍內(nèi)一共投入了10條產(chǎn)線來進行鋁硅鍍層熱成形鋼的本土化生產(chǎn)，相較2012年，五年內(nèi)實現(xiàn)了產(chǎn)能翻倍。

近年來汽車向著更輕量化、更安全、更環(huán)保的趨勢發(fā)展，安賽樂米塔爾并沒有滿足于第一代鋁硅鍍層熱成形鋼的成功。為了給快速發(fā)展的汽車行業(yè)帶來更有競爭力的產(chǎn)品，早在十年前，安賽樂米塔爾就著手開始新一代鋁硅鍍層熱成形鋼的研發(fā)。通過嘗試不同的技術(shù)路徑，結(jié)合不同地區(qū)產(chǎn)線的特點，安賽樂米塔爾在歐洲和北美研發(fā)中心都進行了聯(lián)動開發(fā)，并率先在歐洲和北美工廠實現(xiàn)了工業(yè)化試制生產(chǎn)，并把成功經(jīng)驗和成熟的方案導入到中國的合資公司VAMA進行國產(chǎn)化。

新一代的產(chǎn)品進一步提升了產(chǎn)品的性能，特別體現(xiàn)在車身輕量化和安全性能上。同時，它還很好地匹配了現(xiàn)有成熟的熱沖壓工藝和產(chǎn)線，可以讓用戶快捷地實現(xiàn)新產(chǎn)品的應用。

新一代鋁硅鍍層熱成形鋼Ductibor?1000，Usibor?2000

安賽樂米塔爾鋁硅鍍層熱成形鋼分為兩個系列：用于吸能區(qū)域的軟區(qū)材料Ductibor?系列，和用于抗侵入的硬區(qū)材料Usibor?系列。下圖是兩代產(chǎn)品的性能區(qū)別，可以很直觀的反映出產(chǎn)品進化的特點，橫坐標是材料抗拉強度，縱坐標反映的是材料的沖擊韌性的折彎角。

圖片來源：VAMA

從圖中可以看出，Ductibor?系列從第一代的Ductibor?500進化到第二代的Ductibor?1000之后，其沖擊韌性雖然有一定的下降，但是仍然保留了非常高的水平，與此同時，材料的強度提升翻倍。因此，如果將新一代產(chǎn)品對Ductibor?500進行替代使用，可以帶來25%以上的減重潛力。Usibor?系列從第一代Usibor?1500進化到新一代Usibor?2000，碰撞韌性有一個小幅度的下降，但是它的強度提升了約500MPa，進行替代化使用也能帶來10%的輕量化效果。

安賽樂米塔爾在進行Usibor?2000的開發(fā)過程中，嘗試了多種化學成分體系，綜合考慮材料應用特性，最終我們決定保留現(xiàn)有的化學成分體系：高碳、低錳、合金元素含量比較高的一個體系。在熱沖壓烘烤之后，Usibor?2000的屈服強度可以達到1400MPa以上，抗壓強度達到1800MPa以上，延伸率達到40度以上。VAMA于2019年實現(xiàn)了Usibor?2000的工業(yè)化生產(chǎn)，并于2020年開始批量供貨。

圖片來源：VAMA

我們知道，當材料特別是鍍層材料的強度提升到2000MPa級別之后，它的應用特性（如焊接、抗氫脆性能）都會受到很嚴峻的挑戰(zhàn)。我們在材料開發(fā)階段對這些應用特性進行了深度的研究，并做了很好的平衡。下面左圖是對Usibor?2000沖擊韌性的評估，我們采用折彎實驗對 Usibor?2000在熱沖壓后、烘烤前后折彎角變化的情況進行了評估。結(jié)果顯示，材料在烘烤前大概是45度的水平，但是烘烤后能提升到50度左右的水平，這也使得Usibor?2000材料能滿足零件使用的要求。

圖片來源：VAMA

同時，我們對Usibor?2000的抗氫脆性能也進行了非常深度的研究。采用四點彎曲的方法，對材料基體里的氫含量對抗氫脆風險影響進行了評估。從上面右圖的研究結(jié)果顯示，當材料基體里的自由氫低于0.5ppm時，Usibor?2000的氫脆風險可以得到很好地控制，國內(nèi)的熱沖壓廠也都具備相應的控制條件。

Ductibor?系列雖然是應用于軟區(qū)的產(chǎn)品，但是它的強度也達到了1000MPa的級別，同時兼具極佳的韌性。除了可以與Usibor?系列材料通過激光拼焊組合使用，Ductibor?1000也可以單獨沖壓成零件使用。其在熱沖壓烘烤之后的屈服強度可以達到800MPa以上，抗拉強度提升到1000MPa以上，折彎角可以達到80度以上。VAMA于2018年實現(xiàn)了Ductibor?1000的本土化生產(chǎn)，并于2019年開始批量供貨。

圖片來源：VAMA

從下圖左邊的拉伸曲線圖看到，Ductibor?1000材料的斷裂延伸率相對于Usibor?1500差別不大，但是從右邊的Ω實體零件的三點彎曲實驗可以看到，Usibor?1500的零件下壓90毫米，發(fā)生了比較嚴重的開裂；而Ductibor?1000的材料下壓120毫米，沒有發(fā)生任何的開裂。這個實驗結(jié)果足以說明，Ductibor?1000的材料具備高韌性的優(yōu)勢。

圖片來源：VAMA

同時因為Ductibor?1000的強度處于1000MPa的級別，基本上不存在焊接和氫脆的風險，在國產(chǎn)化之后便得到了大批量應用，目前一年的供貨量達到四五萬噸的級別。

S-in motion?整車級別的輕量化鋼材解決方案

VAMA不僅僅是一家材料供應商，更是一家解決方案提供者。除了新材料的開發(fā)，我們在材料解決方案的研發(fā)上也處于行業(yè)領(lǐng)先水平。為了不斷適應汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，安賽樂米塔爾一直致力于研發(fā)具有競爭力的汽車鋼材解決方案，自2010年推出第一個S-in motion? B級車整車級別的鋼材解決方案以來，幾乎每年都會推出不同車型整車級別的鋼材解決方案。隨著這兩年新能源汽車的迅猛發(fā)展，我們順勢推出了包括插電式混動、純電動在內(nèi)的新能源汽車整車級別的鋼材解決方案。另外，我們還推出了一系列核心總成級別的鋼材解決方案，如鋼制電池包、懸架等，可以為用戶提供更多定制化的服務。

圖片來源：VAMA

2020年初，我們推出了S-in motion?純電動SUV整車級別的鋼材解決方案，通過大量應用安賽樂米塔爾先進高強鋼以及激光拼焊技術(shù)，使得車身在輕量化和安全性能兩個方面都達到了極致。其中，高強鋼在車身上的應用達到63%，鋁硅鍍層熱成形鋼的應用達到33%，尤其是第二代鋁硅鍍層熱成形鋼的應用比例也達到了24%，這也為新能源汽車的車身設計以及選材策略上提供了很好的示范。

圖片來源：VAMA

最后，我來向大家介紹一下VAMA二期項目。為了持續(xù)將先進的產(chǎn)品和技術(shù)帶到中國汽車市場，VAMA在成立之初就已經(jīng)規(guī)劃了二期工程。隨著VAMA的不斷成長，2021年二期項目開工建設，計劃將于今年第四季度投產(chǎn)，可以為VAMA的鍍層產(chǎn)品產(chǎn)帶來45萬噸的產(chǎn)能提升，產(chǎn)品厚度也能進一步拓展到3.2毫米。新的產(chǎn)線將并行生產(chǎn)三種不同鍍層產(chǎn)品，包括剛才重點介紹的第二代鋁硅鍍層熱成形鋼Usibor?2000和Ductibor?1000，以及鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品Zagnelis? 和第三代冷成形高強鋼Fortiform?。

圖片來源：VAMA

相較常規(guī)鍍鋅產(chǎn)品，鋅鋁鎂鍍層能夠顯著提升材料的抗腐蝕性，同時也一定程度地提升了材料的沖壓成型性和穩(wěn)定性，從而提升零件制造的效率。在國內(nèi)，用鋅鋁鎂替代鍍鋅的行業(yè)趨勢也越來越明顯。

對此，安賽樂米塔爾開發(fā)了兩種不同成分的鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品，一個是鋁鎂含量相對較高的鍍層，一個是含量相對較低的鍍層。其中，鋁鎂含量相對較低的鍍層能夠進一步拓展應用到外板件上。在VAMA二期項目投產(chǎn)之后，將對鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品Zagnelis?進行國產(chǎn)化，屆時能夠為國內(nèi)用戶提供更多的鍍層選擇。

圖片來源：VAMA

安賽樂米塔爾第三代冷成形高強鋼Fortiform?采用的是淬火配分的生產(chǎn)工藝，其顯著的特點在于：兼具高強度和高延伸率，用它來替代常規(guī)DP鋼，能夠帶來10%以上的輕量化效果。目前安賽樂米塔爾已經(jīng)實現(xiàn)了Fortiform?980、Fortiform?1050、Fortiform?1180三個不同的牌號的批量生產(chǎn)，VAMA二期也將對Fortiform?進行國產(chǎn)化生產(chǎn)。