马氏体先进高强度钢在汽车行业中的发展方向

关于马氏体钢的制造、成形和使用 , 汽车设计师需要了解哪些方面的发展趋势?

我们采访了具有 40 年钢铁行业经验的资深专家 Kenneth Olsson, 内容涉及:

  • 纯电动汽车是更厚 ( 最大 4 mm) 马氏体钢牌号开发的推动者。
  • 新型冷冲压(而不是辊压成型)技术,打开了采用1500 MPa 马氏体钢进行三维几何形状的汽车构件设计之门。
  • 汽车制造商在应用中开始越来越习惯于利用冷成型马氏体钢来取代一些 PHS 钢和高强度双相钢。
  • 现在开发 1900 MPa 马氏体钢是否有足够需求?

Kenneth Olsson 在 SSAB 工作了 35 年, 其中 10 年主要开发马氏体钢和其它先进高强度钢牌号产品。 Kenneth 目前是 SSAB 的汽车业务开发专家。

SSAB 如何成为欧洲第一家为汽车制造商提供马氏体先进高强度钢的公司?

因为我们是首家投资连续退火生产线的欧洲钢铁制造商。 我们决定使用当时最先进的日本退火技术。 我们的连续退火生产线采用水淬火 , 具有非常高的冷却速率 , 并且易于制造马氏体钢。 多年来 , 我们一直是欧洲唯一一家可以开发和生产这些牌号钢材的炼钢厂。 我们无疑是马氏体钢的先驱。

汽车制造商对新型马氏体钢的反应如何?

市场显得很勉强 , 因为它太新了。 只有一个美国钢厂和 SSAB 制造马氏体钢。 当时就是这么个情况。 SSAB 马氏体钢首次用于高耐磨传送带,例如饼干制造商使用的传送带。 然后它在安全鞋中用于脚趾保护。

用于鞋杯和饼干输送机?

起初 , 是的。 但后来大约 30 家国际钢铁生产商为了一个共同的目标而共同努力:让汽车更轻、更安全。 超轻钢制汽车车身( ULSAB)项目真正有助于推动先进高强度钢 ( 包括马氏体钢 ) 在汽车中的使用。 我们展示了马氏体钢如何提高汽车碰撞性能、减轻重量并成为一种非常经济有效的材料。

一些汽车制造商是否因对成形性担心而不愿意使用马氏体钢?

是的。 第一批 SSAB 马氏体钢的抗拉强度为 1400 兆帕 (MPa), 屈服强度为 1150 MPa 。 SSAB 先进高强度钢的任务确实是双重的:首先 , 我们需要弄清如何制造这些轻量化的超强度钢 , 其次 , 我们需要培训我们的客户 — 汽车制造商和一级供应商 — 了解如何仿真分析先进高强度钢设计 , 然后成形并连接它们。

汽车制造商对连接马氏体钢有什么顾虑?

实际上 , Docol® 马氏体钢的成分非常纯净 , 但仍然有一些合金和碳。 因此 , 您需要相应地设置焊接参数。 例如 , 您需要了解使用马氏体钢时如何实现具有韧性的点焊连接。 Docol 马氏体钢在一定程度上与热成型钢 (PHS,也称为热冲压钢)形成竞争 , 也具有超高强度 (UHSS) 的强度等级。 但是 PHS 钢的合金和碳含量更高 , 因此相较于 Docol 马氏体钢 , 焊接 PHS 钢更为复杂。

SSAB 明确决定重点专注于冷成型马氏体钢 , 对吧?

是的。 但 SSAB 当然也提供热成型钢。 有些汽车制造商更熟悉热冲压 , 所以我们也很乐意为他们提供服务。 但是 , 需要将热成型钢在压力机生产线中或在之前的炉中加热到 900°C。 然后 , 在模具中对零件进行热冲压 , 然后您需要在模具中对零件进行淬火处理。 因此 PHS 钢加工显然是一种比冷成型马氏体钢构件更复杂、更缓慢、更昂贵和更耗能的工艺 , 用以实现类似的高强度性能。

那么 , 为什么有些汽车制造商更喜欢热成型而非冷成型呢?

PHS 钢处于 900°C 时 , 它非常柔软 , 因此非常容易成型。 PHS 钢在其冲压硬化过程中实现了马氏体微观结构。 另一方面,SSAB 也相信 , 在精确控制的炼钢厂里进行热处理对我们来说具有优势。 然后 , 我们将热处理过的马氏体钢卷材发送给客户 , 他们只需在室温下进行冷冲压即可。 为客户减少了加工步骤。 但是与任何高强度钢一样 , 冷成型马氏体意味着您需要了解并控制好回弹 — 这方面我们可以帮助客户。

Kenneth Olsson
Kenneth Olsson  SSAB 汽车业务开发专家。

让我们回顾下历史,SSAB 早在 1993 年推出第一个 1400 MPa 马氏体钢牌号。 SSAB 是如何决定将马氏体钢产品系列扩展到其他强度等级的?

紧随 Docol 1400M 之后 SSAB 推出了 Docol 1200M。 在美国,通用汽车比其他汽车制造商更早地将马氏体钢用于辊压成型构件,例如保险杠加强件、侧防撞梁和一些座椅结构构件。 但通用汽车以及福特和克莱斯勒需要 900 MPa 、1100 MPa 、1300 MPa、1500 MPa 并最终达到 1700 MPa 的抗拉强度。 因此 , SSAB 调整了自己的业务 , 以适应客户的材料需求。 例如 , 我们的最新牌号 1700 MPa 马氏体钢被顺普公司用于制造 2020 Ford Explorer 车顶纵梁。

SSAB 是否计划进一步提高马氏体钢强度?

我们可以开发一种可冷成型的 1900 MPa 马氏体钢牌号 , 但需要客户有足够的兴趣。 一些客户已经在和我们讨论 1900M 。 但我们也了解客户如何看待汽车先进高强度钢的演变。 我们目前的马氏体钢牌号是在几年前开发的 , 对于汽车制造商标准和地区标准 , 如德国 Verband der Automobilindustrie (VDA), 以及美国汽车工程师学会( SAE), 每个牌号的制定都需要一些时间。 但是 , 当最终为某一牌号制定标准时 , 客户对其可用性会更有信心。

汽车制造商或一级供应商希望采用 1900 MPa 马氏体钢的主要动因是什么?

当然是因为轻量化。 但我预计未来几年不会出现 1900M, 因为 1700M 刚刚在客户和标准系列中站稳脚跟。 目前 , 我们主要关注 1500M, 传统上用于直线或弯曲轮廓辊压成型。 

还有其他方法可以用 1500 MPa 马氏体钢成形汽车构件吗?

有的。 日本人往往更关注冷冲压而不是辊压成型 ,他们正在为更高强度的钢引入新的冷冲压技术。 这是一个巨大的进步。 不像辊压成形那样只能轧制直的或弯曲的轮廓,冷冲压轮廓可以是任何三维形状。 我想说的是 , 所有日本汽车制造商现在都希望在正在开发的汽车中采用 1500 MPa 的冷冲压构件。

什么类型的马氏体钢构件可以冷冲压成形而不能辊压成形?

例如 , B 柱加强板的形状就难以辊压成形。 铰链加强件通常具有 3D 几何形状 , 这种几何形状可以冷冲压 , 但不能辊压成形。

SSAB 是否需要对 Docol 1500M 采取措施使其更适合冷冲压?

是的 , 可能需要稍作修改。 在辊压成型中 , 与抗拉强度相比,具有更高的屈服强度是一个优势。 而在冷冲压中 , 屈服强度低一些会更好,这样更易于控制成形构件弯曲部分的回弹。

因此 , 显然 , SSAB 确实需要充分了解客户打算如何对我们的钢材进行成形加工。

对。 正因如此 , 我们始终鼓励客户在设计初期就让我们参与其中 , 以便更好地消除他们的顾虑并满足他们的需求。 例如 , 一些汽车制造商在使用马氏体钢时有点保守 , 尤其是电镀锌马氏体钢 , 因为他们担心延迟断裂(也称为氢脆)。 SSAB 的电镀锌马氏体钢确实具有独特的优势。 我们从更精简的钢成分开始 , 然后非常精确地控制镀锌工艺 , 以防止可能出现的延迟断裂。 我们的技术非常安全和成熟。

马氏体钢在汽车设计中如何与铝竞争?

对于制造豪华汽车的制造商来说,铝非常受欢迎。 但即使如此 , 你通常还是会看到铝和先进高强度钢的混合使用 , 如马氏体钢。 我的意思是 , 经过优化的车身可能是铝材和钢材的组合体,铝材用于外观件 ( 不吸收碰撞能量 ) , 后面是极坚固的先进高强度钢用于碰撞和能量吸收构件。

非豪华轿车 -- 普通轿车怎么样?

使用先进高强度钢 , 您可以获得与铝大致相同的重量 , 但成本不到其一半。 在成本成为决定性推动因素的车型上 , 汽车制造商在每个车型上使用的先进高强度钢越来越多。

SSAB 的 Docol 马氏体钢与其它钢的区别是什么?

我们在开发和生产马氏体钢方面拥有悠久历史和经验 , 这使我们能够完善生产工艺技术 , 包括尽可能高的冷却速率 , 使用最精简的合金成分等。 我们的 Docol 马氏体钢的化学成分比大多数竞争对手的要低得多 , 从而使焊接更容易 , 抗延迟断裂的能力更强。 正如我之前提到的那样 , 我们的 Docol 马氏体镀锌钢在解决延迟断裂问题方面受到高度好评。 同时 SSAB 在产品开发方面也拥有许多技术精湛的专家,我们的 KSC ( 知识服务中心 ) 帮助客户了解如何使用马氏体钢。 例如 , 如何对汽车构件进行成形仿真分析。 或者如何连接马氏体钢。

汽车制造商如何改进其制造工艺以使用马氏体钢?

我们有一些汽车制造商一直在使用高达1000 MPa 的双相钢直接进行热冲压以获得更高的强度 — 但他们现在正在尝试对马氏体钢进行冷冲压。

Docol 马氏体钢还有哪些正在开发中?

我们已经讨论过更高的强度水平 — 但另一种实现改进的方法是开发更厚的马氏体钢。 我们现有的冷轧和连续退火马氏体钢最大厚度为 2.1 mm 。 通过在热轧机中新装的冷却线 , 我们还可以生产热轧马氏体钢 , 直接在热轧工艺中淬火 , 厚度可达 4 mm 。 4 mm 厚的 1200 MPa Docol 马氏体钢现在可供客户使用。 接下来 , 我们将开发更厚的热轧1500M 牌号钢。

顺普公司制造的福特车顶纵梁框架
顺普制造的福特车顶纵梁
顺普公司 MonoLeg 保险杠横梁
顺普 MonoLeg 保险杠横梁。

汽车设计师如何使用新的、更厚的 Docol 马氏体钢?

在纯电动汽车(BEV)中 , 电池及其保护外壳重达 800 千克。 因此 , 电动汽车需要更坚固的防护梁。 可以通过增加所用钢材的强度或厚度,或者让两者同时增加,使电动汽车更坚固。

更厚的马氏体钢还有任何其它应用吗?

由于有了一些新的、更严格的碰撞法规,因此比如将新的、更厚的马氏体钢用于保险杠可能更有利。 但电动汽车的重量是产生更厚马氏体钢的主要驱动力 — 所有与碰撞相关的汽车零部件都需要变得更坚固。 因此 , 有些构件设计只需要在现有的 2.1 mm 厚度下升级到更高拉伸强度的马氏体钢 。 其它设计将受益于使用目前可用的抗拉强度为 1200 MPa 的更厚(最厚 4 毫米)的热轧马氏体钢,以及目前正在开发的更厚的热轧1500M 牌号。

电动汽车电池外壳的原型。
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