安赛乐米塔尔近年在汽车工业领域的重大技术创新

□ 柯华飞 康 斌

安赛乐米塔尔近年在汽车工业领域的重大技术创新

□ 柯华飞 康 斌

在全球汽车用钢领域,鉴于安赛乐米塔尔在供货量和多项技术领域处于前沿地位,对近年来安赛乐米塔尔在汽车用钢的整体解决方案、工艺、材料、涂镀层等领域的创新进行了总结分析。

安赛乐米塔尔；汽车用钢；轻钢解决方案；工艺；材料；涂镀层

汽车业务是安赛乐米塔尔的主营业务之一,在全球汽车用钢领域,安赛乐米塔尔提供的扁平材位列供应商第一,还提供拼焊板、长材和管材产品。在先进高强钢、镀锌和涂镀钢材领域,以及专利产品(如Extragal和Usibor)方面,安赛乐米塔尔都是技术领先者,产品应用于汽车、货车和卡车制造。

全球约1/5的汽车用钢来自安赛乐米塔尔,安赛乐米塔尔的生产基地跨越四大洲的22个国家。还在全球拥有汽车业制造基地,通过以设备、联合和合资的方式进行战略整合。该公司约54%的汽车用钢产自欧洲,45%产自美洲,1%产自南非。在印度、土耳其和中国建立合资企业,在日本则与NSC结盟。到2015年,位于中国境内的VAM合资企业(华菱安赛乐米塔尔汽车板合资公司)计划开始提供高强钢和高附加值产品。

安赛乐米塔尔汽车用钢性能杰出,且覆盖全冶金系列、涂镀及表面处理,在外部件镀锌钢和热冲压镀层钢技术方面处于前沿地位。通过在轻量化和成形性之间争取最佳平衡,借助自有的国际化网络和合作加工中心、拼焊板生产厂家和冲压厂家,在全球范围内提供产品及技术服务。

安赛乐米塔尔汽车用钢的重大技术创新路径见图1。

图1 安赛乐米塔尔汽车用钢重大的技术创新

一、轻钢解决方案创新

1.S-in motion项目(2010—2012年)

S-in motion(轻量型汽车用钢)项目始于2010年,耗时2年,是面向21世纪,为致力于建造更轻型、更安全和更环境友好型汽车的制造商们提出的一个新项目概念,其借助于一系列的零部件和解决方案来实现轻量化要求,提供了针对竞争材料的最具竞争力的生命周期模式。

S分别代表钢铁、减重、降本、可持续、安全、服务、强度以及解决方案。项目目标：使用安赛乐米塔尔的先进高强钢(AHSS)、压力硬化钢(PHS)、不锈钢和长材,开发出重量最轻的、符合欧洲和北美碰撞要求的、且成本最低的汽车。项目计划分2期展开：1期是适合欧洲和北美的子模块(包括车头模块、车尾模块、侧身模块、闭合模块等)解决方案；2期是适合欧洲市场的最轻整车解决方案。

目前,该项目开发出了C级基准车43个部件的多种解决方案,针对大多数43个部件的60种解决方案采用了压力硬化钢(PHS)和先进高强钢(AHSS)、不锈钢(17.7C-1.4310用于A 柱下外侧)和长材(如用于转向节弹簧和锻压钢SOLAMB1100的CRS2050)。以最轻整车解决方案为例,与C级基准车相比,该方案可使整车重量减轻19%。

此外,项目还进行了生命周期评价(LCA),压痕、碰撞、刚度,成形性、装配模拟和风险评估。 S-in motion项目中超高强钢的使用,能够在全生命周期取得14.5%的减排效果。白车身生产过程中可以减少15%的CO2排放当量,这在很大程度上归因于硬化钢和先进高强钢的环保性能。项目中基准车使用周期200 000km,百公里燃耗为6.6L, LCA结果显示：使用阶段可减少13.5%的CO2排放当量。结合生产过程中的减排量,每一辆白车身减排可达1 749 kg的CO2排放当量,也就是6.2 g/km。

为了验证安全性能,项目组进行了标准欧盟NCAP(欧盟新车评估组织)和AZT碰撞测试,包括后撞、顶棚挤压和侧撞。NCAP和AZT测试结果均超出最低法定要求。

2011年,S-in motion荣获美国金属市场报的“最佳工艺创新奖”,其创新意义使得钢材能够和铝材方案汽车制造进行竞争,并在汽车材料市场中处于领先地位,已在北美、欧洲和日本的众多汽车厂商中得到广泛应用,并已进入巴西和韩国市场。

2.超轻车门(2010—2013年)

自S-in motion明确了全方位创新钢材解决方案以来,安赛乐米塔尔全球研发汽车部利用当今的钢材和技术,历经3年时间取得了这些车门轻量化解决方案,已经实现了钢制车门27%的轻量化和降本成果。而借助先进高强钢和未来几年内即将面世的技术,采用超轻车门方案有望较现行车门方案减轻34%的重量。

(1)安赛乐米塔尔的超轻车门轻量化目标和解决方案

——当前钢种的短期目标：在保持结构和安全要求的前提下,将车门重量从18.3kg减至13.3kg。解决方案：UHSS (MS1500 和 Usibor)用于结构件,外板采用如FF280DP双相钢,重新设计的前车门外板采用了0.6mm的FF280DP,并进行局部增强以提高刚度,该方案还包括极薄的内侧激光拼焊板；外板使用极薄钢已经部分实现了中短期方案的减重目标；采用down-gauging技术在提高钢材强度的同时,确保车门符合耐冲击标准。

——采用新钢种的中期目标(研发中)：进一步轻量化,激光拼焊板提升了局部性能；根据客户需求,开发了数种新钢种以匹配不同类型车门；新的高强钢和应用技术将于未来数年面世,2017年有望实现中期方案。解决方案：重新设计的前车门外板采用了0.6mm的FF280DP,并进行局部增强以提高刚度,该方案还包括极薄的内侧激光拼焊板；C级车门包含对正面和侧向碰撞载荷的管控；要继续轻量化34%,整体车门重约12k(g26.4磅),涉及到当前正在开发的创新钢种,如用于某些非可视部件的Usibor2000,以及可将外板厚度减至0.5mm的先进高强钢；大型D级车门对正向碰撞载荷没有要求,因此车门可以进行有限的轻量化。

(2)不同规格车门的解决方案

——A、B、C级车。标准钢制前车门重约18 kg( 40磅)。中型车车门沉重是因为必须包含加载路径来管控正向碰撞产生的力度。在大型车(如D级车),这个加载路径已经成为白车身的一部分,所以车门稍轻。要使车门轻量化34%,整体车门重约12k(g26.4磅),涉及到当前尚在开发的创新钢种,如用于某些非可视部件的Usibor2000,以及可将外板厚度减至0.5mm的先进高强钢。

——大型D级车。由于大型D级车对正向碰撞载荷没有要求,因此车门可以进行有限的轻量化。在中期计划里计划实现29%的轻量化：第一种方案是调整C级车门的中期发展计划以适应D级车门要求,实现车门重量10.4 kg (22.9 磅)；第二种方案是推进设计进步,采用结构性整体加载路径优化,并重点开发装配和制造技术,该方案中包括外板在内的大量部件共同作用,提高碰撞性能,目前仍在开发中,并采用薄规格AHSS如热冲压Usibor。

3.S-in motion电动车(2010—2012年)

该项目采用标准燃油型C级车作为基准车,旨在改造基准车来创建电动车,并采用在原S-in motion研究中得到认定的方案,因而与那些有意制造传统汽车电动版的汽车制造商们尤为相关。S-in motion电动车解决方案如下：

(1)轻量化。S-in motion电动车上大量使用AHSS (35%～58%)有助于减少白车身重量30k(g11%)。尽管为保护电池而需要额外使用钢材,依然能取得轻量化效果。此外,轻量化使得材料用量减少,带来了5%的成本下降；同时,处理、装配、加工成本会因使用AHSS而略微上涨。因而,S-in motion电动汽车白车身成本仅高出基准车2%。

(3)用白车身保护电池。S-in motion电动车利用车身底座进行必要保护,扩大电池通道,将电池托盘用螺栓拴在通道和后座的下方,以形成保护。该方法已成功应用于通用Chevy Volt。在该方案里,电池通道采用热成形钢,电池托盘则采用DP1180。这两个钢种都拥有高强度,并有助于减轻重量。通道方案能够在发生碰撞时为电池提供360°保护,高强度钢种也改善了白车身的抗扭刚度。

4.卡车方案(2013年)

基于长期经验,安赛乐米塔尔汽车和卡车用钢种能囊括所有需求,激光拼焊和热成型技术也应用于先进卡车制造中。未来,混合动力和电动卡车用电工钢也在研制中。目前,对于轻型货车,安赛乐米塔尔完成了S-in motion 模拟的重要步骤,结果显示对该类型货车可以减重23%。卡车的解决方案如下：

(1)创新设计。几乎所有汽车创新正在融入卡车驾驶室设计。高强钢(HSS)和先进高强钢(AHSS)——包括双相钢和硼钢,已经在S-in motion项目中得到验证,在保持性能的情况下取得轻量化效果。

(2)先期参与。安赛乐米塔尔研制的新涂层,如Zagnelis有助于延长使用寿命,其含有3%镁和3%铝,较热浸镀锌易损件更能耐受腐蚀。在全球汽车研发人员指导下,安赛乐米塔尔的卡车客户服务团队,能做出合理建议,选择钢种和改善工艺,在保持可靠性、安全性、舒适度以及经济性的前提下最大化减轻重量。

(3)S-in motion理念。安赛乐米塔尔能够提出钢材解决方案来满足卡车设备商对驾驶室更轻、更牢固和更安全的设计要求。对于拖车底盘的通用轻钢方案——Trailtech,采用高强度低合金钢种,如S700MC来减少油耗和排放。HSS用来减轻卡车车轮重量的10%～15%。

目前,安赛乐米塔尔的卡车方案已经应用于Shutterstock、沃尔沃、斯塔尼亚、M.A.N、雷诺卡车、依维柯、梅赛德斯、道夫等卡车品牌。

二、工艺创新

1.热成形工艺

热成形钢镀层工艺：安赛乐米塔尔最早开发出金属镀层的热成形钢系列,提供具有更高延展性的新产品；安赛乐米塔尔可提供Usibor1500P热成形钢AlSi、GI和GA镀层板,其中AlSi镀层为全球钢企中的首创。

应用安赛乐米塔尔的热成型工艺,大众帕萨特B6重量减轻25kg,NCAP碰撞测试5星,成本比传统方案更低。奥迪Q5侧梁使用了Usibor1500P钢(22MnB5)专用焊激光焊接板系列。

2.局部激光剥蚀工艺

局部激光剥蚀技术是创新型专利技术,为激光拼焊板提供了优异的焊接性能和防腐蚀保护,目前正在与ANDRITZ Soute合作进行商业化推广。该技术有望在全球推广,提高激光拼焊技术在热成形钢应用的有效性。

三、材料创新

1.高强汽车用钢

2.AHSS激光拼焊板

安赛乐米塔尔拥有15年的激光拼焊经验,并持续追求创新及新技术开发。为了改善防撞性以及轻量化,目前安赛乐米塔尔拼焊板已能够覆盖全规格的AHSS,随着汽车市场竞争的加剧,新的方案必须极少甚至无成本增加。而由于材料使用量减少以及拼焊板功能集成的优势,带来了综合生产成本的下降。

3.iCAReTM钢(2012年)

iCAReTM是安赛乐米塔尔汽车用钢的创新电工钢产品,寓意是为未来的汽车寻求创新(i)和环境友好型(e)解决方案。

iCAReTM钢结合了标准和和高性能电工钢,专门为满足电动汽车和混合动力车的特殊需求而设计,具有高磁导率、低损耗水平和卓越的屈服强度。能够帮助汽车制造商取得以下成效：混合动力车的低CO2排放和高燃油效率,延长现有电池驾程,降低总的电气化成本,电机能有更好的功率密度来减小电动传动系统的尺寸和重量。

iCAReTM产品有3种型号,分别针对不同的典型应用：Save、Torque和Speed。安赛乐米塔尔可以提供2种iCAReTM涂镀产品——C3和C5,适用于混合及电动牵引机和压缩机的全加工钢种。

Save钢具有极低损耗,核心作用是优化电池电流的使用。可以减少同步电机定子的铁损,尤其是减少高速混合和电动牵引机的铁损,以及发电机的铁损从而延长电动车的使用寿命。

Torque是高磁导钢系列,能够使电机或电机供电的机械功率输出达到最高级别,在5 000A/m时,最小偏振超过1.65 T。该钢种可以协助生成通量,使电机产生更多机械输出。如果无需考虑机械输出,可以减少永磁和铜线圈以降低成本。

Speed是特殊高强电工钢种,用于高速转子以保持其高磁性,可以使电机更紧凑,拥有更高的功率密度。该钢种保障了屈服强度和磁性,在机械性能和损耗之间提供了极好的平衡。

四、涂镀层创新

2.薄有机涂层

安赛乐米塔尔的薄有机涂层具有极高的耐腐蚀性,借助包含在有机基质里的金属颗粒,可以保持良好的焊接性能。有机涂层涂敷于金属镀层之上,使钢板拥有优质表面,易成形、易焊接。

安赛乐米塔尔产线包括一代和二代有机树脂和无铬表面处理工艺,其他薄有机涂层正在工业化过程中。一代涂层适用烘烤硬化钢之外的所有基质,二代适用烘烤硬化钢。见表1。

表1 安赛乐米塔尔的一代和二代薄有机涂层

3.润滑涂层

安赛乐米塔尔开发了润滑油表面处理涂层,在提高耐腐蚀性的同时,改善深冲性能。针对更为严苛的深冲性能要求,安赛乐米塔尔润滑油涂层开发应用情况见表2。

表2 安赛乐米塔尔的润滑涂层开发应用情况

五、突破性技术创新

安赛乐米塔尔致力于通过大量投入来攻克突破性技术,典型的就有真空PVD(物理气相沉积),为突破性产品开发带来新的前景。该技术在别的行业已经存在,只是没有应用于炼钢工艺中。

这些初代产品就有由真空沉积得到的ZEMg镀层。ZEMg PVD镀层的耐腐蚀性以及表面质量适用于很多汽车部件,包括外部件和非外部件。其研发专门针对提高空心件耐腐蚀性以及相邻部件的接合。可以减少额外如上蜡和填补剂之类的保护措施,还可以改善对空心部分的保护,极大地降低设计成本。主要应用于闭合件、车体侧边件、车底部件、减震系统以及所有空心梁,旨在满足车身制造商减少耐腐蚀成本的要求。

六、 结束语

安赛乐米塔尔汽车业务的技术创新成果主要是提供创新性解决方案,以及在保证成本控制的情况下,开发突破性产品和技术。安赛乐米塔尔研发的首要目标是保持前沿地位,在汽车行业面对的环境、安全和成本控制问题上采取先行策略,寻求高效、可持续的解决方案。

1.客户导向的前沿型技术创新

安赛乐米塔尔研发的首要目标是保持前沿地位,在汽车行业面对的日益苛刻的环境、安全和成本控制问题上,采取先行策略,寻求高效、可持续的解决方案。与汽车制造商密切合作,安赛乐米塔尔开发了S-in motion——一种更轻量化且有安全保障的汽车用钢解决方案,同时还减少了碳排放,并开发了iCAReTM创新环境友好型电工钢产品。安赛乐米塔尔通常在新车型发布的前5年开始参与设计研究,并将在新车下线后持续提供服务。2013年,Honda 2014M Acura MDX下线,采用世界首例创新性单件式、热成形、激光拼焊、侧开式门环面板技术,应用钢种为UsiborAlusi热成形钢。该技术将协助Honda赢得美国公路交通安全管理局的5星安全评级,同时还改善了燃油经济性。

2.长期国际化合作促进创新

安赛乐米塔尔借助研发部门与全球合作伙伴、大学和研究机构长期合作,在全球12个国家拥有合作大学、7个国家拥有合作研究机构,其研究内容覆盖汽车用钢的重点领域。如,和蒂森克虏伯合作研发Fe-C-Mn系TWIP钢专利产品,与Gestamp Automoc ió n(针对汽车行业金属构件和结构系统进行设计开发制造的国际公司)合作研发热成形汽车用钢。最近,该公司与ANDRITZ Sout(e专业焊接系统供应商)合作开展的新型局部激光剥蚀技术的商业化研究,促进了激光拼焊板的长期集成应用以及应用扩大化。

3.关注汽车行业未来发展的超前研发

安赛乐米塔尔的汽车用钢解决方案涵盖了几乎所有不同性能、不同成分的钢材。预计未来对轻钢汽车的管理和客户期望都会增强。安赛乐米塔尔还参加了国际钢协FSV项目,使用2015年以后才会实现商业化应用的先进高强钢种。2014年,推出了冷冲压第三代先进高强钢系列的首个产品,开启了未来轻量化和更安全汽车用钢的新系列,确立了在全球汽车用钢轻量化解决方案的技术领先地位。

[1］李晟.从钢铁制造商到整体解决方案提供商[J］.世界钢铁, 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.

(作者单位：武钢研究院,湖北武汉430080)

F273.1

A

1002-1779 (2015) 04-0019-04