高强不锈钢的研究现状及其在新能源汽车材料轻量化中的应用

朱双春

江苏工程职业技术学院 江苏南通 226006

新能源汽车的发展及轻量化需求

得益于政府的政策支持，我国新能源汽车行业在长期的研发和投产中逐渐形成了较为完善的产业链，新能源汽车产业发展取得了积极成效，在基础材料、基础零件、电机、电控、电池以及整车等各方面都取得了实质性突破。截至2022年，我国新能源汽车产销量连续八年位居全球第一，累计推广新能源汽车近1600万辆，特别是近两年新能源汽车的产销量的跃升尤为突出，据统计，2021年我国新能源汽车销量达352.1万辆，占新车销售比例13.4%，2022年我国新能源汽车销售688.7万辆，占汽车新车销售比例25.6%，按照2020年11月国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》提出的要求，到2025年新能源新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右，已经提前三年完成规划目标。虽然我国新能源车发展较快，成熟度较高，但即使在2022年我国新能源车产销量同比大幅增长的情况下，新能源车占汽车全年产销量的比值也仅为25.6%左右，燃油车还是占据着汽车产销的主流地位。为巩固和扩大新能源汽车发展优势，近年来国家在规划和政策方面保持推进和鼓励总方向，从生产、消费、基础设施等方面为新能源汽车产业保持高质量可持续发展提供强有力的保障。

相较于传统的燃油车，新能源汽车特别是纯电动汽车的续驶里程一直是推广应用短板和痛点，除了动力电池的影响之外，新能源汽车搭载了三电系统和大量的智能化设备，增加整车的整备质量，同样影响续驶里程和行驶速度，给新能源汽车的推广和发展带来了一定的障碍。有研究表明，新能源汽车整备质量降低10%，对应续驶里程可增加5%～10%，节约15%～20%的电池成本以及20%的日常损耗成本，轻量化的需求更为迫切。有学者认为，在目前三电系统轻量化进程缓慢、动力电池能量密度问题暂时无法很好解决的情况下，新能源汽车整车的轻量化技术重点在于轻量化材料的应用。

高强不锈钢研究现状

高强不锈钢正如其名，在强度和耐蚀性方面有天然优势，在汽车、船舶、建筑、桥梁等行业有着非常广阔的应用预期，如何在大幅降低不锈钢的原材料成本而不显著降低材料的力学性能和耐蚀性能，并且具有优良的冷热加工性能，成为当今高强不锈钢研究开发的热门方向。

为降低不锈钢成本，近年来，通过降低Ni含量，以“Mn+N”代替Ni的合金化设计思路，调控奥氏体稳定性，控制钢材层错能，综合提高钢材的强度和伸长率，开发出高强韧、节约型不锈钢成为研究热点。如日本的Fujisawa等、德国的Raabe等以及韩国的Park等相继开发出Cr质量分数为20%的系列节约型双相不锈钢，通过Mn、C、N等元素来调节奥氏体的稳定性，使其在变形过程中发生马氏体转变而产生TRIP效应，综合改善不锈钢的强度及塑性。国内宝钢在低成本高强不锈钢研究开发方面走在了行业前列，开发出客车车身用低成本节镍型高强亚稳态奥氏体不锈钢，屈服强度和抗拉强度分别控制在350～700MPa和900～1200MPa范围内，延伸率在30%以上，并针对材料的强化机理、力学性能、形变诱导相变、形变过程组织和织构演变等进行了一系列的研究。

高强不锈钢在新能源汽车轻量化中的应用

尽管应用于新能源汽车轻量化的材料有高强钢、铝合金、镁合金、碳纤维等多种方案，但高强钢在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面，比铝、镁合金具有明显的优势，能够满足减轻汽车质量和提高碰撞安全性能的双重需要，甚至从成本与性能角度来看，是目前满足车身轻量化、提高碰撞安全性的最佳材料，占据着汽车轻量化材料的主导地位。

近年来，随着人们环保意识的增强，降低汽车全生命周期的碳排放以及使用成本成为汽车发展的重要方向，延长汽车服役年限是效果显著的切实可行方案。新能源汽车的动力来源电池包或电池壳方便更换，大大提高了新能源汽车服役年限，新能源汽车的服役年限更多地依靠车身的使用寿命来决定，在这样的背景下，已有客户要求车身服役年限从传统汽车的8年延长到未来新能源汽车的20年或更多，这对车身材料的耐腐蚀性能提出了较高的要求。普通的碳钢高强钢或低合金高强钢在通过电泳涂装后，仍然无法满足未来新能源汽车的长寿命要求，行业急需开发新的耐蚀性能优良的新能源汽车用高强钢。针对新能源汽车耐蚀性能优良的高强钢应用需求，国外各大主要钢铁企业争相研究开发相关钢铁产品，如蒂森克虏伯、奥托昆普、浦项等均提出开发汽车用高强不锈钢，并发布了屈服强度达到400～1000MPa的产品，表1为奥托昆普发布的系列高强不锈钢牌号和性能，初步研究显示高强不锈钢有望成为下一代汽车用关键材料。

表1 奥托昆普发布的系列高强不锈钢牌号和性能

我国钢铁龙头企业中国宝武钢铁集团根据新能源汽车对高强不锈钢的性能和成本要求，成功开发出全球首创的高强不锈钢BFS600原料及型材，属于节镍型高强亚稳态奥氏体不锈钢，大大降低高强不锈钢的应用成本，目前已成功为比亚迪C9电动大巴底盘及车身骨架材料提供了全部高强不锈钢型材，整车在德国汉诺威国际车展上展出，完成高强不锈钢在新能源客车领域的试水应用，图1和图2分别为宝钢生产的BFS600高强不锈钢成品管材和采用BFS600高强不锈钢制造的比亚迪C9电动大巴原型车。

图1 BFS600高强不锈钢成品管材

图2 应用BFS600高强不锈钢的比亚迪C9电动大巴

新能源汽车轻量化用高强不锈钢性能发展趋势

在新能源汽车应用场景中，不可避免地会受到大气环境尤其是沿海地区腐蚀性更强的高盐含量大气环境腐蚀，另外汽车底盘暴露在车底部位还会受到冬季融雪盐造成的含盐水腐蚀，正因为如此，新能源汽车用高强不锈钢主打性能——耐蚀性，成为车企关注的主要性能之一，并得到一些学者的研究，如何在降低材料成本的前提下提升耐蚀性以满足新能源汽车长寿命周期的服役预期，成为高强不锈钢在新能源汽车领域规模化应用的关键。另外汽车企业在应用高强不锈钢生产制造过程中发现高强不锈钢较难冷弯成型和焊接，因此要想应用高强不锈钢实现新能源汽车轻量化材料的低碳化更新换代，高强不锈钢的开发还需要结合材料的冷成型性能、焊接性能等工艺性能要求一体化设计，在降低高强不锈钢材料成本设计的同时保证工艺性能以及服役性能，加快推进低成本高强不锈钢在新能源汽车领域的应用。