01
前言
國(guó)家雙碳政策下，輕量化和綠色化是汽車行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。而新能源汽車由于電池續(xù)航能力要求，為增加其行駛里程和提高車身的耐久性和安全性，有目的地減輕汽車自身重量就成為必然途徑。
隨著高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼在新能源汽車安全件和結(jié)構(gòu)件中的大量應(yīng)用，汽車輕量化系數(shù)也從3.38降至2.1左右，但占據(jù)汽車用鋼量近1/4的外覆蓋件用鋼卻比較單一，主要為IF軟鋼和BH鋼（Rm＜340MPa）。外覆蓋件作為汽車“臉面”，既要有高的抗凹陷性，又要滿足個(gè)性化造型和高鮮映性表面需求，如圖1所示，而現(xiàn)有的IF鋼和BH鋼外板無(wú)法完全或同時(shí)滿足輕量化、高鮮映性等需求。隨著新能源汽車大型化、造型復(fù)雜化，這種矛盾更加突出：IF軟鋼抗凹陷性不足，各向異性大，BH鋼有自然時(shí)效劣勢(shì)，不利于復(fù)雜件成形及高鮮映性表面需求的實(shí)現(xiàn)，因此，新能源汽車外覆蓋件輕量化及高表面質(zhì)量用鋼的升級(jí)換代成為整車企業(yè)的迫切需求，也為鋼鐵工業(yè)和汽車工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了新的契機(jī)。
當(dāng)前，強(qiáng)化機(jī)制的傳統(tǒng)運(yùn)用在一定程度上局限了汽車外覆蓋件高強(qiáng)化和表面高品質(zhì)化，固溶強(qiáng)化需添加大量Si、Mn、P，這些元素對(duì)于表面質(zhì)量影響較大；析出強(qiáng)化會(huì)大幅提升屈服強(qiáng)度，提高屈強(qiáng)比，影響成形性；相變強(qiáng)化的相比例精準(zhǔn)控制難度大，性能波動(dòng)大，零件成形后的尺寸精度和回彈性難以控制，并且無(wú)法滿足有翻邊擴(kuò)孔零件（如內(nèi)嵌式門把手）的成形需求；細(xì)晶強(qiáng)化造成屈強(qiáng)比高，并且細(xì)晶強(qiáng)化強(qiáng)度提升幅度有限。因此，亟需進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，利用新成分、新方法、新工藝等來(lái)滿足汽車外板多維度的性能需求，通過(guò)對(duì)機(jī)理機(jī)制的探索和對(duì)精細(xì)化工藝的控制，實(shí)現(xiàn)全新材料的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)。
基于新能源客戶訴求和行業(yè)發(fā)展需求，首鋼和中信金屬利用Nb微合金化，通過(guò)細(xì)晶+晶內(nèi)和晶界差異化析出物控制的微觀組織調(diào)控技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出340-440MPa級(jí)別，各向同性高強(qiáng)汽車外板專用鋼Uni-FISH（簡(jiǎn)稱UF鋼，如圖2所示）。這款產(chǎn)品具有高抗凹陷性、高各向同性、高抗時(shí)效性、高表面質(zhì)量、低波紋度、低韌脆轉(zhuǎn)變溫度的“四高兩低”產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車外板的全覆蓋和升級(jí)換代。
02
技術(shù)概況及優(yōu)勢(shì)
UF鋼是在IF軟鋼基體上利用Nb的冶金物理特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出的具有細(xì)晶組織和PFZ（Precipitation free zone，晶界無(wú)沉淀區(qū)，如圖3所示）析出物特征的高強(qiáng)汽車外板。圖4為UF鋼與現(xiàn)有IF鋼和BH鋼的微觀組織對(duì)比，可見(jiàn)UF鋼晶粒顯著細(xì)化。同時(shí)由于PFZ軟區(qū)的存在，UF鋼的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的良好控制，有效且巧妙地避免了因細(xì)晶強(qiáng)化造成的屈強(qiáng)比高的問(wèn)題。
UF鋼利用細(xì)晶組織特征（晶粒尺寸＜10μm）+尺寸與分散度匹配的析出物，可實(shí)現(xiàn)在小變形下的位錯(cuò)快速增殖、纏結(jié)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度迅速提升，如圖5 所示。4%-6%應(yīng)變范圍的成形區(qū)間內(nèi)的高速硬化性能優(yōu)異，與汽車外板零件成形應(yīng)變范圍高度匹配，如圖6 所示。該技術(shù)解決了外板沖壓減薄后出現(xiàn)的剛度不足和搬運(yùn)過(guò)程中零件變形的行業(yè)共性難題。
UF鋼顯微組織細(xì)小均勻，在沖壓過(guò)程中晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變量相差較小，有助于變形的均勻過(guò)渡和保持表面的平滑。為此，無(wú)論是等軸拉伸還是平面應(yīng)變后，波紋度增加均遠(yuǎn)小于IF軟鋼和BH鋼，特別是對(duì)應(yīng)大多數(shù)外板5%左右應(yīng)變區(qū)間變形后仍可以保持較低波紋度（Wsa≤0.25），如圖7所示。
03
行業(yè)應(yīng)用
首鋼開(kāi)發(fā)的這款UF鋼高強(qiáng)外板，突破了現(xiàn)有IF鋼和BH鋼外板強(qiáng)度級(jí)別，在零件剛度不降低的前提下，可實(shí)現(xiàn)零件減重5%-7%。同時(shí)，在涂裝過(guò)程中可以使用免中涂工藝，表面鮮映性達(dá)到使用中涂工藝同等效果，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物減排30%以上，是踐行“碳達(dá)峰、碳中和”國(guó)家戰(zhàn)略的綠色低碳產(chǎn)品。系列UF鋼產(chǎn)品目前已在12家主機(jī)廠用戶實(shí)現(xiàn)了認(rèn)證及穩(wěn)定批量供貨，新材料相比于現(xiàn)有傳統(tǒng)外板，抗凹性能提升10%-30%。UF鋼中無(wú)間隙原子，比BH鋼具有更高抗時(shí)效性，該鋼中組織細(xì)小均勻和析出物形態(tài)特殊，使之具有高各向同性（△r≤0.10）、高成形性（r≥2.0）、低波紋度（Wsa≤0.25，可以穩(wěn)定應(yīng)用于免中涂生產(chǎn)）、極低韌脆轉(zhuǎn)變溫度（≤-65℃）。這種“四高兩低”的優(yōu)勢(shì)，與汽車用材的輕量化和低碳化相契合，是汽車節(jié)能減排的首選，有效推動(dòng)我國(guó)新能源汽車節(jié)能減排和綠色低碳發(fā)展。
3.1 解決零件抗凹陷性不足問(wèn)題
某新能源車型門外板原使用厚度為0.7mm的BH鋼，為輕量化需要，改為0.65mm的BH鋼，但材料減薄后，零件在沖壓和搬運(yùn)中經(jīng)常出現(xiàn)局部變形，不得已需增加補(bǔ)強(qiáng)膠片。該新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)更換為0.65mm的UF340D+Z高強(qiáng)外板后，上述問(wèn)題得到解決，去掉了補(bǔ)強(qiáng)膠片，零件良品率提高，生產(chǎn)效率提升，如圖8所示。實(shí)現(xiàn)單零件成本降低2.8元/件。
3.2 解決零件沖擊線及開(kāi)裂缺陷問(wèn)題
某新能源汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋板原采用HC180BD+Z，規(guī)格0.65mm×1490mm×1805mm，廢品率達(dá)18%。經(jīng)分析，由于造型原因，沖壓時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋外板在駕駛艙兩側(cè)R角處凹陷，其兩側(cè)出現(xiàn)沖擊線。因?yàn)榘枷?、沖擊線、廢料區(qū)開(kāi)裂控制相互矛盾，最好辦法是更改模具造型。但由于該客戶車型為暢銷車型，生產(chǎn)節(jié)奏緊張，并且更改模具造價(jià)昂貴。經(jīng)首鋼技術(shù)團(tuán)隊(duì)模擬分析后，建議該新能源汽車企業(yè)切換為UF鋼，由于UF鋼各向異性小，變形更加均勻，成形性更優(yōu)異，沖擊線高度由8-10mm降低至3-5mm，凹陷位置減薄由0.6mm降低至0.55mm，成形更為充分，并且抗凹陷性提升7%，如圖9所示。
3.3 解決零件局部開(kāi)裂缺陷問(wèn)題
某新能源車型為提升美觀設(shè)計(jì)，在門外板的門框處采用小R角造型，選用HC180BD+Z。由于該材料成形性能不足，在R角位置出現(xiàn)隱裂。改用UF鋼后，隱裂問(wèn)題消除，同時(shí)強(qiáng)度提升10%，抗凹性也得到提升，如圖10所示。
3.4 提升零件表面鮮映性
某汽車企業(yè)為提升大型新能源SUV車型黑白色系涂漆后的表面色澤和鮮映性，增強(qiáng)客戶精致感知，采用首鋼UF高強(qiáng)外板替換原BH鋼后，鮮映性指標(biāo)DOI值增加了4.6（見(jiàn)表1）。在與原外板用材的同臺(tái)主觀盲評(píng)中，使用UF高強(qiáng)外板的汽車完美勝出，得到了評(píng)委的高度認(rèn)可。
04
UF鋼開(kāi)發(fā)、推進(jìn)過(guò)程及標(biāo)志性事件
2021年4月某車企董事長(zhǎng)在視察其旗下某款暢銷新能源SUV時(shí)，下壓發(fā)罩后發(fā)現(xiàn)有一定變形，希望能提高零件抗凹陷性。鑒于該車型處于量產(chǎn)狀態(tài)，汽車廠不希望對(duì)零件造型、模具及材料厚度進(jìn)行調(diào)整，為此希望首鋼能從材料角度開(kāi)發(fā)一款具有高的抗凹陷性的材料。首鋼接到客戶需求時(shí)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題比較棘手：客戶不希望調(diào)整零件造型和板料厚度，那么只能提高材料強(qiáng)度，但材料初始強(qiáng)度提升又會(huì)造成材料與模具的匹配性出現(xiàn)問(wèn)題，然而車企不希望也不能接受對(duì)模具進(jìn)行調(diào)整的改動(dòng)。針對(duì)這種情況，首鋼創(chuàng)造性地提出了讓材料初始強(qiáng)度與現(xiàn)有外板接近的情況下，通過(guò)材料在成形過(guò)程中的快速硬化提高強(qiáng)度及零件的抗凹陷性的思路。
2021年底，首鋼與中信金屬聯(lián)合開(kāi)發(fā)了兼具高抗凹陷性及高成形性的UF高強(qiáng)外板鋼。2022年1月，在北京組織了UF高強(qiáng)外板鋼的首發(fā)儀式，包括各大車企、高校、科研院所在內(nèi)的50余家單位200余人參加了此次發(fā)布會(huì)。中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)給出了“首鋼首發(fā)的UF高強(qiáng)外板鋼有望改變汽車外板用鋼單一的現(xiàn)狀，有望帶動(dòng)汽車行業(yè)外板的升級(jí)換代”的高度評(píng)價(jià)。2022年4月，UF高強(qiáng)外板鋼通過(guò)了某款SUV車型的四門+發(fā)罩的認(rèn)證，并開(kāi)始批量商業(yè)應(yīng)用；2022年7月，成功注冊(cè)了SOUNIFISH等8個(gè)商標(biāo)；2022年11月，在國(guó)際低合金高強(qiáng)度鋼會(huì)議上進(jìn)行了專題報(bào)告；2022年12月，UF高強(qiáng)外板鋼供貨量突破1萬(wàn)噸；2023年3月，首鋼與某車企共同舉行了UF高強(qiáng)外板鋼在國(guó)內(nèi)汽車廠的首發(fā)首用總結(jié)會(huì)；2023年5月，在重慶舉行的汽車輕量化與新材料應(yīng)用高峰論壇上，首鋼作了UF高強(qiáng)外板鋼的主旨報(bào)告，得到了業(yè)界的高度評(píng)價(jià)：“首鋼首發(fā)的這款UF高強(qiáng)外板鋼以其連續(xù)均勻的成形性和高的抗凹陷性有望帶動(dòng)外板的升級(jí)換代”；2023年7月，申請(qǐng)了中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《汽車覆蓋件用細(xì)晶各向同性高強(qiáng)鋼技術(shù)規(guī)范》；2023年9月，在國(guó)際汽車輕量化大會(huì)上首鋼針對(duì)UF高強(qiáng)外板鋼進(jìn)行了主旨報(bào)告，得到了主機(jī)廠的廣泛好評(píng)和積極回應(yīng)；2023年10月，UF高強(qiáng)外板鋼實(shí)現(xiàn)了對(duì)11個(gè)外板的全覆蓋；截至2023年底，UF高強(qiáng)外板鋼已實(shí)現(xiàn)對(duì)包括自主、合資、傳統(tǒng)燃油車和新能源車企在內(nèi)的12家主機(jī)廠188個(gè)外板件企業(yè)開(kāi)展了認(rèn)證和供貨，累計(jì)供貨超5萬(wàn)噸；2024 年 5 月 ，在我國(guó)第八個(gè)“中國(guó)品牌日”，UF鋼獲得了中國(guó)“三創(chuàng)”品牌獎(jiǎng)。
05
展望
基于汽車外板高強(qiáng)輕量化需求，首鋼和中信金屬利用細(xì)晶+析出物差異化控制的微觀組織調(diào)控技術(shù)，聯(lián)合開(kāi)發(fā)了340-440MPa級(jí)別的各向同性高強(qiáng)汽車外板。產(chǎn)品適用于汽車外覆蓋件，具備高抗凹陷性、高各向同性、高抗時(shí)效性、高表面質(zhì)量、低波紋度、低韌脆轉(zhuǎn)變溫度的“四高兩低”優(yōu)勢(shì)，為汽車外板高強(qiáng)化開(kāi)辟了一條全新通道，填補(bǔ)了當(dāng)前在340-440MPa的強(qiáng)度區(qū)間汽車外板產(chǎn)品的空白。產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首發(fā)，形成了一套適合產(chǎn)線生產(chǎn)的工藝路徑，并實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定生產(chǎn)及對(duì)汽車外板件的全覆蓋。通過(guò)機(jī)理機(jī)制探索、技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。從傳統(tǒng)領(lǐng)域找到科技創(chuàng)新的突破口，推動(dòng)新質(zhì)生產(chǎn)力更快發(fā)展，提高中國(guó)鋼鐵產(chǎn)品的信譽(yù)及市場(chǎng)口碑。
基于輕量化和高品質(zhì)特征的發(fā)展趨勢(shì)， UF高強(qiáng)外板鋼從用戶角度出發(fā)，考慮在產(chǎn)及新研發(fā)的新能源車型的需求，開(kāi)發(fā)了與外板成形相適應(yīng)的快速硬化技術(shù)，最大幅度地降低用戶性能升級(jí)成本，實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)車型的無(wú)縫銜接；形成的適應(yīng)復(fù)雜造型零件成形技術(shù)，滿足了汽車對(duì)外板造型的新需求；外板高強(qiáng)化后的回彈控制及零件高精度控制技術(shù)，為用戶解決高強(qiáng)化后帶來(lái)零件裝配等的相關(guān)控制難點(diǎn)；產(chǎn)品具有的免中涂高鮮映性的涂裝特性，為用戶提供了降本降碳綠色的可能，重新定義了新能源汽車覆蓋件的用材需求。
