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為什麼熱成型鋼成為汽車設計師的熱門材料之選？

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2021年1月31日 -
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汽車材料網SSAB冷軋帶鋼產品開發經理Jenny Fritz。 Kenneth Olsson深耕鋼鐵行業40年，有著資深的從業經驗，在SSAB任職多個崗位。 Q:請您介紹一下1900Mpa熱成型鋼的VDA新標准？這是一個全新的標准，但已經有汽車制造商用它來制定自己的企業標准。 新牌號熱成型鋼的VDA名稱為CR1900T-MB-DS，它與SSAB鋼牌號Docol PHS 2000的標准相對應，其抗拉強度最高可達2千兆帕，即2000MPa。 Q:這是目前強度最高的鋼材——汽車設計師們將其用在哪些車身部位呢？可應用在很多部位，但最常用於保護電動汽車的電池包，電池包區域不允許碰撞侵入——這對側面碰撞測試尤具挑戰性。 因此，汽車主機廠商將在安全部件中使用PHS 2000MPa鋼，如地板橫梁，連接左右兩側門檻板，以保護電動汽車電池。 Q: 您認為新的 Docol PHS 2000MPa 是否也可以用於傳統上使用 PHS 1500MPa 的其他應用？可以的，PHS 2000和PHS 1800不僅適用於電動汽車，也適用於內燃機（ICE）汽車。 汽車設計師不論是需要最高強度的鋼，還是減少料厚實現減重，它們都可以派上用場。 熱成型鋼在汽車上的經典應用是汽車的A柱和B柱，但也用於車頂邊梁、側圍加強板、頂蓋橫梁和儀表板橫梁，以及車門防撞梁、風擋玻璃加強件和地板梁。 值得注意的是，目前這些熱成型零件的設計往往具有高度複雜的幾何形狀，這正是PHS鋼的優勢所在。 Q:使用熱成型鋼的另一個優勢就同一零件可擁有不同的強度等級，所以零件在碰撞中的表現也不同，對嗎？對的。 一個熱成型模具可以被細分為多段不同的淬火工藝。 例如，創建一個熱成型“軟區”，不需要對整個零件進行淬火。 零件被遮擋的、未淬火的部分將具有較低的強度水平，因此在碰撞時可吸收高能量。 淬火後的部分，具有較高的抗拉強度，可以承受較高的力。 近年來，在PHS軟區工藝領域取得了長足的發展。 比如，汽車B柱下部的軟區。 Q:不等厚板是在熱成型零件中實現“性能分區”的另一種方式，對嗎？是的。 冷軋不等厚板是一種冷軋帶鋼，帶鋼在不同的寬度段，厚度可以不同。 因此，可根據對零件的最終要求及性能表現，指定哪裏要厚，哪裏要薄。 不等厚板拼焊板可以更加多樣化：你可以將不同厚度的PHS帶鋼焊接在一起，甚至可以將PHS帶鋼與非PHS帶鋼焊接在一起。 Q:所有的這些選擇都讓我們想到PHS鋼“設計自由度”的問題。 試想您有一種加熱到900℃的溫度下沖壓成型的硼鋼。 在此溫度下，很容易將PHS鋼熱成型為具有非常複雜且需深沖的形狀。 因而憑借這樣的設計自由度，汽車設計師就可以對其部件進行更多的創意設計：也許可以利用PHS鋼的高抗拉強度來設計更輕的零件；也許可以減少零件數量，即零件整合；也許可以通過設計“軟區”讓零件在碰撞測試中表現更出色。 Q:熱成型零件具有更出色的成品零件形狀精度，對嗎？熱處理鋼的優勢是回彈很少甚至沒有回彈，這會使形狀精度更高。 隨著如今高強度鋼的抗拉強度越來越高，回彈也有可能增加，這種觀點在很多人心裏根深蒂固。 但另一方面，我們也將比以往更理解並能更好地預測和控制冷成型汽車部件的回彈，即使在使用千兆帕鋼時亦是如此。 當然，這在很大程度上取決於零件設計：與其認為使用PHS鋼可以避免產生回彈而花費更多的成本，不如在設計概念過程中盡早與先進高強度鋼的供應商溝通。 許多設計方案，只要稍加修改，並采取適當的生產工序，就可以實現冷成型，並得到非常出色的成品形狀精度。 Q:Docol PHS 2000鋼很特別，因為它最初是為一個客戶開發的，對嗎？是的。 我們總是與客戶保持緊密的合作。 但這次，我們的客戶Gestamp向我們提出了一個非常具體的要求：“你們能開發一款抗拉強度有2000兆帕但延展性和22MnB5相當（1500MPa抗拉強度）的熱成型鋼嗎？我們想要將其用於生產一款更具輕量化的保險杠中。 ”我們預見到2000MPa鋼用於其他安全部件的價值，因此我們答應了。 Q:開發一款熱成型鋼需要面對特別的挑戰，是嗎？沒錯。 正如你所知，對於熱成型鋼，制造者是通過加熱、成型和淬火的過程，得到鋼材最終的機械性能。 這其中涉及的因素很多：鋼材在加熱爐裏要多加熱多久，加熱溫度是多少？模具使用什麼冷卻介質？模具與材料之間的接觸壓力是多少？而所有這些OEM和Tier 1熱成型工藝都是獨特的——每一種工藝都可以對PHS鋼進行不同的生產加工。 Gestamp甚至也不與我們分享其熱成型信息！但我們必須制造出一種能適用於多家汽車主機廠商的PHS 2000鋼材。 所以這是相當具有挑戰性的。 為了使 PHS 2000 達到所需的延展性水平，SSAB 重點關注了鋼的化學成分及其鋼廠的加工系統。 此外，SSAB還為客戶推薦加熱爐溫度和冷卻速度——形成馬氏體鋼微觀結構所需的最低冷卻速度，從而達到預定的抗拉強度。 Q:那Gestamp做了什麼？他們會用其熱成型模具測試我們的材料。 在我們對PHS 2000鋼進行迭代開發時，他們的反饋和測試都極具價值。 與他們如此緊密的合作，確實加快了我們彼此的學習成長速度。 Q:成果如何？Gestamp 使用PHS 2000鋼制成的保險杠減重17%，而且仍然具有成本效益。 因此，對於Gestamp和SSAB來說，這無疑是一個雙贏的結果。 兩種超高強度鋼的比較SSAB與汽車部件制造商 Gestamp 密切合作研發的Docol PHS 2000，如何幫助客戶實現保險杠部件減重17%？打開鏈接進入Docol微官網的視頻合集，下拉頁面，觀看PHS 2000相關視頻。 http://ssab-docol.octoapps.com/expertise/videos/
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SSAB冷軋帶鋼產品開發經理Jenny Fritz。

Kenneth Olsson深耕鋼鐵行業40年，有著資深的從業經驗，在SSAB任職多個崗位。

Q:請您介紹一下1900Mpa熱成型鋼的VDA新標准？

這是一個全新的標准，但已經有汽車制造商用它來制定自己的企業標准。新牌號熱成型鋼的VDA名稱為CR1900T-MB-DS，它與SSAB鋼牌號Docol PHS 2000的標准相對應，其抗拉強度最高可達2千兆帕，即2000MPa。

Q:這是目前強度最高的鋼材——汽車設計師們將其用在哪些車身部位呢？

可應用在很多部位，但最常用於保護電動汽車的電池包，電池包區域不允許碰撞侵入——這對側面碰撞測試尤具挑戰性。因此，汽車主機廠商將在安全部件中使用PHS 2000MPa鋼，如地板橫梁，連接左右兩側門檻板，以保護電動汽車電池。

Q: 您認為新的 Docol PHS 2000MPa 是否也可以用於傳統上使用 PHS 1500MPa 的其他應用？

可以的，PHS 2000和PHS 1800不僅適用於電動汽車，也適用於內燃機（ICE）汽車。汽車設計師不論是需要最高強度的鋼，還是減少料厚實現減重，它們都可以派上用場。

熱成型鋼在汽車上的經典應用是汽車的A柱和B柱，但也用於車頂邊梁、側圍加強板、頂蓋橫梁和儀表板橫梁，以及車門防撞梁、風擋玻璃加強件和地板梁。值得注意的是，目前這些熱成型零件的設計往往具有高度複雜的幾何形狀，這正是PHS鋼的優勢所在。

Q:使用熱成型鋼的另一個優勢就同一零件可擁有不同的強度等級，所以零件在碰撞中的表現也不同，對嗎？

對的。一個熱成型模具可以被細分為多段不同的淬火工藝。例如，創建一個熱成型“軟區”，不需要對整個零件進行淬火。零件被遮擋的、未淬火的部分將具有較低的強度水平，因此在碰撞時可吸收高能量。淬火後的部分，具有較高的抗拉強度，可以承受較高的力。近年來，在PHS軟區工藝領域取得了長足的發展。比如，汽車B柱下部的軟區。

Q:不等厚板是在熱成型零件中實現“性能分區”的另一種方式，對嗎？

是的。冷軋不等厚板是一種冷軋帶鋼，帶鋼在不同的寬度段，厚度可以不同。因此，可根據對零件的最終要求及性能表現，指定哪裏要厚，哪裏要薄。

不等厚板拼焊板可以更加多樣化：你可以將不同厚度的PHS帶鋼焊接在一起，甚至可以將PHS帶鋼與非PHS帶鋼焊接在一起。

Q:所有的這些選擇都讓我們想到PHS鋼“設計自由度”的問題。

試想您有一種加熱到900℃的溫度下沖壓成型的硼鋼。在此溫度下，很容易將PHS鋼熱成型為具有非常複雜且需深沖的形狀。因而憑借這樣的設計自由度，汽車設計師就可以對其部件進行更多的創意設計：也許可以利用PHS鋼的高抗拉強度來設計更輕的零件；也許可以減少零件數量，即零件整合；也許可以通過設計“軟區”讓零件在碰撞測試中表現更出色。

Q:熱成型零件具有更出色的成品零件形狀精度，對嗎？

熱處理鋼的優勢是回彈很少甚至沒有回彈，這會使形狀精度更高。隨著如今高強度鋼的抗拉強度越來越高，回彈也有可能增加，這種觀點在很多人心裏根深蒂固。

但另一方面，我們也將比以往更理解並能更好地預測和控制冷成型汽車部件的回彈，即使在使用千兆帕鋼時亦是如此。

當然，這在很大程度上取決於零件設計：與其認為使用PHS鋼可以避免產生回彈而花費更多的成本，不如在設計概念過程中盡早與先進高強度鋼的供應商溝通。許多設計方案，只要稍加修改，並采取適當的生產工序，就可以實現冷成型，並得到非常出色的成品形狀精度。

Q:Docol PHS 2000鋼很特別，因為它最初是為一個客戶開發的，對嗎？

是的。我們總是與客戶保持緊密的合作。但這次，我們的客戶Gestamp向我們提出了一個非常具體的要求：“你們能開發一款抗拉強度有2000兆帕但延展性和22MnB5相當（1500MPa抗拉強度）的熱成型鋼嗎？我們想要將其用於生產一款更具輕量化的保險杠中。”我們預見到2000MPa鋼用於其他安全部件的價值，因此我們答應了。

Q:開發一款熱成型鋼需要面對特別的挑戰，是嗎？

沒錯。正如你所知，對於熱成型鋼，制造者是通過加熱、成型和淬火的過程，得到鋼材最終的機械性能。這其中涉及的因素很多：鋼材在加熱爐裏要多加熱多久，加熱溫度是多少？模具使用什麼冷卻介質？模具與材料之間的接觸壓力是多少？

而所有這些OEM和Tier 1熱成型工藝都是獨特的——每一種工藝都可以對PHS鋼進行不同的生產加工。Gestamp甚至也不與我們分享其熱成型信息！但我們必須制造出一種能適用於多家汽車主機廠商的PHS 2000鋼材。所以這是相當具有挑戰性的。

為了使 PHS 2000 達到所需的延展性水平，SSAB 重點關注了鋼的化學成分及其鋼廠的加工系統。此外，SSAB還為客戶推薦加熱爐溫度和冷卻速度——形成馬氏體鋼微觀結構所需的最低冷卻速度，從而達到預定的抗拉強度。

Q:那Gestamp做了什麼？

他們會用其熱成型模具測試我們的材料。在我們對PHS 2000鋼進行迭代開發時，他們的反饋和測試都極具價值。與他們如此緊密的合作，確實加快了我們彼此的學習成長速度。

Q:成果如何？

Gestamp 使用PHS 2000鋼制成的保險杠減重17%，而且仍然具有成本效益。因此，對於Gestamp和SSAB來說，這無疑是一個雙贏的結果。

兩種超高強度鋼的比較

SSAB與汽車部件制造商 Gestamp 密切合作研發的Docol PHS 2000，如何幫助客戶實現保險杠部件減重17%？

打開鏈接進入Docol微官網的視頻合集，下拉頁面，觀看PHS 2000相關視頻。

http://ssab-docol.octoapps.com/expertise/videos/