汽車(chē)原始設(shè)備制造商面臨著艱巨的任務(wù)，即大幅度提高燃料經(jīng)濟(jì)性和安全性，同時(shí)在市場(chǎng)上保持競(jìng)爭(zhēng)地位，以及投資并推動(dòng)電氣化發(fā)展。在生產(chǎn)過(guò)程中使用高強(qiáng)度鋼，有助于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。據(jù)外媒報(bào)道，加拿大先進(jìn)材料開(kāi)發(fā)公司（Advanced Materials Development）為其客戶開(kāi)發(fā)了獲得專利的冷沖壓用冷軋高強(qiáng)度鋼，稱為ColdStamp-Steel，可用于生產(chǎn)汽車(chē)的車(chē)身結(jié)構(gòu)和安全部件，包括電動(dòng)汽車(chē)的電池外殼。
 

（圖片來(lái)源：amdoncorp）

 

ColdStamp-Steel的微結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)或多個(gè)馬氏體、貝氏體、鐵素體和殘留奧氏體，其數(shù)量百分比取決于鋼的成分及熱處理方式。另外，還有一部分碳化物、氮化物和碳氮化物。由此產(chǎn)生的材料具有高強(qiáng)度和中等延展性，與商業(yè)冷軋鋼材相比，ColdStamp-Steel具有更高的強(qiáng)度重量比。其應(yīng)用包括汽車(chē)保險(xiǎn)杠加固梁、柱、車(chē)門(mén)沖擊梁、踏腳板內(nèi)件和加固件、側(cè)梁加固件、車(chē)頂框架、腰線加固件、卡扣或夾片。

 

圖1（圖片來(lái)源：sae.org）

 

ColdStamp-Steel共分1-3級(jí)，作為低合金成分，總合金化元素(碳除外)< 3.0wt.%。表1顯示，1級(jí)的碳濃度最低，3級(jí)的碳濃度最高。該制造工藝主要分為以下步驟：在堿性氧氣轉(zhuǎn)爐中熔化鐵水，然后在電弧爐中進(jìn)行真空脫氣或鋼屑熔煉；連鑄；熱軋；酸洗；冷軋；連續(xù)退火和淬火；以及拉伸矯直以獲得平坦度。ColdStamp-Steel可以制成冷軋卷材或冷軋薄板。

 

 

 

圖2（圖片來(lái)源：sae.org）

 

ColdStamp-Steel具有適合冷沖壓的成形性。將其與用于冷沖壓的三種商用冷軋高強(qiáng)度鋼（SSAB的Docol 900M-1700M馬氏體牌號(hào)、ArcelorMittal的MartiNsite牌號(hào)和 Kobo Steels的Kobelco牌號(hào)）進(jìn)行比較，可以看出 ColdStamp-Steel的性能更優(yōu)異。表2顯示，在ASTM標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)中，1-3級(jí)在室溫下縱向/輥(L)和橫向(T)的機(jī)械性能。

 

圖3（圖片來(lái)源：sae.org）

 

ColdStamp-Steel的幾種成分已經(jīng)過(guò)熔化、熱軋和冷軋、熱處理和測(cè)試。三級(jí)的兩種組分(SC1和SC2組分)表現(xiàn)出最理想的性質(zhì)。表3顯示，不同的熱處理方法為SC1和SC2提供了廣泛的機(jī)械性能。這些材料適用于不同的車(chē)輛結(jié)構(gòu)和安全部件，以及電動(dòng)汽車(chē)的電池外殼結(jié)構(gòu)。

 

附圖（圖片來(lái)源：sae.org）

 

附圖顯示，SC1和SC2經(jīng)過(guò)熱處理后，在室溫下的工程拉應(yīng)力圖。從厚度為0.06 in/1.50 mm的無(wú)涂層冷軋SC1上，沿L方向切割出2in(50 mm)規(guī)格的ASTM標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。從厚度為0.04in(1.0mm)的無(wú)涂層冷軋SC2中，沿L方向切割出3.15in(80mm)的試樣。

 

通過(guò)常用工藝，對(duì)SC1和SC2進(jìn)行涂層，包括鍍鋅和鍍鋁。表3顯示，經(jīng)過(guò)常用鍍鋅和鍍鋁工藝之后，可對(duì)SC1和SC2進(jìn)行熱處理，而不影響SC1和SC2機(jī)械性能。將SC1、SC2與市售高強(qiáng)度冷軋鋼進(jìn)行比較，可以看出，經(jīng)1000-1050°F高溫回火后，只有SC1、SC2的抗拉強(qiáng)度超過(guò)175 ksi/1200 MPa，延伸率為 9-10%。經(jīng)過(guò)淬火和高溫回火的SC1和SC2，可以在不降低其機(jī)械性能的情況下進(jìn)行鍍鋅。

 

SC1和SC2均可選擇合適的工藝參數(shù)，采用常規(guī)點(diǎn)焊方法進(jìn)行焊接。在碳濃度增加的情況下，有必要增加焊接力，調(diào)整焊接周期，以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)點(diǎn)焊。SC1和SC2的碳當(dāng)量CEVM = %C + (%Mn + %Si)/6 + (%Cr + %Mo+%W + %V+%Ti)/5 + (%Ni + %Cu)/15 ，分別約為0.975和0.61。相比之下，冷軋Docol 1700M鋼的碳當(dāng)量約為1.26。研究人員現(xiàn)提出，在不降低機(jī)械性能的前提下，嘗試將碳當(dāng)量降至0.60以下，以改善SC1和SC2。

 

 

鋁合金由于密度低、強(qiáng)度適宜，已成為電動(dòng)汽車(chē)電池外殼的主要材料。與同等商業(yè)鋼材相比，鋁制電池外殼或其他平臺(tái)部件，通常可節(jié)省約40%的重量。傳統(tǒng)上，最適合電池外殼的鋁合金是6000和7000系列及類(lèi)似合金。

 

鋁合金具有重量輕、可回收利用的優(yōu)點(diǎn)。然而，如果電池組產(chǎn)生的熱量將電池外殼的溫度提高至600°F(315°C)以上，鋁合金則表現(xiàn)出嚴(yán)重的劣勢(shì)。在600°F或更高的溫度下曝光超過(guò)300秒時(shí)，其抗屈強(qiáng)度下降了70%以上，特別是與電池電芯直接接觸的部件。此外，在約2200°F(1205°C)的嚴(yán)重火災(zāi)情況下，電池外殼會(huì)在大約5秒內(nèi)失效，給乘車(chē)人員帶來(lái)極大的安全隱患。至于熱塑性塑料和復(fù)合材料，受成本影響，而且使用溫度遠(yuǎn)低于600華氏度，其在電池外殼中的應(yīng)用受到限制。

 

增加電池容量是電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)商的主要關(guān)注點(diǎn)，這也增加了電池發(fā)生故障的可能性，包括過(guò)熱和爆炸。為了減少對(duì)乘車(chē)人員的潛在危害，有必要使用比鋁合金更堅(jiān)固的材料。鍍鋅和鍍鋁冷沖壓鋼，尤其是SC2，是一種有吸引力的材料，可用于EV電池外殼。在不增加結(jié)構(gòu)重量的情況下，可以取代由高強(qiáng)度鋁合金制成的外殼，同時(shí)提高安全性、耐久性和安全性。高強(qiáng)度鋁合金板材的每磅生產(chǎn)成本，比鍍鋅和鍍鋁冷沖壓鋼板的每磅生產(chǎn)成本高出100%以上。

 

圖4（圖片來(lái)源：sae.org）

 

對(duì)比SC2和7075-T6的比剛度、比屈服強(qiáng)度和比極限抗拉強(qiáng)度，從表4中可以看出，由于SC2板材的厚度比7075-T6小2.8倍，這種鋼可以替代任何高強(qiáng)度鋁合金，同時(shí)不增加電池外殼的重量。

 

ColdStamp-Steel可以通過(guò)多種方式進(jìn)行涂層。比如通過(guò)電鍍或熱浸工藝鍍鋅，可在最高溫度高達(dá) 392°F (200°C) 的長(zhǎng)期連續(xù)暴露下，提供耐用性。持續(xù)暴露在高于此溫度的環(huán)境中，會(huì)導(dǎo)致外層游離鋅層從下面的鋅鐵合金層剝離。鍍鋅 ColdStamp-Steel（SC1 和 SC2組分）具有表3所示的機(jī)械性能，但增加的電鍍層有所修正；鍍鋅ColdStamp-Steel的耐腐蝕性能可與高強(qiáng)度鋁合金相媲美。比起鍍鋅SC1或SC2板材的每磅成本，6000和7000系列鋁合金板材的每磅生產(chǎn)成本，高出100%以上。

 

經(jīng)過(guò)1000-1050°F淬火和高溫回火后，SC1和SC2的抗拉強(qiáng)度超過(guò)175ksi(1,200 MPa)，延伸率為9-10%；淬火和高溫回火SC1和SC2可在不降低其力學(xué)性能的情況下進(jìn)行鍍鋅。鍍鋅冷沖鋼的成本略高于熱浸鍍鋅合金的成本。

 

ColdStamp-Steel采用電鍍或熱浸工藝涂層，為電池外殼應(yīng)用提供了明顯優(yōu)勢(shì)。鍍鋁和鍍鋅ColdStamp-Steel，可防止電池外殼在高達(dá) 1400°F (760°C) 的溫度下發(fā)生故障，并能承受高達(dá) 2200°F (1205°C) 的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，從而在緊急情況下為電動(dòng)汽車(chē)乘客留出更多的疏散時(shí)間。在環(huán)境溫度和高溫下，由鋁合金制成的電池外殼的耐用性，無(wú)法與由帶涂層 ColdStamp-Steel制成的相同重量外殼相媲美。此外，目前6000和7000系列鋁合金板材的每磅生產(chǎn)成本，比鍍鋁ColdStamp-Steel板材的每磅成本高出100%以上。