加拿大公司推出高強度冷衝壓鋼 可用於EV電池外殼

汽車原始設備製造商面臨着艱鉅的任務，即大幅度提高燃料經濟性和安全性，同時在市場上保持競爭地位，以及投資並推動電氣化發展。在生產過程中使用高強度鋼，有助於實現這一點。據外媒報道，加拿大先進材料開發公司（Advanced Materials Development）爲其客戶開發了獲得專利的冷衝壓用冷軋高強度鋼，稱爲ColdStamp-Steel，可用於生產汽車的車身結構和安全部件，包括電動汽車的電池外殼。

（圖片來源：amdoncorp）

ColdStamp-Steel的微結構中含有一個或多個馬氏體、貝氏體、鐵素體和殘留奧氏體，其數量百分比取決於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。由此產生的材料具有高強度和中等延展性，與商業冷軋鋼材相比，ColdStamp-Steel具有更高的強度重量比。其應用包括汽車保險槓加固樑、柱、車門衝擊樑、踏腳板內件和加固件、側樑加固件、車頂框架、腰線加固件、卡扣或夾片。

圖1（圖片來源：sae.org）

ColdStamp-Steel共分1-3級，作爲低合金成分，總合金化元素(碳除外)< 3.0wt.%。表1顯示，1級的碳濃度最低，3級的碳濃度最高。該製造工藝主要分爲以下步驟：在鹼性氧氣轉爐中熔化鐵水，然後在電弧爐中進行真空脫氣或鋼屑熔鍊；連鑄；熱軋；酸洗；冷軋；連續退火和淬火；以及拉伸矯直以獲得平坦度。ColdStamp-Steel可以製成冷軋卷材或冷軋薄板。

力學性能

圖2（圖片來源：sae.org）

ColdStamp-Steel具有適合冷衝壓的成形性。將其與用於冷衝壓的三種商用冷軋高強度鋼（SSAB的Docol 900M-1700M馬氏體牌號、ArcelorMittal的MartiNsite牌號和 Kobo Steels的Kobelco牌號）進行比較，可以看出 ColdStamp-Steel的性能更優異。表2顯示，在ASTM標準拉伸試驗中，1-3級在室溫下縱向/輥(L)和橫向(T)的機械性能。

圖3（圖片來源：sae.org）

ColdStamp-Steel的幾種成分已經過熔化、熱軋和冷軋、熱處理和測試。三級的兩種組分(SC1和SC2組分)表現出最理想的性質。表3顯示，不同的熱處理方法爲SC1和SC2提供了廣泛的機械性能。這些材料適用於不同的車輛結構和安全部件，以及電動汽車的電池外殼結構。

附圖（圖片來源：sae.org）

附圖顯示，SC1和SC2經過熱處理後，在室溫下的工程拉應力圖。從厚度爲0.06 in/1.50 mm的無塗層冷軋SC1上，沿L方向切割出2in(50 mm)規格的ASTM標準拉伸試樣。從厚度爲0.04in(1.0mm)的無塗層冷軋SC2中，沿L方向切割出3.15in(80mm)的試樣。

通過常用工藝，對SC1和SC2進行塗層，包括鍍鋅和鍍鋁。表3顯示，經過常用鍍鋅和鍍鋁工藝之後，可對SC1和SC2進行熱處理，而不影響SC1和SC2機械性能。將SC1、SC2與市售高強度冷軋鋼進行比較，可以看出，經1000-1050°F高溫回火後，只有SC1、SC2的抗拉強度超過175 ksi/1200 MPa，延伸率爲9-10%。經過淬火和高溫回火的SC1和SC2，可以在不降低其機械性能的情況下進行鍍鋅。

SC1和SC2均可選擇合適的工藝參數，採用常規點焊方法進行焊接。在碳濃度增加的情況下，有必要增加焊接力，調整焊接週期，以實現高品質點焊。SC1和SC2的碳當量CEVM = %C + (%Mn + %Si)/6 + (%Cr + %Mo+%W + %V+%Ti)/5 + (%Ni + %Cu)/15 ，分別約爲0.975和0.61。相比之下，冷軋Docol 1700M鋼的碳當量約爲1.26。研究人員現提出，在不降低機械性能的前提下，嘗試將碳當量降至0.60以下，以改善SC1和SC2。

電動汽車的電池外殼

鋁合金由於密度低、強度適宜，已成爲電動汽車電池外殼的主要材料。與同等商業鋼材相比，鋁製電池外殼或其他平臺部件，通常可節省約40%的重量。傳統上，最適合電池外殼的鋁合金是6000和7000系列及類似合金。

鋁合金具有重量輕、可回收利用的優點。然而，如果電池組產生的熱量將電池外殼的溫度提高至600°F(315°C)以上，鋁合金則表現出嚴重的劣勢。在600°F或更高的溫度下曝光超過300秒時，其抗屈強度下降了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)的嚴重火災情況下，電池外殼會在大約5秒內失效，給乘車人員帶來極大的安全隱患。至於熱塑性塑料和複合材料，受成本影響，而且使用溫度遠低於600華氏度，其在電池外殼中的應用受到限制。

增加電池容量是電動汽車開發商的主要關注點，這也增加了電池發生故障的可能性，包括過熱和爆炸。爲了減少對乘車人員的潛在危害，有必要使用比鋁合金更堅固的材料。鍍鋅和鍍鋁冷衝壓鋼，尤其是SC2，是一種有吸引力的材料，可用於EV電池外殼。在不增加結構重量的情況下，可以取代由高強度鋁合金製成的外殼，同時提高安全性、耐久性和安全性。高強度鋁合金板材的每磅生產成本，比鍍鋅和鍍鋁冷衝壓鋼板的每磅生產成本高出100%以上。

圖4（圖片來源：sae.org）

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

ColdStamp-Steel可以通過多種方式進行塗層。比如通過電鍍或熱浸工藝鍍鋅，可在最高溫度高達392°F (200°C) 的長期連續暴露下，提供耐用性。持續暴露在高於此溫度的環境中，會導致外層遊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成本，高出100%以上。

經過1000-1050°F淬火和高溫回火後，SC1和SC2的抗拉強度超過175ksi(1,200 MPa)，延伸率爲9-10%；淬火和高溫回火SC1和SC2可在不降低其力學性能的情況下進行鍍鋅。鍍鋅冷衝鋼的成本略高於熱浸鍍鋅合金的成本。

ColdStamp-Steel採用電鍍或熱浸工藝塗層，爲電池外殼應用提供了明顯優勢。鍍鋁和鍍鋅ColdStamp-Steel，可防止電池外殼在高達1400°F (760°C) 的溫度下發生故障，並能承受高達2200°F (1205°C) 的火災風險，從而在緊急情況下爲電動汽車乘客留出更多的疏散時間。在環境溫度和高溫下，由鋁合金製成的電池外殼的耐用性，無法與由帶塗層 ColdStamp-Steel製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成本，比鍍鋁ColdStamp-Steel板材的每磅成本高出100%以上。