引言
2003年4月日本JFE公司成立,并提出了“信守承諾和對(duì)未來新機(jī)遇永恒的追求”的發(fā)展宗旨。遵循這一宗旨,JFE公司迅速發(fā)展并開發(fā)了各類汽車先進(jìn)高強(qiáng)度鋼,如孿生誘發(fā)塑性（TWIP）鋼、納米強(qiáng)化高強(qiáng)度（NANO-HITEN）鋼等,同時(shí)產(chǎn)量也迅速增加,憑借高質(zhì)量的產(chǎn)品逐漸占領(lǐng)世界汽車板的高端市場(chǎng)。為強(qiáng)化應(yīng)用技術(shù)研究和客戶服務(wù),JFE公司基于對(duì)用戶需求的深刻理解,秉承滿足用戶需求為導(dǎo)向的先進(jìn)理念,采用同時(shí)工程（simultaneous engineering,SE）的實(shí)施策略,不斷與用戶合作開發(fā)并應(yīng)用具有競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品,如NANO-HITEN鋼以及在水淬連退生產(chǎn)線上開發(fā)的雙相（DP）鋼和多相（CP）鋼。該公司還建立了世界上先進(jìn)的應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室,支持用戶制定新產(chǎn)品的應(yīng)用規(guī)范,由此形成了初期的供應(yīng)商早期介入（early vendor involvement,EVI）產(chǎn)品開發(fā)模式與鋼鐵新產(chǎn)品的銷售模式,為新材料研發(fā)和推廣應(yīng)用的EVI模式奠定了基礎(chǔ)[1]。
2008年,韓國(guó)POSCO公司召開了全球首屆EVI論壇[2],正式提出EVI模式。該模式就是材料企業(yè)針對(duì)用戶開發(fā)新產(chǎn)品用材需求的早期介入模式,起源于材料生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)服務(wù)體系以及客戶開發(fā)產(chǎn)品所提供的用材支持系統(tǒng),之后進(jìn)一步發(fā)展成為通過技術(shù)合作,從對(duì)用戶開發(fā)新產(chǎn)品（如汽車新車型）進(jìn)行先期介入,進(jìn)而逐步形成EVI的工作流程和模式[3]。截至2018年,POSCO公司共召開了6屆全球EVI論壇,由此形成了韓國(guó)POSCO公司在各類新鋼種開發(fā)、銷售和技術(shù)服務(wù)方面的特有模式。
1999年,寶鋼技術(shù)人員前往美國(guó)專門針對(duì)汽車的EVI模式進(jìn)行考察,并首次將汽車工業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)的EVI模式引入國(guó)內(nèi)。2011年,寶鋼于上海召開了首屆寶鋼EVI會(huì)議,在會(huì)上系統(tǒng)介紹了一系列與汽車輕量化應(yīng)用相關(guān)的新產(chǎn)品,并與用戶交流了在高強(qiáng)度鋼應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)和案例；同時(shí)寶鋼還提出了在安全和輕量化約束下追求成本最優(yōu)的車型開發(fā)理念和方法,展示了寶鋼的EVI合作與服務(wù)模式；2018年,陸匠心在《鋼鐵》期刊上發(fā)表了題為“寶鋼汽車板技術(shù)服務(wù)的EVI工作模式”的文章,對(duì)寶鋼在汽車板技術(shù)服務(wù)領(lǐng)域的EVI工作模式進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。
中國(guó)汽車工程研究院馬鳴圖等相關(guān)團(tuán)隊(duì)一直致力于在汽車輕量化研究和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用中推廣EVI模式。他們?cè)l(fā)表多篇論文,探討了EVI的內(nèi)涵和意義,并著重論述了在汽車輕量化中EVI模式的應(yīng)用和需求,強(qiáng)調(diào)了應(yīng)用研究在材料開發(fā)和應(yīng)用全過程中的重要意義,賦予了EVI新的認(rèn)識(shí)[3-6]。該團(tuán)隊(duì)還提出將EVI融入整車的開發(fā)流程,涵蓋項(xiàng)目的初始方案階段、性能確定階段、性能分解階段、零件功能的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證階段以及整車功能的預(yù)測(cè)、試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)車應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果分析等環(huán)節(jié)。EVI既是一種思維、一種理念、一種模式、一套流程,也是一種試驗(yàn)結(jié)果的分析和認(rèn)識(shí)方法以及一種技術(shù)的展示。
目前,在國(guó)內(nèi)外知名的材料生產(chǎn)企業(yè)中,特別是鋼鐵企業(yè),EVI模式已經(jīng)成為滿足用戶需求的集成解決方案。例如：韓國(guó)POSCO公司每?jī)赡昱e辦一屆全球EVI論壇；德國(guó)蒂森克虜伯公司通過對(duì)同一零件采用不同選材和不同工藝,對(duì)比最終的成本、輕量化效果和二氧化碳排放量等指標(biāo),為汽車零部件企業(yè)在選材方面提供更多的選擇。2024年3月,德國(guó)蒂森克虜伯公司針對(duì)EVI服務(wù)中常用的制作概念車的相關(guān)問題,在重慶召開了數(shù)字車身平臺(tái)及其用鋼解決方案的研發(fā)成果發(fā)布會(huì),為汽車廠和零部件廠開發(fā)新產(chǎn)品提供了新的思維和方便快捷的方法。Arcelor Mittal公司運(yùn)用S-in motion選材方法,基于成本、效益和二氧化碳排放的全壽命周期評(píng)估（life cycle assessment,LCA）分析方法以及超高強(qiáng)度鋼零件的集成設(shè)計(jì)和制造工藝（如門環(huán)的熱成形技術(shù)）等,展示了不同公司EVI模式的特色。
2018年,中信微合金化技術(shù)中心和中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司聯(lián)合組織召開了中國(guó)汽車EVI暨高強(qiáng)度鋼氫致延遲斷裂國(guó)際會(huì)議。迄今為止,該會(huì)議已經(jīng)成功舉辦3屆,這對(duì)汽車EVI模式和氫脆研究起到了較強(qiáng)的推動(dòng)作用,同時(shí)也使人們對(duì)EVI模式和氫脆具有更深入的認(rèn)識(shí)。
在EVI這一模式的推動(dòng)下,國(guó)內(nèi)外先進(jìn)高強(qiáng)度鋼得到迅速發(fā)展。EVI在推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和新材料應(yīng)用中的作用和意義已經(jīng)超出EVI模式本身。在已召開的“EVI和氫脆”的國(guó)際會(huì)議相關(guān)報(bào)告和論文集中、POSCO全球EVI論壇上的相關(guān)技術(shù)報(bào)告和會(huì)議資料中,以及國(guó)內(nèi)外各大公司關(guān)于EVI成果的展示中,EVI的作用和意義均得到充分的展示和體現(xiàn)[3-6]。
為了給相關(guān)人員深刻理解EVI模式提供全面而系統(tǒng)的參考內(nèi)容,作者全面介紹了國(guó)內(nèi)外一些知名公司的EVI活動(dòng)和特點(diǎn),以及鞍鋼蒂森克虜伯汽車鋼有限公司（TAGAL）關(guān)于數(shù)字車身平臺(tái)及其用鋼解決方案新近發(fā)布的成果,論述了EVI模式在新開發(fā)車型中推廣應(yīng)用新型材料時(shí)所發(fā)揮的作用,提出了企業(yè)推廣應(yīng)用EVI模式應(yīng)具有的條件,闡明了EVI模式對(duì)“雙碳”戰(zhàn)略的重要意義以及有關(guān)企業(yè)推廣EVI活動(dòng)取得的進(jìn)展。
EVI的發(fā)展背景和內(nèi)涵
早期EVI來源于客戶的支持系統(tǒng)。材料生產(chǎn)企業(yè)為使客戶高效地運(yùn)用所開發(fā)的新材料,提出了一種新的銷售理念：首先了解用戶開發(fā)新產(chǎn)品對(duì)材料的需求,然后解決用戶在使用新材料過程中所產(chǎn)生的問題。這一做法使得材料生產(chǎn)企業(yè)從簡(jiǎn)單的材料供應(yīng)商變?yōu)榻鉀Q用戶各種問題的合作伙伴,將新材料的試制和開發(fā)與用戶對(duì)新材料應(yīng)用的需求有機(jī)結(jié)合,達(dá)到雙方共贏的效果。材料生產(chǎn)企業(yè)需結(jié)合用戶的產(chǎn)品開發(fā)過程,與用戶合作開展分析、模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)工作,為產(chǎn)品的制造提供新材料及其應(yīng)用工藝技術(shù)的解決方案,這便是EVI的方案和模式。基于此,EVI活動(dòng)可以分為4個(gè)階段。第一階段：開發(fā)用戶所需要的各種材料,包括普通高強(qiáng)度鋼以及一、二、三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼。第二階段：材料企業(yè)在汽車零部件和相關(guān)產(chǎn)品的制造中先期介入,與用戶共同對(duì)所開發(fā)的零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)模擬和分析；通過材料性能和零部件功能的預(yù)測(cè)和評(píng)估,提出零件用材和成形工藝的建議,以達(dá)到零部件的尺寸形狀優(yōu)化和輕量化的目標(biāo),同時(shí)在確保零件高性價(jià)比的前提下,保證用材和工藝均滿足批量生產(chǎn)的要求。第三階段：解決材料用戶如何迅速地應(yīng)用新產(chǎn)品的問題,將材料產(chǎn)品的開發(fā)與構(gòu)件產(chǎn)品開發(fā)有機(jī)結(jié)合,使材料企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)的目標(biāo)更明確,雙方借此達(dá)成深度合作,實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展。第四階段：將材料企業(yè)由材料的供應(yīng)商轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q問題的合作伙伴[7]。綜上,EVI的內(nèi)涵可以概括如下：首先,協(xié)同用戶選擇產(chǎn)品開發(fā)所需的合適材料；其次,為用戶提供包括成形技術(shù)、焊接技術(shù)、涂裝技術(shù)、零件評(píng)價(jià)等應(yīng)用技術(shù)支持；再次,在用戶產(chǎn)品投產(chǎn)后,由材料供應(yīng)商為材料應(yīng)用方提供商務(wù)支持,涵蓋及時(shí)供貨、物流成本控制、優(yōu)質(zhì)商務(wù)技術(shù)服務(wù)以及必要的公益支持等；最后,通過收集全球網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、限額投資、零件開發(fā)和產(chǎn)品供應(yīng)等相關(guān)工業(yè)信息,密切融合材料生產(chǎn)企業(yè)和材料用戶的關(guān)系。
目前,EVI的概念和模式已被拓展到建筑、能源、重型機(jī)械、電力和電子等領(lǐng)域。在這些拓展的領(lǐng)域內(nèi),材料和應(yīng)用的集成解決方案包括各種功能材料、有色合金、特種超高強(qiáng)材料等的開發(fā)和應(yīng)用研究,通過計(jì)算機(jī)模擬和電磁仿真等對(duì)成形、涂層、焊接、熱處理等工序進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià),在材料應(yīng)用時(shí)提供商業(yè)支持。
EVI模式對(duì)高強(qiáng)度鋼發(fā)展的作用
EVI活動(dòng)一般與汽車輕量化密切相關(guān)。依據(jù)拇指法則,為實(shí)現(xiàn)大部分汽車沖壓構(gòu)件的輕量化,必須應(yīng)用高強(qiáng)度鋼,而EVI活動(dòng)促進(jìn)了高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的發(fā)展。目前已發(fā)展的和正在發(fā)展的一般高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼斷后伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系,已在文獻(xiàn)[8-9]中明確論述。一般高強(qiáng)度鋼包括無間隙原子鋼（IF鋼）、高強(qiáng)度無間隙原子鋼（HSIF鋼）、低碳鋼（Mild鋼）、各向同性鋼（IS鋼）、烘烤硬化鋼（BH鋼）、碳錳固溶強(qiáng)化鋼（C-Mn鋼）、高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA鋼）等。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼包括第一代、第二代和第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼。第一代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)塑積為20000 MPa%,包括雙相鋼（DP鋼）、復(fù)相鋼（CP鋼）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP鋼）、馬氏體鋼（MART鋼）、熱沖壓成形鋼（HPF鋼）。第二代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)塑積為60000 MPa%,包括超高強(qiáng)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（U-AHSS鋼）,又稱孿晶誘發(fā)塑性鋼。第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)塑積為40000MPa%,又稱新一代或特殊先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（X-AHSS鋼）,主要包括中錳鋼、淬火配分處理鋼（Q&P鋼）、淬火配分回火處理鋼（Q&P.T.鋼）、超級(jí)貝氏體鋼（Super B鋼）和δ-TRIP鋼等。其中：中錳鋼通過奧氏體逆轉(zhuǎn)變獲得體心立方（BCC）＋面心立方（FCC）組織,從而獲得優(yōu)異強(qiáng)韌性；淬火配分處理鋼通過淬火配分處理獲得馬氏體＋殘余奧氏體組織,利用TRIP效應(yīng)保證鋼的強(qiáng)韌性匹配；淬火配分回火處理鋼在淬火回火過程中實(shí)現(xiàn)配分處理,得到回火馬氏體＋殘余奧氏體組織,通過TRIP效應(yīng)改善鋼的強(qiáng)韌性匹配；超級(jí)貝氏體鋼通過貝氏體轉(zhuǎn)變并控制碳擴(kuò)散,使碳在貝氏體板條間富集,得到呈條狀分布在貝氏體板條之間的殘余奧氏體組織,通過TRIP效應(yīng)提高其強(qiáng)韌性；δ-TRIP鋼[10]則是在一般低合金鋼中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%~4%的鋁,并經(jīng)臨界區(qū)處理和淬火處理得到由δ鐵素體、珠光體、殘余奧氏體以及回火馬氏體組成的組織,其強(qiáng)塑積約為30000MPa%。然而,由于δ-TRIP鋼在冶金工藝性能和熱處理工藝性能方面仍存在一些尚需改進(jìn)的問題,該鋼的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用還較少。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用是一種經(jīng)濟(jì)、有效的解決方案,在全生命周期評(píng)估方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì),相較于其他材料,該材料具有更低的二氧化碳排放量。
目前,應(yīng)用最廣泛的是第一代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼中的雙相鋼以及熱沖壓成形鋼,第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼正在開發(fā)和完善中。文獻(xiàn)[8,11]詳細(xì)論述了材料性能與零件功能之間的關(guān)系,強(qiáng)調(diào)了材料性能并不等于零件的功能。事實(shí)上,工業(yè)制造所追求的是具有高功能的零件,基于這一點(diǎn),對(duì)于以相變誘發(fā)塑性為基礎(chǔ)的第三代高強(qiáng)度鋼的開發(fā)工作,應(yīng)秉持慎重的態(tài)度。這是因?yàn)殇撝械臍堄鄪W氏體在未進(jìn)行加工成形前對(duì)鋼的強(qiáng)韌性匹配以及成形性是有利的,但是一旦該鋼經(jīng)過冷變形后,殘余奧氏體就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,從而使該鋼中的延性相變成脆性相,這對(duì)成形后零件的強(qiáng)韌性匹配和抗氫脆能力產(chǎn)生不利影響。因此,在開發(fā)第三代高強(qiáng)度鋼時(shí),應(yīng)結(jié)合零件的加工成形工藝及其應(yīng)用場(chǎng)所進(jìn)行慎重分析。當(dāng)應(yīng)用第三代高強(qiáng)度鋼實(shí)現(xiàn)汽車輕量化時(shí),更應(yīng)考慮零件的剛度、壓潰吸能特性、膨脹失穩(wěn)抗力與零件厚度之間的關(guān)系,即當(dāng)依靠提升強(qiáng)度對(duì)零件進(jìn)行減薄來實(shí)現(xiàn)輕量化時(shí),必須考慮零件減薄帶來的功能變化,如剛度的降低、膨脹失穩(wěn)抗力的減弱等。因此,輕量化是有限度的。在進(jìn)行Benchmark工作對(duì)材料進(jìn)行反求,在開展零件失效分析并提出相應(yīng)預(yù)防措施,在利用加工工藝強(qiáng)化手段充分發(fā)揮材料潛力,在進(jìn)行材料數(shù)據(jù)庫的建設(shè)及應(yīng)用,以及在材料生產(chǎn)單位開展EVI服務(wù)時(shí),均必須考慮材料性能與零件功能的關(guān)系[11]。
基于EVI模式對(duì)熱沖壓成形工藝流程的分析,開發(fā)了有熱鍍鋅層的熱沖壓成形板,即GA板；這類鍍層板在加熱時(shí)具有良好的氧化抗力,在熱沖壓時(shí)具有良好的減摩效果,同時(shí)賦予零件良好的耐腐蝕性能。目前,GA板已成功用于直接熱成形和預(yù)熱成形零件,與傳統(tǒng)的Al-Si鍍層板相比,其價(jià)格更加低廉,但是GA板在應(yīng)用時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制加熱溫度,點(diǎn)焊時(shí)應(yīng)格外注意液態(tài)金屬脆性問題。為提升超高強(qiáng)熱成形鋼的強(qiáng)韌性和氫致延遲斷裂抗力,應(yīng)用EVI模式開發(fā)了Nb-V復(fù)合微合金化熱成形鋼；針對(duì)零件在加熱時(shí)易出現(xiàn)的表面氧化問題以及在使用過程中的腐蝕問題,應(yīng)用EVI模式開發(fā)了抗氧化和耐環(huán)境腐蝕的熱成形鋼；為滿足空心輕量化彈性穩(wěn)定桿和扭力桿的制造需求,通過Nb-V復(fù)合沉淀強(qiáng)化以及對(duì)奧氏體晶粒進(jìn)行細(xì)化,開發(fā)了高強(qiáng)度輕量化、強(qiáng)韌性匹配好且氫脆抗力高的彈簧鋼,這種彈簧鋼的開發(fā)不僅提高了彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力水平,實(shí)現(xiàn)了彈簧的輕量化,而且還延長(zhǎng)了彈簧的使用壽命。
EVI模式對(duì)用戶需求的集成解決方案
為實(shí)現(xiàn)EVI模式為用戶服務(wù)的目標(biāo),一些現(xiàn)代大型材料生產(chǎn)企業(yè)建立了專門的材料應(yīng)用服務(wù)中心,部分生產(chǎn)汽車板的鋼廠將其設(shè)立的相關(guān)機(jī)構(gòu)命名為汽車板應(yīng)用中心。寶鋼的用戶研究所作為中國(guó)鋼鐵行業(yè)最早成立并開展EVI服務(wù)的機(jī)構(gòu),與用戶進(jìn)行了有機(jī)融合,共同開展新鋼種的應(yīng)用技術(shù)研究以及零件的制造、試驗(yàn)檢測(cè)和評(píng)價(jià)；通過將相關(guān)的應(yīng)用研究成果進(jìn)行系統(tǒng)集成,形成了一套材料用戶應(yīng)用新材料的集成解決方案,實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶選材的集成創(chuàng)新支持。POSCO公司根據(jù)多年在EVI服務(wù)領(lǐng)域的體會(huì),總結(jié)了在EVI活動(dòng)中具有自身特色且重要的理念構(gòu)成和操作方法[2]：其一是同時(shí)工程,即提出優(yōu)化材料應(yīng)用建議的同時(shí),在EVI模式實(shí)施中開發(fā)所需的新型鋼種；其二是價(jià)值工程（value engineering,VE）,即通過運(yùn)輸和物流體系的改進(jìn)來降低材料的供應(yīng)成本；其三是價(jià)值創(chuàng)新（value innovation,VI）,即通過材料的優(yōu)選、成分微調(diào)和性能優(yōu)化來降低材料的應(yīng)用成本；其四是零件和用材的建議（part proposal,PP）,即當(dāng)車輛運(yùn)行條件發(fā)生改變時(shí),及時(shí)對(duì)零件用材進(jìn)行更新和優(yōu)化并提出建議。POSCO公司將這些理念進(jìn)行集成,形成了一套針對(duì)用戶需求的集成解決方案。
在目前國(guó)內(nèi)外EVI模式的核心展示中,許多材料生產(chǎn)企業(yè),特別是鋼廠將新材料開發(fā)、新成形技術(shù)開發(fā)以及新設(shè)計(jì)理念和新材料應(yīng)用技術(shù)融入到概念車中,借助概念車的制作過程展示這些研究成果在汽車輕量化和概念車設(shè)計(jì)中所產(chǎn)生的應(yīng)用效果。
新車開發(fā)中的EVI模式
各公司新車開發(fā)的EVI活動(dòng)各具特色,現(xiàn)以兩家公司為例進(jìn)行說明。首先是韓國(guó)POSCO公司提出的新車開發(fā)中的EVI活動(dòng)[12],其所展示的新車開發(fā)過程以及各階段中EVI模式的相關(guān)工作包括項(xiàng)目的立項(xiàng)及計(jì)劃、項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)、車型的原型制造以及量產(chǎn)四個(gè)方面。在項(xiàng)目的立項(xiàng)及計(jì)劃階段,POSCO公司的EVI活動(dòng)是向汽車廠提供詳細(xì)的材料信息,以及新鋼種應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和可能；在項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)階段,EVI活動(dòng)包括提供詳細(xì)的材料數(shù)據(jù),與汽車廠共同進(jìn)行成形模擬,進(jìn)一步對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化選擇,提供合理的材料價(jià)格信息以預(yù)測(cè)新車型的性價(jià)比,為車型開發(fā)單位提供詳細(xì)的白車身相關(guān)性能、試驗(yàn)材料的供應(yīng)和支持；在車型原型制造階段,其EVI活動(dòng)是對(duì)該車型所用模具的開發(fā)進(jìn)行支持,包括車型原型功能的試驗(yàn)和評(píng)價(jià)；在量產(chǎn)階段,EVI活動(dòng)是進(jìn)一步優(yōu)化材料供應(yīng)和材料應(yīng)用工藝,以獲得最好的性價(jià)比。EVI服務(wù)和解決問題的模式就是EVI程序+鋼材供應(yīng),即從車型零件設(shè)計(jì)到試產(chǎn)量產(chǎn)時(shí)的技術(shù)支持。
國(guó)際鋼協(xié)的未來鋼制汽車（future steel vehicle,FSV）項(xiàng)目在新車型開發(fā)的EVI活動(dòng)中堅(jiān)持從開發(fā)定位、概念設(shè)計(jì)到車型的詳細(xì)設(shè)計(jì)、材料與工藝設(shè)計(jì)直到性能驗(yàn)證的全方位合作和服務(wù)[13]。開發(fā)定位包含減重目標(biāo)和輕量化效果,該過程是白車身的計(jì)算機(jī)輔助工程（computer aided engineering,CAE）,其工作內(nèi)容包括分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料工藝設(shè)計(jì)、材料選擇和應(yīng)用、白車身的性能測(cè)試等4個(gè)方面。減重目標(biāo)和輕量化效果基于不同年代鋼制汽車的總質(zhì)量和鋼制車身結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量范圍,以及二者之間的關(guān)系分析進(jìn)行確定；未來鋼制白車身的減重目標(biāo)為35%,質(zhì)量比超輕鋼車身和鋁合金車身輕。當(dāng)減重目標(biāo)被確定后,隨即進(jìn)入FSV白車身EVI開發(fā)流程中的概念設(shè)計(jì)階段,該階段包括總體方案的確定、車身尺寸的設(shè)計(jì)以及通過流場(chǎng)分析和風(fēng)阻分析優(yōu)化車身的外觀造型以及通過多目標(biāo)的靜態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)白車身的剛度和強(qiáng)度、白車身的模態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算并進(jìn)行簡(jiǎn)化的碰撞性能模擬[13-14]。通過對(duì)整車外觀造型的CAE分析,以完成車型流場(chǎng)風(fēng)阻等造型優(yōu)化設(shè)計(jì),最終完成概念設(shè)計(jì)階段的白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在概念設(shè)計(jì)階段,還需要考慮綠色環(huán)保和未來法規(guī)的要求以及確保材料的可回收利用等要求和因素。在成本方面,要求白車身的價(jià)格能夠與原來的標(biāo)桿車持平或有所降低。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)方面,當(dāng)確保批量投產(chǎn)時(shí),可按原來的生產(chǎn)周期和流程進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。
FSV白車身EVI開發(fā)流程中的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段包括提出和進(jìn)行多種拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案。這一階段將根據(jù)性能目標(biāo)的要求,對(duì)多種拓?fù)浞桨高M(jìn)行優(yōu)化和優(yōu)選,同時(shí)對(duì)車輛的動(dòng)態(tài)性能,包括NVH（噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度）性能、動(dòng)態(tài)剛度、強(qiáng)度、疲勞性能、碰撞時(shí)載荷傳遞路徑等進(jìn)行模擬分析,最終確定拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)方案[15-16]。
在FSV白車身EVI開發(fā)流程的材料工藝與設(shè)計(jì)階段,通過深入分析每個(gè)子系統(tǒng)的零件功能,并將開發(fā)車型的總體減重目標(biāo)與典型零件減重目標(biāo)相結(jié)合,確定了白車身與標(biāo)桿車相比需要減重35%或102kg。為實(shí)現(xiàn)這一減重目標(biāo),制定了具體的用材方案：DP500和DP600鋼的占比為11.8%,DP800鋼、DP1000鋼、TRIP1000鋼、TWIP1000鋼、CP800鋼、CP1000鋼、MS1500鋼的占比分別為9.5%,10.0%,9.5%,2.3%,9.5%,9.3%,1.3%,再加少量高強(qiáng)度低合金鋼和烘烤硬化鋼。通過輥壓成形、沖壓成形、激光拼焊以及差厚板熱沖壓成形和激光拼焊燒烤硬化熱沖壓成形制造相關(guān)零件。在考慮白車身性能和制造工藝時(shí),必須考慮白車身的連接方式。根據(jù)不同部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求,對(duì)點(diǎn)焊連接、激光焊接連接、粘膠連接等連接方式進(jìn)行優(yōu)化分析和試驗(yàn)研究,確保合適的材料通過合適的工藝應(yīng)用在合適的部位,從而實(shí)現(xiàn)車身的輕量化目標(biāo),并提升開發(fā)車型的整體安全性。
FSV白車身EVI開發(fā)流程中的性能驗(yàn)證階段包括白車身剛度、強(qiáng)度和疲勞性能的測(cè)定,白車身的模態(tài)分析,前撞、后撞、側(cè)撞、柱撞、頂部壓潰、翻滾等測(cè)試。在完成所有檢測(cè)項(xiàng)目后進(jìn)行性能評(píng)定,若各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求,則可以進(jìn)行試制和量產(chǎn)。
FSV項(xiàng)目具備以下5個(gè)特點(diǎn)。其一,采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念,在FSV設(shè)計(jì)過程中,先進(jìn)的鋼鐵材料和應(yīng)用技術(shù)與先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念相結(jié)合,形成了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和用材合理的完美解決方案。為形成最佳的設(shè)計(jì)方案,在一個(gè)白車身系統(tǒng)中,根據(jù)不同部位的功能要求,應(yīng)用多個(gè)CAE工具進(jìn)行優(yōu)化。其二,車身材料所應(yīng)用的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的占比高達(dá)97%,其中千兆鋼（GIGA鋼）的占比大于50%,所用的鋼鐵材料能夠滿足車身用材的高強(qiáng)度、良好成形性能、輕量化和良好碰撞性能的要求。其三,應(yīng)用先進(jìn)的成形技術(shù),包括熱成形、液壓成形、激光拼焊、輥壓成形等,同時(shí)通過改善鋼種的加工硬化特性,提高成形性能并增加碰撞安全性。其四,根據(jù)板材的規(guī)格、性能特征、成形方法以及對(duì)成形后零件功能的預(yù)測(cè),優(yōu)化產(chǎn)品的集成方案,同時(shí)應(yīng)用成本分析軟件模擬評(píng)估零件的成本和性價(jià)比以及零件全壽命周期的二氧化碳排放量。其五,開展全壽命周期的技術(shù)評(píng)估,即進(jìn)行生產(chǎn)、使用、回收全流程的二氧化碳排放量和能耗的評(píng)估,以最大限度地減少能耗和全壽命周期的二氧化碳排放量,使其完全符合綠色環(huán)保的要求以及未來法規(guī)的規(guī)定,同時(shí)考慮材料的回收利用效益。
對(duì)于新能源汽車的輕量化,POSCO公司提出了獨(dú)具特色的EVI解決方案,其第一代電動(dòng)車（PBC-EV）開發(fā)過程如下：首先選定標(biāo)桿車,確定參考質(zhì)量和減重目標(biāo),并根據(jù)POSCO公司產(chǎn)品的特點(diǎn),確定采用全車速下具有高安全性的全鋼結(jié)構(gòu),減重目標(biāo)基于2001—2003年鋼制白車身和鋁制白車身的質(zhì)量,并參考多材料白車身的質(zhì)量以及2004—2008年前十位鋼制白車身的質(zhì)量綜合分析而定[15]；然后確定直流電機(jī)的功率、電池包的容量和續(xù)駛里程以及最高車速,并確保車輛滿足8項(xiàng)碰撞安全法規(guī)要求。基于有關(guān)指標(biāo),確定用材方案以及加工制造工藝技術(shù)。白車身的下部空間采用空間桁架結(jié)構(gòu),上部采用單體式全承載式結(jié)構(gòu)。同時(shí),參考超輕鋼汽車車身（ultra light steel auto body,ULSAB）結(jié)構(gòu),將白車身的下部桁架和電池包相融合。在整車造型方面,充分考慮空氣動(dòng)力學(xué)特征和風(fēng)阻的靈敏性。在保證乘員倉安全的前提下,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)使乘員倉頂部空間得以最大化。前懸架采用MacPherson（麥弗遜）懸架,后懸架采用扭力梁懸架。應(yīng)用來自加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校的相關(guān)軟件,對(duì)車輛的碳排放情況與標(biāo)桿車進(jìn)行對(duì)照評(píng)估,并合理控制白車身的成本。在第一代電動(dòng)車開發(fā)過程中,其特征參量均經(jīng)過準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)計(jì)算確定。根據(jù)所選定的標(biāo)桿車,確定整車的尺寸為長(zhǎng)4.32m、寬1.83m、高1.55m,參考的白車身質(zhì)量為296.6kg,而開發(fā)的白車身質(zhì)量目標(biāo)設(shè)定為218.1kg,減重目標(biāo)為78kg。該車型計(jì)劃配備100kW永磁直流電機(jī)、30kW鋰離子電池包,續(xù)駛里程為160km,最高車速為150km·h−1。在安全方面,該車型需滿足8項(xiàng)碰撞安全法規(guī)要求,即頂部壓潰（FMVSS 216&IIHS）、側(cè)碰（FMVSS 214D&IIHS）、側(cè)邊柱碰（FMVSS 214P&EURONCAP）、正碰（USNCAP）、偏置碰（EURONCAP&IIHS）、后碰（FMVSS 301）、低速碰（RCAR&IIHS）、行人保護(hù)（EU PED-PRO Phase 2）等。該車型的用材方案為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼占比65.0%、抗拉強(qiáng)度大于1 GPa的超高強(qiáng)度鋼占比45.4%、鎂板占比2.0%,按照具體材料牌號(hào)的方案為軟鋼占比2.5%、鎂板占比2.0%、熱成形鋼（包括1470MPa和2000MPa級(jí)別）占比8.2%、復(fù)相鋼（CP1180鋼）與馬氏體鋼（M1470鋼）的組合占比10.3%、POSCO專用馬氏體成形鋼占比3.9%、孿晶誘發(fā)塑性鋼（TWIP980鋼）占比10.4%、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP980鋼和1180鋼）占比3.3%、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP590鋼）占比1.6%、雙相鋼（DP980鋼）占比9.3%、雙相鋼（DP490鋼,590鋼,780鋼）占比15.6%、電工鋼占比0.53%、其他電工產(chǎn)品用鋼占比32.9%。在制造工藝技術(shù)方面,沖壓成形、激光拼焊、液壓成形、熱成形、滾壓成形等多種工藝得到廣泛應(yīng)用。在沖壓成形技術(shù)中,根據(jù)零件的性能要求,一方面可采用相同的材料,通過對(duì)零件不同部位進(jìn)行不同的加熱工藝或冷卻工藝,使零件不同部位獲得不同的強(qiáng)度；另一方面,也可以針對(duì)同一零件應(yīng)用不同材料,通過激光拼焊連接,在相同的加熱冷卻工藝下使零件不同部位獲得不同的強(qiáng)度。對(duì)AZ31B鎂合金零件,宜采用溫成形工藝制造。在整車造型方面,充分考慮空氣動(dòng)力學(xué)特征和風(fēng)阻靈敏性,應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬流體動(dòng)力學(xué)以及風(fēng)阻系數(shù)（0.28）的影響。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅實(shí)現(xiàn)了乘員倉頂部和電池包空間的最大化,同時(shí)也將電動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)安置在縮短的子框架內(nèi)。經(jīng)過前碰、后碰、偏置碰等測(cè)試后,第一代電動(dòng)車安全碰撞標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了五星級(jí),并且在各種碰撞測(cè)試后電池均未發(fā)生損壞。白車身的靜態(tài)彎曲剛度為15857N·mm−1,扭轉(zhuǎn)剛度為16644N·m·rad−1,動(dòng)態(tài)彎曲時(shí)的振動(dòng)頻率為51.2Hz,扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率為47.4Hz。全壽命周期二氧化碳排放量為12328kg,白車身制造成本為1018美元。
在第一代電動(dòng)車的開發(fā)以及所取得的成效基礎(chǔ)上,2014年P(guān)OSCO公司開發(fā)了第二代電動(dòng)車。此次開發(fā)旨在進(jìn)一步提高車輛的舒適性和安全性,尤其是針對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)（4WD）的高端車輛,對(duì)其懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,以提高輕量化效果和舒適性。懸架采用熱處理后的超高強(qiáng)彈簧鋼,其抗拉強(qiáng)度達(dá)到2000MPa,減重20%以上[3]。選用抗拉強(qiáng)度1500MPa的熱成形鋼和吉帕級(jí)的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼,以及成形性良好的DP590和DP780先進(jìn)高強(qiáng)度鋼制造30~60kW·h的電池包托盤；電池包殼的上蓋采用深沖性能良好的軟鋼,以保證電池包的安全性,與鋁制電池包相比,減重5%以上[3]。第二代電動(dòng)車的碰撞安全性達(dá)到五星級(jí),小角度碰撞也取得了較好的效果。POSCO公司開發(fā)的全鋼電動(dòng)車車身在輕量化、安全性方面都取得了很好的效果[15]。
此外,美國(guó)的新一代汽車合作伙伴計(jì)劃（the partnership for a new generation of vehicles,PNGV）計(jì)劃,歐盟的超輕汽車（super light car,SLC）計(jì)劃,國(guó)際鋼協(xié)的ULSAB計(jì)劃、超輕鋼汽車懸架（ultralight steel auto suspension,ULSAS）、超輕鋼汽車覆蓋件（ultralight steel auto cover,ULSAC）、超輕汽車車身-先進(jìn)汽車概念（ultralight steel auto body-advanced vehicle concepts,ULSAB -AVC）等,蒂森克虜伯公司的新型全鋼車身項(xiàng)目,Arcelor Mittal公司的車身概念項(xiàng)目（S-in motion）,美國(guó)的關(guān)于商用車輕量化的21世紀(jì)卡車項(xiàng)目,以及美國(guó)能源部指定的重型商用車輕量化目標(biāo)等相關(guān)項(xiàng)目,都是以鋼鐵材料為主的汽車輕量化項(xiàng)目,并都取得了良好效果[14]。
國(guó)內(nèi)外企業(yè)典型的EVI活動(dòng)
韓國(guó)POSCO公司的EVI活動(dòng)
韓國(guó)POSCO公司是繼日本JFE公司之后較早提出EVI概念,并在國(guó)際上率先開展EVI活動(dòng)的企業(yè)。在2008年于韓國(guó)松島召開的全球首屆EVI論壇上,POSCO公司的代表首先論述了EVI的模式和內(nèi)涵,并將SE、VE、VI、PP作為EVI模式的核心,對(duì)EVI的模式進(jìn)行了詳細(xì)說明和論述[2,16],并以開發(fā)用戶所需要的產(chǎn)品為主題,展示和論述了普通高強(qiáng)度鋼、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼以及一代、二代、三代高強(qiáng)度鋼的性能以及相關(guān)應(yīng)用前景；參會(huì)的汽車行業(yè)代表展示了輕量化的發(fā)展和需求。為了做好EVI工作,POSCO公司專門成立了汽車鋼應(yīng)用中心,與用戶共同開發(fā)新鋼種的相關(guān)應(yīng)用技術(shù),滿足用戶對(duì)新鋼種應(yīng)用的需求。POSCO公司秉承用戶第一的理念,分專題介紹了滿足用戶需求所開發(fā)的一些新產(chǎn)品,例如：多相烘烤硬化鋼（MP-BH Steel）,烘烤后該鋼具有更高的屈服強(qiáng)度,烘烤硬化量高達(dá)80 MPa,有效增加了零件的凹痕抗力,已應(yīng)用于前擋泥板的制造；超級(jí)TRIP鋼和DP鋼,這兩種鋼利用分布于晶界的微合金化碳氮化物阻擋金屬硅、錳等合金元素沿晶界擴(kuò)散,控制了鋼材表面的氧化物形成,改善了退火氧化物的形態(tài),提高了鋼材表面的抗氧化性能；結(jié)合汽車廠輕量化需求開發(fā)超級(jí)和特級(jí)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼,包括馬氏體TRIP鋼、超級(jí)貝氏體TRIP鋼、孿晶誘發(fā)塑性鋼等；與意大利菲亞特公司合作開發(fā)TWIP鋼,該鋼被用于制作菲亞特車輛保險(xiǎn)杠,通過改進(jìn)TWIP鋼的翻邊延性,使其能夠用于制造車輪,在應(yīng)用中取得了良好效果。
為改善板材的表面性能、摩擦性能、耐腐蝕性能和涂層的均勻性,以適用于制造車身的外板結(jié)構(gòu)件等,新開發(fā)的以靜電氣溶膠涂層固化的熱浸鍍鋅鋼板（GI coating solidified with aerosols charged with electrostatic,GI-ACE板）鍍層的鋅花尺寸由原來的1000~2000μm細(xì)化到50~60μm,改善了鋼板的表面形貌、成形性能、耐腐蝕性能以及涂裝后的清潔性能、光鮮性和均勻性。為改進(jìn)合金化熔融鍍鋅鋼板（GA板）的表面潤(rùn)滑性能,在其表面增加了潤(rùn)滑薄膜,改進(jìn)后的摩擦因數(shù)較原GA板降低了20%。與GI板相比,POSCO公司開發(fā)的鋅鎂（Zn-Mg）涂層板的涂層結(jié)合力與焊接電極壽命相當(dāng),成形性能、表面形貌、激光焊接性和腐蝕抗力得到改善,但價(jià)格上漲15%[2]。POSCO公司還開發(fā)了用于熱成形的有機(jī)納米涂層板,該涂層為有機(jī)和無機(jī)復(fù)合納米粒子填充的復(fù)合物,從而改善了鋼板加熱時(shí)表面的抗氧化性能、熱成形后零件的點(diǎn)焊性能以及室溫的預(yù)成形性能。表1給出了POSCO公司熱沖壓成形鋼系列烘烤前后的性能[17],烘烤后熱沖壓成形鋼具有更高的屈服強(qiáng)度。
2010年P(guān)OSCO全球EVI論壇的主題為在汽車零件制造中如何對(duì)用戶進(jìn)行幫助,包括如何使用先進(jìn)的激光拼焊板、液壓成形技術(shù)、熱沖壓成形技術(shù),以及如何用好與這些成形技術(shù)相關(guān)的新的鋼種。在汽車制造中特別是高強(qiáng)度白車身的制造中,點(diǎn)焊技術(shù)是一項(xiàng)重要的制造技術(shù),通常一部汽車白車身的焊點(diǎn)數(shù)量超過4000個(gè)。高強(qiáng)度板和新的涂層技術(shù)的發(fā)展對(duì)點(diǎn)焊條件也提出了新的要求。按照ISO18278-2：2016Resistance welding—Weldability Part 2: Evaluation procedures for weldability in spot welding標(biāo)準(zhǔn),對(duì)未涂層板進(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)的電極壓力為4.5 kN,熔化時(shí)間為3s,焊接時(shí)間為130s,冷卻時(shí)間為40s,保持時(shí)間為300s,電極為Cu-Cr電極,電極形式為模塊式的電極系統(tǒng),電極頭部直徑為0.8mm,冷卻劑流量為4L·min−1,點(diǎn)焊板材和沖壓零件的厚度在1.5~1.7mm。當(dāng)點(diǎn)焊抗拉強(qiáng)度為1470MPa的熱成形裸板時(shí),其點(diǎn)焊電流為3.0~7.7kA。對(duì)于抗拉強(qiáng)度為1470MPa的鋁硅涂層熱沖壓成形板,點(diǎn)焊電流為8.5~10.5kA。對(duì)于抗拉強(qiáng)度為1800,2000MPa的熱沖壓成形裸板,點(diǎn)焊電流分別為7.5~9.0,7.5~8.5kA。這些數(shù)據(jù)表明對(duì)于熱成形的裸板,點(diǎn)焊電流偏低且范圍寬,而對(duì)于強(qiáng)度較低的鋁硅涂層板,點(diǎn)焊電流范圍也較寬,但其數(shù)值明顯提升；當(dāng)裸板的強(qiáng)度級(jí)別提升時(shí),點(diǎn)焊電流增大,但范圍變窄。表2列出了不同強(qiáng)度熱成形鋼點(diǎn)焊后接頭的拉伸剪切和十字拉伸試驗(yàn)結(jié)果以及相關(guān)的延性比[18],可以看出,隨著板材強(qiáng)度的增大,點(diǎn)焊后接頭的強(qiáng)度以及延性比均下降,斷裂模式均為部分交界面分離。當(dāng)點(diǎn)焊工藝適當(dāng)時(shí),焊點(diǎn)的承載能力（拉伸剪切和十字拉伸）都隨基體材料的強(qiáng)度增大而下降,延性比也基本呈現(xiàn)該變化趨勢(shì)[18]。
2012年P(guān)OSCO全球EVI論壇的主題為如何使用戶快速使用新的鋼鐵產(chǎn)品,旨在將鋼鐵產(chǎn)品的開發(fā)與用戶汽車產(chǎn)品的開發(fā)有機(jī)融合在一起,推進(jìn)EVI的深度合作,并且提出“用戶的成功就是我們的明天”的理念。為此,鋼鐵企業(yè)將新產(chǎn)品的性能進(jìn)行全面的檢測(cè)并編制相關(guān)手冊(cè),如POSCO公司編寫的《Automotive Steel Data Book 2011》,同時(shí)還將鋼鐵材料的各類數(shù)據(jù)嵌入到知名的設(shè)計(jì)與分析軟件中,這其中涵蓋新材料的力學(xué)性能、成形性能、焊接工藝和性能、涂裝性能（光鮮性和耐腐蝕性能）以及零件的抗疲勞性能等,并將其全面系統(tǒng)展示給用戶,根據(jù)用戶所開發(fā)的零件功能要求,為用戶推薦合適的材料,共同解決用戶應(yīng)用新材料時(shí)所遇到的任何問題和細(xì)節(jié)。因此,POSCO公司的EVI就是與用戶一起將相關(guān)材料制造成合適的零件,使其滿足零件功能的要求,同時(shí)提供相應(yīng)工藝技術(shù)和方法的合作開發(fā)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。
2014年P(guān)OSCO全球EVI論壇的主題為從鋼材的供應(yīng)商到解決問題的合作伙伴。鋼材供應(yīng)商及時(shí)為用戶提供所需鋼材以及應(yīng)用技術(shù),包括成形、涂裝、焊接、零件的評(píng)價(jià)等相關(guān)技術(shù),同時(shí)為用戶提供商業(yè)支持,包括用戶用材的及時(shí)交付、物流成本的控制、下游商業(yè)關(guān)系的協(xié)調(diào)以及金融支持等。鋼材供應(yīng)商通過營(yíng)銷和技術(shù)的有機(jī)融合,為用戶提供解決問題的軟硬件營(yíng)銷策略,實(shí)現(xiàn)雙方的互利共贏。
2016年P(guān)OSCO全球EVI論壇的主題為金融合作和建立合資企業(yè)[19]。POSCO公司為合資企業(yè)的建設(shè)提供產(chǎn)品開發(fā)資源、全球網(wǎng)絡(luò)、限額投資、零件開發(fā)、零件生產(chǎn)工藝等工業(yè)信息,極大拉近了材料生產(chǎn)企業(yè)和材料研發(fā)生產(chǎn)單位與用戶之間的關(guān)系。在該論壇上,在對(duì)道瓊斯可持續(xù)發(fā)展世界指數(shù)（the Dow Jones sustainability world index,DJSI）、健康安全與社會(huì)貢獻(xiàn)等方面與國(guó)際上知名鋼鐵公司進(jìn)行評(píng)比后,POSCO公司位列榜首,其余參與公司依次為瑞鋼鋼板公司、蒂森克虜伯鋼公司、現(xiàn)代鋼鐵公司、Arcelor Mittal公司。在世界鋼動(dòng)力對(duì)世界鋼鐵公司進(jìn)行的世界級(jí)鋼鐵制造商排名中,POSCO公司仍穩(wěn)居第一,其余參與排名的鋼鐵公司排序?yàn)樾氯砧F住金株式會(huì)社、紐柯鋼鐵公司、美國(guó)鋼鐵動(dòng)力公司、俄羅斯NLMK鋼公司、俄羅斯謝維爾鋼鐵、美國(guó)VOEST-ALPINE國(guó)際貿(mào)易公司、巴西蓋爾道鋼公司、日本鋼鐵控股公司、日本制鋼所。在技術(shù)創(chuàng)新、熟練生產(chǎn)工人、產(chǎn)品附加值3項(xiàng)上,POSCO公司仍拔得頭籌,其余參與公司的排序?yàn)樾氯砧F住金株式會(huì)社、紐柯鋼鐵公式、鋼鐵動(dòng)力公司、俄羅斯NLMK鋼公司。這些排名展示了POSCO公司在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)能力、產(chǎn)品的可信度和技術(shù)上的先進(jìn)性。在該論壇上POSCO公司對(duì)應(yīng)用于汽車工業(yè)的GIGA鋼性能進(jìn)行了系統(tǒng)展示,并針對(duì)其成形、焊接、疲勞等性能方面提供了解決方案。對(duì)于新開發(fā)的高錳鋼,展示了其用于制作液化天然氣容器儲(chǔ)罐的相關(guān)技術(shù),包括設(shè)計(jì)技術(shù)、分析技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)等。在建筑領(lǐng)域,展示了高強(qiáng)度的鋼絲和棒材以及基于這些材料所制造零件的功能分析,同時(shí)展示了POSCO公司的新技術(shù)創(chuàng)新和新材料應(yīng)用的EVI解決方案。在商業(yè)運(yùn)作方面,POSCO公司提出共同建立合資公司的倡議,旨在大幅度降低運(yùn)輸成本,聯(lián)手開發(fā)市場(chǎng),提供資金支持,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速配送。從硬件鋼鐵材料供應(yīng)到軟件的技術(shù)問題解決和方案的制定,再到商務(wù)支持（包括及時(shí)交貨、下游商務(wù)協(xié)調(diào)、資金協(xié)作、運(yùn)輸成本控制、建立合資公司、參與市場(chǎng)開拓等方面）,這些合作模式和成果展示使得POSCO公司成為下游用戶未來最可靠的合作伙伴,此外通過這些論壇的成功舉辦,也在國(guó)內(nèi)外的用戶中樹立了良好形象。
2018年P(guān)OSCO全球EVI論壇恰逢P(guān)OSCO建廠50周年[20],世界鋼鐵協(xié)會(huì)總干事Edwin Basson在該次會(huì)議上作了題為“鋼——未來最好的材料”的主旨報(bào)告[21],指出鋼鐵材料在資源利用、管理環(huán)境、低碳低能耗生產(chǎn)、循環(huán)再生等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),同時(shí)鋼鐵材料還可以在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中作為一種框架,與所有的材料協(xié)同工作,形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有力支撐。不僅如此,鋼鐵材料的生產(chǎn)和應(yīng)用還具有節(jié)能減排的特點(diǎn),每生產(chǎn)1t鋁錠的碳排放量高達(dá)16.1t,而每生產(chǎn)1t鋼錠的碳排放量?jī)H為1.866t。高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)交通工具的輕量化,進(jìn)而減少油耗,降低碳排放量。在此次論壇上,POSCO公司正式提出了GIGA鋼的概念,并將其作為汽車輕量化和安全性的解決方案和用材,同時(shí)深入論述了新能源汽車輕量化用材的發(fā)展趨勢(shì)。在應(yīng)用超高強(qiáng)鋼進(jìn)行新能源汽車輕量化時(shí),需要解決氫脆、液態(tài)金屬脆性、冷成形時(shí)零件回彈、模具磨損等諸多技術(shù)問題。而解決上述問題,則需要主機(jī)廠、材料生產(chǎn)和供應(yīng)企業(yè)、零件廠的共同合作,如此才能發(fā)揮出這一經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的新型材料的優(yōu)勢(shì)。POSCO公司已成功應(yīng)用GIGA鋼制成了電池包殼,并在電池包中采用了高能量密度的鋰、鎳、鈷等可以快速充電的長(zhǎng)壽命電池材料。POSCO公司還特別強(qiáng)調(diào)了EVI模式的拓展應(yīng)用,如將高性能的熱軋板、冷軋板應(yīng)用在智能化的高層建筑、橋梁、模塊化裝配式建筑等領(lǐng)域。在汽車制造領(lǐng)域,GIGA系列鋼材應(yīng)用于白車身,熱成形門環(huán),表面質(zhì)量、油漆光鮮性、耐腐蝕性能要求更高的汽車外板,保險(xiǎn)杠,輕量化的空心車身安全穩(wěn)定桿,減重20%以上的懸架系統(tǒng),可作為高頻下低芯鐵損、高強(qiáng)度的電機(jī)材料,輕量化的風(fēng)電能源材料,氫燃料電池包材料,可加工成高強(qiáng)度、高延遲斷裂抗力、零件性價(jià)比高、熱處理工藝簡(jiǎn)單的線棒材等。
蒂森克虜伯公司的EVI活動(dòng)
蒂森克虜伯公司為汽車行業(yè)提供技術(shù)解決方案和EVI技術(shù)服務(wù),前后推出5款車身和平臺(tái)系統(tǒng),分別為1998年設(shè)計(jì)開發(fā)的ULSAB車身、2003年推出的NSB®車身、2009年的InCar®平臺(tái)、2014年的InCar*plus平臺(tái)和2019年的selectrify®平臺(tái)。
Incar項(xiàng)目[22]是蒂森克虜伯公司為汽車行業(yè)所設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性研發(fā)項(xiàng)目。該項(xiàng)目以客戶為導(dǎo)向,與汽車產(chǎn)業(yè)的合作伙伴共同確定研究方向,重點(diǎn)關(guān)注汽車的質(zhì)量、成本、功能以及二氧化碳排放的可持續(xù)性改進(jìn),研發(fā)成果中包括30多項(xiàng)關(guān)于車身、底盤和動(dòng)力系統(tǒng)的創(chuàng)新性解決方案。該項(xiàng)目選取的標(biāo)桿車是一個(gè)要求嚴(yán)格的高性能車型,其整體指標(biāo)代表了2009年汽車技術(shù)發(fā)展水平,部分性能和技術(shù)更處于領(lǐng)先地位。該項(xiàng)目旨在超越標(biāo)桿車的相關(guān)性能和結(jié)構(gòu),而相關(guān)的創(chuàng)新方案均以成熟度和可行性為依據(jù),以便快速地適應(yīng)客戶的個(gè)性化需求。借助第三方的數(shù)據(jù)庫,項(xiàng)目中的各項(xiàng)指標(biāo),尤其是二氧化碳排放指標(biāo),可媲美當(dāng)前一流技術(shù)。項(xiàng)目的實(shí)施集成了蒂森克虜伯公司在材料開發(fā)、工程設(shè)計(jì)、零件制造、樣件試制和工裝設(shè)備制造等領(lǐng)域的相關(guān)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),其合作模式也彰顯了蒂森克虜伯公司在百余年的發(fā)展歷史中一直與汽車領(lǐng)域用戶所建立的合作伙伴關(guān)系。項(xiàng)目中所提出包括車身、底盤、動(dòng)力總成等方面超過30余項(xiàng)的創(chuàng)新解決方案,均經(jīng)過充分論證和時(shí)間驗(yàn)證,成熟度很高。對(duì)于新開發(fā)零件的結(jié)構(gòu)以及碰撞、耐久性等性能,不僅進(jìn)行了虛擬模擬分析,還開展了實(shí)件測(cè)試,甚至防腐性能和涂裝性能也進(jìn)行了驗(yàn)證,因而必然會(huì)給用戶帶來成功的體驗(yàn)。汽車廠商在實(shí)現(xiàn)汽車減重、零件功能提升和成本下降等方面都能找到理想的方案。同時(shí),項(xiàng)目通過構(gòu)建二氧化碳排放評(píng)估體系,全面且系統(tǒng)地展示了汽車開發(fā)中的環(huán)境保護(hù)措施以及所具備的透明度。Incar EVI模式的另一突出特點(diǎn)在于,對(duì)同一個(gè)零件的選材、生產(chǎn)流程和工藝進(jìn)行了多種方案的對(duì)比。以汽車的B柱為例,其在成本、質(zhì)量、二氧化碳排放方面與標(biāo)桿參考件的多種方案的比較結(jié)果見表3,標(biāo)桿方案為DP-W®600不等厚激光拼焊冷沖壓成形板。
表 3Incar項(xiàng)目中不同汽車B柱解決方案的特點(diǎn)比較
Table 3.Comparison of characteristics of different auto B-pillar solutions in Incar project
在Incar項(xiàng)目的基礎(chǔ)上,2016年蒂森克虜伯公司繼續(xù)開展了Incar plus項(xiàng)目[22],該項(xiàng)目融合了公司內(nèi)部多學(xué)科專業(yè)知識(shí),打造了多種零件,超過40個(gè)輕量化的獨(dú)立解決方案,可以在不影響車輛性能的前提下實(shí)現(xiàn)有效減重,白車身的輕量化指數(shù)降至2.7。
TAGAL的EVI服務(wù)模式
TAGAL的EVI服務(wù)模式可追溯至2008年蒂森克虜伯鋼鐵中國(guó)應(yīng)用技術(shù)組的成立。2010年,該團(tuán)隊(duì)整體并入TAGAL旗下。2012年,TAGAL將傳統(tǒng)的早期技術(shù)介入（early technology involvement,ETI）和先期工藝介入（early process involvement,EPI）相結(jié)合,提出了“ETI=EVI+EPI”的特色技術(shù)服務(wù)模式。2024年,TAGAL再次將EVI模式升級(jí),推出了EVI-Pro,利用騰訊云基地（Tencent cloud base,TCB）數(shù)字化平臺(tái)和定制化可變車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),在客戶車身開發(fā)早期提供性能優(yōu)化、降本和輕量化等設(shè)計(jì)服務(wù),有效提高了EVI工程設(shè)計(jì)精度、開發(fā)效率和服務(wù)靈活性。通過持續(xù)引入最新鋼種、表面處理技術(shù)、冷/熱成形工藝技術(shù),為新能源車身及零部件提供EVI工程服務(wù),從而推進(jìn)未來車身安全、輕量化、經(jīng)濟(jì)性和綠色發(fā)展。
2024年的TCB數(shù)字化平臺(tái),集成了TAGAL最新產(chǎn)品、技術(shù)和服務(wù)的新能源汽車用鋼一體化解決方案,可變?nèi)撝栖嚿硐到y(tǒng)以及多種成套工程技術(shù)解決方案和服務(wù)創(chuàng)新。TCB純電車身系統(tǒng)是TAGAL在引進(jìn)蒂森克虜伯公司selectrify平臺(tái)基礎(chǔ)上,緊密結(jié)合中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)需求,并充分借鑒在國(guó)內(nèi)多年為40余款整車車身提供EVI服務(wù)的經(jīng)驗(yàn),對(duì)電機(jī)、電池和底盤架構(gòu)進(jìn)行升級(jí)迭代,進(jìn)而采用專業(yè)車身工程技術(shù)及流程打造的數(shù)字化純電汽車平臺(tái)。該數(shù)字化平臺(tái)在設(shè)計(jì)上兼顧性能、質(zhì)量、成本和環(huán)保指標(biāo),采用全鋼制車身,通過新材料和新工藝技術(shù)的組合應(yīng)用設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了卓越的靜態(tài)剛度（扭轉(zhuǎn)剛度高達(dá)37266N·m·rad−1）和動(dòng)態(tài)碰撞安全性能（C-NCAP碰撞五星級(jí)）；相比同級(jí)別標(biāo)桿車身,該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)減重10%、降本15%的效果,同時(shí)還開展了零部件及整車車身LCA的碳排放評(píng)價(jià),其中材料生產(chǎn)階段碳排放降低13.5%,零件制造階段降低0.6%,按行駛15×104km計(jì),使用階段降低85.5%,回收階段降低0.4%。2024年3月20日,TAGAL在重慶召開了數(shù)字化車身及其用鋼解決方案的成果發(fā)布會(huì)。此次發(fā)布會(huì)展示的成果摒棄了過去通過制造概念車進(jìn)行EVI服務(wù)的模式,而是基于新格局、新需求、新驅(qū)動(dòng)的理念,開發(fā)了數(shù)字化的白車身,并提出多種用鋼解決方案,這使得EVI的服務(wù)活動(dòng)內(nèi)容更加豐富,用戶可選擇的方案更多,應(yīng)用更方便,開發(fā)產(chǎn)品的周期更短,從而開創(chuàng)了一種嶄新的模式；特別是發(fā)布會(huì)上展示的電動(dòng)車白車身和電池包一體化的輕量化解決方案,不僅使輕量化的效果更顯著,而且為客戶提供更多的可選擇方案,具有更好的性價(jià)比,同時(shí)進(jìn)一步豐富了EVI服務(wù)的內(nèi)容,提升了效率。這一系列新的思維和特點(diǎn)以及良好的效果使得這一新型的EVI模式有廣泛的發(fā)展前景。
TAGAL的EVI服務(wù)可以根據(jù)客戶的不同需求,在產(chǎn)品開發(fā)的不同階段選擇不同的技術(shù)介入,積極構(gòu)建定制化的技術(shù)和服務(wù),切實(shí)解決實(shí)際的工程問題,其優(yōu)勢(shì)在于充分發(fā)揮從材料到車身的全流程中技術(shù)和工藝的融合和集成能力,涵蓋汽車開發(fā)的各個(gè)階段,包括車身概念開發(fā)、車身工程設(shè)計(jì)和開發(fā)、工裝制造和調(diào)試以及量產(chǎn)階段。TAGAL構(gòu)建了相應(yīng)的技術(shù)體系,并配備針對(duì)性的服務(wù),從而提供滿足主機(jī)廠在不同階段的EVI技術(shù)服務(wù)。
TAGAL進(jìn)行EVI服務(wù)的典型案例如下。（1）高強(qiáng)度輕量化外板的應(yīng)用。高強(qiáng)度輕量化外板的應(yīng)用助力構(gòu)件輕量化。以標(biāo)桿車的發(fā)罩外板為例,其原來采用材料CR180BH、厚度0.65mm的方案,經(jīng)過TAGAL優(yōu)化后其輕量化方案選用材料CR290Y490T-DP、厚度0.50mm,實(shí)現(xiàn)了減重20%、降本13.8%的效果。標(biāo)桿車的后門總成原用材料CR180BH、厚度0.65mm的方案,而輕量化方案為材料CR290Y490T-DP、厚度0.50mm,達(dá)到降本11.7%、減重18.3%的效果。（2）AS Eco熱成形鋼板的開發(fā)和推廣應(yīng)用。TAGAL的AS Eco熱成形鋼應(yīng)用了東北大學(xué)研發(fā)的薄Al-Si鍍層的專利,打破了國(guó)外專利的長(zhǎng)期壟斷局面。這種熱成形鋼制成的構(gòu)件具有優(yōu)異的韌性,并且經(jīng)過多年的試驗(yàn)測(cè)試和試制,總結(jié)出了可供穩(wěn)定生產(chǎn)的熱成形工藝加熱窗口。通過EVI模式已成功將該鋼應(yīng)用于汽車門環(huán)、B柱和門防撞梁,并取得了非常可觀的降本效果。（3）網(wǎng)格型面模具技術(shù)的應(yīng)用。該技術(shù)不僅可以有效防止凸模上的油污積聚,而且還可以有效減少?zèng)_壓件的凸凹效果,該技術(shù)已應(yīng)用在頂蓋、前蓋、翼子板、側(cè)圍板等網(wǎng)格拉延模,以及前后門外板的修邊沖孔模具中。網(wǎng)格模具的引入使得零件返修率由10%~15%降低到2%以下,從而極大幫助了主機(jī)廠提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本。（4）TAGAL greenS低碳排放鋼的應(yīng)用。該鋼的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)綠色發(fā)展的主要舉措之一。在原材料制備階段,采用“高爐+轉(zhuǎn)爐+大廢鋼比”和“電弧爐+全廢鋼”兩大工藝路徑,分別實(shí)現(xiàn)了噸鋼碳減排30%和60%以上的成效。同時(shí),TAGAL將EVI服務(wù)與綠色低碳理念相結(jié)合,加快了汽車制造企業(yè)向綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)的步伐。
國(guó)際鋼協(xié)的EVI活動(dòng)
國(guó)際鋼協(xié)在未來鋼汽車的項(xiàng)目中,對(duì)EVI活動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)的展示,涵蓋了新車制造的工藝過程以及將EVI模式融入其中的方式,即從開發(fā)計(jì)劃的制定、概念設(shè)計(jì)的構(gòu)思、詳細(xì)設(shè)計(jì)的推進(jìn)、原型試制的實(shí)施,直到小批量生產(chǎn)的開展以及零件功能的驗(yàn)證[23]。相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)參閱第4節(jié)新車開發(fā)中的EVI活動(dòng)。
Arcelor Mittal公司的EVI活動(dòng)
Arcelor Mittal在EVI活動(dòng)時(shí)將標(biāo)桿車的收集、分析、研究和選定（Benchmark）以及展示作為重要的展示內(nèi)容,該公司收集了2010年的10多種款式C級(jí)標(biāo)桿車,同時(shí)展示出這些車輛的質(zhì)量、價(jià)格和功能,并與同檔次車的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行比較,從而提出EVI方案的參考指標(biāo)。Arcelor Mittal公司將所擁有的最新生產(chǎn)的標(biāo)桿車的Benchmark信息,與歐洲同期生產(chǎn)的樣車基準(zhǔn)及北美的樣車基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照,再參照2010年北美車型的碰撞要求和材料構(gòu)成,提出用于EVI展示的C級(jí)概念車的制作方案,也就是該公司在2010年所開展的S-in motion項(xiàng)目。Arcelor Mittal運(yùn)用了一系列的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和思維對(duì)S-in motion概念車的制作實(shí)施過程進(jìn)行綜合優(yōu)化,包括3個(gè)在全球范圍內(nèi)處于領(lǐng)先水平的前端模塊設(shè)計(jì)方案、4個(gè)適用于歐洲和2個(gè)適用于北美的后部模塊的解決方案、3個(gè)在歐洲和2個(gè)在北美處于領(lǐng)先水平的車身尾部的解決方案以及3個(gè)在全球范圍處于領(lǐng)先水平的車門模塊解決方案,使所開發(fā)的概念車減重效果最優(yōu),五星級(jí)碰撞效果最好,NVH效果達(dá)到當(dāng)時(shí)Benchmark標(biāo)桿車的前沿水平,從而形成S-in motion的EVI方法論和解決方案。具體而言,針對(duì)不同零件,采用包括先進(jìn)高強(qiáng)度鋼、熱沖壓成形鋼、激光拼焊板、管材、線棒材等在內(nèi)的60種鋼鐵材料,使得C級(jí)概念車的白車身減少73kg或減重19%,車輛使用時(shí)的二氧化碳當(dāng)量排放量減少13.5%,同時(shí)并未增加成本。
在Arcelor Mittal的EVI方案中,憑借該公司擁有的鋁硅涂層熱成形鋼板的專利壟斷優(yōu)勢(shì),展示了熱沖壓成形門環(huán)技術(shù)及其解決方案,并將應(yīng)用范圍擴(kuò)大到其他零件,從而顯著提高了輕量化效果、安全性和剛性。
中國(guó)寶鋼的EVI活動(dòng)
寶鋼是在我國(guó)較早開展EVI活動(dòng)的企業(yè)之一,在其EVI活動(dòng)時(shí)通過制造白車身的方式展示出寶鋼新鋼種研發(fā)的最新成果和先進(jìn)的工藝技術(shù)。寶鋼開展的EVI活動(dòng)流程呈現(xiàn)出全程系統(tǒng)化和個(gè)性化的特點(diǎn),更能為用戶開發(fā)新產(chǎn)品提供全方位的支持內(nèi)容,寶鋼EVI活動(dòng)的流程、支持內(nèi)容和項(xiàng)目如圖1所示[3],所制概念車的白車身的各項(xiàng)指標(biāo)見表4,超輕型白車身概念車（BCB）與其他相關(guān)車型概念車指標(biāo)的比較見表5[3]。BCB概念車曾在全國(guó)主要汽車制造企業(yè)進(jìn)行巡回展示,并取得了良好的效果。寶鋼曾于2011年召開了國(guó)內(nèi)首屆EVI會(huì)議,此后又召開多次此類會(huì)議,持續(xù)不斷地為用戶提供全流程系統(tǒng)化的EVI模式支持。在材料技術(shù)方面,寶鋼提出了選材優(yōu)化技術(shù)。在工藝技術(shù)方面,結(jié)合自身鋼材生產(chǎn)的特點(diǎn),融入了各種先進(jìn)的冶煉、軋制等制造技術(shù),同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)開展了零件制造工序優(yōu)化以及成形和模具裝備配置優(yōu)化。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面,應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件,根據(jù)零件的工況對(duì)其進(jìn)行模擬分析、優(yōu)化設(shè)計(jì),借助先進(jìn)的分析軟件對(duì)零件成形性和輕量化進(jìn)行模擬與敏感性分析,構(gòu)建了一攬子先進(jìn)的高功能零件的解決方案和相關(guān)的知識(shí)儲(chǔ)備。2015年制造的BCB概念車應(yīng)用了寶鋼的各種先進(jìn)材料和成形技術(shù),在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)提升了白車身的相關(guān)功能,在國(guó)內(nèi)取得良好的示范效果。2023年4月在EVI和氫脆國(guó)際會(huì)議召開前,寶鋼和武鋼聯(lián)合重組的寶武在“產(chǎn)業(yè)合作與創(chuàng)新”一文中提出了寶武汽車板發(fā)展的理念,該理念強(qiáng)調(diào)了不僅滿足用戶要求,而且還不斷超越用戶的滿意度。寶鋼EVI模式已成為鋼鐵行業(yè)開發(fā)和應(yīng)用汽車新材料的典范。在與汽車廠EVI的合作中,寶鋼等材料生產(chǎn)企業(yè)也更加深刻理解了EVI的內(nèi)涵[4]。1999年寶鋼成立用戶技術(shù)中心,是國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)首個(gè)用戶技術(shù)中心。多年來寶鋼在成形、連接、涂裝三大應(yīng)用技術(shù)上取得了一系列的創(chuàng)新研發(fā)成果。繼2015年寶鋼推出了首個(gè)BCB概念車之后,2021年又推出了超輕型高安全純電動(dòng)車的白車身BCB EV,在成本可控的條件下減重16%,有力推動(dòng)新能源汽車輕量化的發(fā)展。寶鋼還堅(jiān)持EVI創(chuàng)造價(jià)值的理念,積極走國(guó)際化開放道路,參與國(guó)際ULSAB、FSV項(xiàng)目和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的使用指南編制,以及白車身LCA等級(jí)評(píng)估等活動(dòng),始終將“堅(jiān)持用戶的標(biāo)準(zhǔn)、用戶的計(jì)劃、用戶的利益”作為寶鋼的追求理念。2021年,寶鋼又緊跟中央的“雙碳”戰(zhàn)略部署,及時(shí)制定寶鋼產(chǎn)品達(dá)到“雙碳”要求的時(shí)間表,計(jì)劃于2023年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2025年實(shí)現(xiàn)碳中和,與用戶共同開展汽車產(chǎn)品全生命周期的碳足跡評(píng)價(jià)。2023年3月27日,作為國(guó)內(nèi)首個(gè)量產(chǎn)供貨的低碳排放汽車板產(chǎn)品（BeyondECO®-30%）在寶山基地1550電鍍鋅機(jī)組正式下線,該產(chǎn)品作為寶鋼新能源車整體解決方案品牌SMARTeX的重要成果,以寶鋼汽車板QCDDS為品牌基因,賦能汽車用戶,是低碳綠色鋼生產(chǎn)制造的重大突破,標(biāo)志著寶鋼汽車板在低碳冶金研發(fā)領(lǐng)域取得顯著成效,實(shí)現(xiàn)了低碳化設(shè)計(jì)、低碳化制造、低碳化產(chǎn)品生產(chǎn)及低碳化應(yīng)用,同時(shí)通過EVI與“雙碳”目標(biāo)相結(jié)合,助力鋼鐵和汽車行業(yè)早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。
目前,EVI模式已在我國(guó)大型鋼鐵企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,成為技術(shù)服務(wù)和產(chǎn)品推廣的重要手段。這一模式不僅獲得鋼鐵材料生產(chǎn)單位的有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)與相關(guān)人員高度認(rèn)可,而且也在新產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)服務(wù)中被付諸實(shí)踐和應(yīng)用。
中信金屬的EVI活動(dòng)
在一些應(yīng)用EVI模式進(jìn)行技術(shù)服務(wù)和新產(chǎn)品開發(fā)的企業(yè)中,中信金屬的EVI工作具有一定的特色。首先,針對(duì)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼在汽車中應(yīng)用時(shí)存在強(qiáng)韌性不足、氫致延遲斷裂抗力偏低、成形性差、焊后韌度和耐久性不足等問題,結(jié)合該公司在微合金化元素鈮對(duì)汽車用鋼性能和加工工藝影響方面的初步研究成果,聯(lián)合用戶以EVI模式為指引開展大量研究。在此過程中,探討了鈮對(duì)汽車用鋼性能影響和改善的機(jī)理,進(jìn)而指導(dǎo)用戶用好鈮微合金化高強(qiáng)度和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼,并將研究成果編輯成書或論文集,與用戶共享。中信金屬依據(jù)EVI服務(wù)相關(guān)的內(nèi)容和發(fā)展過程,形成了EVI 1.0至EVI 5.0的發(fā)展歷程,具體見表6[24]。
中信金屬與有關(guān)科研單位聯(lián)合開發(fā)了車身材料的智能選材系統(tǒng),即正向選材系統(tǒng)[24-26],其網(wǎng)頁版和軟件版1.0版已于2020年的EVI與氫脆大會(huì)上對(duì)外發(fā)布。該軟件基于高強(qiáng)度材料失效斷裂卡片以及汽車車身安全的環(huán)狀結(jié)構(gòu),堅(jiān)持將合適的材料匹配至合適部位的理念,構(gòu)建了首個(gè)考慮輕量化、成本、安全、制造工藝4個(gè)維度及9個(gè)子維度的選材體系,進(jìn)一步完善了常用汽車板的材料數(shù)據(jù)測(cè)試成果,為實(shí)現(xiàn)材料的合理選材提供了一款更加便捷有效的工具。
中信金屬的EVI模式基于服務(wù)對(duì)象、研發(fā)內(nèi)容、技術(shù)領(lǐng)域、基礎(chǔ)研究的變化,將其應(yīng)用研究分為3個(gè)階段：第一階段為汽車鋼鐵材料的開發(fā)階段,研發(fā)出的鋼鐵材料包括微合金化高強(qiáng)度低合金鋼、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼、特殊烘烤硬化鋼,以及各類專業(yè)用鋼,如大梁鋼、車輪鋼、齒輪鋼、彈簧鋼、耐磨鋼等；第二階段為零件的開發(fā)階段,所開發(fā)的零件為汽車產(chǎn)品中有代表性的零件,如B柱、保險(xiǎn)杠橫梁、車輪、車架、高應(yīng)力輕量化少片變截面板簧、新型不銹鋼的排氣系統(tǒng)、新能源汽車用的高轉(zhuǎn)速齒輪鋼等；第三階段為總成及整車的開發(fā)階段,該階段主要研發(fā)各類特殊用途且追求輕量化的商用車,以及和主機(jī)廠、材料生產(chǎn)廠聯(lián)合開發(fā)的典型概念車,在此過程中構(gòu)建了新型高功能零件和特殊品種整車的材料技術(shù)解決方案以及整車的集成技術(shù)解決方案,并通過中信金屬與相關(guān)的合作研發(fā)團(tuán)隊(duì)的對(duì)外交流,將這些成果進(jìn)行拓展。中信金屬在整個(gè)過程中注重行業(yè)共性難題的研究及解決,如氫致延遲斷裂、沖壓過程剪切邊緣開裂、材料關(guān)鍵性能-斷裂卡片-碰撞安全的關(guān)系、汽車材料的低碳再生等問題,從而推動(dòng)解決應(yīng)用問題背后的科學(xué)問題,同時(shí)促進(jìn)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和企業(yè)自身的發(fā)展。中信金屬還通過對(duì)鈮微合金化鋼研究與開發(fā)項(xiàng)目的資金支持,推動(dòng)行業(yè)共性技術(shù)的發(fā)展。同時(shí),借助對(duì)國(guó)外新車的Benchmark和整車性能的技術(shù)研討,及時(shí)了解國(guó)外相關(guān)技術(shù)的進(jìn)展,推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。未來中信金屬將進(jìn)一步強(qiáng)化服務(wù)意識(shí),深入認(rèn)識(shí)EVI模式的內(nèi)涵,拓展EVI模式應(yīng)用的廣度,逐步形成中信金屬EVI模式獨(dú)有的特色。
通用汽車中國(guó)科學(xué)研究院的EVI活動(dòng)
通用汽車中國(guó)科學(xué)研究院王建鋒等根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),借鑒生物學(xué)中的生態(tài)系統(tǒng)提出了多尺度生態(tài)系統(tǒng)框架下的技術(shù)創(chuàng)新理念,旨在加速先進(jìn)高強(qiáng)鋼在汽車輕量化上的應(yīng)用；同時(shí)闡述了在汽車車身用鋼研發(fā)、量產(chǎn)、應(yīng)用過程中,汽車產(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)與材料生產(chǎn)單位以及各個(gè)企業(yè)之間緊密的合作關(guān)系和高度的相互依賴關(guān)系。該研究院強(qiáng)調(diào)以市場(chǎng)需求引導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新,并以市場(chǎng)反饋檢驗(yàn)技術(shù)價(jià)值,將汽車零件的輕量化追求、安全性能提升、成本合理控制以及車身流線銳度的外觀設(shè)計(jì)等多方面有機(jī)融合,使材料研發(fā)單位和材料應(yīng)用單位實(shí)現(xiàn)利益共享、風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān),從而突破傳統(tǒng)意義上的材料、零件、供應(yīng)商、主機(jī)廠之間的簡(jiǎn)單供求模式,構(gòu)建一種新型的EVI模式；同時(shí),明確提出輕量化與超高強(qiáng)度鋼應(yīng)用密切相關(guān),為提升零件的安全性,必須提升超高強(qiáng)鋼的強(qiáng)韌性匹配和氫致延遲斷裂抗力。在汽車行業(yè)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)中,從鋼廠到主機(jī)廠都是汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的重要成員和利益共同體。對(duì)于新鋼種的開發(fā)和量產(chǎn)應(yīng)用,良好的材料性能是基礎(chǔ),更關(guān)鍵的是要滿足市場(chǎng)需求,有效解決用戶的關(guān)注問題和技術(shù)商務(wù)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。這就要求在這一生態(tài)系統(tǒng)中,各成員之間相互溝通,緊密合作,通過新型EVI模式齊心協(xié)力實(shí)現(xiàn)新型高強(qiáng)度材料和先進(jìn)成形工藝在汽車輕量化領(lǐng)域中的應(yīng)用。此外,通用汽車中國(guó)科學(xué)研究院還特別注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)化和投資事宜。得益于專業(yè)投資人員的介入,對(duì)內(nèi)部和外部知識(shí)產(chǎn)權(quán)實(shí)現(xiàn)有效、高效的評(píng)估。根據(jù)通用汽車的產(chǎn)品需求,不僅可以快速實(shí)現(xiàn)內(nèi)部知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)化,還能夠引進(jìn)外部知識(shí)產(chǎn)權(quán)的投資,進(jìn)而更加深入地整合和利用上下游高品質(zhì)技術(shù)資源,這也充分體現(xiàn)了其EVI模式的獨(dú)特性。
鞍鋼的EVI活動(dòng)
鞍山鋼鐵公司（銨鋼）作為我國(guó)的一家大型鋼鐵企業(yè),在開展EVI活動(dòng)時(shí),不僅遵循EVI活動(dòng)的基本規(guī)則、內(nèi)容和要求,更在滿足用戶需求方面展現(xiàn)出更深刻的理解。公司經(jīng)常安排負(fù)責(zé)新產(chǎn)品開發(fā)的領(lǐng)導(dǎo)親自帶隊(duì)走訪用戶和汽車企業(yè),了解這些企業(yè)對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)的需求,同時(shí)向用戶介紹鞍鋼新開發(fā)產(chǎn)品的特點(diǎn),使用戶了解鞍鋼新產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的相關(guān)情況,以此制定出基于用戶需求的鞍鋼新產(chǎn)品的研發(fā)計(jì)劃。鞍鋼在國(guó)內(nèi)率先生產(chǎn)出大型構(gòu)件熱成形產(chǎn)品所需的熱軋板,盡管目前用戶數(shù)量不多,但這一舉措體現(xiàn)了鞍鋼對(duì)用戶技術(shù)進(jìn)步和特殊用材需求的關(guān)注和支持。鞍鋼與蒂森克虜伯和金固攜手組建金蒂安公司,聯(lián)合開發(fā)車輪用熱成形鋼,并聯(lián)合建立鋼材剪裁配送中心和車輪用熱軋板表面處理的金屬表面無酸清潔技術(shù)（eco pickled surface,EPS）生產(chǎn)線。這一生產(chǎn)線的建立解決了在不需要酸洗條件下熱軋板表面質(zhì)量提升的難題,使鋼廠與用戶之間的合作關(guān)系實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍,更進(jìn)一步將材料研發(fā)、生產(chǎn)與材料應(yīng)用單位有機(jī)密切地結(jié)合在一起。許多材料應(yīng)用單位紛紛反饋,鞍鋼的EVI服務(wù)讓用戶感受到了真誠(chéng)、親切、周到和溫暖的體驗(yàn),這可能也是鞍鋼在EVI服務(wù)中的一大創(chuàng)新性亮點(diǎn)。
首鋼的EVI活動(dòng)
首鋼因搬遷和廠區(qū)新建,其汽車板的開發(fā)和生產(chǎn)進(jìn)程較寶鋼和鞍鋼稍晚,但首鋼汽車板的開發(fā)以及EVI活動(dòng)的開展同樣取得了較好的成果。為了打開汽車板的應(yīng)用市場(chǎng),首鋼采取一系列更積極的EVI活動(dòng)。首先,將所試制的汽車板進(jìn)行全面的性能測(cè)試；隨后主動(dòng)與用戶聯(lián)系,攜手用戶共同針對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。首鋼在價(jià)格上給予用戶更多的優(yōu)惠,同時(shí)采取措施控制產(chǎn)品的質(zhì)量并提供更多的技術(shù)服務(wù),使汽車板在生產(chǎn)和應(yīng)用方面取得了較快的進(jìn)步。首鋼加大研發(fā)隊(duì)伍的建設(shè)力度,強(qiáng)化以科技為先導(dǎo)的理念,將大量人力、物力、財(cái)力投入到汽車板的研發(fā)工作和性能提升的細(xì)節(jié)方面,從而使首鋼汽車板的用量逐步擴(kuò)大,產(chǎn)量也迅速增長(zhǎng)。首鋼結(jié)合車輪鋼的開發(fā)創(chuàng)新了一種新的EVI模式；購置了國(guó)內(nèi)首個(gè)商用車車輪的雙軸疲勞試驗(yàn)機(jī)并安置到興民智通車輪企業(yè)中；與興民公司共同組建汽車車輪聯(lián)合研發(fā)機(jī)構(gòu),利用所購置的六分力測(cè)試系統(tǒng)開展車輪材料和結(jié)構(gòu)的EVI活動(dòng)。在實(shí)際操作中,六分力測(cè)試系統(tǒng)提供了精確的路譜采集功能,這為汽車及其零件在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測(cè)試提供全面的路譜信息。利用六分力測(cè)試系統(tǒng)所采集的車輛路面載荷可對(duì)車體模型中各個(gè)部件可承受的載荷進(jìn)行計(jì)算,以預(yù)測(cè)相關(guān)部件的疲勞壽命。目前,首鋼在車輪用鋼的開發(fā)和銷售方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,尤其是在高強(qiáng)度車輪用鋼的銷售方面,已處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位,車輪用鋼的產(chǎn)銷占有率高達(dá)70%,這促進(jìn)了中國(guó)輕量化商用車車輪的開發(fā)應(yīng)用進(jìn)程,更為其產(chǎn)品的出口創(chuàng)匯作出了重要貢獻(xiàn)。而這種獨(dú)特的EVI模式對(duì)首鋼車輪用鋼業(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了促進(jìn)和引導(dǎo)作用。
馬鋼的EVI活動(dòng)
馬鋼始終高度重視產(chǎn)品開發(fā)中的EVI模式,并較早地進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概念車展示。為了積極響應(yīng)和滿足汽車工業(yè),特別是電動(dòng)車輕量化的發(fā)展需求,同時(shí)充分展示先進(jìn)鋼鐵材料在汽車輕量化中的應(yīng)用前景,以及闡述如何使用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼來解決新能源電動(dòng)車輕量化所面臨的難題和方法,馬鋼于2018年聯(lián)合中國(guó)汽車工程研究院、中信金屬等啟動(dòng)了馬鋼電動(dòng)概念車（Masteel concept electric vehicle,MCEV）開發(fā)項(xiàng)目。在項(xiàng)目實(shí)施過程中選取一款全球先進(jìn)的A級(jí)電動(dòng)車為標(biāo)桿,并結(jié)合行業(yè)電動(dòng)車的先進(jìn)技術(shù)水平,開發(fā)一款基于馬鋼汽車用鋼體系的集輕量化、高性能、高安全與經(jīng)濟(jì)性為一體的A級(jí)電動(dòng)概念車。這款MCEV白車身質(zhì)量為265kg,與標(biāo)桿車相比降低了10.9%,輕量化系數(shù)為2.62；整車在正碰、柱碰、移動(dòng)障礙變形障礙測(cè)試（moving barrier deformable barrier,MPDB）的碰撞性能達(dá)到C-NCAP 五星水平；在25%重疊率的偏置碰以及頂壓性能測(cè)試中更是達(dá)到中保研汽車碰撞安全指數(shù)（C-IASI）優(yōu)秀水平。此外,白車身（帶玻璃）的扭轉(zhuǎn)剛度不低于23000N·m·rad−1,彎曲剛度不小于15000N·mm−1,白車身（帶玻璃）的扭轉(zhuǎn)模態(tài)不小于36Hz,彎曲模態(tài)不小于52Hz,各項(xiàng)指標(biāo)均彰顯出白車身較高的安全性。MCEV采用全鋼車身設(shè)計(jì)理念,在材料運(yùn)用上遵循“將合適的材料應(yīng)用于合適的部位”原則,并進(jìn)一步提升高強(qiáng)鋼的應(yīng)用比例,其白車身用高強(qiáng)度低合金鋼占比為16.37%,普通高強(qiáng)度鋼占比為48.08%,先進(jìn)高強(qiáng)度鋼占比為22.33%,熱沖壓成形鋼占比為13.22%（其中含鈮高強(qiáng)鋼占比61%）。在前橫梁、頂蓋、中橫梁、外門環(huán)、門檻梁等關(guān)鍵安全部件上,馬鋼采用了自主研發(fā)的1500MPa級(jí)、1800MPa薄鍍層、高冷彎、抗延遲開裂熱成形鋼,輕量化效果明顯[26]。馬鋼還結(jié)合汽車行業(yè)熱成形產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求積極開發(fā)熱沖壓成形鋼以及薄鍍層的熱成形鋼。通過采用EVI模式,與汽車行業(yè)的科研單位和產(chǎn)業(yè)單位合作,共同致力于提升熱沖壓成形鋼的強(qiáng)韌性和氫致延遲斷裂抗力；同時(shí)巧妙地運(yùn)用薄的鋁硅鍍層技術(shù)成功規(guī)避了Arcelor Mittal公司的專利限制,從而促進(jìn)了熱沖壓成形產(chǎn)業(yè)和用鋼的發(fā)展。
中國(guó)汽車工程研究院的EVI活動(dòng)
中國(guó)汽車工程研究院在早期便與韓國(guó)POSCO公司開展技術(shù)合作,在中國(guó)汽車行業(yè)中積極推廣應(yīng)用EVI模式。一方面,積極配合材料生產(chǎn)企業(yè)開展高強(qiáng)度鋼、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的各種性能以及所制零件功能的評(píng)價(jià)檢測(cè)；另一方面,專注于高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼斷裂卡片的制作,借助EVI模式積極推動(dòng)高強(qiáng)度鋼和其他輕量化材料更廣泛的應(yīng)用。中國(guó)汽車工程研究院還積極倡導(dǎo)在材料研發(fā)中注重加強(qiáng)應(yīng)用技術(shù)的研究,全力開展新材料的合金設(shè)計(jì)工作,深度探討材料的強(qiáng)化機(jī)理以及共性應(yīng)用技術(shù)研究。該院將材料開發(fā)、性能檢測(cè)評(píng)價(jià)和推廣應(yīng)用融為一體,為中國(guó)汽車輕量化合理選材提供了指導(dǎo),積極推動(dòng)汽車用材強(qiáng)度的提升和輕量化技術(shù)的發(fā)展。近期,中國(guó)汽車工程研究院在商用車輕量化、大件熱沖壓成形的推廣應(yīng)用中開展EVI模式的探索與實(shí)踐,并從大件熱沖壓成形裝備、模具、特殊用材等方面開展相關(guān)的EVI活動(dòng),從而為高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼在這一新領(lǐng)域的推廣應(yīng)用,開拓了新的思維,提出了新的路徑,為推動(dòng)EVI活動(dòng)在商用車領(lǐng)域的發(fā)展做出了新的貢獻(xiàn)。
近年來,中國(guó)在乘用車應(yīng)用高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼在中國(guó)鋼鐵行業(yè)已經(jīng)形成完善的產(chǎn)品系列,并在汽車行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。然而,商用車輕量化以及結(jié)構(gòu)鋼（如彈簧鋼、齒輪鋼、調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼）在應(yīng)用EVI模式進(jìn)行推廣應(yīng)用和產(chǎn)品質(zhì)量提升方面尚處于起步階段,這也正是今后需要認(rèn)真研究并全力開展的工作領(lǐng)域。
“雙碳”戰(zhàn)略背景下的EVI活動(dòng)
2021年3月15日,中央提出：我國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和,這是事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的重大戰(zhàn)略決策。為此,工業(yè)領(lǐng)域要推進(jìn)綠色制造,建筑領(lǐng)域要提升節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),交通領(lǐng)域要加快發(fā)展綠色低碳運(yùn)輸方式,旨在為早日完成“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)提供綠色低碳且科學(xué)有效的供給體系。汽車輕量化是節(jié)能減排最直接、最有效的手段之一,超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用則是一種既可輕量化又可提升汽車安全性,與“雙碳”戰(zhàn)略密切相關(guān)的技術(shù)。超高強(qiáng)度鋼在交通領(lǐng)域的應(yīng)用將從以下三個(gè)方面為“雙碳”戰(zhàn)略提供支持：一是輕量化可以減少汽車制造用鋼量,據(jù)世界鋼鐵協(xié)會(huì)2021年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),每少用1t的鋼材將減少2.332t的碳排放量；二是將超高強(qiáng)度鋼用于交通運(yùn)輸構(gòu)件可以有效地實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo),進(jìn)而減少燃油消耗并降低二氧化碳排放量,對(duì)于乘用車,其質(zhì)量每減少10%,燃油消耗可減少6%~8%,同時(shí)相應(yīng)地減少碳排放,而對(duì)于商用車,每減重1t,燃油可節(jié)省6%~8%,同時(shí)也可以提高運(yùn)輸效率；三是輕量化可降低運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的使用負(fù)荷,從而延長(zhǎng)構(gòu)件的使用壽命,間接實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和成本節(jié)約。然而鋼強(qiáng)度的提升造成其成形困難,而熱沖壓成形技術(shù)的出現(xiàn)既可以獲得超高強(qiáng)度零件,又合理解決了成形困難的相關(guān)問題,特別是由中新超高強(qiáng)材料研究院提出的商用車輕量化和熱沖壓成形的應(yīng)用方案,成功將商用車輕量化提升到國(guó)際領(lǐng)先水平。目前,該院與新富集團(tuán)攜手合作,解決了大型構(gòu)件的加熱裝備和成形所需要的大型熱成形壓機(jī)問題,掌握了獨(dú)具特色的超大型模具的用材選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、大型工件的傳輸技術(shù)、大型構(gòu)件的功能檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)、大型構(gòu)件的熱沖壓成形用鋼和抗氧化技術(shù),從而開啟了大型構(gòu)件熱成形輕量化的新時(shí)代。例如：22.5英寸×9英寸（1英寸=25.4mm）的熱沖壓成形商用車車輪減重效果接近于鍛造鋁合金車輪；礦用自卸車和城市渣土車用的翻斗車上裝部件的減重效果達(dá)50%；倉柵式的長(zhǎng)途運(yùn)輸車上裝部分減重效果為20~30%。為了滿足大型和超大型構(gòu)件熱成形的工藝要求,熱沖壓成形用鋼需要具有高的淬透性、高的強(qiáng)韌性匹配、高的抗氧化性、高的耐腐蝕性、高的氫致延遲斷裂抗力、高的防子彈侵徹能力以及高的性價(jià)比等,以滿足商用車、船舶、高速公路護(hù)欄、集裝箱、裝配式建筑、軍工等領(lǐng)域中對(duì)于熱沖壓成形材料和構(gòu)件的特殊要求。在這些領(lǐng)域推廣應(yīng)用熱沖壓成形技術(shù)和超高強(qiáng)度零件,可以有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,推動(dòng)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的預(yù)期實(shí)現(xiàn)。鑒于這類材料的用量大,在合金化設(shè)計(jì)中將采用多元少量的微合金化理念,以確保熱沖壓成形構(gòu)件具有合理的性價(jià)比。對(duì)于大型構(gòu)件的EVI和輕量化的實(shí)施工作,需要將合適的材料用到合適的地方,而且目前該工作尚處于起步階段,需要根據(jù)零件的要求和使用功能進(jìn)行輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì),并選用合適且先進(jìn)的工藝流程。完成這一復(fù)雜的EVI工作,需要整合多專業(yè)、多種材料、多種技術(shù)的優(yōu)勢(shì),通過產(chǎn)、學(xué)、研、用的聯(lián)合體充分發(fā)揮各方的優(yōu)勢(shì),才能取得如期效果。
汽車用材強(qiáng)度的提升,特別是高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用,除了會(huì)出現(xiàn)韌性不足的問題外,還會(huì)伴隨氫致延遲斷裂抗力的下降,也就是所謂的氫脆問題[27-28]。因此,在近年來的EVI模式中,高強(qiáng)度鋼的氫脆問題成為一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容和業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)話題[27-32]。從合金設(shè)計(jì)到生產(chǎn)應(yīng)用,都在探討氫脆產(chǎn)生的機(jī)理,探索高強(qiáng)度鋼氫脆抗力測(cè)試評(píng)價(jià)方法,研究提升氫脆抗力的各種方法和手段,同時(shí)綜合提升材料的氫脆抗力和發(fā)生延遲斷裂抗力的預(yù)測(cè)能力。
應(yīng)用EVI模式的條件
在應(yīng)用EVI模式時(shí),企業(yè)必須擁有其研發(fā)的新材料,這些新材料不僅能夠充分滿足用戶需求,還能向用戶全方位展示其各類優(yōu)良性能,且能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),同時(shí)具有完整的、符合用戶需求的材料性能數(shù)據(jù)庫,具體如圖2所示[3]。這些性能包括基本力學(xué)性能、成形性、成形零件的功能、材料的疲勞性能、構(gòu)件的疲勞性能以及零件的先進(jìn)成形工藝所需的各種性能。此外,企業(yè)還應(yīng)積累各類材料在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的實(shí)際案例,并可以向用戶提供成形和碰撞性能的斷裂卡片。制備斷裂卡片需要開展大量的試驗(yàn),是一項(xiàng)在多種應(yīng)變模式下的材料性能測(cè)試的系統(tǒng)工作。這些試驗(yàn)包括準(zhǔn)靜態(tài)下的力學(xué)性能測(cè)試、不同應(yīng)變速率下的力學(xué)性能測(cè)試（尤其是高應(yīng)變速率下的力學(xué)性能測(cè)試）以及不同應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)下的力學(xué)性能測(cè)試,包括純剪切試驗(yàn)、拉剪試驗(yàn)、中心孔試樣的拉伸試驗(yàn)、缺口半徑為10mm和5mm的缺口拉伸試驗(yàn)、雙向拉伸試驗(yàn)、直角開槽板狀拉伸試驗(yàn)、斜角45°圓孔開槽拉伸試驗(yàn)、4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、孔脹試驗(yàn)以及圓頂沖頭的延展試驗(yàn)和杯突試驗(yàn),其目的在于滿足材料成形或碰撞時(shí)計(jì)算機(jī)模擬對(duì)相關(guān)材料特征力學(xué)性能數(shù)據(jù)的需求。用于測(cè)量這些數(shù)據(jù)的試驗(yàn)裝備應(yīng)具有完善的數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理功能,能夠?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)提出本構(gòu)方程擬合,并得出本構(gòu)方程的擬合結(jié)果,進(jìn)而給出不同應(yīng)變速率下材料的塑性變形硬化曲線、不同應(yīng)力狀態(tài)下材料的屈服面和屈服軌跡以及不同應(yīng)變速率下和不同應(yīng)變狀態(tài)下的斷裂曲線。同時(shí),為準(zhǔn)確描述材料的斷裂行為,試驗(yàn)裝備還應(yīng)該配備極限尖冷彎應(yīng)力狀態(tài)下的極限應(yīng)變測(cè)量裝置,最終能準(zhǔn)確給出材料在各種狀態(tài)下的力學(xué)性能表征,并求出以應(yīng)力三軸度為橫坐標(biāo)、斷裂塑性應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo)的以MMC（Modified Mohr-Coulomb Model）為基礎(chǔ)的二維失效曲線。在計(jì)算機(jī)仿真時(shí)應(yīng)用這一曲線可以預(yù)測(cè)不同應(yīng)力狀態(tài)下試樣或工件的斷裂行為。有關(guān)試驗(yàn)方法和表征可參考《國(guó)內(nèi)理化檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)匯編》[33]以及相關(guān)文獻(xiàn)[8]。制作斷裂卡片需要大量的試驗(yàn),其中部分試驗(yàn)方法尚未形成統(tǒng)一規(guī)范,有待進(jìn)一步制定相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),以使所得試驗(yàn)結(jié)果具有更強(qiáng)的可比性。目前,眾多鋼鐵企業(yè)為推廣應(yīng)用所開發(fā)的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼,都在各自進(jìn)行相關(guān)斷裂卡片的制作工作,其中存在不少重復(fù)性勞動(dòng)。因此,相關(guān)單位有必要統(tǒng)一規(guī)范各類先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的性能指標(biāo)和應(yīng)用規(guī)范,這將更有利于鋼種的批量生產(chǎn)、質(zhì)量管理和推廣應(yīng)用,同時(shí)還能節(jié)省推廣應(yīng)用過程中的工作量和大量斷裂卡片制作的工作量。若要推行EVI的新產(chǎn)品開發(fā)推廣應(yīng)用模式,材料企業(yè)還應(yīng)在技術(shù)、人才、物力等方面具備堅(jiān)實(shí)的實(shí)力。此外,材料研發(fā)企業(yè)、生產(chǎn)企業(yè)和材料應(yīng)用企業(yè),對(duì)于材料研發(fā)應(yīng)用的全過程都應(yīng)有充分的理解和認(rèn)識(shí)。
對(duì)于一種新材料或者經(jīng)高新技術(shù)改造后的傳統(tǒng)材料而言,其研發(fā)工作大體分為4個(gè)方面。其一為化學(xué)成分、工藝、組織和性能的研究；其二是材料的冶金工藝性能研究和材料試制；其三為材料的應(yīng)用工藝性能研究和零件試制；其四為材料所制零件的使用性能研究。這4個(gè)方面構(gòu)成材料研發(fā)的全過程,缺一不可。大家必須深刻認(rèn)識(shí)到材料應(yīng)用企業(yè)和生產(chǎn)企業(yè)之間合作的重要性,牢固樹立“用戶第一”的思想。用戶的成功,就是材料生產(chǎn)企業(yè)的明天。盡管這一思想看似簡(jiǎn)單,然而在實(shí)際操作中真正踐行卻很不容易,特別是當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)問題或是與生產(chǎn)企業(yè)利益發(fā)生沖突時(shí),很多企業(yè)不是去認(rèn)真地解決產(chǎn)品所出現(xiàn)的問題,而是選擇推諉責(zé)任、避重就輕,將“用戶第一”的思想拋諸腦后,對(duì)于產(chǎn)品出現(xiàn)的問題,長(zhǎng)期擱置不理,拖延不解決。這種現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)時(shí)有發(fā)生,而這就是在推廣應(yīng)用材料研發(fā)的EVI模式時(shí)應(yīng)當(dāng)格外留意并著力避免的關(guān)鍵問題。
深入開展EVI活動(dòng)的重要意義
EVI活動(dòng)作為材料企業(yè)對(duì)下游相關(guān)企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的一種先期介入模式,充分體現(xiàn)了材料生產(chǎn)企業(yè)和應(yīng)用企業(yè)之間所構(gòu)建的全新關(guān)系以及共贏的合作模式。EVI活動(dòng)不僅推動(dòng)了材料生產(chǎn)企業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā),同時(shí)也促進(jìn)了材料應(yīng)用企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步和更新?lián)Q代。開展EVI活動(dòng)的重要意義有以下幾點(diǎn)。其一,EVI活動(dòng)引發(fā)了材料生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品銷售理念和方法上的重大變化和更新,過去簡(jiǎn)單的產(chǎn)品推銷模式已逐漸被摒棄,取而代之的技術(shù)合作模式,旨在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的提升。POSCO公司舉辦的6次全球EVI論壇的主題就表明這種模式的變化,即從初期專注于開發(fā)滿足用戶需求的產(chǎn)品,逐步發(fā)展為協(xié)助用戶采用先進(jìn)的技術(shù)生產(chǎn)出高功能的零件。通過系統(tǒng)的應(yīng)用研究,材料生產(chǎn)企業(yè)能夠確保其新開發(fā)的產(chǎn)品得以在用戶端迅速得到應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了從簡(jiǎn)單的原材料供應(yīng)商向解決材料應(yīng)用中各種問題的合作伙伴的角色轉(zhuǎn)變。在此過程中,雙方建立了涵蓋新材料開發(fā)、產(chǎn)品加工工藝技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化所需資金的籌措以及最終產(chǎn)品共同銷售等環(huán)節(jié)的親密合作關(guān)系。其二,EVI活動(dòng)是材料生產(chǎn)企業(yè)實(shí)力和技術(shù)進(jìn)步的展示。其三,EVI活動(dòng)推動(dòng)了材料企業(yè)在新材料和材料應(yīng)用行業(yè)產(chǎn)品方面的技術(shù)進(jìn)步與更新?lián)Q代。其四,EVI活動(dòng)體現(xiàn)了各種專業(yè)、各種先進(jìn)技術(shù)、各種材料及應(yīng)用研究成果的深度融合,最終推動(dòng)制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品的提升。
結(jié)束語
早期,為推廣應(yīng)用材料新產(chǎn)品并占領(lǐng)中國(guó)和亞洲汽車工業(yè)快速發(fā)展而興起的用材市場(chǎng),JFE率先提出了EVI的概念。此后,上海寶鋼于1999年赴美國(guó)考察EVI活動(dòng),并在此基礎(chǔ)上,于2011年在中國(guó)召開了首屆寶鋼EVI大會(huì)。韓國(guó)POSCO公司于2008年在韓國(guó)首爾召開了首屆全球EVI國(guó)際論壇,正式提出EVI的概念和工作模式,此后該論壇每?jī)赡暾匍_一屆,截至2018年,共成功舉辦了6屆；這一系列活動(dòng)使得EVI模式在韓國(guó)得以不斷發(fā)展和完善,并在韓國(guó)及國(guó)際上產(chǎn)生了良好且深遠(yuǎn)的影響。隨后德國(guó)蒂森克虜伯、Arcelor Mittal、國(guó)際鋼協(xié)、鞍鋼、馬鋼、中信金屬、中國(guó)汽車工程研究院、通用汽車中國(guó)科學(xué)研究院等國(guó)內(nèi)外知名公司和鋼鐵企業(yè)也相繼開展了EVI活動(dòng),并用各種概念車的制作和展示介紹了各自開展EVI活動(dòng)的特點(diǎn)。通過應(yīng)用這一模式,不僅為國(guó)內(nèi)外先進(jìn)汽車用鋼的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用提供了強(qiáng)大的助力,而且也為中國(guó)汽車用材領(lǐng)域的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。2024年3月20日德國(guó)蒂森克虜伯舉行了一場(chǎng)數(shù)字車身平臺(tái)及技術(shù)解決方案的成果發(fā)布會(huì),這一舉措使得EVI服務(wù)與平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了重大飛躍,此次發(fā)布會(huì)省去了概念車的制作和展示環(huán)節(jié),而以更形象的數(shù)字化制作平臺(tái)展示了EVI模式在高強(qiáng)度鋼,尤其是在電動(dòng)車輕量化推廣應(yīng)用中所取得的相關(guān)成果,這使得EVI的技術(shù)服務(wù)和新產(chǎn)品的推廣應(yīng)用達(dá)到了全新的高度,這是一項(xiàng)極具方向性和價(jià)值的創(chuàng)新工作。
材料生產(chǎn)企業(yè)開展EVI活動(dòng)所涉及的條件、基本要求、性能測(cè)試特點(diǎn)、應(yīng)用成效以及開展EVI活動(dòng)對(duì)國(guó)家實(shí)施“雙碳”戰(zhàn)略的重要意義,有助于深化對(duì)EVI模式的認(rèn)識(shí)。目前,EVI模式已在各類新材料的研發(fā)推廣應(yīng)用中獲得了廣泛的認(rèn)可和接受,并呈現(xiàn)出向汽車用材以外的眾多領(lǐng)域迅速拓展的良好態(tài)勢(shì)。EVI活動(dòng)的開展不僅體現(xiàn)了材料生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)水平和研發(fā)能力,同時(shí)也體現(xiàn)了材料企業(yè)和制造業(yè)相結(jié)合、多種技術(shù)和多種專業(yè)相互融合來推動(dòng)產(chǎn)品提升和創(chuàng)新的先進(jìn)理念。EVI活動(dòng)的開展,將會(huì)給我國(guó)材料產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇和動(dòng)力。為迅速推廣新材料研發(fā)和EVI模式推廣應(yīng)用中所取得的成果,必須加強(qiáng)新材料研發(fā)中標(biāo)準(zhǔn)化和系列化的工作,以節(jié)省材料各種性能測(cè)試的工作量和時(shí)間。
EVI進(jìn)一步的發(fā)展將會(huì)加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用相關(guān)單位之間的聯(lián)合,發(fā)揮相關(guān)單位的優(yōu)勢(shì),通過應(yīng)用智能化的軟件成果和豐富的數(shù)據(jù)手段,將材料的研發(fā)、材料的表征、材料的應(yīng)用技術(shù)等方面的工作做得更加深入快捷,數(shù)據(jù)更加完善,并以此促進(jìn)材料研發(fā)和應(yīng)用水平的進(jìn)一步提升,同時(shí)會(huì)有更多專業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)人員參加到這一團(tuán)隊(duì)中來,通過多專業(yè)、多學(xué)科、多種技術(shù)的深度融合,將我國(guó)EVI的服務(wù)水平、制造業(yè)的輕量化和智能化水平提升到一個(gè)新的高度。
文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)