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加拿大先进材料开发公司推出获专利的高强度冷冲压钢ColdStamp-Steel, 可用于EV电池外壳和其他应用

2021-06-23 17:03来源:Advanced Materials Development作者:通项公司TOSIUM网址:http://www.tosium.com/ 
文章附图

汽车原始设备制造商面临着艰巨的任务,即大幅度提高燃料经济性和安全性,同时在市场上保持竞争地位,以及投资并推动电气化发展。在生产过程中使用高强度钢,有助于实现这一点。据外媒报道,加拿大先进材料开发公司(Advanced Materials Development)为其客户开发了获得专利的冷冲压用冷轧高强度钢,称为ColdStamp-Steel,可用于生产汽车的车身结构和安全部件,包括电动汽车的电池外壳。

(图片来源:amdoncorp)

ColdStamp-Steel的微结构中含有一个或多个马氏体、贝氏体、铁素体和残留奥氏体,其数量百分比取决于钢的成分及热处理方式。另外,还有一部分碳化物、氮化物和碳氮化物。由此产生的材料具有高强度和中等延展性,与商业冷轧钢材相比,ColdStamp-Steel具有更高的强度重量比。其应用包括汽车保险杠加固梁、柱、车门冲击梁、踏脚板内件和加固件、侧梁加固件、车顶框架、腰线加固件、卡扣或夹片。

图1(图片来源:sae.org)

ColdStamp-Steel共分1-3级,作为低合金成分,总合金化元素(碳除外)

力学性能

图2(图片来源:sae.org)

ColdStamp-Steel具有适合冷冲压的成形性。将其与用于冷冲压的三种商用冷轧高强度钢(SSAB的Docol 900M-1700M马氏体牌号、ArcelorMittal的MartiNsite牌号和 Kobo Steels的Kobelco牌号)进行比较,可以看出 ColdStamp-Steel的性能更优异。表2显示,在ASTM标准拉伸试验中,1-3级在室温下纵向/辊(L)和横向(T)的机械性能。

图3(图片来源:sae.org)

ColdStamp-Steel的几种成分已经过熔化、热轧和冷轧、热处理和测试。三级的两种组分(SC1和SC2组分)表现出最理想的性质。表3显示,不同的热处理方法为SC1和SC2提供了广泛的机械性能。这些材料适用于不同的车辆结构和安全部件,以及电动汽车的电池外壳结构。

附图(图片来源:sae.org)

附图显示,SC1和SC2经过热处理后,在室温下的工程拉应力图。从厚度为0.06 in/1.50 mm的无涂层冷轧SC1上,沿L方向切割出2in(50 mm)规格的ASTM标准拉伸试样。从厚度为0.04in(1.0mm)的无涂层冷轧SC2中,沿L方向切割出3.15in(80mm)的试样。

通过常用工艺,对SC1和SC2进行涂层,包括镀锌和镀铝。表3显示,经过常用镀锌和镀铝工艺之后,可对SC1和SC2进行热处理,而不影响SC1和SC2机械性能。将SC1、SC2与市售高强度冷轧钢进行比较,可以看出,经1000-1050°F高温回火后,只有SC1、SC2的抗拉强度超过175 ksi/1200 MPa,延伸率为 9-10%。经过淬火和高温回火的SC1和SC2,可以在不降低其机械性能的情况下进行镀锌。

SC1和SC2均可选择合适的工艺参数,采用常规点焊方法进行焊接。在碳浓度增加的情况下,有必要增加焊接力,调整焊接周期,以实现高品质点焊。SC1和SC2的碳当量CEVM = %C + (%Mn + %Si)/6 + (%Cr + %Mo+%W + %V+%Ti)/5 + (%Ni + %Cu)/15 ,分别约为0.975和0.61。相比之下,冷轧Docol 1700M钢的碳当量约为1.26。研究人员现提出,在不降低机械性能的前提下,尝试将碳当量降至0.60以下,以改善SC1和SC2。

电动汽车的电池外壳

铝合金由于密度低、强度适宜,已成为电动汽车电池外壳的主要材料。与同等商业钢材相比,铝制电池外壳或其他平台部件,通常可节省约40%的重量。传统上,最适合电池外壳的铝合金是6000和7000系列及类似合金。

铝合金具有重量轻、可回收利用的优点。然而,如果电池组产生的热量将电池外壳的温度提高至600°F(315°C)以上,铝合金则表现出严重的劣势。在600°F或更高的温度下曝光超过300秒时,其抗屈强度下降了70%以上,特别是与电池电芯直接接触的部件。此外,在约2200°F(1205°C)的严重火灾情况下,电池外壳会在大约5秒内失效,给乘车人员带来极大的安全隐患。至于热塑性塑料和复合材料,受成本影响,而且使用温度远低于600华氏度,其在电池外壳中的应用受到限制。

增加电池容量是电动汽车开发商的主要关注点,这也增加了电池发生故障的可能性,包括过热和爆炸。为了减少对乘车人员的潜在危害,有必要使用比铝合金更坚固的材料。镀锌和镀铝冷冲压钢,尤其是SC2,是一种有吸引力的材料,可用于EV电池外壳。在不增加结构重量的情况下,可以取代由高强度铝合金制成的外壳,同时提高安全性、耐久性和安全性。高强度铝合金板材的每磅生产成本,比镀锌和镀铝冷冲压钢板的每磅生产成本高出100%以上。

图4(图片来源:sae.org)

对比SC2和7075-T6的比刚度、比屈服强度和比极限抗拉强度,从表4中可以看出,由于SC2板材的厚度比7075-T6小2.8倍,这种钢可以替代任何高强度铝合金,同时不增加电池外壳的重量。

ColdStamp-Steel可以通过多种方式进行涂层。比如通过电镀或热浸工艺镀锌,可在最高温度高达 392°F (200°C) 的长期连续暴露下,提供耐用性。持续暴露在高于此温度的环境中,会导致外层游离锌层从下面的锌铁合金层剥离。镀锌 ColdStamp-Steel(SC1 和 SC2组分)具有表3所示的机械性能,但增加的电镀层有所修正;镀锌ColdStamp-Steel的耐腐蚀性能可与高强度铝合金相媲美。比起镀锌SC1或SC2板材的每磅成本,6000和7000系列铝合金板材的每磅生产成本,高出100%以上。

经过1000-1050°F淬火和高温回火后,SC1和SC2的抗拉强度超过175ksi(1,200 MPa),延伸率为9-10%;淬火和高温回火SC1和SC2可在不降低其力学性能的情况下进行镀锌。镀锌冷冲钢的成本略高于热浸镀锌合金的成本。

ColdStamp-Steel采用电镀或热浸工艺涂层,为电池外壳应用提供了明显优势。镀铝和镀锌ColdStamp-Steel,可防止电池外壳在高达 1400°F (760°C) 的温度下发生故障,并能承受高达 2200°F (1205°C) 的火灾风险,从而在紧急情况下为电动汽车乘客留出更多的疏散时间。在环境温度和高温下,由铝合金制成的电池外壳的耐用性,无法与由带涂层 ColdStamp-Steel制成的相同重量外壳相媲美。此外,目前6000和7000系列铝合金板材的每磅生产成本,比镀铝ColdStamp-Steel板材的每磅成本高出100%以上。