01
前言
国家双碳政策下，轻量化和绿色化是汽车行业发展趋势。而新能源汽车由于电池续航能力要求，为增加其行驶里程和提高车身的耐久性和安全性，有目的地减轻汽车自身重量就成为必然途径。
随着高强钢和超高强钢在新能源汽车安全件和结构件中的大量应用，汽车轻量化系数也从3.38降至2.1左右，但占据汽车用钢量近1/4的外覆盖件用钢却比较单一，主要为IF软钢和BH钢（Rm＜340MPa）。外覆盖件作为汽车“脸面”，既要有高的抗凹陷性，又要满足个性化造型和高鲜映性表面需求，如图1所示，而现有的IF钢和BH钢外板无法完全或同时满足轻量化、高鲜映性等需求。随着新能源汽车大型化、造型复杂化，这种矛盾更加突出：IF软钢抗凹陷性不足，各向异性大，BH钢有自然时效劣势，不利于复杂件成形及高鲜映性表面需求的实现，因此，新能源汽车外覆盖件轻量化及高表面质量用钢的升级换代成为整车企业的迫切需求，也为钢铁工业和汽车工业高质量发展提供了新的契机。
当前，强化机制的传统运用在一定程度上局限了汽车外覆盖件高强化和表面高品质化，固溶强化需添加大量Si、Mn、P，这些元素对于表面质量影响较大；析出强化会大幅提升屈服强度，提高屈强比，影响成形性；相变强化的相比例精准控制难度大，性能波动大，零件成形后的尺寸精度和回弹性难以控制，并且无法满足有翻边扩孔零件（如内嵌式门把手）的成形需求；细晶强化造成屈强比高，并且细晶强化强度提升幅度有限。因此，亟需进行技术创新，利用新成分、新方法、新工艺等来满足汽车外板多维度的性能需求，通过对机理机制的探索和对精细化工艺的控制，实现全新材料的创新开发。
基于新能源客户诉求和行业发展需求，首钢和中信金属利用Nb微合金化，通过细晶+晶内和晶界差异化析出物控制的微观组织调控技术，成功开发出340-440MPa级别，各向同性高强汽车外板专用钢Uni-FISH（简称UF钢，如图2所示）。这款产品具有高抗凹陷性、高各向同性、高抗时效性、高表面质量、低波纹度、低韧脆转变温度的“四高两低”产品优势，实现了对汽车外板的全覆盖和升级换代。
02
技术概况及优势
UF钢是在IF软钢基体上利用Nb的冶金物理特点，开发出的具有细晶组织和PFZ（Precipitation free zone，晶界无沉淀区，如图3所示）析出物特征的高强汽车外板。图4为UF钢与现有IF钢和BH钢的微观组织对比，可见UF钢晶粒显著细化。同时由于PFZ软区的存在，UF钢的屈服强度和屈强比的良好控制，有效且巧妙地避免了因细晶强化造成的屈强比高的问题。
UF钢利用细晶组织特征（晶粒尺寸＜10μm）+尺寸与分散度匹配的析出物，可实现在小变形下的位错快速增殖、缠结，实现强度迅速提升，如图5 所示。4%-6%应变范围的成形区间内的高速硬化性能优异，与汽车外板零件成形应变范围高度匹配，如图6 所示。该技术解决了外板冲压减薄后出现的刚度不足和搬运过程中零件变形的行业共性难题。
UF钢显微组织细小均匀，在冲压过程中晶粒内部和晶界附近的应变量相差较小，有助于变形的均匀过渡和保持表面的平滑。为此，无论是等轴拉伸还是平面应变后，波纹度增加均远小于IF软钢和BH钢，特别是对应大多数外板5%左右应变区间变形后仍可以保持较低波纹度（Wsa≤0.25），如图7所示。
03
行业应用
首钢开发的这款UF钢高强外板，突破了现有IF钢和BH钢外板强度级别，在零件刚度不降低的前提下，可实现零件减重5%-7%。同时，在涂装过程中可以使用免中涂工艺，表面鲜映性达到使用中涂工艺同等效果，实现有机物减排30%以上，是践行“碳达峰、碳中和”国家战略的绿色低碳产品。系列UF钢产品目前已在12家主机厂用户实现了认证及稳定批量供货，新材料相比于现有传统外板，抗凹性能提升10%-30%。UF钢中无间隙原子，比BH钢具有更高抗时效性，该钢中组织细小均匀和析出物形态特殊，使之具有高各向同性（△r≤0.10）、高成形性（r≥2.0）、低波纹度（Wsa≤0.25，可以稳定应用于免中涂生产）、极低韧脆转变温度（≤-65℃）。这种“四高两低”的优势，与汽车用材的轻量化和低碳化相契合，是汽车节能减排的首选，有效推动我国新能源汽车节能减排和绿色低碳发展。
3.1 解决零件抗凹陷性不足问题
某新能源车型门外板原使用厚度为0.7mm的BH钢，为轻量化需要，改为0.65mm的BH钢，但材料减薄后，零件在冲压和搬运中经常出现局部变形，不得已需增加补强胶片。该新能源汽车生产企业更换为0.65mm的UF340D+Z高强外板后，上述问题得到解决，去掉了补强胶片，零件良品率提高，生产效率提升，如图8所示。实现单零件成本降低2.8元/件。
3.2 解决零件冲击线及开裂缺陷问题
某新能源汽车发动机罩盖板原采用HC180BD+Z，规格0.65mm×1490mm×1805mm，废品率达18%。经分析，由于造型原因，冲压时发动机罩盖外板在驾驶舱两侧R角处凹陷，其两侧出现冲击线。因为凹陷、冲击线、废料区开裂控制相互矛盾，最好办法是更改模具造型。但由于该客户车型为畅销车型，生产节奏紧张，并且更改模具造价昂贵。经首钢技术团队模拟分析后，建议该新能源汽车企业切换为UF钢，由于UF钢各向异性小，变形更加均匀，成形性更优异，冲击线高度由8-10mm降低至3-5mm，凹陷位置减薄由0.6mm降低至0.55mm，成形更为充分，并且抗凹陷性提升7%，如图9所示。
3.3 解决零件局部开裂缺陷问题
某新能源车型为提升美观设计，在门外板的门框处采用小R角造型，选用HC180BD+Z。由于该材料成形性能不足，在R角位置出现隐裂。改用UF钢后，隐裂问题消除，同时强度提升10%，抗凹性也得到提升，如图10所示。
3.4 提升零件表面鲜映性
某汽车企业为提升大型新能源SUV车型黑白色系涂漆后的表面色泽和鲜映性，增强客户精致感知，采用首钢UF高强外板替换原BH钢后，鲜映性指标DOI值增加了4.6（见表1）。在与原外板用材的同台主观盲评中，使用UF高强外板的汽车完美胜出，得到了评委的高度认可。
04
UF钢开发、推进过程及标志性事件
2021年4月某车企董事长在视察其旗下某款畅销新能源SUV时，下压发罩后发现有一定变形，希望能提高零件抗凹陷性。鉴于该车型处于量产状态，汽车厂不希望对零件造型、模具及材料厚度进行调整，为此希望首钢能从材料角度开发一款具有高的抗凹陷性的材料。首钢接到客户需求时，发现问题比较棘手：客户不希望调整零件造型和板料厚度，那么只能提高材料强度，但材料初始强度提升又会造成材料与模具的匹配性出现问题，然而车企不希望也不能接受对模具进行调整的改动。针对这种情况，首钢创造性地提出了让材料初始强度与现有外板接近的情况下，通过材料在成形过程中的快速硬化提高强度及零件的抗凹陷性的思路。
2021年底，首钢与中信金属联合开发了兼具高抗凹陷性及高成形性的UF高强外板钢。2022年1月，在北京组织了UF高强外板钢的首发仪式，包括各大车企、高校、科研院所在内的50余家单位200余人参加了此次发布会。中国汽车工程学会相关领导给出了“首钢首发的UF高强外板钢有望改变汽车外板用钢单一的现状，有望带动汽车行业外板的升级换代”的高度评价。2022年4月，UF高强外板钢通过了某款SUV车型的四门+发罩的认证，并开始批量商业应用；2022年7月，成功注册了SOUNIFISH等8个商标；2022年11月，在国际低合金高强度钢会议上进行了专题报告；2022年12月，UF高强外板钢供货量突破1万吨；2023年3月，首钢与某车企共同举行了UF高强外板钢在国内汽车厂的首发首用总结会；2023年5月，在重庆举行的汽车轻量化与新材料应用高峰论坛上，首钢作了UF高强外板钢的主旨报告，得到了业界的高度评价：“首钢首发的这款UF高强外板钢以其连续均匀的成形性和高的抗凹陷性有望带动外板的升级换代”；2023年7月，申请了中国汽车工程学会团体标准《汽车覆盖件用细晶各向同性高强钢技术规范》；2023年9月，在国际汽车轻量化大会上首钢针对UF高强外板钢进行了主旨报告，得到了主机厂的广泛好评和积极回应；2023年10月，UF高强外板钢实现了对11个外板的全覆盖；截至2023年底，UF高强外板钢已实现对包括自主、合资、传统燃油车和新能源车企在内的12家主机厂188个外板件企业开展了认证和供货，累计供货超5万吨；2024 年 5 月 ，在我国第八个“中国品牌日”，UF钢获得了中国“三创”品牌奖。
05
展望
基于汽车外板高强轻量化需求，首钢和中信金属利用细晶+析出物差异化控制的微观组织调控技术，联合开发了340-440MPa级别的各向同性高强汽车外板。产品适用于汽车外覆盖件，具备高抗凹陷性、高各向同性、高抗时效性、高表面质量、低波纹度、低韧脆转变温度的“四高两低”优势，为汽车外板高强化开辟了一条全新通道，填补了当前在340-440MPa的强度区间汽车外板产品的空白。产品实现了国内首发，形成了一套适合产线生产的工艺路径，并实现了稳定生产及对汽车外板件的全覆盖。通过机理机制探索、技术创新推动产品创新，最终实现产业升级。从传统领域找到科技创新的突破口，推动新质生产力更快发展，提高中国钢铁产品的信誉及市场口碑。
基于轻量化和高品质特征的发展趋势， UF高强外板钢从用户角度出发，考虑在产及新研发的新能源车型的需求，开发了与外板成形相适应的快速硬化技术，最大幅度地降低用户性能升级成本，实现在产车型的无缝衔接；形成的适应复杂造型零件成形技术，满足了汽车对外板造型的新需求；外板高强化后的回弹控制及零件高精度控制技术，为用户解决高强化后带来零件装配等的相关控制难点；产品具有的免中涂高鲜映性的涂装特性，为用户提供了降本降碳绿色的可能，重新定义了新能源汽车覆盖件的用材需求。
