眾所周知,不鏽鋼具有優異的耐腐蝕性,而汽車車身也要求具有較好的抗腐蝕性,但是目前不鏽鋼在傳統汽車車身上的應用還較少。究其原因,主要有以下幾點:
1. 目前的抗腐蝕性技術足夠達到OEM要求,無需不鏽鋼。目前汽車製造中可以起到防鏽作用的方法有很多,比如:常用的鍍鋅鋼板、車身表面的噴塗工藝等都具有較好的防鏽效果;空腔注蠟還可以實現車身內部的防鏽。
2. 不鏽鋼造車成本太高,一般是鍍鋅鋼板的3倍,這是限制其在車身中應用的主要因素。
3. 不鏽鋼的密度是7.64-8g/cm-3;,將近是鋁合金的3倍,與汽車鋼板相比也沒有優勢。因此,不鏽鋼的應用不利於車身輕量化。
4. 不鏽鋼的強度不足。304不鏽鋼的強度在205-400MPA,對於A柱、B柱這種安全件來說,強度無法滿足。此外,由於拉伸強度的限制,不鏽鋼不適合衝壓成型。
突破傳統 特斯拉開發不鏽鋼皮卡
據外媒報導,特斯拉Cybertruck皮卡將採用一種超硬30X冷軋不鏽鋼,提升強度和耐腐蝕性的同時也降低模具成本。
自從福特為其F系列車身結構中採用鋁合金以來,汽車製造商的車身材料戰略發生了較大的改變。而特斯拉Cybertruck皮卡的車身則選擇了不鏽鋼材料,旨在使新款電動皮卡的車身強度和耐用性超越其競爭對手。該車將於2021年下半年投入生產,並於一年後推出三電機AWD版本。
馬斯克為Cybertruck選擇的3毫米厚(0.118英寸)耐腐蝕鋼板被稱為「超硬30X冷軋不鏽鋼」,是一種從300系列不鏽鋼發展而來的合金變體。科羅拉多礦業學院高級鋼鐵加工和產品研究中心的名譽教授大衛·馬特洛克(David Matlock)博士說:「特斯拉這輛卡車的材料選擇策略非常有趣。」馬特洛克(Matlock)推測,該材料「很可能是奧氏體301合金的改良版」。當該合金系統變形或冷加工時,它將轉變成包括奧氏體和馬氏體的顯微組織,這是強韌金屬的主要成分。
「變形越多,例如冷軋,得到的馬氏體就越多。這有助於顯著提高強度。」他解釋說。目前,馬氏體高強度鋼(非不鏽鋼)越來越多地用於車身結構件中,以提高強度。但一般需要通過加熱和淬火來達到其硬度,就像汽車中常用的加壓淬火鋼一樣。相比之下,稀奧氏體不鏽鋼可以在室溫下通過冷軋誘導的相變產生馬氏體。
但是,儘管特斯拉專有的30X合金不鏽鋼表皮可使Cybertruck擁有行業領先的抗凹性能,但應用時還需要考慮材料規格和車身結構設計。冷軋工藝使材料非常堅固,但犧牲了延展性和可成形性。「這意味著該金屬在加工成型方面將受到限制」,Matlock說。傳統車身控制強度的結構,如A柱和B柱,一般採用PHS鋼,Cybertruck皮卡車身採用30X合金不鏽鋼也具有較高的結構強度。
一般車身鋼板的厚度為0.7-1mm,而特斯拉Cybertruck車身3mm厚不鏽鋼板材的使用讓馬斯克宣稱「超硬30X合金不鏽鋼」可破壞衝壓機。不管效果如何,特斯拉都提供了一種全新的車身材料解決方案。且該方案減少了材料成型工序,節省了衝壓機、模具以及相關工藝的成本。
不鏽鋼在汽車上的應用
不鏽鋼在汽車上的應用由來已久,1960年Delorean在其DMC-12跑車中使用了304合金不鏽鋼,重型卡車製造商Autocar在小批量生產中使用了302合金不鏽鋼。同一時期,福特還進行了試驗了有302合金不鏽鋼製成的雷鳥和林肯。
不鏽鋼在汽車上的應用:
(1)汽車排氣系統:排氣系統是汽車不鏽鋼應用最多的部件,多採用鐵素體不鏽鋼材料,如409L、436L。考慮到實用性和經濟性,歐美國家汽車的排氣系統常選用0Cr11Ti型鐵素體不鏽鋼,日本基本上是採用13Cr~17Cr鐵素體不鏽鋼及其改進型。
(2)汽車燃油箱:用不鏽鋼材料製造的燃油箱除了沒有燃油滲漏的危險,且具有卓越的耐腐蝕性和良好的成形性能,並可以省去或簡化塗裝過程,而且易於回收。常用的不鏽鋼材料有304L、JFE-SX1等。
(3)汽車車架:不鏽鋼車架可使汽車抗撞擊性能好、重量輕、安全可靠性高且壽命長,還可以完全回收利用。常用的材料有409L、3Cr12、304L等都是常用的不鏽鋼材料鋼種。
(4)汽車不鏽鋼零部件:主要有不鏽鋼密封圈和熱交換器,密封圈一般採用301不鏽鋼,熱交換器一般使用SUS304、SUS430和SUS409L等不鏽鋼材料;在部分零部件上也使用Cr-Ni奧氏體不鏽鋼;0Cr17、0Cr18Ni9用於油冷卻器板式換熱器;0Cr17一般可用於頭燈護圈、大型客車扶手、安全欄杆等。
(5)汽車裝飾用不鏽鋼:小型汽車上使用不鏽鋼嵌條、天線、車輪蓋等,在大型客車、車輛的扶手、安全欄杆、吊手杆上也採用不鏽鋼。為了降低成本,後視鏡主要採用SUS430J1L系不鏽鋼,部分高級轎車的後視鏡採用SUS436J1L系不鏽鋼;汽車雨刷多採用SUS430、SUS304、SUS301等;頭燈護圈採用SUS430等鋼種。汽車上的安全裝置也經常使用不鏽鋼材料。例如安全帶緊線器採用SUS301不鏽鋼材料,安全氣囊的傳感器和增壓泵主要使用SUS304和SUS304L不鏽鋼材料,ABS感應 環採用SUS434、SUS444等鋼種。
(6)汽車車架或汽車整體外殼:由含11%~12%Cr的不鏽鋼製造的汽車車架或汽車整體外殼,常用的牌號有00Cr11Ti、0Cr11Ni4Ti、00Cr12NiTi等。