加拿大公司推出电动车电池壳用高强度冷冲压钢
汽车原始设备制造商面临着大幅提高燃油经济性和安全性、保持市场竞争地位、投资和促进电气化发展的艰巨任务。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，加拿大先进材料发展公司(Advanced Materials Development)为其客户开发了一种获得专利的冷轧高强度冷冲压钢，名为“冷冲压钢”(ColdStamp-Steel)，可用于生产汽车车身结构和安全部件，包括电动汽车的电池外壳。
(资料来源：阿姆东公司)
冷冲压钢的显微组织含有一种或多种马氏体、贝氏体、铁素体和残余奥氏体，其数量百分比取决于钢的成分和热处理方法。此外，还有一些碳化物、氮化物和碳氮化物。所得材料具有高强度和中等延展性。与商用冷轧钢板相比，冷轧钢板具有更高的强度重量比。其应用包括汽车保险杠加强梁、立柱、车门防撞梁、脚踏板内部构件和加强件、侧梁加强件、车顶框架、腰线加强件、带扣或夹子。
图1(来源：sae.org)
冷轧钢分为1-3个等级。作为低合金成分，总合金元素(碳除外)为3.0重量%。表1显示1级碳浓度最低，3级碳浓度最高。制造过程主要分为以下步骤：将铁水在碱性氧气转炉中熔化，然后在电弧炉中真空脱气或废钢熔化；连铸；热轧；腌制；冷轧；连续退火和淬火；和拉伸矫直获得平整度。冷冲压——钢可以制成冷轧卷或冷轧薄板。
力学性能
图2（图片来源：sae.org）
冷冲压-钢具有适合冷冲压的可成形性。与三种商用冷轧高强度钢(SSAB的Docol 900M-1700M马氏体等级、安赛乐米塔尔的MartiNsite等级和Kobo钢的Kobelco等级)相比，可以看出冷轧钢具有更好的性能。表2显示了1-3级在室温下在美国材料试验学会标准拉伸试验中的纵向/辊向(L)和横向(T)的机械性能。
图3（图片来源：sae.org）
冷轧钢的几个组成部分已经被熔化，热轧和冷轧，热处理和测试。三个组件(SC1和SC2)显示出最理想的性能。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壳结构。
附图（图片来源：sae.org）
附图为SC1和SC2室温热处理后的工程拉应力图。从厚度为0.06英寸/1.50毫米的无涂层冷轧SC1钢板沿l方向切割出2英寸(50毫米)的标准拉伸试样。从厚度为0.04英寸(1.0毫米)的无涂层冷轧SC2钢板沿纵向切割出一个3.15英寸(80毫米)的样品。
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。