近日，因一篇鋁硅塗層熱成形鋼專利糾紛的新聞，攪動了汽車熱成形鋼應用領域的老話題--熱成形鋼塗層技術專利問題。
隨著汽車安全法規的不斷升級，結構安全仍將是汽車安全設計和選材首要考慮的因素，熱成形鋼也無可爭議地將成為汽車車身用材的主要選擇之一，其在解決汽車輕量化與高強度鋼的衝壓成形問題上有著不可替代的優勢。同時隨著其成本不斷下降，行業應用也越來越多。作為一個兼顧輕量化、安全和成本多項優勢於一身的熱門技術，筆者今天帶您一起來梳理一下該技術的熱點話題——“鋁硅塗層熱成形鋼”技術現狀，以及未來的發展方向。
“鋁硅塗層熱成形鋼”的由來
熱成形鋼成型過程需要將材料加熱至950°C或以上的溫度，這會導致材料表面氧化，出現大量的氧化鐵皮。傳統的無鍍層熱衝壓鋼，在加熱中會導致鋼板和氧化鐵皮的產生，也會有一定的表面脫碳（少量脫碳對於熱成形鋼某種程度上是有益的，因為會增加熱成形零件的韌性）。氧化鐵皮容易脫落在模具中，增大鋼板與磨具的摩擦係數，降低模具的使用壽命，而定期清理模具中的氧化鐵皮，嚴重降低生產效率。為滿足衝壓件的後續處理要求，需要通過噴丸去除表面生成的氧化鐵皮。但噴丸處理不僅會導致成本增加，而且影響零件的尺寸精度，同時也有粉塵和噪音汙染。
（圖片來源：https://wenku.baidu.com/view/846aedf6793e0912a21614791711cc7931b77884.html）
為了避免在熱衝壓過程中的材料氧化，採用對鋼板表面鍍上Al-Si塗層，Al-Si系合金塗層材料高溫氧化環境下表面生成連續、均勻、緻密的氧化鋁、氧化硅氧化保護薄膜；易於富Si的SiC內塗層之間形成成分梯度過渡。相比較於其他類形的塗層，鋁硅塗層可以耐高溫，950°C的高溫環境下依然能保持塗層的形態和性能。
由於鋁硅塗層熱衝壓鋼在加熱過程中不需要加入氣體保護控制，在加熱後不會產生氧化鐵皮，而且由於省去了噴丸處理，改善了加工環境、增強了尺寸精度而廣受各大汽車衝壓廠、主機廠的歡迎。
安賽樂-米塔爾鋼鐵公司於1999年最早成功開發了鋁硅鍍層技術。這項技術有效避免了無鍍層熱衝壓鋼板表面氧化的問題，同時，在磨具保護、零件尺寸精度、耐蝕性等方面也表現出優異性能，從此熱衝壓成形用鋼在汽車上的應用逐年快速增長，全球鋁硅鍍層鋼板的應用已超過每年300萬噸。目前，據筆者所知，阿賽洛米塔爾已將該技術授權新日鐵等公司生產和銷售。
阿賽洛米塔爾“鋁硅塗層熱成形鋼”汽車零部件應用的專利組合
1）汽車零部件生成工藝
基於熱成形過程的高溫抗氧化情況，以及熱成形後點焊性能等因素的綜合考慮，阿賽洛對鋁硅塗層熱成形鋼確定了自己的加熱溫度區間和保溫時間，也稱為工藝窗口。這也是該鋁硅塗層熱成形鋼零部件製造工藝專利核心保護工藝參數指標。因而，若採用該材料生成汽車零部件，必須要避開此工藝區間。
（圖片來源：https://wenku.baidu.com/view/846aedf6793e0912a21614791711cc7931b77884.html）
確切的來說，鋁硅塗層熱成形鋼板的塗層本質上是為了避免熱成形過程的表面氧化，減少後續的噴丸處理帶來的尺寸精度控制困難等問題。對於減少環境粉塵和噪音汙染確實是非常不錯的解決方案。本質上不是解決防腐問題。
2）激光拼焊板製造
鋁硅塗層板坯的激光拼焊板技術，涉及的專利。簡單的說就採用激光把鋁硅塗層先剝離一層，再焊接。這樣鋁就不會滲進焊縫，生成脆性相（鋁/硅氧化後的產物是二氧化硅和三氧化二鋁），增加氣孔率，進而影響焊縫的性能，作為安全部件是非常可怕的事情。用阿賽洛申請專利（來源：CN103917329B，具有非常高機械阻力的熱成形經預先焊接的鋼部件及生產方法）內容描述的方法進行塗層剝離處理的的主要原因如下：
“在焊接操作期間，由外覆金屬合金層的與鋼基材相接觸的金屬間合金層構成的鋁基預塗層被焊縫金屬區域內的鋼基材稀釋，該焊縫金屬區域為在焊接操作期間呈熔融狀態並且在該焊接操作之後凝固，形成兩板之間的接合部的區域。”
在預塗層的鋁含量的範圍中，可發生兩個（壞）現象。
第一，如果焊縫金屬區域中的鋁含量局部很高，那麼會形成金屬間化合物，這是由於稀釋了焊縫金屬區域內的一部分預塗層並且形成了在熱成形步驟之前在隨後加熱焊接接頭期間出現的合金所造成的。這些金屬間化合物是裂紋最容易萌生的位置。
第二，如果焊縫金屬區域中的鋁含量較低，那麼鋁(其為基底中固溶體 的α基因防止轉化成在衝壓之前步驟期間出現的奧氏體(austenite)。因此，在熱成形之後的冷卻期間不再可能獲得馬氏體(martensite)或貝氏體(bainite)，並且焊縫包含鐵素體。於是焊縫金屬區域表現出小於兩個相鄰板的硬度和機械強度的硬度和機械強度。
為了防止上述第一現象，公開專利（歐洲專利：EP0971044、EP2007545，Clad hot-rolled and cold-rolled steel sheet, presenting a very high resistance after thermal treatment ）描述了一種由以下方式組成的解決方案：在預定進行焊接操作的板的外周的水平面上除去金屬合金的表面層，留下金屬間合金的層。該移除可通過刷擦或通過激光束進行。保存金屬間合金層以確保耐蝕性並防止在進行成型操作之前熱處理期間的脫碳和氧化的現象。
下圖為剝離後示意圖以及激光焊接過程（5所示部位即為剝離後的臺階），詳細可查看上述公開專利：
單面剝離示意
雙面剝離
用於實施本發明要求保護的方法的板的示意圖（來源：專利號：CN103917329B）
本發明要求保護的方法的焊接操作開始的示意圖（30位置為激光束焊接）（來源：專利號：CN103917329B）
“鋁硅塗層熱成形鋼”專利如何破？--國外篇
既然鋁硅塗層熱成形鋼的製造工藝方面已經被申請了專利，熱成形鋼又是汽車行業提高安全性能的有效手段之一，想要應用除了支付專利費，只有自主研發。以奧鋼聯為代表的鋼企便另闢蹊徑，開啟鍍鋅熱成形鋼板的開發路線。
由於鋅的熔點比較低，因而在高溫加熱同步熱衝壓時可能導致鋅層的不均勻分佈，同時鋅也可能會滲入鋼材基體中，產生脆性相。因而複雜零件的熱衝壓都需要採用兩步衝壓方法，減少在熱狀態鋅層的影響，這也是兩步法熱成形工藝誕生的原因，也稱為間接熱衝壓成形。對於一些形狀複雜或者拉延深度較大的零件，間接熱衝壓成形可以避免成形開裂，零件的預成形可以減小材料與模具之間的相對位移，從而減小模具表面在高溫下的磨損。採用鍍鋅塗層熱成形鋼的零件一般必須使用間接熱衝壓成形工藝。
為了提高鍍鋅熱成形零件的生產效率，Gestamp等提出了新的鋅基熱成形工藝，也被俗稱鍍鋅熱成形新一步法工藝（direct MSHc, Multi-Step Hot Stamping Process*：Patents Pending），其省去了預衝壓的工藝步驟。與鋁硅塗層工藝基本一致。
（來源：Gestamp，New Zn Multistep Hot Stamping Innovation）
據官方描述其優點如下。
（來源：Gestamp，steel Innovations in Hot Stamping）
目前該技術已在寶馬等汽車公司量產應用。選擇鍍鋅熱成形鋼，其激光拼焊也不存在相應的專利保護，成功的避開鋁硅塗層熱成形激光拼焊的專利壁壘。
手握鋁硅塗層專利技術的阿米，在競爭對手的技術路線也開展了專利的佈局（專利申請號：CN201880028753.X，專利名稱：用於製造抗液態金屬脆化的鍍鋅擴散退火鋼板的方法）。因為不管直接還是間接熱成形的方式，鍍鋅層擴散到熱成形鋼基體的控制技術是非常關鍵的。阿賽洛米塔爾的這樣的佈局，也是我們國內企業需要學習的地方。法律和道德允許前提下，競爭對手的分析和benchmark對標，一直是商業社會鼓勵的行為。因為只有對標，才能找到差距，才能更好地促進企業的長久發展。
“鋁硅塗層熱成形鋼”專利如何破？--國內篇
1） 新塗層材料專利
鋁硅塗層很好地保護了熱成鋼基體不受氧化，因而在鋼板表層由於塗層的保護不會產生表面脫碳。因而其熱成形鋼基體幾乎實現100%馬氏體轉變（一般認為冷卻速度達到27℃/S時，基體可以100%轉變為馬氏體。），板條馬氏體具有較高強度、硬度的同時，還具有相當高的韌性和塑性。雖然馬氏體組織本身有一定的任性和塑性，對服役條件的要求來說，其韌性有待提高。韌性提高會直接改善汽車碰撞安全件，韌性不足還會導致零件延遲開裂，即零件衝壓完並未開裂，但焊接裝配後開裂。”通用汽車、寶馬公司等公司也都對熱成形鋼提出了抗冷彎角度的評價，近些年，通用汽車也首次增加了高韌性鋁硅鍍層熱衝壓鋼，並提出了韌性提高20%的技術要求。國內汽車行業也制定的了相關的測試標準。（相關標準可查看：http://csae.sae-china.org/a3093.html）
為了進一步提高韌性，東北大學易紅亮教授等開發了高韌性熱鍍鋁硅合金鍍層。該技術的核心是通過鍍層的減薄使得熱成形零件的韌性得到改善，進而提升熱成形鋼零件的碰撞安全性。詳見下圖。
（來源：http://www.ral.neu.edu.cn/2019/1011/c4392a144096/page.htm）
眾所周知，裸板熱成形鋼在熱衝壓後因其表面存在一定的脫碳層，改善了其彎曲角，其最大彎曲角高於同材質同規格的鋁硅鍍層板。薄塗層鋁硅是介於裸板和標準鋁硅塗層之間的一個平衡選擇。
目前該技術已被納入汽車行業團體標準：http://csae.sae-china.org/a3555.html。該標準馬鋼及鞍鋼蒂森也參與其中。
另外，通過熱成形鋼塗層技術通過專利的查詢，我們瞭解到國內馬鋼等也開始在鍍鋅塗層鋼板開發方面有所行動。想見下表。
2） 零件熱成形工藝專利
作為國內第一大汽車鋼企，寶鋼在汽車板應用技術開發方面一直引領行業。由於鋁硅塗層鋼板的專利保護，近些年，雖然鋁硅塗層鋼板材料早已開發出來，但是應用端的專利保護限制，一致未能大規模的批量供應。因此，攻克鋁硅塗層熱成形鋼板應用技術，研發人員也是絞盡腦汁。好在寶鋼人才濟濟，也敢於在基礎研究方向投入，也取得了一些重要的突破。
其鋁硅塗層熱成形鋼工藝方面，涉及新的專利:（授權專利號：CN201811035118.2；專利名稱：帶鋁硅合金鍍層的熱衝壓部件的製造方法及熱衝壓部件）
該發明一種帶鋁硅合金鍍層的熱衝壓部件的製造方法及熱衝壓部件，可以有效解決鋁硅鍍層的粘輥問題，降低熱處理爐輥子的結瘤概率，提升輥子的使用壽命，同時保證熱衝壓部件鍍層的完整性及部件的機械性能、焊接性能、塗裝性能及耐蝕性能。以鋼板的厚度<1.5mm時為列：有以下三個推薦加熱保溫區，原理上也是規避AM關於鋁硅塗層熱成形工藝窗口的專利保護。
目前該專利還在實質審查階段，能否最終授權我們持續關注。
易紅亮教授在其薄鋁硅塗層熱成鋼發明專利中也採用同樣的思維去規避阿賽洛米塔爾的工藝參數專利要求。（授權專利號：CN108588612B；專利名稱：熱衝壓成形構件、熱衝壓成形用預塗鍍鋼板及熱衝壓成形工藝）
3） 鋁硅塗層激光拼焊工藝專利
為了實現該技術的快速突破，寶鋼海內外研究團隊在已經實現1500MPa+低強度熱成形鋁硅材料激光拼焊量產供應的基礎上，繼續在1500MPa+1500MPa鋁硅熱成形材料激光拼焊上同時發力。位於德國的寶鋼激光拼焊公司（Baosteel TB）開展以批量生產穩定性為核心的材料、工藝和設備研究與開發；位於上海總部的寶鋼研究院著重雙新解決方案——新型焊絲+新焊接工藝開發。（授權專利號：CN106466697B；專利名稱。一種帶鋁或者鋁合金鍍層的鋼製熱衝壓產品及其製造方法）
熱成形鋼應用未來展望
由於國內外汽車安全法規的不斷提高，熱成形鋼以其優異的強度和剛性，相對較低的成本等特點，是目前輕量化材料中，符合中、低端汽車實現安全和輕量化性能，以及成本要求的最為理想的材料。近年來的快速增長的趨勢也印證了這一觀點。目前產業進入成熟期，但是未來也有一定的發展前景可期。
1）熱成形鋼還將有巨大的增量市場
據統計，全球每年熱衝壓成形零部件需求約6億件，熱衝壓產線約500條，全球熱成形鋼年需求量400萬噸左右；中國熱衝壓產線約150條，年需求熱成形鋼120萬噸。由於熱衝壓成形零部件對汽車安全以及輕量化的顯著作用，車身應用熱成形零部件重量百分比平均達8%以上。以目前的市場發展，未來預計會增加到20%。所以市場空間上還有巨大的想象空間。
Steel Innovations in Hot Stamping（來源：Gestamp R&D North America）
2）熱成形技術門檻不斷降低，低成本趨勢不可逆
任何技術的發展都是市場需求驅動的，近幾年，2GPa熱成形鋼、新型熱成形塗層鋼板、熱成形焊接技術、工藝裝備及設計技術的技術突飛猛進，以及不斷崛起的以屹豐為代表的本土熱成形零部件製造商所代表的成熟供應鏈體系，正是國內強大的汽車市場需求所驅動。隨著國內熱成形市場的井噴發展，產業競爭進入紅海區，進而也降低了其技術門檻。從（滾底爐和多層箱式爐）加熱爐、電伺服衝壓機，再到熱成形零件的設計、工藝過程仿真、模具設計和國產化製造，都預示著這個行業的技術門檻在逐步降低，產業的發展已經不允許再有更多的高利潤空間存在。
3）“平衡之道”力促產業內合作與互信
在汽車產業加速下行的今天，熱成形鋼領域中塗層熱成形鋼材料及工藝技術的企業目前仍然是這個產業鏈中效益最好的環節。迴歸單一產業或技術，獲得合理收益的路徑無非是“小產量、高利潤”或“低利潤、大規模”，選擇什麼樣的路徑是企業的自主行為。作為旁觀者我們也不適合過多的評論，更不宜加以指責。
汽車產業的發展經驗告訴我們，只有產業鏈各個環節的參與者都有所收益，才能維持產業鏈有效運轉，且規模效應是汽車行業創造收益的前提。條條大路通羅馬，一旦一條路受阻，一定會轉向其他路徑。迴歸到鋁硅塗層的技術路線上，目前無論是材料、工藝和零件的加工方面都有不同的技術路徑開始市場化的探索。在低成本的驅動下，市場會倒逼技術路線的變革，也會驅動更多的原始創新。所謂“平衡之道”就是審時度勢，不斷去調整應對策劃。任何所謂的“新技術”都是基於一定的時間軸，唯一永恆不變的就是“變化”和“螺旋上升”。
編後
作為技術的引領者，在研發時投入了大量的人才和物力，其獲得投入的經濟收益無可厚非，也是全世界範圍內鼓勵創新的初衷。無論是阿賽洛米塔爾還是寶鋼、東北大學等熱成形鋼領域的創新者，無論其創新的精神、研究成果以及成果的收益都是應該被尊重。正如VAMA在針對前期專利新聞的聲明（詳見VAMA官網）中指出的：“尊重知識產權，保護知識產權，是對企業創新技術成果的合法保護和激勵，為客戶的合法經濟利益提供保障，對汽車行業的健康發展尤為重要”。在汽車產業環境不斷變化的當下，鋁硅塗層熱成形鋼替代技術也在不斷髮展，從產業的發展來說，相關方採用技術互換、專利授權或專利互換等方式來實效技術收益的最大化，開展產業鏈的合作，也不失為一種惠及產業鏈長遠發展的新的嘗試和探索。
（聲明：對於本文中涉及的專利信息均來源與國家知識產權官網和專利服務商佰騰網公開信息，技術內容僅作為參考說明之用。由於專利本身複雜關係檢索和法律關係不是本文探討的內容，如有異議請聯繫相關專利權人。本文為中國汽車材料網原創文章，未經許可禁止轉載。）
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