汽车用钢博客｜冲压硬化钢（PHS）在汽车中的应用简史
#PHS使用的开端
The Beginnings of PHS Use
我们今天所知道的冲压硬化（Press Hardening, PH）是由诺尔博顿钢铁厂（Norrbottens Järnverk AB，简称NJA）在瑞典吕勒奥开发的。第一项专利申请于1973年完成，并于1977年获得批准。该技术首次在农业部件中进行商业运用，冲压钢的高强度有利于提高农业部件的耐磨性。
1984年，PHS首次在汽车上应用于萨博9000侧面防撞门横梁，如图1所示。该汽车总共使用了4个PHS零件。无涂层坯料的厚度几乎是冷冲压梁厚度的一半。
(a) 萨博博物馆S-82中的模型车
(b) 热冲压零件
图1：萨博9000 (1984-1998) 的车门横梁
直到90年代中期，PHS应用的大部分部件都是门梁——1996年共计生产了大约600万根门梁。同时，对保险杠横梁的需求也在不断增加。1996年底，新成立的欧洲新车评估计划（EuroNCAP）增加了主机厂（OEM）改善防撞性的压力。1998年，新沃尔沃S80和福特福克斯5都配备了冲压硬化保险杠横梁。
1998年是冲压硬化技术最重要的突破之年。法国钢铁制造商Usinor开发了一种铝硅（AlSi）预涂层钢，名为Usibor 1500（表示典型抗拉强度，1500兆帕）。在2000年，宝马推出了新的3系敞篷车。该车的A柱由3 mm厚的无涂层PHS钢板制成。这是宝马首次使用PHS，也是第一个将PHS用于A柱加固件的厂商之一。Accra为沃尔沃V70提供辊压成型的PHS部件，最初选择性应用于第三排座椅支架，每年大约提供10,000个这样的零件。
铝硅涂层钢首次在法国一级供应商Sofedit运用于热冲压。该钢种首次用于第二代雷诺拉古纳（2000-2007）的前保险杠横梁。拉古纳2是首款获得欧洲NCAP五星安全评级的汽车。PSA集团的雪铁龙C5（第一代：2001-2007）在前保险杠横梁和A柱上也使用了铝硅涂层坯料。这三个零件的总重量为4.5 kg，约占白车身总重量的1%，见图2a。大约一个月后，PSA集团开始生产紧凑型掀背标致307，它有五个热冲压组件（A柱和B柱以及后保险杠横梁）。与雪铁龙C5不同，这些部件没有涂层。总重量为12kg，相当于白车身重量的3.4%。
(a) 2001雪铁龙C5
(b) 2002沃尔沃XC90
(c) 2005大众帕萨特
图2：冲压硬化部件使用量的增加
沃尔沃于2002年开始生产XC90 SUV。算上门和开闭件的白车身重531千克。共有10个零件，重37千克，采用辊压成型或直接冲压成型的PHS，大约占白车身重量的7%。这也是当时PHS在车身运用最多的车型。在图2b中，除第二排座椅骨架（承载重量的车身部件）以外，还显示了其它冲压硬化的零件。
#加速推广和全球化
Accelerated Use and Globalization
从2005年大众帕萨特起，冲压硬化零件的使用迅速增加。该车有大约19%的白车身（按重量计）是由冲压硬化钢制成的，如图2c所示。该车的某些零件在两步混合工艺中首次使用了涂漆的坯料。三个零件都是通过间接或混合工艺生产的，包括传动轴通道。
下面列举汽车中使用PHS的一些亮点：
图3：(a) 定制辊压工艺；（b) 宝马X5的B柱(第二代：2006-2013)
2006年，道奇Caliber 和宝马X5成为首批在车身中定制辊压成型PHS零部件的汽车（图3）。
宝马7系（第5代：2008-2015）成为第一款在白车身上采用镀锌PHS零件的汽车。该车还包含未涂层的零件，如图4所示。该车PHS总使用量约为16％。
图4：宝马7系PHS的使用 (第五代: 2008-2015)
汽车制造商还可以利用冲压硬化生产非常规汽车。2011年，现代汽车推出了第一代Veloster，这是一款三门轿跑车（也称为2+1，驾驶员侧有一个车门，乘客侧有两个车门），包含了轴对称的前车门。所以，该车无法具有完整的B柱环，如图5a所示。另一个非传统设计是2012年至2017年在欧洲销售的福特B-Max超小型MPV。该车的前部装有传统的平开门，后部有两扇滑动门。门内集成了一个PHS的B柱，方便出入。其PHS部件（前后车门集成B柱、车门横梁和上边梁）在图5b中以蓝色显示。
(a) 现代Veloster, 不对称2+1门轿跑
(b) 福特B-Max, 门上集成了B柱的小型MPV
图5：PHS应用于非传统汽车设计
2013年，讴歌MDX（第三代：2013-2020）成为首款采用热冲压门环的汽车。该零件是由两个子板组成的拼焊板，如图6a所示。由于子板嵌套优化，该设计为每辆车节省了约6.2kg的重量，并具有较高的材料利用率。
最新的PHS应用之一是2017克莱斯勒Pacifica的5个零件，如图6b所示。该车的B柱下部区域也有PQS550零件。
(a) 2013年首次应用在Acura MDX的2个零件
(b) 最新的PHS应用：2017克莱斯勒Pacifica的5个PQS550零件，位于B柱下部区域
图6：热冲压门环
管状硬化钢长期以来一直用于车身，成形量很小。自2013年以来，采用了特殊的三维热弯曲和淬火（3DQ）工艺。最早使用这项技术的是马自达Premacy（在某些市场被称为马自达5）。同样的工艺也用于制造讴歌NSX（在某些市场为本田NSX，2016至今）的A柱，如图7a所示。自2018年以来，福特福克斯（第4代）（图7b）和吉普牧马人（第4代）采用了内压成型的管状零件，称为form blow hardening零件。
(a) 2015 讴歌 NSX
(b) 2018 福特福克斯
图7：A柱中的管状硬化钢的使用情况
#PHS在电动汽车中的应用：混动、纯电、插混、燃料电池车
PHS Use in xEVs: Hybrid Electric, Battery Electric, Plug-in Hybrid Electric & Fuel Cell Electric Vehicles
第一款商用混合动力电动汽车（HEV）是丰田普锐斯（第一代：1997-2003）。第二代普锐斯（2003-2009）的冲压硬化部件很少，如图8a中红色所示。这是丰田首次使用热冲压部件。第三代普锐斯（2009-2015）约有3%的白车身冲压硬化。在2015年发布的第四代普锐斯中，使用980兆帕以上钢材的比例已上升至19%。图8b显示了最新普锐斯的冲压硬化零件。
(a) 第二代 (2003-2009)
(b)第四代 (2015至今)
图8：PHS在丰田普锐斯中的应用
2012款特斯拉Model S和Model X采用铝合金车身，立柱和保险杠采用PHS加强件。Model S的保险杠横梁是辊压成型的PHS。量产的Model 3和Model Y在其主体中拥有大量的冲压硬化组件。
2011年，通用汽车开始生产其首款插电式混合动力汽车（PHEV），雪佛兰Volt（在欧盟称为Opel Ampera，在英国称为Vauxhall Ampera）。这款车有六个热冲压部件，包括A柱和B柱，占白车身重量的5%稍多。
2017年推出的小型纯电动汽车雪佛兰Bolt采用了铝合金开闭件，但白车身大量用钢，占到了80%，其中44%为先进高强度钢，包括11.8%的PHS，如图9所示。
图9: 雪佛兰Bolt的车身结构和钢含量
2020年12月，现代汽车宣布推出新的电子平台E-GMP。该平台将利用PHS部件保护电池组。
汽车制造商转向PHS来管理燃料电池动力系统带来的额外负载。第一代丰田Mirai冲压硬化的部件只有B柱，上边梁和后地板梁。第二代车底部分也增加了许多带有PHS的零件。
2018年，现代Nexo成为首款接受EuroNCAP测试的燃料电池汽车，获得5星级评级。该车具有PHS的A和B柱，裙边加固件以及几个车身下部组件，如图10所示。
(a) 侧视图
(b) 俯视图
图10：现代Nexo燃料电池车中使用的冲压硬化钢
有关本文中使用的一些技术术语（如form blow hardening或3DQ）的历史和详细信息，将在2021年年中推出的AHSS指南里提供。无论是在钢铁制造还是汽车使用方面，PHS技术仍在不断发展，预计在不久的将来会出现更多的应用实例。
作者: Eren Billur博士, 技术经理