汽车商业评论 02-26
一组专利统治全球汽车关键材料20年,终被中国企业打破金身
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撰文 / 刘宝华

编辑 / 涂彦平

设计 / 赵昊然

题图 / 张 萌

从美国制裁中兴、华为开始," 卡脖子 " 成为产业界的高频词。芯片、光刻机、操作系统、数控机床、关键材料 …… 各行各业都能列出一系列 " 卡脖子 " 清单。

汽车领域的 " 卡脖子 " 技术很多,最引发广泛关注的是 2020 年底至今的高端芯片短缺。事实上还有一些关键零部件、关键材料,比高端芯片的集中度还高,只是未发生过供应短缺。例如带铝硅镀层的热成形钢,几乎 100% 被一家公司的专利垄断。

只要关注汽车的人肯定不会对热成形钢陌生。近年来上市的新车介绍中经常会有使用高强度钢、热成形钢的比例,比例越高,代表车型安全性越高。

成本最高、强度最大的热成形钢一般会被优先使用于 B 柱、A 柱等车身要害部位,2019 年末到 2020 年中两起碰撞测试中 A 柱变形甚至折断的名场面显然是 A 柱材料上出了问题。

竞争对手的眼睛是雪亮的,福特 2020 年中在一款新车的宣传中用了如下文案:—— " 全新第六代探险者 E-NCAP(全球最严格的碰撞测试)首撞 1700 兆帕淬火马氏体钢(地球上目前为止汽车用钢最高等级)加持,A 柱就是这么豪横,纹丝不动。"

福特第六代探险者 E-NCAP 碰撞测试 ▼

还有在热成形钢领域抢占制高点的。东风汽车集团旗下高端智能电动车品牌岚图,在其首款车型 FREE 的介绍中花了相当笔墨强调其业界首次采用 2000 兆帕带铝硅涂层热成形钢的车门防撞梁,白车身 1500 兆帕以上热成形钢占比高达 31%。

热成形钢乱入其他名场面的情况有而不少。2020 年 12 月 31 日,中汽中心与长城汽车共同召开 "C-NCAP 热门车型 - 第三代哈弗 H6 侧面碰撞试验情况说明会 ",针对第三代哈弗 H6 在 C-NCAP 侧面碰撞测试中出现的异常情况做出说明。长城方面在介绍第三代哈弗 H6 的安全性时特意强调该车型关键部位使用了强度最高达 2000 兆帕的热成形钢,为同级之最。

而比第三代哈弗 H6 上市早 7 天的红旗 H9,是全球首款使用 2000 兆帕热成形钢的车型。

技术竞争,分秒必争。2021 年伊始,蔚来、智己、广汽新能源时隔几天分别喊出纯电动续航 1000 公里的 " 小目标 ",引发新能源行业震动。在热成形钢领域同样在进行一场竞赛,谁先跑入 2000 兆帕赛道、谁先跑入 2000 兆帕带镀层赛道。

就像智能化车型肯定会晒自己有多少个摄像头、多少个毫米波雷达一样,在被动安全领域,配备了多少比例的热成形钢、多少兆帕的热成形钢,代表着一款车对安全的重视程度和投入程度。所以近年来汽车行业的整体趋势也是该材料的强度越来越高、使用比例越来越高。

如此多的需求,而全世界的车用带铝硅镀层热成形钢供给几乎被一家公司控制,它就是全球最大钢铁公司安赛乐米塔尔(ArcelorMittal,以下简称安米)。

安米靠一系列专利技术统治了该领域超过 20 年,直到 2020 年,一家中国科技公司的专利改变了这一局面。

热成形钢的前世今生

先来了解一下热成形钢的历史。

为了实现汽车的轻量化,汽车企业一直在寻找高强度钢代替低强度钢,强度提高意味着钢板可以变得更薄,从而减重。

1980 年代,瑞典人率先将农机上的一项技术移植到了汽车上——收割机的刀口是把低强度钢烧热以后冲压成形,冲压过程中给材料一个快速冷却,刀口强度就变得非常高。工艺本身没有多少难度,与手工业时代铸剑就是把剑烧红,敲打之后再用冷水淬火,以增加剑的刚性和硬度是相同的原理。

瑞典人把这种工艺制成的钢板用在了汽车上,但起初的 20 多年并没有推广开,只在沃尔沃、萨博几款小众车型上的小零件上使用。因为钢板需要经过 900 多摄氏度的加热然后冲压,表面会产生氧化皮,冲压时氧化皮很可能掉落进模具,模具被污染。氧化皮的产生还会影响焊接、涂装,后续处理难度极大。

1999 年,安赛乐钢铁集团的前身公司发明了一种铝硅镀层技术并申请专利,解决了热成形钢的所有问题,既不会生成铁的氧化物,也不用任何清洗就可以直接焊接、涂装。正是这个技术让钢板的热冲压变得和冷冲压一样简单高效,又能获得热冲压的高强度特性,热成形钢这才普及起来。

安赛乐钢铁集团(2006 年与米塔尔钢铁集团合并为安赛乐米塔尔钢铁集团)从此用专利统治了带铝硅镀层的热成形钢市场。

安赛乐米塔尔卢森堡总部新大楼 ▼

1999 年申请的专利在 2019 年面临保护期结束,而且 1999 年的专利并没有在中国申请,这让汽车产销重镇中国市场并不在专利保护范围内。为了应对这两个因素,安米在 2006 年申请了另一套专利。

相比老专利,新专利在工艺描述上更详细,并保护了镀层结构和镀层厚度,这就让新专利的保护范围变小,貌似给其他公司突破专利留下了一丝机会,如果有公司在该专利描述的工艺之外找到解决方案就能破解专利。

但即使这样,2006 年后的十多年里,仍然没有任何公司打破安米的专利统治。

镀层专利战

为什么针对汽车钢领域最高利润的产品,竟然没有竞争对手有能力在长达十几年的时间跨度里研发出竞品材料?更何况,汽车公司们为了突破单一供应商的陷阱,在不断鼓励和催促材料公司研发竞品。

因为安米拥有让全世界艳羡的研发实力。安米的前身压根就不是钢厂,而是享誉欧洲的科研机构 Irsid,翻译成中文就是 " 冶金研究所 ",在上世纪 90 年代的欧洲就拥有数百名高级研究人员。这些现代炼金术士们,把人们印象中粗笨的钢铁打造成了金矿,钢厂只是必要的道具。

安米的竞争对手,无论是我国的还是海外的,想要弯道超车,不仅要构筑底层能力,还要时刻洞察汽车客户需求、科技大势和时政变化,并时刻注意赛道上的专利巨石。而且,高端钢铁产品的技术复杂程度,远超群众甚至工业界的直觉。

某资深汽车材料工程师说:" 都说研发是从零到一,那么汽车钢的研发就是无数个从零到一的叠加。说到底,汽车钢就是汽车安全,它的评价维度特别多特别严苛,强度韧性耐腐蚀只是最基本的,冲压、焊接、涂装、成本、专利不侵权任何一条不能满足客户需求,都是零,其他再多一,乘积还是是零。"

所以多年的市场需求,还是换不来一款竞品。

多年没有竞品,对行业不是好事。对安米,也不是。汽车商业评论记者了解到,在镀层技术方面,安米已经长达 10 年没有实质进步,哪怕是汽车客户明确提出带镀层的热成形钢韧性有问题:相比于无镀层热成形钢,带镀层热成形钢弯曲韧性会低 15%。

A 柱、B 柱等关键部位材料决定了碰撞效果 ▼

这不是一个可以忽略的技术问题。例如宝马汽车就因此减少带镀层热成形钢的使用,又例如通用汽车,在 2019 年 6 月发布了新的热成形钢全球材料标准,并且明确表述了对带镀层热成形钢的弯曲韧性需求比现有的材料要提升 15%。但对于处于市场垄断地位的安米来说,这就是一个可以忽略的问题。

一群中国工程师在想方设法提高热成形钢产品性能的过程中,在这个韧性问题上找到了切入点。

经过多年的深度耕耘,他们发现真正影响韧性的,不是镀层本身,而是隐藏在镀层和钢材之间界面上的一层纳米级厚度的碳原子层。它们本来溶解于钢材之中,由于受到镀层的挤压而溢出,无处安身,像幽灵一般对汽车施加碰撞安全性降低的魔咒。

找到解决方案绝非易事,育材堂(苏州)材料科技有限公司的工程师们发现,那一层碳原子层是无法消灭的,但是如果可以把原来安米专利技术中规定的 30 微米镀层厚度减小到 20 微米,甚至 15 微米,碳原子层的堆垛方式将有所优化,其破坏作用将不再显著。韧性是可以提高的,而且是显著的提高。

采用德国汽车工业联合会(VDA)制定的标准三点弯弯曲角实验(VDA-238),安米的专利带镀层材料(厚度 1.5 毫米)只能做到 55 度左右,用育材堂新技术却可以做到 65 度。

但是,安米的专利说得很清楚,之所以镀层厚度大于 30 微米,是平衡了材料性能、防腐蚀和焊接等多重要求的最佳选择。特别是防腐蚀一项,镀层越厚防腐蚀效果越好,这似乎与人们的直觉相符,因此这么多年来这项指标从未被工业界质疑过。

" 我们很清楚,减薄镀层厚度而防腐蚀性能一项不达标,我们辛苦研究多年的技术就玩完了 ",育材堂的技术人员告诉汽车商业评论记者," 这让我们无比的担忧,在防腐实验开展之前,我们自己也认为镀层厚一些总归有他的道理,安米不会有错,人们的直觉也不会有问题。"

但是实验结果让人吃惊,首先由通用汽车认可的第三方实验室给出结果:15 微米和 30 微米的镀层在防腐效果上是几乎无差别的。进而采用更多全球汽车主机厂的标准,也获得同样的结果。其原因在于,15 微米的镀层已经含有了对防腐蚀起决定作用的牺牲阳极,而 30 微米多出来那部分只是厚而无用。

汽车不同部位采用不同钢材,热成形钢是目前车用钢材中的最高规格 ▼

防腐蚀性能一经证明,各方的信心大增,成形和焊接也相继达成主机厂标准,连汽车材料最危险的隐形杀手——延迟开裂风险——也被证明低于现有产品。

2018 年 4 月,育材堂申请了中国国家发明专利,并于 2019 年 9 月获得专利授权,同期,他们在其他主要汽车工业国家(美国,欧洲,日本和韩国等)也先后申请了专利。

2020 年 3 月,育材堂与 14 家汽车和钢铁企业发起在中国汽车工程学会发布《汽车用热冲压钢板高韧性铝硅镀层》CSAE 标准征求意见稿,此标准将于 2021 年一季度正式发布,意味着育材堂的专利从企业专利上升为中国汽车工程学会标准。

安米当然不会坐视不管,其合资公司华菱安赛乐米塔尔汽车板有限公司(简称 VAMA)于 2019 年 11 月向国家知识产权局发起了针对育材堂的专利无效申请。2020 年 4 月 30 日,国家专利局对 VAMA 的无效申请进行了审查,6 月 22 日宣告育材堂的专利继续有效。

打破安米专利统治的同时产生了商业价值,育材堂称,多家全球主流车企和钢铁企业得知育材堂的专利技术后都在与他们合作。某主机厂采购中层说:" 安米无效育材堂专利之前,只是零星的听到育材堂技术的片段,我们也没当真,之前无数大钢厂都没成功过,育材堂又是谁?安米无效不成,反而给育材堂和他们这项技术做了巨大的广告。"

市场格局

国家知识产权局这一纸审查决定书对汽车行业会产生多大影响?

业内人士告诉汽车商业评论,目前全球乘用车上使用铝硅镀层热成形钢的用量约为每年超过 300 万吨,几乎 100% 被安米独占。

之所以加了 " 几乎 " 的定语,是因为除了自己提供,安米还会授权给其他钢铁公司生产销售,一方面规避反垄断法规,一方面收取高昂的专利授权费。在欧洲,安米授权给蒂森克虏伯,后者生产的铝硅镀层热成形钢几乎全部销售给欧洲汽车公司,其中大众汽车是对这种钢材需求量最大的车企之一。

其他主要市场类似欧洲,在美国少部分授权给美国的 AK 钢铁公司,其余大部分份额由安米占据。在韩国授权给现代制铁,且只允许供应给现代起亚汽车集团。日本稍特殊一些,新日铁与安米在很多产品上交叉授权,但在铝硅镀层热成形钢领域合作有限,因此日本车企、日系车型对铝硅镀层热成形钢的使用率非常低。在中国基本由合资公司 VAMA 独家供货。

车企购买铝硅镀层热成形钢一般有两种形式,一种是向安米或授权钢铁公司直接购买,然后由零部件供应商制作成零部件供应给主机厂。另一种方式是零部件供应商向安米或授权钢铁公司采购,制作成零部件后供应给主机厂。

奔驰新 E 级车身结构,黑色部分为热成形钢 ▼

无论哪种形式,因为实质上的独家,安米掌控了全球铝硅镀层热成形钢的定价权,使其成本比一般钢材、也比不带镀层的热成形钢昂贵许多。据业内人士测算,安米铝硅镀层热成形钢的毛利率在 50% 左右,这导致一些企业因为采购成本原因铤而走险,绕开正版铝硅镀层热成形钢,采购非授权产品。

汽车商业评论微信公众号 2020 年 3 月 26 日曾发表《热成形钢专利案,揭开汽车行业最隐秘的独家垄断》一文,报道了安米与 VAMA 起诉湘潭屹丰汽车部件有限公司向上汽大众提供非授权的铝硅镀层热成形钢部件,侵害发明专利权的纠纷案。

非授权的铝硅镀层热成形钢售价比合法授权的要低得多,主机厂和零部件供应商能大幅降低成本。对钢铁公司来说,非授权的铝硅镀层热成形钢利润率远远高于其他钢材,导致不断有企业铤而走险,进行非授权生产和交易,也让安米法务部成了全世界最繁忙的法务部之一。

育材堂的专利突破将从根本上扭转全球铝硅镀层热成形钢的供需格局。

育材堂不是钢铁公司而是科技公司,他们的盈利方式不是生产销售钢铁,而是把专利授权给钢铁公司收取专利使用费。

无论授权给谁、授权给几家,首先可以确定的是铝硅镀层热成形钢价格会降低。其次,因为价格降低和育材堂对铝硅镀层热成形钢性能的提升,车企将在产品上使用更多铝硅镀层热成形钢。这两点对消费者、车企、零部件供应商、大多数钢铁公司来说都是多赢的好消息。

仍有扩张空间

全球每年除了超过 300 万吨铝硅镀层热成形钢,还有 300 万吨左右不带镀层的热成形钢,业内称其为裸钢。由于不涉及专利,裸钢的价格非常低廉。育材堂的专利突破还有可能把裸钢需求中的一部分转化为铝硅镀层热成形钢。

欧洲、北美、韩国等发达国家和地区车企使用的基本都是铝硅镀层热成形钢。因为裸钢在热冲压时会形成氧化皮,在焊接和涂装之前必须清洗掉氧化皮。清洗氧化皮的最常用工艺是酸洗或喷砂,两种工艺的共同点是非常不环保,在欧美等发达国家地区无法通过环保法规。

其次,就算是环保法规没那么严格的地区,酸洗和喷砂的过程会让零件产生较大形变,安装时容易出现问题。

业内人士在私下聊天时曾向汽车商业评论透露,某国内主机厂曾有一款车模仿了宝马,选择材料时因为成本问题选择了价格低廉的裸钢。零件冲压之后用喷丸法清洗,清洗后发现 A 柱大量扭曲变形无法装配。最后的解决方案是把 A 柱一截两段,装车时中间焊起来,因为零部件变短能显著降低喷丸后的变形,但如此一来,A 柱的防碰撞能力可想而知。

可预期的未来,育材堂的专利突破带来的价格降低能让一部分裸钢被铝硅镀层热成形钢替代,对环境保护、消费者权益和汽车企业来说都是一种进步。

更大的市场空间在于每一辆车铝硅镀层热成形钢使用量的提升。

全球铝硅镀层热成形钢使用量最大的车型沃尔沃 XC90 ▼

截至目前,全球铝硅镀层热成形钢使用量最大的车型是沃尔沃 XC90,使用比例达到整个白车身的 40% 以上,因为成本高昂,一般国产车型热成形钢使用率超过 10% 已经算是优秀水平。打破垄断带来的价格降低有望提升铝硅镀层热成形钢在每辆车上的用量,反过来也拉动这个市场的急速扩张。

一些优秀的本土汽车公司对该领域有非常前瞻的布局。汽车商业评论采访到的业内人士称,德国大众和中国长城汽车等是汽车业中少数的几家自己拥有热成形冲压产线的整车企业。

" 国内一家主打 SUV 市场的自主品牌企业,一年要用到 10 万吨,据说当时是为了压低热成形钢零部件价格。这也是让全球最顶级的供应商给他们做的热冲压自动化产线,借鉴了欧洲标准。他们的热成形钢使用比例在国内主机厂里领先挺多,大概 20-30% 的热成形零件能自给自足。" 知情人称。

技术创新与商业价值

全球热成形钢市场每年有 300 多万吨带镀层、300 万吨不带镀层,后者除了专利和成本因素外还有一个性能优势,钢板韧性高于带镀层的。也就是说,加镀层会削弱钢板韧性。

另外钢板还有一对性能矛盾:强度和韧性,强度越高韧性越差,反之亦然。

以上两点叠加的结果是,为下一代更高强度的产品,即 1500 兆帕以上、甚至 2000 兆帕强度的热成形钢加镀层是一件极其困难的事,会让钢板韧性达不到全球主流厂商的标准要求。

前文已述,在环保要求严苛的欧洲,厂商不可能使用不带镀层的裸钢,这也导致了欧洲厂商很难应用 1500 兆帕以上强度的热成形钢,更高强度的热成形钢率先在中国市场投入使用成为潮流。

2017 年之前汽车上强度最高的热成形钢是马自达 CX-5 前防撞梁上采用的 1800 兆帕热成形裸钢。

2017 年上市的北汽新能源纯电动微型车 LITE 的门内防撞梁率先使用了 1900 兆帕的热成形钢,由育材堂与合作方提供基材技术方案,但不带镀层。

2020 年 8 月 23 日上市的红旗 H9 和 8 月 30 日上市的第三代哈弗 H6 分别宣称使用了 2000 兆帕的热成形钢,全球有据可查的最先使用 2000 兆帕热成形钢的两款车型相隔 7 天诞生。

岚图 FREE 则是全球最先宣称使用 2000 兆帕带铝硅涂层热成形钢的车型。

目前全球能供应 1800 兆帕以上强度且带铝硅涂层热成形钢的只有安米和育材堂技术授权的某跨国钢铁公司两家。育材堂除了镀层的专利技术,也是全球极少数拥有基体钢材核心专利技术的公司。

接下来,如何解决强度和韧性的矛盾是整个热成形钢领域的前沿课题。目前看,育材堂的专利技术已经走在前列。

相隔 7 天上市的红旗 H9 与第三代哈弗 H6 宣称使用了 2000 兆帕的热成形钢 ▼

某整车厂采购中层告诉汽车商业评论,希望真正的技术创新尽快量产装车,热成形钢领域这么多年并不是没有人挑战安米,只不过缺少既能在已有专利集群中脱颖而出的、又能产生商业价值的技术。

他以美国 AK 钢铁公司为例,这家企业从 2012 年开始跟安米打了四轮专利官司,四轮都打赢了,但几乎没拿到过主机厂的订单。原因是为了规避安米专利,AK 的技术把热成形钢的强度降下来,对主机厂来说价值不大,也与提升强度的行业趋势相违背。

类似例子不少。还有钢铁公司为了绕开安米专利,在工艺窗口上做文章。安米的工艺是在 880 摄氏度到 930 摄氏度加热,加热时间亦有严格规定。有钢铁公司改变工艺,用 950 摄氏度加热,确实绕开了安米的专利范围。

" 问题是 950 度加热不行啊,制造出来的产品是次品,是一个韧性严重下降的东西。这个逻辑要是可行的话我还可以 1000 度加热呢,都能绕开专利,但产品没法用。" 上述整车厂采购中层说,这种掩耳盗铃式的行为一来完全没有了解竞争对手的技术底蕴,二来缺乏对主机厂客户需求的理解和对技术的敬畏,仅仅是为了绕开专利而改变工艺,无法为客户带来价值,也不可能推动技术进步。。

2020 年底,整个中国汽车业刚刚从一整年抗击疫情的艰难中迎来销量复苏的好消息,又陷入高端芯片短缺的巨大失落。

受影响的又何止汽车业。2020 年 12 月 16 日至 18 日在北京举行的 2020 年中央经济工作会议明确部署了 2021 年经济工作的八项重点任务,其中有两处提到 " 卡脖子 ":增强产业链供应链自主可控能力,尽快解决一批 " 卡脖子 " 问题,搞出更多独门绝技;解决好种子和耕地问题,开展种源 " 卡脖子 " 技术攻关。

因此,热成形钢领域跟 " 卡脖子 " 说再见,是汽车商业评论看到的 2020 年汽车业最重要的突破之一。

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