汽车轻量化发展下的钢铁技术应用

1 引言 汽车轻量化最早源于赛车运动，即在确保稳定提升性能的基础上，通过减轻各总成部件质量持续优化车型。目前，汽车轻量化技术已经成为汽车工业发展的重点之一。汽车轻量化不是简单以减轻车质量多少来衡量，必须与所设计车身的尺寸和功能相关。对于已有功能可满足要求的汽车，轻量化设计是减轻质量而保持原功能不变，轻量化设计工作是直接减重；现有功能尚不能全部满足要求或需要提升的汽车，轻量化设计工作是完善功能而保持质量不变，即要提高改进性能，同时也使汽车减轻质量。汽车轻量化设计实际上是功能改进、质量减轻、结构优化和合理价格的结合[1,2]。本文对国际和中国汽车轻量化发展、汽车轻量化的相关钢铁产品应用进行分析，探讨了汽车轻量化设计对钢铁材料发展的需求。 2 国内外汽车轻量化发展历程 2.1 国际主要汽车生产国发展历程 汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。汽车整车备件质量每减少100 kg，百公里油耗可降低0.3～0.6 L，汽车轻量化在世界主要汽车生产国都得到很大的支持[3]。 美国在1993年开始实施“平均燃油效率标准”（CAFE）和“新一代汽车共同开发计划”（PNGV），政府每年投资2亿美元，主要用于减轻家庭用车的质量。2009年，美国公布了一项汽车节能减排计划，目标是到2016年，美国国内生产的客车和轻型载货车百公里耗油不超过6.62 L，CO2排放量减少1/3。2014年，美国能源部继续推出DE-FOA-0000991计划，将资助4 940万美元以促进新的车辆技术研发，这些研发包括汽车轻量化、先进电池开发、动力电子、先进动力总成以及燃料和润滑剂研究共13个领域[4]。欧洲和日本在降耗减排方面也推行了相关政策，而且对废旧车辆回收进行严格规定。如，欧洲改善燃油效率的做法是汽车行业通过自我限制，2008年新车平均CO2排放标准为140 g/km；日本2010年燃油效率相比1995年提高了24%，燃油效率的规定不按照企业平均量，而是按照汽车等级进行区分。 2.2 中国汽车轻量化发展历程 2004年我国出台《乘用车燃料消耗量限值》国家标准，从长远角度提高能源利用率，并促进汽车轻量化的发展。2009年出台的“汽车产业调整振兴规划”中规定购买1.6 L及以下小排量汽车可减免5%的车辆购置税。2011年，工业和信息化部发布了《工业转型升级投资指南》，其中汽车轻量化是汽车行业节能减排技术、工艺和装备研发与应用的主要环节。 近年，我国在汽车轻量化技术方面有多个课题被列为国家863、973高新技术项目和国家科技攻关重大项目，促进了汽车轻量化技术的进步。在汽车结构优化设计方面，中国已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等设计方法进行静强度计算和分析阶段，我国的研发机构和大学与汽车企业共同实现了汽车车身模具开发技术的应用。如，湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了研究；北京航空航天大学开展了客车轻量化技术的研究，利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，以减轻车身骨架、发动机和车身质量等。 3 推进汽车轻量化的钢铁产品技术应用 钢铁材料技术发展态势为兼顾轻量化与提高碰撞安全性。目前减轻汽车质量成为减少CO2排放和降低燃油消耗的关键手段。而在新能源汽车领域，复合动力车和电动车更加要求减轻车身质量[5]。世界各大汽车公司逐步增加了高强钢的使用量，预测先进高强钢在汽车上所占比率将从2009年的7%增加将到2015年的30%[6]。从技术和经济的角度考虑，钢铁企业研发汽车用先进高强钢和相关制造技术前景广阔。 3.1 先进超高强钢产品的应用 日本高强度钢板应用比例提升已经成为新车型规划的重要内容（新车型推出周期为2～3年），在新车型筹划阶段即对相应的高强钢品种进行试验，以保证在新车型推出时，同步实施高强度钢板在各类零件上的应用。德国宝马汽车公司为满足欧洲安全法规要求，2005年推出的新车型中大幅提高了高强度钢板的应用比例。1997年，宝马3系白车身软钢板和低强度钢板所占比率为65%，钢板平均最小屈服强度为178 MPa；2004年，宝马3系列车身软钢板和低强度钢板所占比率降至32%，其平均最小屈服强度提高到294 MPa。 图1为日本钢铁企业设计的汽车车身用钢强度分布图[7]。为考虑更高的冲撞安全性，在车身前部、侧下部和侧上部等部位的钢铁产品等级均达到或超过980 MPa。其中，前保险杠用钢最高强度等级为1 470 MPa，前悬置固定架为980 MPa，立柱为1 180 MPa。 图1 汽车车身用钢强度分布图 在亚洲地区的钢铁生产企业中，日本新日铁住金集团、JFE集团和韩国浦项集团在超高强度钢的研发上有很大突破。表1为2012年1月～2013年12月先进钢铁企业超高强度汽车板研发的产品情况，其中，韩国浦项集团对汽车用钢的研发重点已经由片面追求高强度转向高强度与轻量型兼备[8]，其研发的高强度汽车用钢板抗拉强度大于590 MPa，而厚度比中等强度钢板薄，其产品主要有：超高强度TWIP 980钢、汽车加固梁用980 MPa级冷轧DP钢、马氏体钢POS MART GI1470。 表1 国外先进钢铁企业超高强度汽车板企业日本新日铁住金集团日本JFE集团韩国浦项集团研发产品1.2 GPa(1 180 MPa)冷冲压钢、Al-Mg-Si高耐蚀热镀锌钢板、DP1180 1 470 MPa冷轧板、GA1180 POS MART GI14 70、CP1470、HPF 1470/2000、TWIP980、DP980 3.2 汽车轻型化异材连接技术开发 在现行的车辆零部件选材中，由于需要使用超高强度钢，如B柱或摇杆/门槛等，限制了汽车总质量的减少。对一些特殊部件，高强度钢需要满足强度要求，相邻部件通常也由钢制成以避免对异种金属接合的要求。但是，这对汽车轻量化的进程是不利的。以往的操作方法是铝合金和钢通过螺丝或铆钉进行机械连接，存在着生产性较低和成本过高的问题。为进一步提高汽车轻量化的应用，钢铝混合车身将是汽车轻量化的发展趋势。为此，日本钢铁企业研发新的连接技术，在汽车车体制造中将铝合金材料与周围的钢铁连接起来。日本神户制钢材料研究所通过汽车组装时常用的、生产性较高的焊接工艺来实现异材连接。图2为铝合金与钢进行焊接的实例图。在对铝合金和钢实施异材焊接时，连接部位比较脆弱，容易生成化合物，难以实现足够的连接强度。在现行的开发技术中，采用一种可去除焊接阻碍物的焊剂，并可改善焊接条件，获得了与焊接两块铝材同等的连接强度。 图2 铝合金与钢焊接实例 3.3 汽车用钢热成型技术的持续应用 2008～2010年，国外约有110条热冲压生产线，主要分布在美国、德国、日本、法国、西班牙、瑞典等国家。欧洲为适应日趋严格的安全法规要求，越来越多的加强类零件采用热冲压成形，使热成形用钢板需求量快速增加。2004年欧洲热冲压成形用钢板的用量为6～8万t；2009年达30万t。我国的热冲压生产线数量也不断增加，已建成的热冲压成形生产线约40条。为达到汽车安全和轻量化的平衡，汽车用钢热成形技术已被汽车厂家广泛应用，图3为部分欧洲车型热成形构件占车身质量比率，其中，奥迪A3达21.7%，占骨架质量比率的26.4%。 图3 部分欧洲车型热成形构件占车身质量比率 在我国的汽车制造企业中，奇瑞将热成形技术应用在B柱加强板、前保险杠横梁和A柱加强件等，如艾瑞泽7系车型，热成形技术应用在A柱、B柱、门防撞板、前挡板加强横梁等7个零部件，实现减轻质量8.6 kg，并且从结构上实现了B柱顶部与底部性能差异化；上海汽车某车型设计的B柱总成，由B柱和上、下内加强板组成，B柱和上、下内板均采用B340/590DP，厚度分别为1.2 mm、1.0 mm和1.4 mm。为推进汽车B柱轻量化设计，采用热成形高强度钢板22MnB5替代，厚度为1.4 mm，并取消内板结构，表2为B柱轻量化方案[9]。通过热成形高强度钢板的使用，以刚度和强度满足设计要求为约束条件，实现了B柱结构单侧减轻质量约1 kg，减重比率约24%。 4 未来汽车轻量化钢铁材料需求探讨 汽车轻量化的发展趋势为用多种材料并用在汽车合适的位置，钢铁材料依然是汽车的主要材料。国际钢协未来钢质汽车FSV项目预测，到2020年抗拉强度级别在980 MPa及以上的高强度钢将占整体车身用材的50%以上[10]。在欧洲，大型汽车制造商正在实施“超轻型汽车工程”计划，目标是在稳定价格基础上减轻车质量30%，高强度钢的使用率超过80%。采用减轻的超高强钢可能会产生成本溢价，但减轻的质量可将制造和装配总成本降低。 表2 国B柱轻量化方案零件名称及其材料增加质量/kgB柱热成形高强度钢板22MnB5 1.4 B柱上、下加强板材料厚度/mm材料厚度/mm替换前钢材B340/590DP 1.2 B340/590DP 1.0/1.4 0.53取消-0.98 减轻白车身质量对整车轻量化有显著的作用，现行的轿车大多采用全承载式车身结构，如果仅改变车身骨架断面结构、减薄各板材的厚度，在减轻车身结构质量的同时对车身的振动特性和弯扭刚度等会产生一定的影响[11]。目前，白车身轻量化的途径是高强钢与轻质材料并用，板类零件壁厚减薄和以质量最小为目标、车身振动疲劳或刚度为约束的单目标优化设计[12]。对于车身构建的其它性能，如振动、刚度和强度等一般只作为约束条件，待得出验证优化结果后进行验证，最终结果并非是最优的轻量化结果。将汽车设计与超高强度钢材同时考虑，进行车身轻量化与结构性能的多目标优化是汽车轻量化发展的实际需求。 5 结束语 汽车轻量化已经成为世界汽车工业可持续发展的必然道路，并得到各主要汽车生产国的支持。美国从1993年开始实施“平均燃油效率标准”与“新一代汽车共同开发计划”，并且在2009年和2014年均有最新的政策推进汽车轻量化技术。2011年，中国工业和信息化部发布了《工业转型升级投资指南》，其中汽车轻量化是汽车行业节能减排、装备和技术研发与应用的主要环节。 钢铁材料是汽车轻量化的主要提升材料，日本和韩国的钢铁企业以研发超高强度汽车用钢为技术突破点。钢铝混合车身将是汽车轻量化的发展趋势，日本神户制钢研发了钢材与铝合金异种连接技术。针对汽车生产企业的实际需求，钢铁生产者也将继续推进热成形技术并应用在汽车加强类零件上。 1 引言 汽车轻量化最早源于赛车运动，即在确保稳定提升性能的基础上，通过减轻各总成部件质量持续优化车型。目前，汽车轻量化技术已经成为汽车工业发展的重点之一。汽车轻量化不是简单以减轻车质量多少来衡量，必须与所设计车身的尺寸和功能相关。对于已有功能可满足要求的汽车，轻量化设计是减轻质量而保持原功能不变，轻量化设计工作是直接减重；现有功能尚不能全部满足要求或需要提升的汽车，轻量化设计工作是完善功能而保持质量不变，即要提高改进性能，同时也使汽车减轻质量。汽车轻量化设计实际上是功能改进、质量减轻、结构优化和合理价格的结合[1,2]。本文对国际和中国汽车轻量化发展、汽车轻量化的相关钢铁产品应用进行分析，探讨了汽车轻量化设计对钢铁材料发展的需求。 2 国内外汽车轻量化发展历程 2.1 国际主要汽车生产国发展历程 汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。汽车整车备件质量每减少100 kg，百公里油耗可降低0.3～0.6 L，汽车轻量化在世界主要汽车生产国都得到很大的支持[3]。 美国在1993年开始实施“平均燃油效率标准”（CAFE）和“新一代汽车共同开发计划”（PNGV），政府每年投资2亿美元，主要用于减轻家庭用车的质量。2009年，美国公布了一项汽车节能减排计划，目标是到2016年，美国国内生产的客车和轻型载货车百公里耗油不超过6.62 L，CO2排放量减少1/3。2014年，美国能源部继续推出DE-FOA-0000991计划，将资助4 940万美元以促进新的车辆技术研发，这些研发包括汽车轻量化、先进电池开发、动力电子、先进动力总成以及燃料和润滑剂研究共13个领域[4]。欧洲和日本在降耗减排方面也推行了相关政策，而且对废旧车辆回收进行严格规定。如，欧洲改善燃油效率的做法是汽车行业通过自我限制，2008年新车平均CO2排放标准为140 g/km；日本2010年燃油效率相比1995年提高了24%，燃油效率的规定不按照企业平均量，而是按照汽车等级进行区分。 2.2 中国汽车轻量化发展历程 2004年我国出台《乘用车燃料消耗量限值》国家标准，从长远角度提高能源利用率，并促进汽车轻量化的发展。2009年出台的“汽车产业调整振兴规划”中规定购买1.6 L及以下小排量汽车可减免5%的车辆购置税。2011年，工业和信息化部发布了《工业转型升级投资指南》，其中汽车轻量化是汽车行业节能减排技术、工艺和装备研发与应用的主要环节。 近年，我国在汽车轻量化技术方面有多个课题被列为国家863、973高新技术项目和国家科技攻关重大项目，促进了汽车轻量化技术的进步。在汽车结构优化设计方面，中国已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等设计方法进行静强度计算和分析阶段，我国的研发机构和大学与汽车企业共同实现了汽车车身模具开发技术的应用。如，湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了研究；北京航空航天大学开展了客车轻量化技术的研究，利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，以减轻车身骨架、发动机和车身质量等。 3 推进汽车轻量化的钢铁产品技术应用 钢铁材料技术发展态势为兼顾轻量化与提高碰撞安全性。目前减轻汽车质量成为减少CO2排放和降低燃油消耗的关键手段。而在新能源汽车领域，复合动力车和电动车更加要求减轻车身质量[5]。世界各大汽车公司逐步增加了高强钢的使用量，预测先进高强钢在汽车上所占比率将从2009年的7%增加将到2015年的30%[6]。从技术和经济的角度考虑，钢铁企业研发汽车用先进高强钢和相关制造技术前景广阔。 3.1 先进超高强钢产品的应用 日本高强度钢板应用比例提升已经成为新车型规划的重要内容（新车型推出周期为2～3年），在新车型筹划阶段即对相应的高强钢品种进行试验，以保证在新车型推出时，同步实施高强度钢板在各类零件上的应用。德国宝马汽车公司为满足欧洲安全法规要求，2005年推出的新车型中大幅提高了高强度钢板的应用比例。1997年，宝马3系白车身软钢板和低强度钢板所占比率为65%，钢板平均最小屈服强度为178 MPa；2004年，宝马3系列车身软钢板和低强度钢板所占比率降至32%，其平均最小屈服强度提高到294 MPa。 图1为日本钢铁企业设计的汽车车身用钢强度分布图[7]。为考虑更高的冲撞安全性，在车身前部、侧下部和侧上部等部位的钢铁产品等级均达到或超过980 MPa。其中，前保险杠用钢最高强度等级为1 470 MPa，前悬置固定架为980 MPa，立柱为1 180 MPa。 图1 汽车车身用钢强度分布图 在亚洲地区的钢铁生产企业中，日本新日铁住金集团、JFE集团和韩国浦项集团在超高强度钢的研发上有很大突破。表1为2012年1月～2013年12月先进钢铁企业超高强度汽车板研发的产品情况，其中，韩国浦项集团对汽车用钢的研发重点已经由片面追求高强度转向高强度与轻量型兼备[8]，其研发的高强度汽车用钢板抗拉强度大于590 MPa，而厚度比中等强度钢板薄，其产品主要有：超高强度TWIP 980钢、汽车加固梁用980 MPa级冷轧DP钢、马氏体钢POS MART GI1470。 表1 国外先进钢铁企业超高强度汽车板企业日本新日铁住金集团日本JFE集团韩国浦项集团研发产品1.2 GPa(1 180 MPa)冷冲压钢、Al-Mg-Si高耐蚀热镀锌钢板、DP1180 1 470 MPa冷轧板、GA1180 POS MART GI14 70、CP1470、HPF 1470/2000、TWIP980、DP980 3.2 汽车轻型化异材连接技术开发 在现行的车辆零部件选材中，由于需要使用超高强度钢，如B柱或摇杆/门槛等，限制了汽车总质量的减少。对一些特殊部件，高强度钢需要满足强度要求，相邻部件通常也由钢制成以避免对异种金属接合的要求。但是，这对汽车轻量化的进程是不利的。以往的操作方法是铝合金和钢通过螺丝或铆钉进行机械连接，存在着生产性较低和成本过高的问题。为进一步提高汽车轻量化的应用，钢铝混合车身将是汽车轻量化的发展趋势。为此，日本钢铁企业研发新的连接技术，在汽车车体制造中将铝合金材料与周围的钢铁连接起来。日本神户制钢材料研究所通过汽车组装时常用的、生产性较高的焊接工艺来实现异材连接。图2为铝合金与钢进行焊接的实例图。在对铝合金和钢实施异材焊接时，连接部位比较脆弱，容易生成化合物，难以实现足够的连接强度。在现行的开发技术中，采用一种可去除焊接阻碍物的焊剂，并可改善焊接条件，获得了与焊接两块铝材同等的连接强度。 图2 铝合金与钢焊接实例 3.3 汽车用钢热成型技术的持续应用 2008～2010年，国外约有110条热冲压生产线，主要分布在美国、德国、日本、法国、西班牙、瑞典等国家。欧洲为适应日趋严格的安全法规要求，越来越多的加强类零件采用热冲压成形，使热成形用钢板需求量快速增加。2004年欧洲热冲压成形用钢板的用量为6～8万t；2009年达30万t。我国的热冲压生产线数量也不断增加，已建成的热冲压成形生产线约40条。为达到汽车安全和轻量化的平衡，汽车用钢热成形技术已被汽车厂家广泛应用，图3为部分欧洲车型热成形构件占车身质量比率，其中，奥迪A3达21.7%，占骨架质量比率的26.4%。 图3 部分欧洲车型热成形构件占车身质量比率 在我国的汽车制造企业中，奇瑞将热成形技术应用在B柱加强板、前保险杠横梁和A柱加强件等，如艾瑞泽7系车型，热成形技术应用在A柱、B柱、门防撞板、前挡板加强横梁等7个零部件，实现减轻质量8.6 kg，并且从结构上实现了B柱顶部与底部性能差异化；上海汽车某车型设计的B柱总成，由B柱和上、下内加强板组成，B柱和上、下内板均采用B340/590DP，厚度分别为1.2 mm、1.0 mm和1.4 mm。为推进汽车B柱轻量化设计，采用热成形高强度钢板22MnB5替代，厚度为1.4 mm，并取消内板结构，表2为B柱轻量化方案[9]。通过热成形高强度钢板的使用，以刚度和强度满足设计要求为约束条件，实现了B柱结构单侧减轻质量约1 kg，减重比率约24%。 4 未来汽车轻量化钢铁材料需求探讨 汽车轻量化的发展趋势为用多种材料并用在汽车合适的位置，钢铁材料依然是汽车的主要材料。国际钢协未来钢质汽车FSV项目预测，到2020年抗拉强度级别在980 MPa及以上的高强度钢将占整体车身用材的50%以上[10]。在欧洲，大型汽车制造商正在实施“超轻型汽车工程”计划，目标是在稳定价格基础上减轻车质量30%，高强度钢的使用率超过80%。采用减轻的超高强钢可能会产生成本溢价，但减轻的质量可将制造和装配总成本降低。 表2 国B柱轻量化方案零件名称及其材料增加质量/kgB柱热成形高强度钢板22MnB5 1.4 B柱上、下加强板材料厚度/mm材料厚度/mm替换前钢材B340/590DP 1.2 B340/590DP 1.0/1.4 0.53取消-0.98 减轻白车身质量对整车轻量化有显著的作用，现行的轿车大多采用全承载式车身结构，如果仅改变车身骨架断面结构、减薄各板材的厚度，在减轻车身结构质量的同时对车身的振动特性和弯扭刚度等会产生一定的影响[11]。目前，白车身轻量化的途径是高强钢与轻质材料并用，板类零件壁厚减薄和以质量最小为目标、车身振动疲劳或刚度为约束的单目标优化设计[12]。对于车身构建的其它性能，如振动、刚度和强度等一般只作为约束条件，待得出验证优化结果后进行验证，最终结果并非是最优的轻量化结果。将汽车设计与超高强度钢材同时考虑，进行车身轻量化与结构性能的多目标优化是汽车轻量化发展的实际需求。 5 结束语 汽车轻量化已经成为世界汽车工业可持续发展的必然道路，并得到各主要汽车生产国的支持。美国从1993年开始实施“平均燃油效率标准”与“新一代汽车共同开发计划”，并且在2009年和2014年均有最新的政策推进汽车轻量化技术。2011年，中国工业和信息化部发布了《工业转型升级投资指南》，其中汽车轻量化是汽车行业节能减排、装备和技术研发与应用的主要环节。 钢铁材料是汽车轻量化的主要提升材料，日本和韩国的钢铁企业以研发超高强度汽车用钢为技术突破点。钢铝混合车身将是汽车轻量化的发展趋势，日本神户制钢研发了钢材与铝合金异种连接技术。针对汽车生产企业的实际需求，钢铁生产者也将继续推进热成形技术并应用在汽车加强类零件上。

文章来源：《钢铁》 网址: http://www.gtbjb.cn/qikandaodu/2021/0319/709.html