鋼鐵材料——既輕量化又提升安全性的汽車基礎材料

摘要汽車的輕量化就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整備質量,從而提高汽車的動力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。

盡管近年來我國汽車產銷量增速出現放緩,但是我國汽車工業仍將保持穩定增長的判斷被業內認可,很多鋼鐵企業把汽車用鋼列為發展的戰略產品,力爭在這一領域占有一席之地。汽車工業未來發展趨勢如何?鋼鐵材料在汽車中的應用前景如何?帶著這些問題,本報記者專門采訪了國內汽車材料技術研究與應用專家、中國汽車工程技術研究院有限公司副總工程師馬鳴圖教授。

汽車油耗、環保和安全問題日益突出

2014年全國汽車產量2372萬輛,汽車保有量超過1.5億輛,千人汽車保有量115輛。馬鳴圖教授認為,與世界千人汽車擁有量超過150輛相比,我國汽車市場尚未飽和。雖然受我國經濟增速放緩影響,汽車產銷增速出現放緩,但是汽車工業仍有發展空間,在今后一段時期內將保持增長。而在汽車工業發展過程中,汽車油耗、環保和安全等諸多問題日益突出。

有資料顯示,在各行業的石油消耗中,汽車工業消耗我國石油總量的65%-70%,商用車消耗我國汽車用油的65%-70%,重型商用車消耗我國商用車用油的65%-70%。而2014年,我國石油消耗總量超過5.18億噸,進口3.08億噸,對外依存度接近60%。環保方面,每燃燒一升汽油,將產生2.5千克二氧化碳,按目前石油的消耗量,2014年汽車排放的二氧化碳接近10億噸。因此汽車工業的節能減排對于國家的能源供應和環境保護都具有重要意義。世界各國政府都十分重視汽車業的節能減排,采取各種措施降低油耗,提高燃油效率。我國政府也提出了日益嚴格的節能降耗政策。那么汽車業該如何應對呢?馬鳴圖教授認為,汽車輕量化是推動汽車業節能減排的直接和重要的技術途徑。那么,我們該如何理解汽車輕量化這一概念?

汽車輕量化既節能減排,也是制造水平的體現

據馬鳴圖教授介紹,汽車的輕量化就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整備質量,從而提高汽車的動力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。汽車輕量化具有重大意義:第一,汽車輕量化有利于節能減排。研究表明,約75%的油耗與整車重量有關,降低汽車質量就可有效降低油耗以及排放。目前,大量研究表明,汽車質量每下降10%,油耗下降8%,排放下降6%-8%。對商用車的研究表明,汽車質量每減少1000千克,油耗可降低6%-7%。據估算,每消耗1升燃油,將產生2-2.5千克二氧化碳。因此燃油消耗的降低就意味著溫室氣體和其他有害氣體排放的下降。第二,汽車輕量化是汽車企業提升競爭力的必由之路。第三,輕量化可以降低碰撞時對對方的傷害。汽車設計的安全理念是:當被碰撞時,可以有效保護自己,既有高的被動碰撞安全性,當碰撞別人時,也能有效減少對別人的傷害。第四,輕量化可以有效提高汽車加速性、動力性和操控性。第五,輕量化可以降低材料用量,節材節能、從生命周期評價(LCA)的評估結果顯示,輕量化是優勢的節能減排技術。第六,輕量化是多種材料、多種技術、多種專業優勢集成,是制造水平的體現。綜合來看,輕量化有利于提升汽車品牌特別是自主品牌的競爭能力,縮小與國外汽車產業技術的差距。另外,新能源汽車的發展有利于節能減排,而汽車輕量化也是新能源汽車開發的重要課題。

汽車輕量化是設計、材料和先進加工成形技術的優勢集成

對于汽車輕量化該如何設計和實施,馬鳴圖教授強調,汽車輕量化應該是設計、材料和先進加工成形技術的優勢集成。即從輕量化的概念設計零部件的幾何形狀優化而取得的輕量化設計,通過先進的制造技術而取得的輕量化設計,由于輕量化材料的合理應用而取得的輕量化設計,即三種優勢的集成。在輕量化設計和工程實施過程中,要切實貫徹并行工程,充分挖掘各方面的資源,上下游密切合作。另外,價格是輕量化設計中的重要因素,合理的輕量化工程通過優化設計、合理選材和應用先進的成形技術,可以在保證輕量化零件或部件功能的同時,不增加構件的成本,取得合理的輕量化零部件的高性價比。

在評價方面,要從生命周期評價,從可持續發展的角度對汽車輕量化技術進行研究與評估。具體來說,要包括對能源的評估:涵蓋材料的生產、零件的制造、汽車的使用、汽車的回收全過程的能源;要包括對性能評估:涉及原材料的性能、合成材料的性能、制造的工藝性能、材料的使用性能等;要包括對價格評估:求得最高的性價比;最后還要包括對回收再利用的評估:涉及材料的循環再生。

鋼鐵材料是汽車制造的基礎材料

當前,鋁、碳纖維等材料在汽車制造中應用越來越多,在諸多可替代材料的競爭下,鋼鐵材料在汽車中的應用前景如何?對此,馬鳴圖教授認為,每種材料都有其應用價值。鋼鐵材料是既輕量化又能保證安全,性價比高的一種結構材料;鋁合金是提升性能和某些法規要求的輕量化材料;塑料復合材料是輕量化和內飾件的重要結構材料;鎂合金是汽車輕量化的結構材料。其他材料如:排氣系統的不銹鋼等是特殊性能要求的結構材料。對一般乘用車,鋼鐵材料占整個汽車用材的60%-65%,對商用車,鋼鐵材料的比例可占80%-85%。因此鋼鐵材料在目前和今后相當一段時間內,仍然是汽車制造的基礎材料。而高強度鋼和先進高強度鋼就是適應輕量化發展需求而迅速發展的一類新型的鋼鐵材料。

據馬鳴圖教授介紹,目前,國內鋼鐵企業為適應高強度、高成形性板材的需求,分別對第一代先進高強度鋼、第二代先進高強度鋼、第三代先進高強度鋼進行了開發,并試制了一些產品,并在汽車生產中得到了大量應用。應該說,對先進高強度鋼,特別是雙相鋼的開發和應用技術研究,國內早已達到國際先進水平,并有專著出版,有力地指導了雙相鋼的開發和應用。目前,該鋼種已基本形成系列,并在汽車工業中應用。在第三代先進高強度鋼的開發中,寶鋼率先在世界上將Q&P鋼實現產業化,并已小批量供應汽車企業進行試用。這些成果已處世界先進水平。

高強鋼應用存在的問題及解決方案

馬鳴圖教授指出,目前在高強鋼應用方面還存在變形時易開裂、變形抗力大、成形后回彈大、零件尺寸精度不良等問題。為解決高強鋼在應用中存在的問題,研發了高強鋼板的激光拼焊板,使變形較大的部位由軟鋼或成形性較好的高強鋼來承受,而變形量較小或需要承受較大負荷的部位則使用強度等級較高的高強鋼。除此之外,還研發了新的成形技術,如液壓成形、輥壓成形和熱沖壓成形等。總體來看,在高強鋼的應用方面還有大量工作要做。比如高強鋼的成形性尚需進一步改進;回彈的評價、預測、補償需要做進一步工作;成形的模具壽命需要提升;需要開發新的連接技術和方法以及點焊后的評價方法;需要制定高強度鋼的設計準則和應用哲學;需要數據積累,建立數據庫等。

對于今后高強鋼的研發和應用,馬鳴圖教授認為,圍繞汽車輕量化,鋼鐵材料重點是發展第一代和第三代先進高強度鋼,并解決這些鋼種應用中的問題。對第二代先進高強度鋼,重點研究高錳鋼的生產工藝技術、焊接和延遲斷裂等工藝技術。第一代、第二代、第三代先進高強度鋼向更高的強度級別發展,并且對先進的成形技術如熱沖壓成形、輥壓成形、液壓成形等進行進一步的開發和應用,從而為汽車行業提供高性價比的汽車零部件。

來源:鋼之家

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