钢铁材料——既轻量化又提升安全性的汽车基础材料

摘要汽车的轻量化就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。

尽管近年来我国汽车产销量增速出现放缓,但是我国汽车工业仍将保持稳定增长的判断被业内认可,很多钢铁企业把汽车用钢列为发展的战略产品,力争在这一领域占有一席之地。汽车工业未来发展趋势如何?钢铁材料在汽车中的应用前景如何?带着这些问题,本报记者专门采访了国内汽车材料技术研究与应用专家、中国汽车工程技术研究院有限公司副总工程师马鸣图教授。

汽车油耗、环保和安全问题日益突出

2014年全国汽车产量2372万辆,汽车保有量超过1.5亿辆,千人汽车保有量115辆。马鸣图教授认为,与世界千人汽车拥有量超过150辆相比,我国汽车市场尚未饱和。虽然受我国经济增速放缓影响,汽车产销增速出现放缓,但是汽车工业仍有发展空间,在今后一段时期内将保持增长。而在汽车工业发展过程中,汽车油耗、环保和安全等诸多问题日益突出。

有资料显示,在各行业的石油消耗中,汽车工业消耗我国石油总量的65%-70%,商用车消耗我国汽车用油的65%-70%,重型商用车消耗我国商用车用油的65%-70%。而2014年,我国石油消耗总量超过5.18亿吨,进口3.08亿吨,对外依存度接近60%。环保方面,每燃烧一升汽油,将产生2.5千克二氧化碳,按目前石油的消耗量,2014年汽车排放的二氧化碳接近10亿吨。因此汽车工业的节能减排对于国家的能源供应和环境保护都具有重要意义。世界各国政府都十分重视汽车业的节能减排,采取各种措施降低油耗,提高燃油效率。我国政府也提出了日益严格的节能降耗政策。那么汽车业该如何应对呢?马鸣图教授认为,汽车轻量化是推动汽车业节能减排的直接和重要的技术途径。那么,我们该如何理解汽车轻量化这一概念?

汽车轻量化既节能减排,也是制造水平的体现

据马鸣图教授介绍,汽车的轻量化就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。汽车轻量化具有重大意义:第一,汽车轻量化有利于节能减排。研究表明,约75%的油耗与整车重量有关,降低汽车质量就可有效降低油耗以及排放。目前,大量研究表明,汽车质量每下降10%,油耗下降8%,排放下降6%-8%。对商用车的研究表明,汽车质量每减少1000千克,油耗可降低6%-7%。据估算,每消耗1升燃油,将产生2-2.5千克二氧化碳。因此燃油消耗的降低就意味着温室气体和其他有害气体排放的下降。第二,汽车轻量化是汽车企业提升竞争力的必由之路。第三,轻量化可以降低碰撞时对对方的伤害。汽车设计的安全理念是:当被碰撞时,可以有效保护自己,既有高的被动碰撞安全性,当碰撞别人时,也能有效减少对别人的伤害。第四,轻量化可以有效提高汽车加速性、动力性和操控性。第五,轻量化可以降低材料用量,节材节能、从生命周期评价(LCA)的评估结果显示,轻量化是优势的节能减排技术。第六,轻量化是多种材料、多种技术、多种专业优势集成,是制造水平的体现。综合来看,轻量化有利于提升汽车品牌特别是自主品牌的竞争能力,缩小与国外汽车产业技术的差距。另外,新能源汽车的发展有利于节能减排,而汽车轻量化也是新能源汽车开发的重要课题。

汽车轻量化是设计、材料和先进加工成形技术的优势集成

对于汽车轻量化该如何设计和实施,马鸣图教授强调,汽车轻量化应该是设计、材料和先进加工成形技术的优势集成。即从轻量化的概念设计零部件的几何形状优化而取得的轻量化设计,通过先进的制造技术而取得的轻量化设计,由于轻量化材料的合理应用而取得的轻量化设计,即三种优势的集成。在轻量化设计和工程实施过程中,要切实贯彻并行工程,充分挖掘各方面的资源,上下游密切合作。另外,价格是轻量化设计中的重要因素,合理的轻量化工程通过优化设计、合理选材和应用先进的成形技术,可以在保证轻量化零件或部件功能的同时,不增加构件的成本,取得合理的轻量化零部件的高性价比。

在评价方面,要从生命周期评价,从可持续发展的角度对汽车轻量化技术进行研究与评估。具体来说,要包括对能源的评估:涵盖材料的生产、零件的制造、汽车的使用、汽车的回收全过程的能源;要包括对性能评估:涉及原材料的性能、合成材料的性能、制造的工艺性能、材料的使用性能等;要包括对价格评估:求得最高的性价比;最后还要包括对回收再利用的评估:涉及材料的循环再生。

钢铁材料是汽车制造的基础材料

当前,铝、碳纤维等材料在汽车制造中应用越来越多,在诸多可替代材料的竞争下,钢铁材料在汽车中的应用前景如何?对此,马鸣图教授认为,每种材料都有其应用价值。钢铁材料是既轻量化又能保证安全,性价比高的一种结构材料;铝合金是提升性能和某些法规要求的轻量化材料;塑料复合材料是轻量化和内饰件的重要结构材料;镁合金是汽车轻量化的结构材料。其他材料如:排气系统的不锈钢等是特殊性能要求的结构材料。对一般乘用车,钢铁材料占整个汽车用材的60%-65%,对商用车,钢铁材料的比例可占80%-85%。因此钢铁材料在目前和今后相当一段时间内,仍然是汽车制造的基础材料。而高强度钢和先进高强度钢就是适应轻量化发展需求而迅速发展的一类新型的钢铁材料。

据马鸣图教授介绍,目前,国内钢铁企业为适应高强度、高成形性板材的需求,分别对第一代先进高强度钢、第二代先进高强度钢、第三代先进高强度钢进行了开发,并试制了一些产品,并在汽车生产中得到了大量应用。应该说,对先进高强度钢,特别是双相钢的开发和应用技术研究,国内早已达到国际先进水平,并有专著出版,有力地指导了双相钢的开发和应用。目前,该钢种已基本形成系列,并在汽车工业中应用。在第三代先进高强度钢的开发中,宝钢率先在世界上将Q&P钢实现产业化,并已小批量供应汽车企业进行试用。这些成果已处世界先进水平。

高强钢应用存在的问题及解决方案

马鸣图教授指出,目前在高强钢应用方面还存在变形时易开裂、变形抗力大、成形后回弹大、零件尺寸精度不良等问题。为解决高强钢在应用中存在的问题,研发了高强钢板的激光拼焊板,使变形较大的部位由软钢或成形性较好的高强钢来承受,而变形量较小或需要承受较大负荷的部位则使用强度等级较高的高强钢。除此之外,还研发了新的成形技术,如液压成形、辊压成形和热冲压成形等。总体来看,在高强钢的应用方面还有大量工作要做。比如高强钢的成形性尚需进一步改进;回弹的评价、预测、补偿需要做进一步工作;成形的模具寿命需要提升;需要开发新的连接技术和方法以及点焊后的评价方法;需要制定高强度钢的设计准则和应用哲学;需要数据积累,建立数据库等。

对于今后高强钢的研发和应用,马鸣图教授认为,围绕汽车轻量化,钢铁材料重点是发展第一代和第三代先进高强度钢,并解决这些钢种应用中的问题。对第二代先进高强度钢,重点研究高锰钢的生产工艺技术、焊接和延迟断裂等工艺技术。第一代、第二代、第三代先进高强度钢向更高的强度级别发展,并且对先进的成形技术如热冲压成形、辊压成形、液压成形等进行进一步的开发和应用,从而为汽车行业提供高性价比的汽车零部件。

来源:钢之家

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