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详解国内汽车用高强度钢的开发、应用及发展

时间:2015-09-07 16:57:15 来源:中国汽车材料网 点击量:46

  核心提示:中国汽车轻量化技术创新战略联盟专家中国汽车工程学会汽车材料分会副主任委员宝钢汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室主任陆匠

  中国汽车轻量化技术创新战略联盟专家、中国汽车工程学会汽车材料分会副主任委员、宝钢汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室主任

    

                                                            陆匠心主任

  随着汽车轻量化和汽车安全技术的发展,近些年高强度钢成为汽车界与材料界共同的热点。您真的了解高强度钢吗?高强度钢是如何定义和分类的,有哪些特点?国内高强度钢的开发与应用情况如何?钢铁企业如何做好高强度钢的应用推广?中国汽车材料网邀请中国汽车轻量化技术创新联盟专家、汽车工程学会材料分会副主任委员、宝钢汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室主任陆匠心,为您一一解答这些疑问。

  中国汽车材料网(Auto-Material,以下简称AM):陆主任,您好!首先我想向您请教一个简单但又非常重要的问题,汽车材料中的高强度钢究竟是怎样定义和分类的?您作为汽车用钢和轻量化的专家,我想从您这能够得到一个准确和权威的答案。

  陆匠心:高强度钢是相对软钢而言的,这个划分是基于材料的强度级别,但是不同的钢铁厂和汽车厂划分标准并不统一,有些按照屈服强度,有些按照抗拉强度划分。

  按照国际钢铁协会的定义,将屈服强度在210~550MPa范围内的钢定义为高强度钢(HSS),屈服强度在550MPa以上的钢定义为超高强度钢(UHSS)。在日系汽车中,一般把抗拉强度在340MPa以上的定义为高强度钢,780MPa以上的定义为超高强度钢。这两种定义方法对具体材料来说差异不大,都是目前经常采用的。

    

  重点要指出的是,按照强度定义的高强度钢在使用性能上存在很大差异,如成形、焊接、涂装等。材料达到高的强度不是太难的事,但在达到高强度的同时又具有好的使用性能就不容易了。汽车厂需要的是满足各种使用性能的高强度钢,而不是仅仅强度高。

  此外,根据强化机理的不同,汽车用高强度钢又可分为普通高强度钢和先进高强度钢,先进高强度钢是以相变强化机制为主的钢种,先进高强度钢的延塑性大大好于普通高强度钢,同时也具有较高的强塑积,在满足工艺性能的同时也具有更高的轻量化潜力。

  AM:高强度钢是目前应用最为广泛的轻量化材料,相对于其他汽车轻量化材料,其主要有哪些优势?

  陆匠心:目前,汽车轻量化可采用的材料方案有很多种,包括高强度钢、铝镁轻金属、碳纤维增强复合材料等。高强度钢与目前主要采用的几种非钢轻量化材料相比,其优势主要有:

  1)制造技术成熟。从钢厂到汽车制造厂,全流程技术趋于完善,各工序环节技术的衔接和配合非常可靠,为汽车制造过程的稳定提供了保证,也为最终汽车产品的性能水平和质量可靠提供了保证。

  2)材料技术成熟。材料特征可控性高,安全可靠性好,用户使用技术成熟;材料科学基础扎实,新开发的钢种性能不断提升。

  3)环境友好。随着钢铁制造技术的提升,材料制造过程对环境的影响降低,可回收性好。

  4)成本低。资源丰富,材料成本低廉;工艺成熟,制造成本低;可维护性好,使用成本低。

  AM:高强度钢由于强度较高,存在回弹较大、冲压成形性较差等缺点,采用冷冲压工艺来生产结构相对复杂的高强度钢零件还存在一定的技术瓶颈,目前有没有更好的适合高强度钢成形的新工艺?

  陆匠心:冷冲压成形是成本最低、工效最高的工艺,而且理论基础和实践经验的积累最丰富,所以它仍然是业界应用最多的成形方式。但高强度钢在冷冲压时的确存在回弹大、成形性较差的缺点。然而,也正因为此,行业在解决高强度钢成形性差和回弹大等问题方面下了很大力气,做了很大努力。这种努力主要体现在新材料开发和成形质量提升两个方面。

  在新材料开发方面,宝钢已经成功开发具有高延伸率的超高强度钢。比如QP1180,强度级别达到1200MPa级,延伸率还能达到14%以上,这就意味着汽车上绝大部分的结构件仍然可以采用冷冲压的成形工艺来制造。

  在成形质量提升方面,宝钢与用户一起开发最合适的冷冲压工艺,包括成形方法、工序设计、材料利用率提升等。在回弹的预测和控制方法方面也做了大量的工作,帮助用户极大地缩短了控制回弹所需要的工艺和模具的调试时间。

  宝钢在高强度钢成形新工艺方面的研究包括热冲压成形、辊压成形和旋压成形等,目前热冲压和辊压成形技术已实现了工业化大批量应用。热冲压成形的优点是可以很好地解决回弹大和成形性差的问题,缺点是能耗高、成本高。辊压成形是采用渐进成形的方式将高强度钢辊弯成一定的形状,它的工效高,成本低,加工产品的长度基本不受限制,可较好地控制回弹等,它的缺点是目前还只能做等截面形状的零件,变截面的辊压成形技术还在研究中,没有实现大批量的工业化应用。

  还有一些其它加工方式,如链式成形、柔性成形、电磁成形、温成形等,国内外也有不少学者在进行研究,只是目前还没有实现工业化应用。

  AM:根据现有的数据,钢材的吨钢初次能耗的确是大大低于铝材的,然而作为汽车材料,钢与铝的综合能耗应该是考虑原材料冶炼、轧制、运输、零部件制造以及回收的全过程。那么汽车上钢与铝在全寿命周期(Life Cycle Assessment,LCA)的能耗究竟谁更低?宝钢有没做过相关的研究?

  陆匠心:关于钢与铝的LCA能耗究竟谁更低尚存争议。世界钢铁工业协会研究结果表明钢低于铝;而2013年9月,隶属于美国能源部的橡树岭国家实验室发表研究成果,他们研究了丰田Venza车型的传统钢制车身、高强度钢轻量化车身和全铝车身三种情况,得出结论认为从全生命周期(LCA)角度汽车用铝比用钢更利于节能减排。当然,影响碳排放的因素众多,不同的车型、轻量化系数等都影响碳排放结论。

  宝钢在钢铁产品生命周期(LCA)评价方面已经开展了大量工作,并积累了丰富的数据。每年宝钢发布的《社会责任报告》中也包括了宝钢产品生命周期研究的进展情况。在汽车用钢方面,宝钢以车门、发罩等典型零件总成为载体,研究了从材料生产、零件制造、车辆运行与回收的全生命周期的碳排放对比,近期还在开展白车身的LCA评价工作。我们开展这方面工作的主要目的不是要与其它材料比个高低,更重要的是要发现产品生命周期中能够改善或降低能源的消耗之处,使我们产品的制造和使用更加“绿色”。

  AM:国内乘用车车身高强度钢板的应用情况如何?与国外品牌有哪些差异?

  陆匠心:自2007年国家成立汽车轻量化战略技术创新联盟以来,极大地推动了国内乘用车车身高强度钢板的应用,但与国外品牌相比,国内乘用车在高强度钢板的应用方面还有明显差距,主要表现在以下几个方面。

  1)车身用高强度钢的比例:国内平均在50%以上,有些达到了60%以上,使用热冲压件约2~5个。国外平均水平在60%以上,有些达到了80%以上,使用热冲压件在6个以上。

  2)车身用高强度钢的级别:国内以780MPa以下为主,国外在780MPa以上的比例较高。

  3)车身用高强度钢镀层板(热镀锌、电镀锌或锌铁合金):国内的比例在30%以上,国外在60%以上。

  4)高强度钢的使用技术水平:包括高强度钢的成形、焊接、涂装、评估、模具设计技术等,国内尚存在较多问题没有得到系统的解决。

  5)使用高强度钢的车身设计水平:国内自主设计的有些车型使用了较多的高强度钢,但材料的作用没有得到充分发挥,高强度钢对提升车身整体性能没有起到应有的贡献。

  AM:在超高强度钢发展的技术路径上,一个是冷成形的第三代先进高强度钢,另一个则是热冲压高强度钢,这两方面宝钢也都有成熟的产品,您如何看待这两种技术之间的潜在竞争?

  陆匠心:热冲压可以满足汽车上复杂形状安全结构件的制造要求,热冲压用钢在欧系车上应用较多。第三代先进高强度钢是近年来发展起来的钢种,也是近年来汽车用钢的一个突破性产品。这一钢种的出现,为汽车制造增加了另一种轻量化钢材的技术解决方案。可以预计在今后一段时间内,这两种轻量化技术路线将并存并有一定程度的竞争,由于第三代先进高强度钢显现的优良性能,在其制造和使用技术等进一步成熟后,我相信第三代先进高强度钢将得到快速发展。

  这两种产品及技术不存在冲突,而是有互补的作用。采用什么技术方案,取决于汽车的设计、零部件资源、对材料的使用倾向、当地法律法规等。宝钢已经有了这两种技术的成熟产品,并能提供相应的解决方案。宝钢仍将在这两个产品及其技术上开展持续的研发,使这两个产品及其技术能够不断满足不同用户的需求。

  AM:宝钢是全球最早实现第三代先进高强度钢商业化的钢企,在QP钢之后,又成功的实现了中Mn钢的商业化。宝钢为何选择多种技术路径同步开发而不是专注于某一个钢种?这些钢种各有什么特点?

  陆匠心:实现第三代先进高强度钢的技术路径有很多,QP钢(Quenching and Partitioning,淬火配分钢)和中Mn钢是在当前工艺装备基础上最可能实现商业化的两种技术路线。相比较而言,中Mn钢较QP钢具有更高的强塑积,但制造难度更大,当前的技术成熟度相对较低。若中Mn钢的制造技术得到解决,将能为汽车提供更具有竞争力的轻量化解决方案。

    

  汽车车身部件因其成形和功能要求不同,对所使用的钢材有不一样的性能要求。宝钢率先开发的第三代先进高强度钢QP钢,可满足目前新开发车型中成形复杂零件对高强度钢的制造要求。但汽车行业对材料的要求是不断提升的,不断开发更好性能的钢铁材料也是钢铁行业自身发展的动力。所以宝钢基于自身材料技术的积累和对未来汽车用钢发展趋势的判断,开发性能更为优越的中、高Mn钢产品,以应对未来可能出现的更高需求。此外,这些产品并非互不相干,在材料冶炼与轧制技术、工程应用技术,以及其它相关的体系中都是具有共同的平台的。

  当然,这些产品和技术方案也有各自的特点。例如,QP钢成分、组织特征和使用性能最接近现有成熟产品,最具易用性;高Mn钢虽然性能显著优于QP钢,但对用户的加工使用技术水平要求较高;中Mn钢则在性能、成本和易用性方面都介于QP钢和高Mn钢之间。

  AM:宝钢是国内较早引入EVI合作模式的钢企,这种合作模式的优势在哪里?宝钢有哪些合作的成功经验可以分享?

  陆匠心:EVI(Early Vendor Involvement)指的是供应商早期介入,钢厂作为材料供应商在下游汽车用户车型开发的早期阶段就介入进去,充分了解用户在车型开发中对原材料性能的要求,同步开发性能满足新车型要求的材料,并为客户提供个性化服务。对钢厂来说,这种模式的好处:

  一是可以准确掌握新车型对材料的性能要求,有针对性地高效开发新产品。

  二是能更好地了解用户需求,指导钢厂制订产品发展和经营策略。

  三是与用户发展更紧密的合作关系,提升和拓展合作范围。

  总之,这种模式促进了钢厂产品的发展,也得到用户的欢迎,是实现“双赢”的模式。

    

  EVI合作获得成功,首要的是要获得用户对合作模式的认同。这种认同是建立在双方可以实现共赢的基础上的。以高强度钢的使用为例,汽车厂对车型的定位和功能需求各不相同,仅钢厂一厢情愿是不够的。钢厂要让用户充分了解高强度钢的特点,以及每一种不同特性的高强度钢与车身零部件功能要求之间的关系。通过双方在新车型设计阶段的先期合作,找到合理应用高强度钢的解决方案,从而使得高强度钢应用之后能够实现低的成本和发挥有效的作用。

  编后:钢铁材料由于在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及成本方面具有综合的优势,其在汽车材料中的主导地位仍是不可动摇的,尤其是高强度钢和超高强度钢的应用还有较大的增长空间。但高强度钢也面临轻量化新材料(如碳纤维复合材料、铝合金等)技术发展的挑战。因此,高强度钢材料与应用技术本身也需要不断地提升,在竞争中求发展,同时钢企也需要不断推进以用户需求为导向的产业链合作模式(如EVI等),提高服务客户的意识与能力。

  陆匠心简介:

  教授级高工,享受政府特殊津贴专家,宝钢汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室主任,曾任宝钢中央研究院副院长,2005年获东北大学博士学位。长期从事先进结构钢的研制和研究管理工作,承担了多项国家及省部委的研究项目,多次获得科技进步奖励:2003年获冶金企业管理现代化创新成果一等奖,2004年获机械工业科技进步一等奖、中国冶金行业科技进步特等奖,2005年获上海市科学技术进步二等奖、国家科技进步二等奖。陆匠心教授凭着多年扎实的理论研究和实践成果,领导宝钢研究院在扩大企业的产品竞争优势和实施精品战略的过程中贡献突出,多次应高校或者学术会议邀请做学术报告,在国内外具有良好的声誉,是一个有突出贡献的钢铁专家。

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