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含铌高强度钢促汽车轻量化

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发布时间:2022-05-23 06:32:37 来源:乐虎体育 作者:乐虎体育官方入口

  “节能减排、促碳达峰、碳中和”已在全球范围内形成高度的共识。汽车行业的节能减排是各国汽车技术发展的原动力。汽车轻量化是节能减排的大趋势也是当前和未来汽车技术发展的主要方向之一。快速发展的汽车工业同样给中国的节能减排目标带来了巨大的挑战。高强度钢,尤其是含铌微合金化高强度钢,以较低的成本、成熟的制造工艺,以及高性能成为汽车轻量化的首选材料。其大批量采用,使汽车轻量化技术在国内也取得了长足的进步。本期特刊发这篇报道,旨在让广大读者对我国汽车轻量化的业绩有所了解。

  2021年,中国汽车销量2652.8余万辆,已连续多年稳居世界第一。乘用车进入家庭,中国市场成为各整车企业竞技的舞台,同时中国自主品牌汽车异军突起,日益成为中国汽车工业的主力军。

  汽车多用高强钢,万千零件来组装。据中信金属公司主管汽车新材料研发的路洪洲博士介绍:汽车通常是由车身、发动机、底盘和电气设备4大部分组成,其中车身、发动机、底盘强烈依赖于金属材料和制造工艺的发展。

  回顾中国汽车轻量化发展的历程,前些年,自主品牌的乘用车车身高强度钢平均用量不足30%,很多自主品牌的乘用车车身高强度钢用量甚至少于10%,与国际先进水平存在巨大差距。经过汽车上下游行业单位和中信金属等的协同合作及多年耕耘,2021年中国自主品牌轿车先进高强度钢应用已达到60%以上,达到国际先进水平。

  目前 ,汽车轻量化已上升到国家战略层面,不仅《中国制造2025》将轻量化列为节能与新能源汽车发展的核心技术,在工信部、国家发改委、科技部等国家部委相继发布的专项方案中,也多次对轻量化技术的发展提出了具体要求。

  “绿水青山就是金山银山”,在汽车节能的诸多途径中,轻量化历来被认为是最为有效的、共性的实现方式之一。行业研究表明,汽车每减重10%,燃油节约6%-8%。乘用车整备质量减少100kg,百公里油耗可降低0.3L-0.6L。高强度钢的开发和应用是汽车轻量化的重要途径。

  2010年中国铌微合金化汽车钢板的产量不足500万吨,到2021年,铌微合金化汽车钢板的产量近2000万吨以上,约占整体汽车用钢的40%,极大地支撑了中国汽车工业的发展以及汽车工业节能减排的进程。

  中信金属与国内产学研用的产业链各方围绕汽车钢开发和应用的国内外差距,设立了50余项产业链技术合作项目,先后与上下游开发了轻量化车架及材料、轻量化车轮及材料、轻量化悬架及材料、轻量化车身构件及材料、轻量化半挂车及上装和材料、高性能齿轮及材料等一系列高性能轻量化汽车总成、零件的成套解决方案。

  从乘用车用高强钢的研发和使用情况来看,路洪洲认为,近年来国内热冲压成形钢零件用量猛增,铌微合金化材质性能提升。在过去的十几年间,中国乘用车开始批量应用热冲压成形钢零件,其年产能超过10000万件。但热成形零部件存在韧性不足和氢脆延迟断裂问题。为解决新的热冲压成形汽车零件的弯曲性能不足,进而导致高速碰撞时构件提前碰撞断裂伤害驾乘人员的问题,奔驰和宝马要求热成形钢的弯曲角度必须超过60度和65度(在热冲压成形零件上取样进行弯曲测试)才能够被采购和使用。国内上下游合作,创新性地提出了采用铌微合金化开发高弯曲性能、抗氢致延迟断裂的热冲压成形钢;国内钢厂与汽车企业合作,通过复合微合金改善热成形钢的淬透性,扩大工艺窗口,提高冷弯性能和抗氢脆延迟断裂性能,所开发钢种的极限尖冷弯性能以及抗氢脆性能比常规的热成形钢22MnB5提高了10%以上,新材料在多个整车企业和多个车型上应用,保证了汽车的被动安全性能,相关创新成果获得了汽车工业科技进步奖一等奖。2021年含铌热成形钢年产量近10万吨。

  研究应用问题背后的科学问题,通过氢脆机理提出改善氢脆方案。采用冷链原子探针层析技术、氢的同位素氘作为介质,系统研究晶界、位错、碳氮化铌的氢陷阱作用机制,在顶刊《科学》主刊发表,提出了高强度钢汽车钢氢脆的四个触发条件,并探讨了基于HELP、裂纹钝化和HEDE的新氢脆机制,一系列宏观实验结果与显微观察相吻合。在此基础上,进一步完善了含铌热成形钢及热冲压成形零部件的制造工艺。

  充分发挥铌在双相钢中重要作用,显著改善其冷弯及扩孔成形性能。在本世纪初,乘用车车身应用的双相钢基本上是以DP590为主,随着汽车轻量化的快速发展,更高强度级别的双相钢如DP780、DP980得到了越来越多的应用。为提高高强双相钢的冷弯及扩孔等成形性能,铌元素发挥了重要的作用。铌在双相钢中的作用是通过细化双相组织改善材料的成形性。2013年,国内完成了含铌DP780冷轧钢板的开发,通过采用含铌的低碳成分设计,材料的组织得到了显著改善,冷弯及扩孔等成形性能得到了大幅度提高,为解决零件的剪切边缘开裂奠定材料保障。

  汽车轻量化高强HSLA钢用量大,稳定性随强度提高难题迎刃而解。高强低合金钢主要用于A柱上部加强件、车门槛加长件、前部内侧框架、内侧B柱、后部发动机支架和内部侧框架等,在乘用车白车身中占有很大的比重,是汽车白车身的主要用钢品种。随着汽车轻量化发展,汽车白车身采用的冷轧高强低合金钢强度越来越高,从屈服强度260MPa级别逐步发展到今天的800MPa级别,而高强冷轧HSLA钢板强度稳定性控制则是一个行业难题,为此,2015年通过与国内大型钢厂合作,通过轧制及连退工艺优化,成功解决了随着材料强度的不断提高,钢板强度稳定性变差的难题,卷内性能差异<20MPa钢卷比例由72%提高至98%以上,最大性能波动由94MPa降低至43MPa,卷内性能稳定性效果提升明显。

  用传统生产线生产含铌Q&P钢,为乘用车轻量化提供了新选择。随着乘用车轻量化发展的需求,Q&P钢在国内的专业生产线上得以开发成功并得到实际应用,如何在传统生产线上生产Q&P钢,则是一个重要的课题。2018年中信金属与马钢合作开发了1000MPa基于传统生产线的含铌高强度、高延性、低成本第三代先进高强度钢,材料具有和专用产线材料相当的性能,在汽车厂进行了零部件试制,冲压工艺稳定、零件尺寸精度合格,满足汽车厂要求。

  从开裂的问题导向出发,推动汽车材料卡片构建。碰撞开裂和成形开裂的预防主要基于材料性能、同步分析的精准度和制造工艺的控制,除了采用铌微合金化以及其他成分优化、工艺优化提升材料性能外,精准的材料断裂卡片和材料本构至关重要,过去5年间,先后与相关研究测试机构完成了含铌和不含的热成形钢、双相钢等材料卡片开发,并完成了零件的剪切边开裂模拟、零件碰撞模拟,以及零件的成形试制和零件的落锤冲击测试,构建从材料卡片-成形仿真-零件试制-零件碰撞的闭环,促进了汽车的正向开发。

  从性能、成形、成本多维度推动汽车正向选材。基于“车身环状结构”、“新材料卡片”、“成本模型”等开发了汽车车身正向选材系统(MISS系统),将车身材料选择与碰撞性能、车身刚度、成形开裂、成本控制相关联,从基于经验转变为基于逻辑判断,并免费向全行业开放,为汽车正向开发和合理选择提供了新路径,确保了“合适的材料用在合适的地方”。

  从商用车用高强钢的研发和使用情况来看,路洪洲介绍,国内企业连续3年连撰两会提案,商用车超载管制和轻量化引起高层重视,开展协同技术攻关,促节能减排提产品质量性能。在商用车轻量化方面,前些年,商用车上下游行业强调多拉快跑,导致超载严重。而且,商用车主要采用510L、330CL、380CL、Q235、Q345等传统材料,严重制约了新材料、新工艺、新设计的应用,造成了自主品牌商用车与国外商用车在品质和质量方面存在着巨大的差距。中信金属连续三年撰写全国两会提案,如2016年提交的《关于改善物流载货车辆市场需求和结构调整的提案》、2015年《关于鼓励使用轻量化商用汽车产品以促进节能减排、减缓空气污染的提案》等。此外,中信金属还联合上下游行业开发了轻量化车架、车轮、挂车等降低了能耗和排放、提高了产品性能和质量。经过行业上下游的协同和近十年的技术攻关,大量的新型零部件、新材料得以应用,商用车整体减重约15%左右,降低了能耗和排放、提高了产品性能和质量。

  整车自重的减低提高了运输效率、降低了对道路的损伤,使交通运输更绿色、更环保。尤其带动了上游原材料行业和零部件制造行业的技术提升,也为新GB1589国家标准和国家限超政策的实施奠定了基础。汽车轻量化带动了汽车节能减排、被动安全等性能的提升,进而提升了产品的竞争力。同时带动了零部件制造行业、模具行业、热处理炉行业、成形及连接装备行业的技术提升,推动了我国机械制造行业的整体技术进步。汽车轻量化有效降低了原材料的使用量,提高了高性能材料的应用,这对我国“供给侧结构性改革”有重要的推动作用。经过上下游多年的努力,610L、700L、750L、540CL、590CL等铌微合金化高强度钢材料被大批量应用。

  产学研用联合研发车轮钢,荣获汽车工业科技进步奖。国内产、学、研、用各单位密切合作,形成了钢制车轮轻量化成套技术,获得了2018年度中国汽车工业科技进步奖。设计制造的22.5×9.00钢制车轮,承载4000Kg,在满足各性能前提下,单只车轮自重41Kg,已大批量供货商用车企业应用。设计制造用于国内市场的22.5×9.00钢制车轮,承载3550Kg,在满足各性能的前提下,单只车轮自重约37Kg,已大批量供货北汽福田、中国重汽。设计制造用于国外市场的22.5×8.25钢制车轮,承载3350Kg,自重约31.6Kg,达到国际先进水平,已经批量出口。外观造型美观的高通风孔钢制车轮的开发为乘用车钢制车轮提供了一种新的路径。近两年开发了矿用自卸车专用轻量化车轮,车轮重量从60kg以上降至50kg以内,完成了第一轮路试,将为矿用自卸车的轻量化和节能减排和成本降低提供新选择。

  车架用钢强度显著增长,与国外差距正逐渐缩小。随着国内商用车轻量化发展需求,车架用钢强度有了显著的增长,与国外的差距逐渐缩小,在过去几年中,车架用钢的强度逐步由之前的510L转为700L或更高强度级别钢板。2012年国内开发出了高强度、高韧性的车架用钢,促进了商用车用材高强化的发展需求。近年来,相继开发了高疲劳性能700L和750L,疲劳强度显著提升,解决了车架疲劳失效、三面冲缺陷、大梁钢疲劳强度不足等问题,形成了成套解决方案,为商用车轻量化车架应用保驾护航。

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