基于短流程汽車板的汽車輕量化與節(jié)能減排

王文瀾

摘 要：短流程高強(qiáng)鋼和汽車輕量化已成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要課題之一。汽車輕量化是國家節(jié)能減排的緊迫需要，更是車企提高核心能力的切實(shí)需求。

關(guān)鍵詞：短流程；汽車板輕量化；節(jié)能減排

1 汽車板輕量化

近年，國外豪華車品牌接連推出具備輕量化設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品，產(chǎn)品形式已從小眾化的高性能跑車，向普通轎車、新能源車覆蓋，汽車輕量化時代已經(jīng)到來。面對未來高端車型輕量化的競爭方向，中國汽車品牌在這方面仍缺乏建樹。從上世紀(jì)70年代開始，民用量產(chǎn)車輕量化就已經(jīng)開始發(fā)展。包括奧迪、捷豹路虎等豪華車品牌開始著手研究，從設(shè)計(jì)與使用輕量化材料層面上來實(shí)現(xiàn)車型的輕量化。輕量化對于民用車型的意義，集中在兩點(diǎn)：提升對能源消耗的經(jīng)濟(jì)性與車輛性能的優(yōu)化。有資料顯示：當(dāng)汽車質(zhì)量下降10%，燃油效率將提高6%-8%；汽車整備質(zhì)量減少100公斤，百公里油耗可減少0.3-0.6升?？梢哉f，在汽車產(chǎn)品同質(zhì)化愈加嚴(yán)重的當(dāng)下，輕量化技術(shù)將成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的突破口。

然而輕量化設(shè)計(jì)的初衷雖好，但是對于整車設(shè)計(jì)而言，卻是“牽一發(fā)而動全身”的復(fù)雜工程。比如，在使用輕量化車身材料上，比較初步的方式是將車身覆蓋件轉(zhuǎn)變?yōu)殇X合金、碳纖維等相對于鋼更昂貴的輕質(zhì)材料；而如果想實(shí)現(xiàn)徹底的車身輕量化，使用多種復(fù)合材料研發(fā)車身架構(gòu)才能從根本上解決問題。這樣一來，作為汽車外殼鋼板的輕量化在整個輕量化體系里就顯得尤為重要。近年來，國內(nèi)的環(huán)保問題日益嚴(yán)峻，政府相繼出臺了一系列嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，汽車輕量化逐漸成為趨勢，我國已經(jīng)出臺了多項(xiàng)相關(guān)政策，促進(jìn)新能源汽車的研發(fā)和使用，推動汽車用材輕量化進(jìn)程。預(yù)計(jì)到2020年，我國汽車輕量化會發(fā)展到較高的水平，屆時，以2005年目標(biāo)車為基數(shù)，我國汽車整體上將減重40%左右。我國已在哥本哈根氣候會議承諾：到2020年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比將比2005年下降40-45%。圖1為不同國家乘用車CO2排放限值。

研究表明，汽車每減少1000kg質(zhì)量， CO2、NOx等相關(guān)有害氣體的排放量也就下降。在美國，汽車質(zhì)量如果減少25%，燃油將消耗將減少13%，一年可減少使用2.7億桶石油。每消耗1L燃油，將產(chǎn)生CO2數(shù)值為2～2.5kg。圖2為汽車整備質(zhì)量與燃油消耗關(guān)系圖。因此，燃油消耗的降低，意味著溫室氣體和有害氣體排放下降。

2 高強(qiáng)鋼與汽車輕量化

2015年至2017年，是先進(jìn)高強(qiáng)鋼產(chǎn)線投產(chǎn)高峰期。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，2015年至今投產(chǎn)或在建的高強(qiáng)鋼生產(chǎn)線達(dá)幾十條，設(shè)計(jì)產(chǎn)能1000多萬噸以上，產(chǎn)品定位多是先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS），如浦項(xiàng)光陽廠新建的7號連續(xù)鍍鋅線、鞍鋼和神戶制鋼合資的冷軋連退生產(chǎn)線等。此外，統(tǒng)計(jì)的產(chǎn)線中以高強(qiáng)度熱鍍鋅產(chǎn)線居多。車身耐環(huán)境腐蝕和耐環(huán)境老化是汽車選材和加工工藝重點(diǎn)考慮問題之一，歐美等國對汽車防腐性能提出嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。如美國、日本提出了車身表面耐蝕5年，耐穿孔腐蝕10年，發(fā)動機(jī)內(nèi)腔耐腐蝕極限2年。鋼鐵行業(yè)追求進(jìn)步的腳步從未停止。未來高強(qiáng)度鋼仍是汽車輕量化的主角。鋼鐵企業(yè)取得的顯著進(jìn)展和高強(qiáng)鋼在汽車企業(yè)的應(yīng)用的實(shí)際情況也表明，鋼鐵仍有潛力可挖，尤其在先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用還將有較大增長空間。為提升產(chǎn)品競爭力，汽車廠和鋼廠E的深度VI合作會越來越重要。鋼鐵企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步提高作為材料供應(yīng)商對汽車產(chǎn)品開發(fā)的認(rèn)識，深刻理解汽車對材料的需求，引導(dǎo)汽車制造廠商使用先進(jìn)高強(qiáng)鋼成型技術(shù)等，共同推動汽車工業(yè)、鋼鐵材料研發(fā)的進(jìn)步。

3 汽車輕量化高強(qiáng)鋼研發(fā)

以美國汽車材料合作伙伴組織（USAMP）為首的研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)試制出兩種兼具強(qiáng)度和成形性的第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）。美國汽車研究委員會（USCAR）稱，該試制產(chǎn)品是研發(fā)取得進(jìn)展的顯著一步，因?yàn)樵摦a(chǎn)品是用小型化的“類生產(chǎn)設(shè)備”制造的，而不是實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。據(jù)悉，兩個試制鋼種之一是第三代中錳先進(jìn)高強(qiáng)鋼，其強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到1200MPa和37%；另外一個試制鋼種強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到1538MPa和19%。兩個鋼種的性能指標(biāo)幾乎超過了美國能源部設(shè)定的全部目標(biāo)，一旦獲得實(shí)用化驗(yàn)證，便可以用于制造輕量化的汽車和卡車，實(shí)現(xiàn)更高的安全性和燃油效率。另外，美國汽車材料合作伙伴組織還開發(fā)了更優(yōu)化的模型用于預(yù)測新鋼種在汽車碰撞時的變形行為。

4 高強(qiáng)鋼短流程

從以上論述中可看出，汽車用鋼發(fā)展方向即高強(qiáng)度高塑性。但現(xiàn)有先進(jìn)高強(qiáng)鋼生產(chǎn)技術(shù)面臨的問題是高能耗高排放。因此，降低制造過程能耗、排放，是提高先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼技術(shù)競爭力的有效途徑。

短流程更加簡約高效，節(jié)能環(huán)保。其中，DP鋼由于其優(yōu)異的性能特點(diǎn)，成為目前應(yīng)用量最大、種類最多的先進(jìn)高強(qiáng)鋼。圖3為高強(qiáng)鋼短流程。薄板坯連鑄連軋流程在薄規(guī)格熱軋先進(jìn)高強(qiáng)鋼（如DP、TRIP、CP鋼等）的開發(fā)上具有獨(dú)特優(yōu)勢，結(jié)合酸洗表面實(shí)現(xiàn)“以熱代冷”具有良好的應(yīng)用前景。采用薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)薄規(guī)格汽車用熱軋高強(qiáng)鋼，具備“以熱代冷”的潛力，可顯著降低生產(chǎn)成本，發(fā)展前景廣闊。圖4為熱軋（短流程）雙相鋼冷卻工藝。但目前在實(shí)際生產(chǎn)過中還面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)：（1）熱軋產(chǎn)品的表面質(zhì)量與冷軋產(chǎn)品還有一定差距。（2）薄規(guī)格高強(qiáng)鋼的板形和尺寸精度控制難度大。（3）部分先進(jìn)高強(qiáng)鋼（DP、TRIP、Q-P等）需要對冷卻路徑進(jìn)行嚴(yán)格控制，對軋后冷卻能力、過程控制能力提出了更高要求。（4）薄板坯連鑄連軋同寬軋制的特點(diǎn)對現(xiàn)場的生產(chǎn)組織有一定的限制。

5 結(jié)束語

采用短流程生產(chǎn)汽車用薄規(guī)格DP鋼、熱成形鋼、冷彎成型高強(qiáng)鋼等及其零部件的各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)與傳統(tǒng)流程的相當(dāng)，先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼“以熱代冷”工藝在技術(shù)、生產(chǎn)上是可行的。與傳統(tǒng)流程相比，采用短流程生產(chǎn)汽車高強(qiáng)鋼可以顯著降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的綠色制造，應(yīng)用前景廣闊。薄板坯連軋“以熱代冷”是今后低成本汽車高強(qiáng)鋼發(fā)展的重要方向，但仍面臨表面質(zhì)量、尺寸精度控制等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。

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