汽车轻量化先进高强钢与节能减排_图文

1、第43卷 第6期 2008年6月钢铁Iron and SteelVo l.43,N o.6June 2008汽车轻量化先进高强钢与节能减排康永林(北京科技大学材料科学与工程学院,新金属材料国家重点实验室,北京100083摘 要:介绍了近年世界及中国汽车发展概况,现代汽车发展对材料的要求,汽车轻量化所面临的减重节能与排放要求,先进高强钢的开发应用所面临的挑战。指出了大量开发应用先进高强钢不仅为汽车轻量化带来显著的节能减排效果,同时在提高安全性和回收再利用等方面也具有优势。研究先进高强钢的成形控制技术,形成先进高强钢的生产、应用与服务的成套技术是今后需要重点考虑的课题。关键词:汽车轻量化;先进高强

2、钢;节能减排;成形技术中图分类号:T G 335 文献标识码:A 文章编号:0449-749X(200806-0001-07Lightweight Vehicle,Advanced High Strength Steel andEnergy -Saving and Emission ReductionKAN G Yong -lin(Schoo l o f M aterials Science and Engineer ing ,Stat e K ey Lab.fo r A dvanced M etal M aterials,U niver sity o f Science and T echn

3、o lo gy Beijing,Beijing 100083,ChinaAbstract:T he dev elo pment trend and situation o f automo biles in recent y ears in China and the w or ld,the r equire -ments of modern automobile dev elo pment to used mater ials and ener gy -sav ing and emission reductio n in aut omobile lig htweight,the challe

4、ng e to development and application of adv anced hig h strength steels w ere intr oduced.It w as po inted out that the development and applicat ion o f advanced high -strength steels fo r auto mobile lightw eig ht not only br ings about signif icant emissio n r educt ion and ener gy -sav ing,but als

5、o has adv antag es o f improv ed safety as well as recycling and r eutilizatio n.T o develop a complet e set of technolog y for product ion,application and serv ices of ad -v anced hig h strength steels thro ugh the study o f the fo rming co ntro l techno lo gy has been the key subject needed to be

6、focused in the futur e.Key words:lig ht weight vehicle;adv anced high str eng th steel;energ y -saving and emission reduction;metal fo rming technolog y自1886年世界上第一台汽车问世以来,汽车工业已有120多年的历史。现代汽车工业的发展已成为现代社会文明的标志。20世纪六、七十年代起,北美、欧洲、日本以及韩国的汽车工业得到了迅速发展。近几年,世界汽车年产量已超过6000万辆。2003年,全世界年产汽车6100万辆,其中,美国平均年产汽车约12

7、00万辆,日本平均约产1000万辆1。而根据文献22004年的预测,2004年到2011年,世界汽车仍然有较快的增长,欧洲、北美、日本和韩国等成熟市场的增长率保持在6%左右,中国、印度、巴西、俄罗斯等快速增长市场的增长率为89%。中国的汽车工业从1953年第一汽车制造厂奠基开始,在经历了40多年的发展历程后,已跃上年产200万辆台阶,到了21世纪初开始进入腾飞发展阶段。图1为1997年以来中国汽车产量变化情况。中国在1997年汽车产量仅159万辆,其中轿车49万辆,但近10年来,中国的汽车发展突飞猛进,2007年生产汽车888.24万辆,比1997年增长了4.58倍,平均年增长率超过18%,而

8、2000年以来的平均年增长率超过23%,中国汽车产量已占世界第三位,并成为第二大汽车消费国(2007年中国国内汽车销售量879.15万辆,同比增长21.84%3,预计2008年中国汽车产量可能突破1000万辆。汽车工业的快速发展在推动社会经济发展和人们生活发生根本性改变的同时,也伴随着大量的资源能源消耗和二氧化碳气体排放,对人类赖以生存的地球环境产生了重大影响和压力,需要人们认真思考并采取科学的方法进行应对。1 现代汽车的发展对材料的要求从现代汽车的设计、制造、使用和市场要求看,钢 铁第43卷 图1 1997年以来中国汽车产量变化情况Fig.1 Change of automobile pro

9、ductionin China since 1997动力性能、安全、节能与环保仍然是首要的问题,由此,车体轻量化、外形多样化、功能高性能化以及制造低成本化在不断推动现代汽车技术的发展。车身的轻量化工程可以用多种的轻量化结构来完成。图2是宝马汽车轻量化设计方案2。首先,在车身轻量化工程中,必须实现车身功能性的最佳组合,要求一辆轿车的均匀结构必须具有最佳载荷变化范围。但由于受舒适性的要求、设计、装配的角度和简单的车体尺寸空间限制,通常是很难完成的;其次是制造轻量结构,可以通过采用新的成形工艺,如辊压成形和液压成形,或其他特殊成形工艺,如中高温成形,来实现减重;第三是采用材料轻量化设计。事实上,采用

10、高强度钢、多相钢、铝和各种常用塑料可以有效地减少质量。 图2 宝马车身轻量化设计方案Fig.2 Lightweight design scheme of BMW car body从汽车对材料的要求来看,当钢或铝的薄板要用到车身上时,它们必须符合多种要求。首先,是由冲压车间、车身车间和涂漆车间组成的生产工艺链。在冲压车间的成形工艺方面,要考虑的主要有成形性、冲压力、涂层、切削、润滑和回弹;车身制造的工艺过程中,所用的连接工艺都要进行可行性研究,要有各种高温连接技术如点焊、MIG 焊以及可能的激光焊,各种钎焊等;冷连接技术主要用于铝材料,铆接、箝住和卷边用于铝材料;针对表面和腐蚀方面,要求在涂漆后

11、零部件具有A 级表面质量等级。为保证抗低速和高速冲撞能力,材料的塑性和力学性能必须符合要求,同时车身刚度、音响和寿命等都必须符合要求。2 汽车发展面临的减重节能与排放要求近年,随着能源危机、石油价格不断上升以及地球温室效应加重,世界各国对能源和二氧化碳排放引起的环境问题更加重视,纷纷制定和采取各种严格的措施进行控制。在汽车领域,应对环境问题和提高冲撞安全性成为最常见的关键词。有许多研究表明,地球变暖和酸雨与汽车排放的二氧化碳、硫化物和氮氧化物有很大关系。因此,北美、欧洲和日本等许多国家对汽车排放提出了越来越高的标准。表1为日本、欧洲和美国制定的乘用车降低燃耗和CO2减排目标4。其总的减排目标值

12、为6%8%。表1 日本、欧洲和美国制定的乘用车降低油耗和CO 2减排目标Table 1 Target of CO 2emission reduction and f uelconsumption decrease of passenger vehicles in Japan,Europe and USA国家CO 2减排目标/%燃耗降低目标日本6汽油乘用车:降低22.8%(与1995年相比,到2010年约15km /L柴油乘用车:降低14.9%(与1995年相比,到2005年约12km /L欧洲8乘用车燃耗:降低25%(约18.8k m/L,CO 2排放140g/km (到2008年美国7乘用车

13、CAFE 目标值27 5m pg (约11 8km/L注:欧洲、美国为企业车辆的平均燃耗,日本按车辆类别分别规定燃耗。目前各国的道路交通法规从排放控制规则、燃油效率到碰撞安全性等繁杂多样,另外,汽车制造商还要考虑并执行国家的保险规定。预期执行的有关排放控制、燃油效率和碰撞安全性法规见表22。表2说明燃油效率法规正逐渐修改并严格化,汽车2第6期康永林等:汽车轻量化先进高强钢与节能减排制造商正努力提高发动机的燃烧效率,同时也正在改进燃烧技术。最有效的方法之一是降低车身的自重,按Eg aw a 等人的预测,汽车自重每降低100kg,可提高燃油效率约1.3km/L 。表2 排放控制和燃油效率法规方向T

14、able 2 Regulations direction of emissioncontrol and f uel efficiency国家地区规定欧洲CO 2排放协议140g/km 2009年(120g/km2012年全部强化CAFE 规则美国加利福尼亚GH G 从2009 2014年燃油效率提高50%东北地区采用加利福尼亚洲的GHG 规则中国法规规定提高燃油效率,第一步:从2005年起(国3排放标准,第二步:从2008年起(国4排放标准韩国2010年起执行CAFE 规定日本2015年起将修订燃油效率法规纵观碰撞安全性法规执行情况,汽车碰撞安全性规定也越来越严格。在北美地区,为满足越来越严格

15、的法规和保护政策的需要,例如:为满足SUV车型碰撞(边部碰撞和高速撞击的安全需要,应该对车体梁架结构进行强化,同时也应该增加诸如SRS(辅助救助系统等碰撞保护设施,这样也将增加汽车的质量。虽然汽车需要降低废气排放水平和提高燃油效率,但其与提高汽车的碰撞安全性能是相互矛盾的。因此,需要特殊的汽车减重技术来解决这一相互矛盾的问题。在此情况下,欧洲汽车制造商纷纷寻找一种全新的汽车产品,以符合CAFE 组织的要求及其严格的排放标准(图32。图4表示乘用车质量与油耗的关系1。可见,尽管发动机类型不同对油耗会有不同影响,但总的趋势是随着车体质量的减轻,每升汽油行使的公里数显著上升,即当车重从2500kg

16、降低到750kg 时,每升汽油行使的公里数从约5km/L 上升到约25km/L,而相应地排出的CO 2量从约400g (CO 2/km 下降到约100g(CO 2/km (图51。由此可见,为了应对节省能源和减少排放规定的要求,减轻车重是降低油耗从而降低二氧化碳排放的最有效方法(表35。 (aCAFE 标准(CO 2排放标准; (bNO x ,H C,CO 及PM 排放图3 欧洲汽车能耗和排放的法律限制Fig.3 Legal restrictions of automobile energy consumption and emission inEuropean 图4 乘用车质量与油耗的关系F

17、ig.4 Relationship between weight and f uel consumption of passenger vehicles根据日本汽车技术生产加工部门委员会工作组分析报告 2020年汽车及其制造技术的将来 指出,图5 乘用车车重与二氧化碳排放量的关系Fig.5 Relationship between weight and C O 2emission of passenger vehicles3钢 铁第43卷表3 影响汽车油耗的因素Table 3 Factors influencing the auto fuel consumption因素因素降低量(每车CO 2

18、排放降低量/(g km -1 质量100kg 8.810.0*风阻系数0.1cw 3.2滚动阻力1 1.8电耗1amp0.3*10 0包括由于减少的燃油而带来CO 2在燃油精炼过程中的排放降低量。到了那个时代,通过技术的高度精确化,有可能将乘用车的燃耗(假定2L 车提高到100km/L 。换言之,可将燃料效率提高6倍,其中,发动机动力混合化300%;发动机效率改善35%;车体轻量化26%;传动效率改善20%6。3 汽车用钢面临的挑战、轻量化与先进高强度钢板汽车的减重(轻型化是降低油耗的主要途径(约占50%以上,因而也是减少二氧化碳废气排放量的最有效对策。据统计,汽车车重每减轻1%,燃料可降低0

19、.6% 1.0%7。另一方面,随着提高冲撞安全性的标准逐年严格,须提高车体强度、刚度并优化结构以提高安全性。针对这样的社会需求,应着眼于利用材料的高强度化,以使汽车的安全性和质量保持更好的平衡。各家汽车公司都在努力降低汽车车体的质量,他们既采用独特的结构设计改进技术,也进一步优化材料设计。在这一过程中,传统的在汽车上采用以钢铁材料为主的汽车用材受到严重的挑战。通过优化材料设计而降低车体质量的工艺方法主要有以下2点:(1以低密度材料替代钢铁材料,如使用低密度的铝合金、镁合金、塑料和复合材料等;(2使用高强度材料降低钢板厚度规格。为了达到同级别中的汽车性能最好这一总的目标,目前市场上有多种不同的车

20、身概念。由于客户对车辆性能有着不同的要求,汽车厂采用了现代复合材料车身概念、铝车身概念或者传统的钢铁车身概念(应用了先进钢铁材料。材料和与之相关技术的选择依赖于技术目标和成本结构。为了解决超高强钢和轻合金、聚合物材料的混合设计问题,CRF (菲亚特汽车研究中心和主要欧洲汽车制造商及大规模的欧洲工程(由EC 发起的的 超轻型汽车 目标是在稳定价格基础上减轻车重30%。该项目的主要方案便是采用多材料方法制造新车型(图62。(降低排放的可持续生产工艺-轻量化设计超轻量化车 EC 联合工程图6 采用多材料方法制造新车型的构造Fig.6 Structure of new vehicle style fa

21、bricated with mult-i materials为了减轻车重和提高安全性,近年来,汽车用钢板向高强度化发展成为一种趋势。当钢板厚度分别为了应对来自非钢材料的挑战,美国新一代汽车合作组织PN GV 进行了34km /L 车的开发,欧洲也进行了100km /3L 车的开发,国际钢铁协会(IISI的钢铁材料供应厂家从1994年至1998年联合世界18个国家的35家钢铁企业共同推进超轻型钢制车体U LSA B(U ltra Lig ht Steel A uto Body、U LSAC(U ltra Lig ht Steel Auto Closure、ULSAS (U ltra Light

22、Steel Auto Suspension的研究开发项目。U LSAB 的目标是在确保车体性能和冲撞安全性能,并且不增加成本的基础上,通过大量采用高强度钢板,并应用液压成形技术、激光拼焊技术等使汽车车重减轻25%;ULSAC 的目标是通过采用液压成形框架结构,汽车内板部件最佳化,以及高强钢板的应用,使门窗结构减重25%,车顶棚和前后盖板减重30%;ULSAS 的目标是基于结构分析,对悬挂件(Suspension形式进行最佳化设计,并进行强度与成形性的最佳材料选择,达到与铝制超连接悬挂件的质量基本相等,使成本降低20%,其他钢制悬挂件基本不增加成本,车重减轻20%30%。而U LSAB -AVC

23、 (U LSAB -Advanced Vehicle Concept项目则是国际钢铁协会(IISI 从1999年4第6期康永林等:汽车轻量化先进高强钢与节能减排 开始的委托PES (Po rsche Eng ineering Service Inc.设计,由世界上33个钢铁公司共同完成的超轻型钢制车体研究开发项目。该项目主要是通过灵活运用ULSAB U LSAS 的成果以及先进钢铁材料,不仅在车体,而且包括外板件、车轴和驱动系统等进行整车综合全面采用轻量化设计方案。ULSAB -AVC 是对到2004年达到实用化的C -Class(相当于1500cc 级别和PNGV -Class(相当于250

24、0cc 级别车采用先进钢铁材料的轻量化设计方案,对1999年的2个级别代表车型实现整车减重20%30%的目标8。ULSAB 车体上的高强度钢板使用率为:R eL 210M Pa,91%,R eL 280M Pa 达64%,有3种件使用了R eL 550MPa 的超高强度钢板。另外,还使用了用厚度0.14mm 钢板夹厚度0.65m m 树脂的轻质夹层板9。图7为超轻型钢制车体ULSAB 和ULSAB -AVC 的材料构成8。可见,在U LSAB -AVC 的材料中,双相钢DP500、DP600、DP700、DP800、DP1000所占比例最大,超过80%,DP800、DP1000所占比例超过70

25、%。还采用了约4%的抗拉强度达到1200MPa 和1520M Pa 超高强度马氏体钢(Mart。图8表示在U LSAB 车体上,当采用高强度钢板的比率提高时所推算的节约能量值10。也就是说,采用高强度钢板达到汽车轻量化的节能效果比生产高强度钢板所增加的能量大得多。图7 超轻型钢制车体ULSAB 和ULSAB -AVC 的材料构成Fig.7 Material composition of ultra -light steelauto body ULSAB 和ULSAB -AVC而在实际车体制造方面,近年来高强钢板的应用也在不断提高11。图9为日本汽车公司从1979到2014年采用高强度钢板的实际

26、值和预测值情况12。图10则为在汽车车体上采用各强度级别钢板所占比例在2004年实际值和2014年的预测值12。由此图可见,到2014年日本汽车车体上所用高强度钢板中,抗拉强度590980M Pa 以上级别的高强和超高强度钢板的比例明显增加,而抗拉强度260270MPa 级软钢所占比例由60%多下降到约40%。表4是日本日产(NISSAN汽车从1995年到2005年汽车材料应用的历史发展状况2。由此表可见,到2005年在NISSAN 汽车上已经采用了980M Pa 级DP 钢和590MPa 级BH 钢,并且在门部件上采用了5000和6000系铝合金板。 图8 采用高强度钢板(HSS的节能效果F

27、ig.8 Energy saving ef fect by high strength steel (HSS56 钢 铁 第 43 卷 在现实中, 在先进高强度钢( A H SS 的 开发和 应用上, 还存在着来自客户和加工制造方面的挑战。 ( 1 AH SS 的开发应用 面临客户的挑战 从保证驾乘人员安全出发, 近年对车辆碰撞性 能的要求在不断提高, 从而促使车辆的质量在不断 地增加而白车身的质量在不断地减轻。这主要是汽 车附加系统的应用和车辆尺寸的增加。为了在市场 上更具竞争性, 只减重而不同时改善碰撞性能、 驾驶 性能和噪声振动是不可能的。 在最近 10 年中, 钢铁工业开发了大量的先进

28、高 强钢来支持汽车工业的需求。一方面, 零部件有了 非常广泛的选材范围, 使其获得最佳的钢材力学性 能。另一方面, 每一级别的钢种都需要测试和详细说 明。例如, 对于 DP780( 图 11 , 全球市场上不同的 供应商有着不同设计理念。不同的合金成分会导致 不同的成形和连接性能, 这些差别将导致大量的测试 工作和成本增加, 尽管它们属于同样的材料并有着同 2 样的命名方式。除了通常的工作外, 对汽车厂和钢铁 测试每个级别的钢种需要耗费大量的成本和时间 图 11 对某个强度级别的 钢种进行测试和 详细说明以区别于其他钢 种 Fig. 11 Test and detailed illustrat

29、ion of one grade level steel to distinguish from the other grade level steels 第6期 康永林等: 汽车轻量化先进高强钢与节能减 排 7 2 工业的测试小组而言, 节省测试时间和费用、 减少车 辆中所使用的钢种将成为他们的一个目标 2 。 正确使用先进钢材的思想反映在不同的材料使 用中。使用软钢或传统高强钢会便于车身制造。而 随之而来的挑战是如何减轻不断增加的车身质量, 车身越重耗能越多。因此, 使用先进高强钢将解决 部分问题( 与最终客户有关的 , 但是会给制造带来 很大的挑战, 挑战是零件数目( 零件制造周期 和更

30、 高的成本。选择正确的材料级别用在正确的位置是 满足客户和公司要求的最佳办法 。 ( 2 AH SS 在成形加工方面的挑战 为了应用好先进高强钢, 对于材料的力学性能、 回弹行为、 所要求的冲压力、 微观结构、 焊接特性和 应变速率行为等方面的信息和测试结果的了解是非 常必要的 13 。对于冷冲压成形工艺, 冲压零件的公 差精度是制造时的一个焦点。相对于软钢和传统高 强钢, 先进高强钢的回弹更大, 这需要 恰当地解决 ( 图 12 2 。 图 12 Fig. 12 软钢和先进高强钢回弹量的对比 Springback comparison of mild steel and advanced h

31、igh strength steel 由于零件复杂的几何形状, 精确计算冲压力是 很困难的。对于不同钢种的研究显示, 冲压力与抗 拉强度之间有着很好的一致性。因此, 对具有高冲 压力及小的冲压工作台和精确的冲压力的计算变得 更加重要。为了选择正确的冲压线, 零件的尺寸, 生 产单个还是一对零件和冲压线中的传输系统都需要 进行考虑。 先进高强钢应用中所遇到的一个新问题是成形 件的起皱和开裂问题。开裂往往起于边部, 在对边 部处理后, 例如, 打磨或者抛光, 情况可以得到改善。 开裂敏感性受到切边质量( 间隙优化、 刀具和冲头边 部质量 的影响。起皱则需要合理控制压边力和成 形条件。对于大规模生产时, 起皱和开裂都是不能 接受的, 需要更详细地进行冲压成形工艺优化。 一代钢铁材料的成形和连接等应用控