先進(jìn)高強(qiáng)鋼在汽車輕量化中的應(yīng)用

先進(jìn)高強(qiáng)鋼在汽車輕量化中的應(yīng)用

自1886年世界第一次汽車制造商以來，汽車行業(yè)已有120多年的歷史?，F(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展已成為現(xiàn)代社會(huì)文明的標(biāo)志。20世紀(jì)六、七十年代起,北美、歐洲、日本以及韓國的汽車工業(yè)得到了迅速發(fā)展。近幾年,世界汽車年產(chǎn)量已超過6000萬輛。2003年,全世界年產(chǎn)汽車6100萬輛,其中,美國平均年產(chǎn)汽車約1200萬輛,日本平均約產(chǎn)1000萬輛。而根據(jù)文獻(xiàn)2004年的預(yù)測,2004年到2011年,世界汽車仍然有較快的增長,歐洲、北美、日本和韓國等成熟市場的增長率保持在6%左右,中國、印度、巴西、俄羅斯等快速增長市場的增長率為89%。中國的汽車工業(yè)從1953年第一汽車制造廠奠基開始,在經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷程后,已躍上年產(chǎn)200萬輛臺(tái)階,到了21世紀(jì)初開始進(jìn)入騰飛發(fā)展階段。圖1為1997年以來中國汽車產(chǎn)量變化情況。中國在1997年汽車產(chǎn)量僅159萬輛,其中轎車49萬輛,但近10年來,中國的汽車發(fā)展突飛猛進(jìn),2007年生產(chǎn)汽車888.24萬輛,比1997年增長了4.58倍,平均年增長率超過18%,而2000年以來的平均年增長率超過23%,中國汽車產(chǎn)量已占世界第三位,并成為第二大汽車消費(fèi)國(2007年中國國內(nèi)汽車銷售量879.15萬輛,同比增長21.84%),預(yù)計(jì)2008年中國汽車產(chǎn)量可能突破1000萬輛。汽車工業(yè)的快速發(fā)展在推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活發(fā)生根本性改變的同時(shí),也伴隨著大量的資源能源消耗和二氧化碳?xì)怏w排放,對人類賴以生存的地球環(huán)境產(chǎn)生了重大影響和壓力,需要人們認(rèn)真思考并采取科學(xué)的方法進(jìn)行應(yīng)對。1車載均勻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法從現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)、制造、使用和市場要求看,動(dòng)力性能、安全、節(jié)能與環(huán)保仍然是首要的問題,由此,車體輕量化、外形多樣化、功能高性能化以及制造低成本化在不斷推動(dòng)現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展。車身的輕量化工程可以用多種的輕量化結(jié)構(gòu)來完成。圖2是寶馬汽車輕量化設(shè)計(jì)方案。首先,在車身輕量化工程中,必須實(shí)現(xiàn)車身功能性的最佳組合,要求一輛轎車的均勻結(jié)構(gòu)必須具有最佳載荷變化范圍。但由于受舒適性的要求、設(shè)計(jì)、裝配的角度和簡單的車體尺寸空間限制,通常是很難完成的;其次是制造輕量結(jié)構(gòu),可以通過采用新的成形工藝,如輥壓成形和液壓成形,或其他特殊成形工藝,如中高溫成形,來實(shí)現(xiàn)減重;第三是采用材料輕量化設(shè)計(jì)。事實(shí)上,采用高強(qiáng)度鋼、多相鋼、鋁和各種常用塑料可以有效地減少質(zhì)量。從汽車對材料的要求來看,當(dāng)鋼或鋁的薄板要用到車身上時(shí),它們必須符合多種要求。首先,是由沖壓車間、車身車間和涂漆車間組成的生產(chǎn)工藝鏈。在沖壓車間的成形工藝方面,要考慮的主要有成形性、沖壓力、涂層、切削、潤滑和回彈;車身制造的工藝過程中,所用的連接工藝都要進(jìn)行可行性研究,要有各種高溫連接技術(shù)如點(diǎn)焊、MIG焊以及可能的激光焊,各種釬焊等;冷連接技術(shù)主要用于鋁材料,鉚接、箝住和卷邊用于鋁材料;針對表面和腐蝕方面,要求在涂漆后零部件具有A級表面質(zhì)量等級。為保證抗低速和高速?zèng)_撞能力,材料的塑性和力學(xué)性能必須符合要求,同時(shí)車身剛度、音響和壽命等都必須符合要求。2預(yù)期執(zhí)行的保險(xiǎn)政策近年,隨著能源危機(jī)、石油價(jià)格不斷上升以及地球溫室效應(yīng)加重,世界各國對能源和二氧化碳排放引起的環(huán)境問題更加重視,紛紛制定和采取各種嚴(yán)格的措施進(jìn)行控制。在汽車領(lǐng)域,應(yīng)對環(huán)境問題和提高沖撞安全性成為最常見的關(guān)鍵詞。有許多研究表明,地球變暖和酸雨與汽車排放的二氧化碳、硫化物和氮氧化物有很大關(guān)系。因此,北美、歐洲和日本等許多國家對汽車排放提出了越來越高的標(biāo)準(zhǔn)。表1為日本、歐洲和美國制定的乘用車降低燃耗和CO2減排目標(biāo)。其總的減排目標(biāo)值為6%～8%。目前各國的道路交通法規(guī)從排放控制規(guī)則、燃油效率到碰撞安全性等繁雜多樣,另外,汽車制造商還要考慮并執(zhí)行國家的保險(xiǎn)規(guī)定。預(yù)期執(zhí)行的有關(guān)排放控制、燃油效率和碰撞安全性法規(guī)見表2。表2說明燃油效率法規(guī)正逐漸修改并嚴(yán)格化,汽車制造商正努力提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率,同時(shí)也正在改進(jìn)燃燒技術(shù)。最有效的方法之一是降低車身的自重,按Egawa等人的預(yù)測,汽車自重每降低100kg,可提高燃油效率約1.3km/L?？v觀碰撞安全性法規(guī)執(zhí)行情況,汽車碰撞安全性規(guī)定也越來越嚴(yán)格。在北美地區(qū),為滿足越來越嚴(yán)格的法規(guī)和保護(hù)政策的需要,例如:為滿足SUV車型碰撞(邊部碰撞)和高速撞擊的安全需要,應(yīng)該對車體梁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化,同時(shí)也應(yīng)該增加諸如SRS(輔助救助系統(tǒng))等碰撞保護(hù)設(shè)施,這樣也將增加汽車的質(zhì)量。雖然汽車需要降低廢氣排放水平和提高燃油效率,但其與提高汽車的碰撞安全性能是相互矛盾的。因此,需要特殊的汽車減重技術(shù)來解決這一相互矛盾的問題。在此情況下,歐洲汽車制造商紛紛尋找一種全新的汽車產(chǎn)品,以符合CAFE組織的要求及其嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)(圖3)。圖4表示乘用車質(zhì)量與油耗的關(guān)系?？梢?盡管發(fā)動(dòng)機(jī)類型不同對油耗會(huì)有不同影響,但總的趨勢是隨著車體質(zhì)量的減輕,每升汽油行使的公里數(shù)顯著上升,即當(dāng)車重從2500kg降低到750kg時(shí),每升汽油行使的公里數(shù)從約5km/L上升到約25km/L,而相應(yīng)地排出的CO2量從約400g(CO2)/km下降到約100g(CO2)/km(圖5)。由此可見,為了應(yīng)對節(jié)省能源和減少排放規(guī)定的要求,減輕車重是降低油耗從而降低二氧化碳排放的最有效方法(表3)。根據(jù)日本汽車技術(shù)生產(chǎn)加工部門委員會(huì)工作組分析報(bào)告“2020年汽車及其制造技術(shù)的將來”指出,到了那個(gè)時(shí)代,通過技術(shù)的高度精確化,有可能將乘用車的燃耗(假定2L車)提高到100km/L。換言之,可將燃料效率提高6倍,其中,發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力混合化300%;發(fā)動(dòng)機(jī)效率改善35%;車體輕量化26%;傳動(dòng)效率改善20%。3車重減輕車重汽車的減重(輕型化)是降低油耗的主要途徑(約占50%以上),因而也是減少二氧化碳廢氣排放量的最有效對策。據(jù)統(tǒng)計(jì),汽車車重每減輕1%,燃料可降低0.6%～1.0%。另一方面,隨著提高沖撞安全性的標(biāo)準(zhǔn)逐年嚴(yán)格,須提高車體強(qiáng)度、剛度并優(yōu)化結(jié)構(gòu)以提高安全性。針對這樣的社會(huì)需求,應(yīng)著眼于利用材料的高強(qiáng)度化,以使汽車的安全性和質(zhì)量保持更好的平衡。各家汽車公司都在努力降低汽車車體的質(zhì)量,他們既采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)技術(shù),也進(jìn)一步優(yōu)化材料設(shè)計(jì)。在這一過程中,傳統(tǒng)的在汽車上采用以鋼鐵材料為主的汽車用材受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。通過優(yōu)化材料設(shè)計(jì)而降低車體質(zhì)量的工藝方法主要有以下2點(diǎn):(1)以低密度材料替代鋼鐵材料,如使用低密度的鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等;(2)使用高強(qiáng)度材料降低鋼板厚度規(guī)格。為了達(dá)到同級別中的汽車性能最好這一總的目標(biāo),目前市場上有多種不同的車身概念。由于客戶對車輛性能有著不同的要求,汽車廠采用了現(xiàn)代復(fù)合材料車身概念、鋁車身概念或者傳統(tǒng)的鋼鐵車身概念(應(yīng)用了先進(jìn)鋼鐵材料)。材料和與之相關(guān)技術(shù)的選擇依賴于技術(shù)目標(biāo)和成本結(jié)構(gòu)。為了解決超高強(qiáng)鋼和輕合金、聚合物材料的混合設(shè)計(jì)問題,CRF(菲亞特汽車研究中心)和主要?dú)W洲汽車制造商及大規(guī)模的歐洲工程(由EC發(fā)起的)的“超輕型汽車”目標(biāo)是在穩(wěn)定價(jià)格基礎(chǔ)上減輕車重30%。該項(xiàng)目的主要方案便是采用多材料方法制造新車型(圖6)。為了減輕車重和提高安全性,近年來,汽車用鋼板向高強(qiáng)度化發(fā)展成為一種趨勢。當(dāng)鋼板厚度分別減小0.05、0.01和0.15mm時(shí),車身減重分別為6%、12%和18%,可見增加鋼板強(qiáng)度是減小板厚、減輕車重的主要途徑。另一方面采用高強(qiáng)度鋼板減小板厚的同時(shí),也提高了汽車車體的抗凹陷性、耐久強(qiáng)度和大變形沖擊強(qiáng)度安全性。為了應(yīng)對來自非鋼材料的挑戰(zhàn),美國新一代汽車合作組織PNGV進(jìn)行了34km/L車的開發(fā),歐洲也進(jìn)行了100km/3L車的開發(fā),國際鋼鐵協(xié)會(huì)(IISI)的鋼鐵材料供應(yīng)廠家從1994年至1998年聯(lián)合世界18個(gè)國家的35家鋼鐵企業(yè)共同推進(jìn)超輕型鋼制車體ULSAB(UltraLightSteelAutoBody)、ULSAC(UltraLightSteelAutoClosure)、ULSAS(UltraLightSteelAutoSuspension)的研究開發(fā)項(xiàng)目。ULSAB的目標(biāo)是在確保車體性能和沖撞安全性能,并且不增加成本的基礎(chǔ)上,通過大量采用高強(qiáng)度鋼板,并應(yīng)用液壓成形技術(shù)、激光拼焊技術(shù)等使汽車車重減輕25%;ULSAC的目標(biāo)是通過采用液壓成形框架結(jié)構(gòu),汽車內(nèi)板部件最佳化,以及高強(qiáng)鋼板的應(yīng)用,使門窗結(jié)構(gòu)減重25%,車頂棚和前后蓋板減重30%;ULSAS的目標(biāo)是基于結(jié)構(gòu)分析,對懸掛件(Suspension)形式進(jìn)行最佳化設(shè)計(jì),并進(jìn)行強(qiáng)度與成形性的最佳材料選擇,達(dá)到與鋁制超連接懸掛件的質(zhì)量基本相等,使成本降低20%,其他鋼制懸掛件基本不增加成本,車重減輕20%～30%。而ULSAB-AVC(ULSAB-AdvancedVehicleConcept)項(xiàng)目則是國際鋼鐵協(xié)會(huì)(IISI)從1999年開始的委托PES(PorscheEngineeringServiceInc.)設(shè)計(jì),由世界上33個(gè)鋼鐵公司共同完成的超輕型鋼制車體研究開發(fā)項(xiàng)目。該項(xiàng)目主要是通過靈活運(yùn)用ULSAB·ULSAS的成果以及先進(jìn)鋼鐵材料,不僅在車體,而且包括外板件、車軸和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行整車綜合全面采用輕量化設(shè)計(jì)方案。ULSAB-AVC是對到2004年達(dá)到實(shí)用化的C-Class(相當(dāng)于1500cc級別)和PNGV-Class(相當(dāng)于2500cc級別)車采用先進(jìn)鋼鐵材料的輕量化設(shè)計(jì)方案,對1999年的2個(gè)級別代表車型實(shí)現(xiàn)整車減重20%～30%的目標(biāo)。ULSAB車體上的高強(qiáng)度鋼板使用率為:ReL≥210MPa,91%,ReL≥280MPa達(dá)64%,有3種件使用了ReL≥550MPa的超高強(qiáng)度鋼板。另外,還使用了用厚度0.14mm鋼板夾厚度0.65mm樹脂的輕質(zhì)夾層板。圖7為超輕型鋼制車體ULSAB和ULSAB-AVC的材料構(gòu)成?？梢?在ULSAB-AVC的材料中,雙相鋼DP500、DP600、DP700、DP800、DP1000所占比例最大,超過80%,DP800、DP1000所占比例超過70%。還采用了約4%的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1200MPa和1520MPa超高強(qiáng)度馬氏體鋼(Mart)。圖8表示在ULSAB車體上,當(dāng)采用高強(qiáng)度鋼板的比率提高時(shí)所推算的節(jié)約能量值。也就是說,采用高強(qiáng)度鋼板達(dá)到汽車輕量化的節(jié)能效果比生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼板所增加的能量大得多。而在實(shí)際車體制造方面,近年來高強(qiáng)鋼板的應(yīng)用也在不斷提高。圖9為日本汽車公司從1979到2014年采用高強(qiáng)度鋼板的實(shí)際值和預(yù)測值情況。圖10則為在汽車車體上采用各強(qiáng)度級別鋼板所占比例在2004年實(shí)際值和2014年的預(yù)測值。由此圖可見,到2014年日本汽車車體上所用高強(qiáng)度鋼板中,抗拉強(qiáng)度590～980MPa以上級別的高強(qiáng)和超高強(qiáng)度鋼板的比例明顯增加,而抗拉強(qiáng)度260～270MPa級軟鋼所占比例由60%多下降到約40%。表4是日本日產(chǎn)(NISSAN)汽車從1995年到2005年汽車材料應(yīng)用的歷史發(fā)展?fàn)顩r。由此表可見,到2005年在NISSAN汽車上已經(jīng)采用了980MPa級DP鋼和590MPa級BH鋼,并且在門部件上采用了5000和6000系鋁合金板。在現(xiàn)實(shí)中,在先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)的開發(fā)和應(yīng)用上,還存在著來自客戶和加工制造方面的挑戰(zhàn)。(1)大量采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼從保證駕乘人員安全出發(fā),近年對車輛碰撞性能的要求在不斷提高,從而促使車輛的質(zhì)量在不斷地增加而白車身的質(zhì)量在不斷地減輕。這主要是汽車附加系統(tǒng)的應(yīng)用和車輛尺寸的增加。為了在市場上更具競爭性,只減重而不同時(shí)改善碰撞性能、駕駛性能和噪聲振動(dòng)是不可能的。在最近10年中,鋼鐵工業(yè)開發(fā)了大量的先進(jìn)高強(qiáng)鋼來支持汽車工業(yè)的需求。一方面,零部件有了非常廣泛的選材范圍,使其獲得最佳的鋼材力學(xué)性能。另一方面,每一級別的鋼種都需要測試和詳細(xì)說明。例如,對于DP780(圖11),全球市場上不同的供應(yīng)商有著不同設(shè)計(jì)理念。不同的合金成分會(huì)導(dǎo)致不同的成形和連接性能,這些差別將導(dǎo)致大量的測試工作和成本增加,盡管它們屬于同樣的材料并有著同樣的命名方式。除了通常的工作外,對汽車廠和鋼鐵工業(yè)的測試小組而言,節(jié)省測試時(shí)間和費(fèi)用、減少車輛中所使用的鋼種將成為他們的一個(gè)目標(biāo)。正確使用先進(jìn)鋼材的思想反映在不同的材料使用中。使用軟鋼或傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼會(huì)便于車身制造。而隨之而來的挑戰(zhàn)是如何減輕不斷增加的車身質(zhì)量,車身越重耗能越多。因此,使用先進(jìn)高強(qiáng)鋼將解決部分問題(與最終客戶有關(guān)的),但是會(huì)給制造帶來很大的挑戰(zhàn),挑戰(zhàn)是零件數(shù)目(零件制造周期)和更高的成本。選擇正確的材料級別用在正確的位置是滿足客戶和公司要求的最佳辦法。(2)沖壓力和沖壓線的計(jì)算為了應(yīng)用好先進(jìn)高強(qiáng)鋼,對于材料的力學(xué)性能、回彈行為、所要求的沖壓力、微觀結(jié)構(gòu)、焊接特性和應(yīng)變速率行為等方面的信息和測試結(jié)果的了解是非常必要的。對于冷沖壓成形工藝,沖壓零件的公差精度是制造時(shí)的一個(gè)焦點(diǎn)。相對于軟鋼和傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼,先進(jìn)高強(qiáng)鋼的回彈更大,這需要恰當(dāng)?shù)亟鉀Q(圖12)。由于零件復(fù)雜的幾何形狀,精確計(jì)算沖壓力是很困難的。對于不同鋼種的研究顯示,沖壓力與抗拉強(qiáng)度之間有著很好的一致性。因此,對具有高沖壓力及小的沖壓工作臺(tái)和精確的沖壓力的計(jì)算變得更加重要。為了選擇正確的沖壓線,零件的尺寸,生產(chǎn)單個(gè)還是一對零件和沖壓線中的傳輸系統(tǒng)都需要進(jìn)行考慮。先進(jìn)高強(qiáng)鋼應(yīng)用中所遇到的一個(gè)新問題是成形件的起皺和開裂問題。開裂往往起于邊部,在對邊部處理后,例如,打磨或者拋光,情況可以得到改善。開裂敏感性受到切邊質(zhì)量(間隙優(yōu)化、刀具和沖頭邊部質(zhì)量)的影響。起皺則需要合理控制壓邊力和成形條件。對于大規(guī)模生產(chǎn)時(shí),起皺和開裂都是不能接受的,需要更詳細(xì)地進(jìn)行沖