安鋼商用汽車輕量化用鋼研究進(jìn)展

王新江 韋 弦 萬(wàn)國(guó)喜

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

0 概述

所謂的汽車輕量化是指采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和有效手段對(duì)汽車產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，或使用新材料在確保汽車綜合性能指標(biāo)的前提下，盡可能減輕汽車產(chǎn)品自身質(zhì)量，以達(dá)到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合目標(biāo)。汽車輕量化絕非是簡(jiǎn)單地將其小型化或簡(jiǎn)單化，首先應(yīng)保證汽車原有的性能不受影響，既要有目標(biāo)地減輕汽車自身的質(zhì)量，又要保證汽車行駛的安全性耐撞性抗振性以及舒適性，同時(shí)保證車身的成本不提高［1］。

工信部2013年數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)汽車油耗占石油年消耗總量的一半左右，而汽車油耗的49．2%是被只占汽車總量13．9%的中、重型商用車(＞3．5 t)消耗掉的。也就是說(shuō)，雖然我國(guó)中、重型商用車數(shù)量比乘用轎車少得多，但其消耗的燃油大體上卻與乘用車相當(dāng)。由于我國(guó)商用車通常是歇人不歇車地長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，因此帶來(lái)的污染和能耗浪費(fèi)比轎車要嚴(yán)重得多。而隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，依賴公路運(yùn)輸?shù)奈锪鳂I(yè)將迅速成長(zhǎng)，對(duì)能源造成的影響將更加明顯，對(duì)于降低能源消耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，因而也成為當(dāng)前汽車工業(yè)亟待解決的問(wèn)題。商用車輕量化是設(shè)計(jì)、制造、材料技術(shù)的集成，其中車身設(shè)計(jì)以及鋼鐵材料的高強(qiáng)化則是商用車實(shí)現(xiàn)有效減重的關(guān)鍵，二者對(duì)輕量化的貢獻(xiàn)率可達(dá)到60%以上。因此，對(duì)商用車進(jìn)行輕量化其經(jīng)濟(jì)效益可觀，但其社會(huì)和環(huán)境效益更為巨大，商用車的輕量化趨勢(shì)不可阻擋。

對(duì)于商用車汽車用鋼輕量化而言，輕質(zhì)材料的替換和制造工藝改進(jìn)，提高鋼材強(qiáng)度是最可行的兩種途徑。雖然采用鎂鋁合金和碳纖維材料減重效果十分明顯可以達(dá)到40% ～60%，但其價(jià)格要貴15倍～20 倍，因此根據(jù)中國(guó)目前的商用車市場(chǎng)用戶認(rèn)知和消費(fèi)價(jià)值觀，通過(guò)提高鋼材的強(qiáng)度等性能是許多企業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化的重點(diǎn)選擇，是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要課題，也是鋼鐵材料的發(fā)展方向。

1 商用車汽車輕量化應(yīng)用

當(dāng)前，汽車行業(yè)正發(fā)生著一場(chǎng)關(guān)于輕量化的深刻變革，無(wú)論是商用車汽車制造廠商還是乘用車汽車制造廠商對(duì)輕量化的材料都十分渴求。因此，鋼鐵企業(yè)根據(jù)自身特點(diǎn)和區(qū)域市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)重點(diǎn)研發(fā)商用車或乘用車高強(qiáng)度輕量化材料，乘用車研發(fā)主要以寶鋼、武鋼、鞍鋼、首鋼、酒鋼、沙鋼等企業(yè)為主，商用車研發(fā)主要以安鋼、太鋼、邯鄲、柳鋼、承鋼等企業(yè)為主。而商用制造廠家對(duì)各部位使用輕量化材料認(rèn)知參差不齊，造成輕量化進(jìn)程推進(jìn)相對(duì)較慢。安鋼從現(xiàn)有商用車生產(chǎn)廠家、市場(chǎng)用戶實(shí)際使用級(jí)別和研發(fā)推廣情況來(lái)看，目前商用車制造材料按照強(qiáng)度使用級(jí)別及下一步發(fā)展趨勢(shì)可以分為“三代”，如圖1所示。

對(duì)于這“三代”材料，各企業(yè)根據(jù)自身裝備和技術(shù)水平，在工業(yè)化生產(chǎn)和用戶加工使用過(guò)程中會(huì)存在不同的問(wèn)題。因此，將三代商用車使用材料的優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)單概括情況見表1。

圖1 商用車輕量化用鋼三階段使用級(jí)別

表1 國(guó)內(nèi)商用車各階段材料的優(yōu)缺點(diǎn)情況

在當(dāng)前國(guó)際金融環(huán)境不穩(wěn)定，全球汽車行業(yè)大發(fā)展的背景下，發(fā)展汽車用鋼，尤其是輕量化高強(qiáng)度汽車板，對(duì)國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)走出困境意義重大。從下圖2 可以看出，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)汽車用鋼及汽車鋼板仍將保持逐年遞增形勢(shì)，因此，隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展、輕量化工作的推進(jìn)，市場(chǎng)對(duì)汽車用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板需求日益增加，開發(fā)第三代高強(qiáng)鋼成為我國(guó)鋼鐵工作者工作的重中之重。

圖2 鋼材用量估計(jì)

2 安鋼高強(qiáng)度商用汽車鋼研發(fā)進(jìn)展

針對(duì)商用車輕量化汽車用鋼發(fā)展方向，2008年以來(lái)安鋼集中精力開展汽車輕量化用鋼的研制，先后投入大量的資金用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，基礎(chǔ)工作使我們不走回頭路，走在了國(guó)內(nèi)汽車輕量化用鋼研發(fā)的前列。主要研究工作如下:

2．1 析出物分析

開展了高強(qiáng)汽車用鋼析出強(qiáng)化工藝研究，找出影響強(qiáng)度的主要因素，固化了高強(qiáng)鋼的冶煉和軋制的關(guān)鍵生產(chǎn)工藝。同時(shí)也和高校研究院所合作進(jìn)一步分析了鋼卷主要強(qiáng)化因數(shù)析出物的數(shù)量大小和分布，即小于30 nm 占43%，30 nm ～60 nm 占31%，60 nm以上占26%。

2．2 700 MPa 級(jí)焊接性能評(píng)價(jià)

對(duì)700 MPa 級(jí)高強(qiáng)汽車用進(jìn)行了鋼焊接性能研究與評(píng)價(jià)，其結(jié)果為:所優(yōu)選ER50 －6、CHW －70C焊絲焊接的接頭具有良好的疲勞性能，在承受310 MPa峰值應(yīng)力(橫向)條件下，經(jīng)受15 萬(wàn)次應(yīng)力循環(huán)而不破壞;T 型焊接梁結(jié)構(gòu)在承受接近屈服峰值應(yīng)力(縱向)條件下，應(yīng)力循環(huán)周次大于80000次。這個(gè)結(jié)果打消了用戶最大使用顧慮，同時(shí)也提供了較為合適的焊接工藝和焊接材料，得到了用戶一致好評(píng)。

2．3 冷彎性能對(duì)比研究

一般說(shuō)來(lái)，伴隨著強(qiáng)度的提高，塑性和韌性會(huì)有所下降，會(huì)給用戶實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)困難或成本急劇增加，因此我們也對(duì)其成型性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，我們采用細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化相結(jié)合的方法使得材料的強(qiáng)度有了較大提高，而塑性和韌性雖然有所降低，但是依然可以滿足用戶現(xiàn)有的生產(chǎn)條件。例如可以滿足用戶普通折彎，沖片沖孔，羅拉成型等。

重點(diǎn)對(duì)700 MPa 級(jí)8 mm 以上規(guī)格的大梁鋼進(jìn)行4 種不同條件下的冷彎對(duì)比試驗(yàn):第一種，正?？v剪生產(chǎn)條件下的上、下剪切口的冷彎對(duì)比;第二種，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)冷彎試樣加工后再進(jìn)行了冷彎?rùn)z驗(yàn)結(jié)果;第三種，針對(duì)下剪切口剪切不好狀態(tài)下，進(jìn)行修磨處理后的冷彎?rùn)z驗(yàn);第四種，用戶對(duì)條板進(jìn)行銑邊后的冷彎?rùn)z驗(yàn)結(jié)果。安鋼通過(guò)這4 種冷彎?rùn)z驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn):1)冷彎試樣經(jīng)過(guò)銑邊和按照標(biāo)準(zhǔn)機(jī)加工后，可以較好的保證D =0 冷彎合格。2)用戶縱剪加工后，上剪切口冷彎D =a 全部合格。3)下剪切口質(zhì)量較好和修磨后可以保證D= a 的冷彎合格。4)下剪切口質(zhì)量較差時(shí)，冷彎合格幾率較小，甚至出現(xiàn)90 °折彎時(shí)已經(jīng)嚴(yán)重開裂，因此該種情況下剪切口需要修磨，建議用戶將條板上剪口放在下面使用。

2．4 8 mm 的屈服700 MPa 級(jí)材料高周疲勞試驗(yàn)

為了給車輛設(shè)計(jì)者提供較為準(zhǔn)確的材料疲勞壽命，我們和某汽車研究院進(jìn)行了合作，對(duì)目前市場(chǎng)中常用的10 mm 以下屈服600 MPa 級(jí)別和屈服700 MPa級(jí)別的產(chǎn)品進(jìn)行了材料的高周疲勞，屈服700 Mpa 高周檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 材料高周拉－壓和拉－拉疲勞檢測(cè)結(jié)果

2．5 商用汽車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

輕量化材料的使用，車架為了保證原有的強(qiáng)度和剛度，必然需要對(duì)應(yīng)力集中或應(yīng)力較大的部位進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，該研究我們也和高校、車輛改裝廠聯(lián)合進(jìn)行了研究，其中一部分的研究成果已經(jīng)轉(zhuǎn)化為了實(shí)際生產(chǎn)，例如轎運(yùn)車、半掛車輕量化后的油耗測(cè)試等。

3 安鋼商用汽車輕量化材料應(yīng)用進(jìn)展及前景

3．1 輕量化材料應(yīng)用進(jìn)展

由于我國(guó)公路運(yùn)輸超載的存在，長(zhǎng)期以來(lái)，廠家的商用車量均以能裝，耐用為主要發(fā)展方向，輕量化技術(shù)得不到重視。2011年7月1日開始實(shí)施的《公路安全保護(hù)條例》，一改以往以往用罰款作為處罰載貨車超限超載的主要手段，轉(zhuǎn)而采取吊銷車輛運(yùn)營(yíng)證。責(zé)令道路企業(yè)停頓甚至吊銷運(yùn)輸經(jīng)營(yíng)許可證的處罰方式。在高成本的壓力下，汽車物流企業(yè)往往靠違法超載贏得利潤(rùn)空間，但《條例》實(shí)施之后，超限超載的成本劇增。用戶靠超載賺錢的路越走越行不通，“大噸小標(biāo)”將從源頭被杜絕，舊的掙錢模式已經(jīng)走到盡頭。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，如果《條例》執(zhí)行到位，可對(duì)超限超載起到釜底抽薪的作用，并將改變貨車市場(chǎng)需求結(jié)構(gòu)，企業(yè)可轉(zhuǎn)而重點(diǎn)生產(chǎn)輕量化產(chǎn)品的商用車，同時(shí)可以為用戶降低實(shí)際的使用成本，未來(lái)形成越來(lái)越講運(yùn)輸效率的發(fā)展趨勢(shì)，使得運(yùn)輸模式的發(fā)生巨大變化［2］。再加上一系列法律法規(guī)的約束，輕量化的理念迅速得到了鋼鐵企業(yè)和商用車制造企業(yè)的重視，輕量化材料使用進(jìn)入了“快車道”。輕量化材料在商用車各部位的使用情況見表3。

表3 安鋼商用車部分部位輕量化使用材料對(duì)比

在完善質(zhì)量管理體系下，通過(guò)技術(shù)營(yíng)銷、市場(chǎng)倒逼和部分EVI 銷售模式，目前安鋼的高強(qiáng)度輕量化熱軋產(chǎn)品已批量穩(wěn)定生產(chǎn)，形成了汽車大梁用鋼、汽車車廂用鋼、汽車車輪用鋼、汽車傳動(dòng)軸管用鋼、汽車罐體用鋼、汽車橋殼用鋼六大系列產(chǎn)品。產(chǎn)品規(guī)格基本覆蓋了國(guó)內(nèi)所有商用車生產(chǎn)需求，形成了與國(guó)內(nèi)眾多知名汽車制造企業(yè)良好的合作關(guān)系。比如，駐馬店中集華俊、中集東岳、深圳中集、青島中集、山西大運(yùn)、宇通客車、中聯(lián)重科、濟(jì)南重汽、十堰馳田、徐州光環(huán)、東風(fēng)德納橋殼等等。

目前安鋼針對(duì)這些結(jié)構(gòu)部件采用抗拉強(qiáng)度600 Mpa ～750 Mpa 的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了部分輕量化目標(biāo)，其效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)車身自重減輕10% ～25%之間。例如采用5 mm ～6 mm 制作腹板，8 mm ～12 mm 制作上下翼板的高強(qiáng)度輕量化大梁鋼分別替代原來(lái)6 mm ～8 mm腹板，12 mm ～16 mm 翼板的Q345B 可以減重15% ～22%;高強(qiáng)度車廂用鋼采用邊2 mm、底3 mm、側(cè)板2．5 mm，替代原來(lái)的Q345B 邊3 mm、底4 mm、側(cè)板2．0 mm 可以實(shí)現(xiàn)減重22．6%;高強(qiáng)度車輪用鋼采用6 mm 輪輞+11 mm 輪輻替代原來(lái)的Q235B 和330CL 可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)車輪減重7 kg ～10 kg，約15%;其他系列基本減重在10% ～20%之間。

2)載重量增加運(yùn)輸效率提高。以13 m 半掛車輕量化改造為例，其車架配置中上下翼板、腹板、邊梁、貫穿梁等若采用傳統(tǒng)材料Q345 等級(jí)別，合計(jì)重量約為2．54 t，成本金額約為14000 元，而若采用輕量化用高強(qiáng)鋼AG700L，鋼板規(guī)格可以明顯變薄，合計(jì)重量約為1．30 t，成本金額約為8500 元。改造后，不僅裝載噸位增加，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，提升了車輛安全性能，而且還降低了生產(chǎn)成本，因此深受用戶歡迎。安鋼汽車運(yùn)輸車隊(duì)車號(hào)為豫E18815 實(shí)際運(yùn)行效果見表4。

表4 豫E18815 實(shí)際運(yùn)行效果

投資回收期大幅縮短:輕量化改造購(gòu)置價(jià)格為11 萬(wàn)元，按照每趟多裝載4．88 t 計(jì)算，塵泥與精礦運(yùn)費(fèi)分別是90．69 元/ t，每月15 車次，每車月增效益:4．88 ×(90 +69)×15 =11639 元，每年增加效益12．88 萬(wàn)元，11 個(gè)月即可收回投資。

3)每臺(tái)車節(jié)約鋼材使用量，減少了污染氣體的排放。2013年(第四屆)中國(guó)鋼鐵節(jié)能減排論壇中統(tǒng)計(jì)出生產(chǎn)一噸鋼排放SO21．7 kg、煙粉塵1．2 kg、COD0．076 kg、氨氮0． 0067 kg，噸鋼外排廢水量1．72 m3，排放CO21．8 t。

3．2 輕量化材料應(yīng)用前景展望

汽車輕量化是一項(xiàng)系統(tǒng)創(chuàng)新工程。在汽車技術(shù)發(fā)展中，輕量化材料的應(yīng)用水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)企業(yè)技術(shù)水平和產(chǎn)品水平的重要標(biāo)志之一。新材料的應(yīng)用決不是對(duì)原有材料的簡(jiǎn)單替代，而是一個(gè)涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)境等諸方面的復(fù)雜系統(tǒng)工程;需要從材料開發(fā)到零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)和檢測(cè)技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、材料回收與再生技術(shù)、零部件維修技術(shù)等一系列有效整合資源，加快汽車輕量化的步伐，切實(shí)貫徹并行工程［2］。

目前，我國(guó)汽車輕量化技術(shù)無(wú)論在理論研究方面還是在實(shí)際應(yīng)用方面都與國(guó)外有較大差距?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)商用車配置的變速器、車橋、齒輪在同樣輸出扭矩的情況下都比進(jìn)口車重。據(jù)陳一龍介紹，“總載質(zhì)量4 t 的牽引車，我國(guó)自主品牌卡車的自重是9 t，國(guó)外的只有7 t;而自卸車自重則占總載質(zhì)量一半，比國(guó)外多三四噸;雖然廂式車要好一些，但是差距也很大”［1］，因此，商用車輕量化前景廣闊。

輕量化技術(shù)的發(fā)展涉及眾多學(xué)科，需要運(yùn)用多學(xué)科交叉融合所形成的綜合性、系統(tǒng)性知識(shí)體系，而在目前國(guó)內(nèi)的研發(fā)體系下，各研發(fā)機(jī)構(gòu)往往只注重單個(gè)技術(shù)的研發(fā)，很少開展各技術(shù)間的交叉與融合;因此，不可能由單個(gè)企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)獨(dú)立完成，必須要由國(guó)家級(jí)的研究機(jī)構(gòu)或政府有關(guān)部門做出戰(zhàn)略性和前瞻性的超前部署［2］。

隨著材料強(qiáng)度級(jí)別的提高，帶來(lái)了材料本身的韌性和塑性有所下降、板形質(zhì)量控制難度大大增加等。這些給用戶后續(xù)加工使用帶來(lái)了較多困難，例如設(shè)備能力的增加，開平、縱剪、折彎、焊接材料和工藝的改變或優(yōu)化等。雖然商用車輕量化進(jìn)一步發(fā)展遇到了以上問(wèn)題，但是輕量化帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益已經(jīng)非常顯著，并且該項(xiàng)發(fā)展符合國(guó)家節(jié)能減排工作，也符合世界汽車工業(yè)發(fā)展潮流，由此要實(shí)現(xiàn)商用車進(jìn)一步的輕量化，必須普遍提升整車各部位的材料強(qiáng)度級(jí)別，降低使用厚度，實(shí)現(xiàn)輕量化;根據(jù)結(jié)構(gòu)部件的使用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)新工藝研發(fā)第三代超高強(qiáng)度屈服大于700 MPa 級(jí)別鋼鐵材料，例如車廂底板和邊板，大梁腹板，邊梁立柱等。

5 小結(jié)

1)商用汽車輕量化用鋼對(duì)于我國(guó)汽車工業(yè)降低消耗，提高運(yùn)輸效率的貢獻(xiàn)是非常顯著的，其中車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和高強(qiáng)度鋼材料對(duì)輕量化的貢獻(xiàn)率可達(dá)到60%以上。

2)安鋼研發(fā)的商用汽車各部位的輕量化材料，如汽車大梁用鋼、汽車車廂用鋼、汽車車輪用鋼、汽車傳動(dòng)軸管用鋼、汽車罐體用鋼、汽車橋殼用鋼等系列產(chǎn)品規(guī)格覆蓋了所有商用車生產(chǎn)需求，在國(guó)內(nèi)商用車市場(chǎng)具有引領(lǐng)作用。特別是第二代大梁用鋼、廂體用鋼、車軸用鋼市場(chǎng)占有率名列前茅。

3)第三代商用汽車用鋼，即屈服強(qiáng)度大于700 MPa 的高強(qiáng)度鋼，例如800 L 和850 L 已投放市場(chǎng)，并將繼續(xù)引領(lǐng)商用汽車輕量化用鋼的研發(fā)和應(yīng)用方向。

［1］聞?lì)＃d超限車將受“重拳”商用車減重最迫切［N］．專用汽車． VIEWPOI T/視點(diǎn)，2011．8 (2)．

［2］莊嚴(yán)．輕量化成商用汽車未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)［N］． 商用汽車． 專用汽車與配件，2013．8 (3)．