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需求。

關鍵詞：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計的新產品，產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70年代開始，民用量產車輕量化就已經開始發(fā)展。包括奧迪、捷豹路虎等豪華車品牌開始著手研究，從設計與使用輕量化材料層面上來實現(xiàn)車型的輕量化。輕量化對于民用車型的意義，集中在兩點：提升對能源消耗的經濟性與車輛性能的優(yōu)化。有資料顯示：當汽車質量下降10%，燃油效率將提高6%-8%；汽車整備質量減少100公斤，百公里油耗可減少0.3-0.6升?？梢哉f，在汽車產品同質化愈加嚴重的當下，輕量化技術將成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的突破口。

然而輕量化設計的初衷雖好，但是對于整車設計而言，卻是“牽一發(fā)而動全身”的復雜工程。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變?yōu)殇X合金、碳纖維等相對于鋼更昂貴的輕質材料；而如果想實現(xiàn)徹底的車身輕量化，使用多種復合材料研發(fā)車身架構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，國內的環(huán)保問題日益嚴峻，政府相繼出臺了一系列嚴格的環(huán)保標準。在這種情況下，汽車輕量化逐漸成為趨勢，我國已經出臺了多項相關政策，促進新能源汽車的研發(fā)和使用，推動汽車用材輕量化進程。預計到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，單位國內生產總值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質量， CO2、NOx等相關有害氣體的排放量也就下降。在美國，汽車質量如果減少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，將產生CO2數(shù)值為2～2.5kg。圖2為汽車整備質量與燃油消耗關系圖。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 高強鋼與汽車輕量化

2015年至2017年，是先進高強鋼產線投產高峰期。據(jù)相關資料統(tǒng)計，2015年至今投產或在建的高強鋼生產線達幾十條，設計產能1000多萬噸以上，產品定位多是先進高強鋼（AHSS），如浦項光陽廠新建的7號連續(xù)鍍鋅線、鞍鋼和神戶制鋼合資的冷軋連退生產線等。此外，統(tǒng)計的產線中以高強度熱鍍鋅產線居多。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考慮問題之一，歐美等國對汽車防腐性能提出嚴格的標準規(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)動機內腔耐腐蝕極限2年。鋼鐵行業(yè)追求進步的腳步從未停止。未來高強度鋼仍是汽車輕量化的主角。鋼鐵企業(yè)取得的顯著進展和高強鋼在汽車企業(yè)的應用的實際情況也表明，鋼鐵仍有潛力可挖，尤其在先進高強度鋼的應用還將有較大增長空間。為提升產品競爭力，汽車廠和鋼廠E的深度VI合作會越來越重要。鋼鐵企業(yè)應進一步提高作為材料供應商對汽車產品開發(fā)的認識，深刻理解汽車對材料的需求，引導汽車制造廠商使用先進高強鋼成型技術等，共同推動汽車工業(yè)、鋼鐵材料研發(fā)的進步。

3 汽車輕量化高強鋼研發(fā)

以美國汽車材料合作伙伴組織（USAMP）為首的研發(fā)團隊已經試制出兩種兼具強度和成形性的第三代先進高強鋼（AHSS）。美國汽車研究委員會（USCAR）稱，該試制產品是研發(fā)取得進展的顯著一步，因為該產品是用小型化的“類生產設備”制造的，而不是實驗室設備。據(jù)悉，兩個試制鋼種之一是第三代中錳先進高強鋼，其強度和延伸率分別達到1200MPa和37%；另外一個試制鋼種強度和延伸率分別達到1538MPa和19%。兩個鋼種的性能指標幾乎超過了美國能源部設定的全部目標，一旦獲得實用化驗證，便可以用于制造輕量化的汽車和卡車，實現(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)化的模型用于預測新鋼種在汽車碰撞時的變形行為。

4 高強鋼短流程

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

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，成為目前應用量最大、種類最多的先進高強鋼。圖3為高強鋼短流程。薄板坯連鑄連軋流程在薄規(guī)格熱軋先進高強鋼（如DP、TRIP、CP鋼等）的開發(fā)上具有獨特優(yōu)勢，結合酸洗表面實現(xiàn)“以熱代冷”具有良好的應用前景。采用薄板坯連鑄連軋流程生產薄規(guī)格汽車用熱軋高強鋼，具備“以熱代冷”的潛力，可顯著降低生產成本，發(fā)展前景廣闊。圖4為熱軋（短流程）雙相鋼冷卻工藝。但目前在實際生產過中還面臨諸多技術挑戰(zhàn)：（1）熱軋產品的表面質量與冷軋產品還有一定差距。（2）薄規(guī)格高強鋼的板形和尺寸精度控制難度大。（3）部分先進高強鋼（DP、TRIP、Q-P等）需要對冷卻路徑進行嚴格控制，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對現(xiàn)場的生產組織有一定的限制。

5 結束語

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

參考文獻

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