基于先進(jìn)鋼材料及其成型技術(shù)的車身輕量化研究

趙新陽 劉博遠(yuǎn) 馬曉春

【摘? 要】針對目前國內(nèi)外汽車保有量日益增多而產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，環(huán)境保護(hù)和節(jié)約資源已成為當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的主流，車身的輕量化正是實(shí)現(xiàn)上述發(fā)展趨勢的途徑之一。選用高強(qiáng)度先進(jìn)鋼等輕量化材料， 以及先進(jìn)的熱成形制造工藝技術(shù)是汽車輕量化所采用的主要手段，因此對材料與技術(shù)的革新是該領(lǐng)域的主要研究方向。

【Abstract】In view of the problem of environmental pollution caused by the increasing amount of automobile ownership at home and abroad， environmental protection and saving resources have become the mainstream of the development of automobile industry nowadays， and the lightweight of car body is one of the ways to realize the above development trend. The choice of lightweight materials such as high strength advanced steel and advanced thermal forming manufacturing technology are the main means of automobile lightweight， so the innovation of materials and technology is the main research direction in this field.

【關(guān)鍵詞】汽車輕量化;先進(jìn)高強(qiáng)度鋼;熱成形

【Keywords】automotive lightweight; advanced high strength steel; thermal forming

【中圖分類號】U471.13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）06-0193-02

1 引言

目前，我國私家車輛的保有量隨著人民生活水平的提高而逐年增加 [1]，因汽車尾氣排放而造成的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，減少有害氣體排放已經(jīng)成為當(dāng)今汽車行業(yè)發(fā)展的核心目標(biāo)。我國為了減少有害廢氣的排放，堅(jiān)持保護(hù)環(huán)境的基本國策，已將汽車輕量化技術(shù)放到汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的一個(gè)戰(zhàn)略要點(diǎn)上。由相關(guān)研究數(shù)據(jù)可知，車輛整車整備重量降低10%， 其燃油消耗率可降低6%～8%，車身自重每減少100 kg， 百公里燃油消耗量降低0.3～0.6 L [2]。隨著科技水平的日益提升，鋁合金等材料雖代替了部分的車身用鋼板，但在汽車制造中鋼鐵材料依舊占據(jù)著主導(dǎo)地位，因此對于先進(jìn)鋼材料的研發(fā)，依舊是汽車輕量化的一個(gè)熱點(diǎn)。車身輕量化技術(shù)在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域里相互融合，通常采用：CAE 技術(shù)，車身設(shè)計(jì)合理化;選取輕量化材料;應(yīng)用較為成熟的車身制造工藝[3]。

奧迪、通用、本田等車企于20世紀(jì)90年代便開展有關(guān)車身輕量化的技術(shù)開發(fā)，均取得成果。目前，我國對車用先進(jìn)鋼的開發(fā)與研究均取得一定進(jìn)展，有關(guān)鋼鐵企業(yè)已經(jīng)形成多種高強(qiáng)度鋼板品種，寶鋼生產(chǎn)的高強(qiáng)度 IF 鋼板已應(yīng)用于載貨商用車左、右車門內(nèi)板等零件。我國在汽車輕量化領(lǐng)域里的技術(shù)水平仍有較大的提升空間。

2 先進(jìn)鋼材料

2.1 高強(qiáng)度鋼概述

按照屈服強(qiáng)度不同，鋼類材料可以分為：低強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼。根據(jù)相關(guān)資料，低強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度小于210 MPa，高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度在 210 ～ 550 MPa之間，超高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度通常大于550Mpa [4]。而根據(jù)鋼強(qiáng)化機(jī)理的不同，可將高強(qiáng)度鋼分為UHSS 和AHSS ，其中對于AHSS鋼的研究已經(jīng)成為當(dāng)今的一個(gè)熱點(diǎn)。高強(qiáng)度鋼的用量直接決定著汽車輕量化水平，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼在未來的很長一段時(shí)間里都將會是輕量化材料的首選。

2.2 車輛對高強(qiáng)度鋼的性能要求

2.2.1 車架（或承載式車身）

在車身、車體內(nèi)部中起支撐作用的重要承載結(jié)構(gòu)部件，在實(shí)際中材料應(yīng)有較高的強(qiáng)度、較好的塑性，優(yōu)良的疲勞耐久性。在工程實(shí)際中，通常選用屈服強(qiáng)度級別較高的鋼板。

2.2.2 安全裝置零件

安全裝置零件形狀復(fù)雜，大小各不相同，采用多部位焊接，負(fù)責(zé)駕駛員和乘客的人身安全。所以，要求用于此裝置處的高強(qiáng)度鋼具有很高的力學(xué)性能特別是較高的動態(tài)力學(xué)性能。

2.2.3 底盤部分零件

汽車底盤部分包括扭轉(zhuǎn)梁、前后車架、懸架固定支座和連桿機(jī)構(gòu)零部件等，這些零部件外形簡單，焊接部位多，板材厚度較大，能夠承受交變載荷。通常要求用于此處的高強(qiáng)度鋼具有一定的成型性能，其中抗疲勞性能最為重要 [5]。

2.3 車身輕量化系數(shù)

對于評價(jià)車身輕量化的程度，在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛采用車身輕量化系數(shù)來衡量。通常L越小，汽車的輕量化程度越高。

車身輕量化系數(shù)L的具體定義如下：L=m/KTGA

m為整車質(zhì)量;KTG為扭轉(zhuǎn)剛度;A為投影面積。

2.4 高強(qiáng)度鋼的發(fā)展

2.4.1 發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科技水平進(jìn)步，高強(qiáng)度鋼已經(jīng)經(jīng)歷了第一代，第二代的發(fā)展，目前的第三代高強(qiáng)度鋼綜合性能最好，不僅彌補(bǔ)了第一代鋼力學(xué)性能上的缺陷，與第二代鋼相比還大大降低了成本。我國的寶鋼、鞍鋼等企業(yè)的研發(fā)部門已經(jīng)研制出第三代鋼并將其運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)之中。

2.4.2 第三代高強(qiáng)度鋼

為彌補(bǔ)第一、二代鋼的不足，第三代高強(qiáng)度鋼的研發(fā)與應(yīng)用受到各國推崇。通常第三代鋼應(yīng)用BCC 和 FCC組織進(jìn)行高強(qiáng)度與高韌性的匹配，以體心立方晶格結(jié)構(gòu)為基體組織的是BCC組織，通常采用馬氏體等硬相組織來提高材料基體的強(qiáng)度，而FCC組織是面心立方的亞穩(wěn)態(tài)奧氏體組織，正在研發(fā)的第三代高強(qiáng)鋼基本是TG鋼和Q&P鋼兩類。Q&P鋼的應(yīng)用更為廣泛，采用正相變方法進(jìn)行加工，? 該方法采用淬火等溫等方法將馬氏體中碳元素?cái)U(kuò)散至奧氏體中， 最終獲得適量而穩(wěn)定的殘余奧氏體組織[6]。

依據(jù)有關(guān)資料，Q&P鋼組成成分詳情見表1 [7]。

3 熱成型技術(shù)

3.1 熱成型技術(shù)簡述及工作原理

目前先進(jìn)高強(qiáng)度鋼在汽車輕量化技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但當(dāng)鋼板強(qiáng)度達(dá)到一定等級時(shí)傳統(tǒng)加工工藝無法對其加工。因此，常采用先進(jìn)的熱成型技術(shù)來保證先進(jìn)鋼性能。

工作原理：在常溫下將抗拉強(qiáng)度為 500～600Mpa 的可淬火用高強(qiáng)度鋼板加熱至再結(jié)晶溫度以上，保溫一段時(shí)間使內(nèi)部組織奧氏體化。隨后，在相應(yīng)模具上迅速冷卻至沖壓成型，且在型腔內(nèi)保壓淬火10～30s，最后獲得板材[8]。

3.2 加工過程

板料加熱;轉(zhuǎn)移;定位、放置;成型;淬火。

3.3熱成型工藝特點(diǎn)

①經(jīng)過熱成型處理之后，鋼材的強(qiáng)度得到較大的改善，在不降低汽車其他基本性能前提下，減輕車身質(zhì)量從而達(dá)到了節(jié)能減排的目的。②壓機(jī)噸位得到降低，節(jié)約成本，在高溫下快速成型可以降低成形應(yīng)力。③最終成型效果優(yōu)良。④可以進(jìn)行形狀復(fù)雜的零部件加工。

3.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.4.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)熱成型技術(shù)的研究開發(fā)與歐美發(fā)達(dá)國家之間仍有較大差距。我國高校研究人員盈亮等人選擇保溫時(shí)間、加熱溫度和淬火起始溫度為設(shè)計(jì)因子進(jìn)行四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，希望以此改善熱成型高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)韌性[9]。

3.4.2 國外研究現(xiàn)狀

針對先進(jìn)高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度達(dá)到一定等級時(shí)加工難的問題，世界上許多學(xué)者都進(jìn)行有關(guān)方面的研究，知名學(xué)者 Maeno T研究成型時(shí)鋼板中的溫度分布對熱成型超高強(qiáng)度鋼成型性的影響，進(jìn)行溫度分布的機(jī)理實(shí)際檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這樣既可阻止沖壓時(shí)鋼板溫度的下降，也可阻止鋼板邊緣部位被淬火[10]。

4 結(jié)語

綜上所述，目前第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼不斷開發(fā)與應(yīng)用，先進(jìn)鋼材料在汽車輕量化領(lǐng)域依舊占據(jù)主導(dǎo)地位。汽車輕量化材料已經(jīng)向材料多元化的方向發(fā)展，對復(fù)合材料的利用將會得到很大的提升目前，我國在先進(jìn)熱成型技術(shù)領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國家之間仍有較大的差距，主要體現(xiàn)在核心技術(shù)的研究與應(yīng)用方面。汽車輕量化技術(shù)的日益成熟必將帶動汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，給市場注入新的活力。

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