汽车用钢轻量化现状与发展趋势讲座

汽车用钢轻量化现状与发展趋势讲座2013-1-9内容一、轻量化技术的重大意义二、轻量化汽车用钢分类三、轻量化汽车用钢应用情况四、研究现状与发展趋势一、轻量化技术在汽车领域的重大意义我国汽车产量统计•我国《乘用车燃料消耗量限制标准》规定，2010年前，乘用车新车平均油耗比2003年降低15%以上，即2010年乘用车平均燃油消耗应为8.5升/100Km以下，大约相当单车平均排放CO2200g/km，与发达国家仍存在明显差距。我国乘用车燃料消耗量研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，降低汽车质量就可有效降低油耗以及排放。目前，大量研究表明，汽车质量每下降10%，油耗下降8%，排放下降4%。降低汽车质量就可有效降低油耗轻量化是实现节能减排的有效手段•除了改善发动机效率、•传动系统效率与汽车风阻等提高燃油经济性的措施之外，•轻量化是必不可少的手段。对轻量化汽车板材的要求•高强度和高成形性的统一;•轻量化和碰撞安全性的统一;•高性能和低成本的统一;•与油漆高的溶合性与美观漂亮的统一.•一是采用轻质材料，如使用低密度的铝及铝合金、镁及镁合金、工程塑料或碳纤维复合材料等；•二是使用高强度钢替代普通钢材，降低钢板厚度规格；•三是采用先进的制造工艺，如激光拼焊、液压成形技术、低压铸造技术及半固态成形技术；•四是优化结构设计，对汽车车身、底盘和发动机等零部件进行结构优化，在结构设计上采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等。目前全球中型乘用车平均质量约为1200～1400kg，发达国家力争在2015年将中型轿车整车质量降到1000kg以下。汽车轻量化途径按板材的用途:有车身外板用钢板、车身内板用钢板、车身结构件用钢板；根据强度分类:屈服强度在210～550MPa和抗拉强度在270～700MPa的钢为高强钢（HSS），而屈服强度大于550MPa和抗拉强度大于700MPa的钢为超高强钢（UHSS）.二、轻量化汽车用钢板带材分类国外高强度大梁钢板性能指标厂家或标准EN10149-2机械性能SSABThyssenkruppEN10149-2ReH(MPa)Rm(MPa)A(%)1800冷弯,弯心直径Doxes700mcPAS700S700MC≥700750-950≥122.0aDoxes650mcPAS650S650MC≥650700-880≥122.0aDoxes600mcPAS600S600MC≥600650-820≥131.5aDoxes550mcPAS550S550MC≥550600-760≥141.5a汽车车轮用高强钢系列钢制车轮主要可分为轮辋、轮辐两部分。轮辋的加工方式主要为滚形加工，轮辐的加工方式有冲压、旋压，其中乘用车轮辐主要为冲压成形，商用车轮辐主要为旋压（无内胎）成形。汽车传动轴管及车桥用高强钢系列IF钢：车身复杂件、大表面覆盖件烘烤硬化钢：外覆盖件高强IF钢：外覆盖件低合金高强钢：刚性安全结构件双相钢：安全碰撞件热成形钢：超高强度安全碰撞件相变诱导塑性钢：安全碰撞件三.轻量化汽车用钢板带材应用情况轻量化系数L由宝马公司BrunoLudke提出的车身轻量化系数概念，已成为国内外评价车身轻量化设计水平的重要参考指标。白车身轻量化系数L可用下式表示：式中，mBIW为白车身的结构质量(不包括车门和玻璃)，kg；Ct为静态扭转刚度(包括玻璃)，Nm/(°)；A为四轮间的正投影面积，即前后轮平均轮距乘以轴距，m2。•从公式看出，车身轻量化系数的优化就是减轻车身质量和提高扭转刚度；•减轻车身质量，可以从结构设计、材料选用和制造工艺3环节的优化考虑，其中有效控制零件数量是控制车身质量的重要途径；•提高车身扭转刚度，则可以通过车身加强件的增加或板材加厚、高强度板应用比例的提高、结构的断面优化和车身接头设计优化等方法实现。ECB27个车型高强度钢板应用比例•2006年~2011年27个车型平均高强度钢板应用比例的变化情况。除2006年应用比例低于60%外，2007年~2011年的应用比例基本稳定在64%~70%水平。ECB12个车型应用高强度钢板品种构成四、轻量化汽车用钢板带材研究现状与发展趋势HSS与AHSS钢种HSS：IF钢,BH钢,HSLA钢AHSS:DP钢,TRIP钢，Q&PT钢TWIP钢，CFB钢各种部位常用钢板的强度日本高强IF钢合金化镀锌板性能印度塔塔钢铁高强度IF(无间隙原子)冷轧钢实例1：化学成分及对应力学性能高强度IF(无间隙原子)冷轧钢实例2：化学成分及对应力学性能化学成分：C-Si-Mn-Cr(Mo)-Nb显微组织：铁素体+马氏体热处理：亚温处理+淬火性能特点：屈服强度低，初始加工硬化速率高，强度及延性匹配良好，成型性好品种：热轧、冷轧（热处理）DP-(DualPhases)钢成分：0.15%C,0.5%Si,1.8%Mn,0.5%Cr,0.04%Al，0.03%Nb热轧：1200℃1h奥氏体化，6道次热轧，35mm→3.5mm,880℃终轧，620℃卷取冷轧：3.5mm→1.0mm,70%变形连续退火：连续退火工艺示意图冷轧DP钢热轧和连续退火处理后的力学性能对比实验钢的化学成分和轧制条件不同强度级别的冷轧DP钢化学成分：C-Mn-Si(Al，P);显微组织：铁素体+无碳化物贝氏体+残余奥氏体;热处理：亚温转变（形成部分铁素体和富碳奥氏体）与中温转变（形成贝氏体铁素体和富碳奥氏体）;性能特点：高强度、高塑性、高速变形时高吸收能;（变形过程中发生奥氏体向马氏体的转变，延迟颈缩，提高均匀延伸率）TRIP-(Transformationinducedplastic)钢CSiMnPSCuNbAl0.181.91.450.020.020.040.0030.02热轧C-Si-MnTRIP钢实验钢的化学成分（wt.%）热处理采用6～9℃/s的冷却速率可获得理想的铁素体、贝氏体、残余奥氏体含量搭配,保证良好的力学性能。但为了保证钢带表面涂镀性能，宜采用Si(低硅)-Al系、Al系等TRIP钢成分设计。实验钢的TMCP工艺示意图冷轧C-Si-Al(P)-MnTRIP钢的合金化设计高Si钢的缺点：延长贝氏体转变动力学，产生表面“红锈”高Al钢的缺点：降低固溶强化率，升高Ms点至室温以上以Al代Si的优点：加速贝氏体转变动力学1.0%Si→1.0%（Al，P）实验钢的化学成分（wt.%)实验钢的相变临界点冷轧C-Si-MnTRIP钢不同工艺处理后的拉伸试验结果冷轧C-Si-Al-MnTRIP钢DP钢与TRIP钢的对比DP钢和TRIP钢的静态拉伸性能DP及TRIP处理工艺示意图比较DPTRIPF+M的OM显微组织马氏体岛及铁素体基体中高密度的位错屈服强度：500MPa，抗拉强度：860MPa，延伸率：21%DP钢组织下贝氏体残余奥氏体屈服强度：500MPa，抗拉强度：780MPa，延伸率：25%TRIP钢组织国际上提出第三代汽车用钢的概念第三代汽车钢就是高强与高塑性结合的钢第三代汽车钢是低成本高性能的钢050010001500200025003000020406080100(a)40GPa%60GPa%20GPa%Bcc+FccBccFccHotFormingHSLAMaragingDPSSMart.IFsteelMart-Bain.TRIPDPNano-BainASSTWIPA(%)Rm(MPa)第三代汽车钢的研发思路%1060%1015FCCBCCGPaARGPaARmm020406080100020406080100120Mn-3Si-3AlTRIP/TWIPsteel15Mn-3Si-3Al(b)0.65Nano-B.SteelTWIP/Aus.SteelTRIPSteel[2]Conv.SteelRmxA(GPa%)Austenitevolumefraction(%)%25][%30][6.015TGTGAmAmfGPaARfAR第三代汽车钢应该具备的组织为BCC+FCC的双相组织低成本高强高塑第三代汽车钢的研发目标:(1)低成本(2)Rm*A30GPa%((1)Rm~1GPa,A30%(2)Rm~1.5GPa,A20%)Alloyingdesign(C-Mn)051015-2000200400CrNiAlMnCuSiPC/N,Strengthincrement(MPa)Alloycontent(%)020406080100020406080100120Mn-3Si-3AlTRIP/TWIPsteel15Mn-3Si-3AlTarget(a)0.65Nano-B.SteelTWIP/Aus.SteelTRIPSteelConv.Steel[2]RmxA(GPa%)Austenitevolumefraction(%)%35%25f-----低成本Rm*A30GPa%国内外热成形超高强度钢应用现状1.奥迪A4L2.0TFSI：车重：1615kg(最高强度为1000MPa热成形钢）（涡轮增压器约重6kg）,长×宽×高：4763*1826*1426;2.迈腾1.8TSI：车重：1570Kg(最高强度为1000MPa热成形钢）（涡轮增压器约重6kg）;3.迈腾2.0TSI：车重1575Kg（同上），长×宽×高：4765*1820*14724.蒙迪欧-致胜2.3:车重：1586Kg(最高强度为1000MPa硼钢超高强度钢）长×宽×高：4854*1886*1495;5.新天籁2.5L车重：1582kg(980MPa热成形钢）长×宽×高：4930*1795*1475;6.八代雅阁2.4LX/EX：车重：1515Kg(最高强度590MPa高强度钢);7.八代雅阁2.4EXLNavi：车重：1535kg(最高强度590MPa高强度钢).热成形钢的主要优点•零件成形后强度指标大幅度提高；•高温下零件成形没有回弹，可以实现高精度成形；•如果使用Al-Si涂层板，可以防止在热冲压过程中的脱碳等氧化现象，并可以省略后期的抛丸处理，零件拥有更好的抗腐蚀能力。热成型钢的应用•2004年神龙汽车公司在标致307首次采用了22MnB5热成型钢，后续车型标致408、508和雪铁龙世嘉、C5等车型也均有使用;•主要用于车门防撞杆、前后保险杠和A、B、C柱等安全件，热成形钢技术在国外汽车行业已成为热门技术，发展迅速。•阿赛洛公司、蒂森克虏伯、本特勒以及麦格纳、海斯坦普等公司均拥有热成形技术与成套生产线。国内宝钢正在对此项技术做研究，已取得重大进展。