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    汽車用先進高強鋼生產與研發進展添加時間:2017-1-16
        在汽車制造領域,鋼與鋁及鎂合金等的競爭已進入了一個新的階段。同時,汽車制造商也對鋼鐵材料的性能和成本提出了更高的要求,汽車用先進高強鋼(AHSS,AdvancedHighStrengthSteel)的研發與生產就顯得特別迫切。為滿足汽車行業更安全、更輕量化、更環保和更經濟油耗的需求,鋼鐵企業加大了汽車用先進高強鋼的研發與投資建設,生產與應用也取得了顯著進展。

      先進高強鋼產線投產進入高峰期

      2015年—2017年是先進高強鋼產線投產的高峰期。據不完全統計,2015年以來投產或在建的高強鋼產線有20余條,設計產能為1000多萬噸,產品定位多以先進高強鋼(AHSS)為主,如浦項光陽廠新建的7號連續鍍鋅線、鞍鋼與神戶制鋼所合資的冷軋連退產線等。另外,統計的產線中以高強度熱鍍鋅產線居多。車身的耐環境腐蝕和耐環境老化性能是汽車選材及加工工藝應重點考慮的問題之一,歐美等發達國家對汽車防腐性能提出了嚴格的標準規范,如美國、日本提出了車身表面耐腐蝕為5年,耐穿孔腐蝕為10年,發動機內腔耐腐蝕極限為2年。鹽霧試驗表明,鍍鋅板的耐鹽霧腐蝕時間一般是普冷板的2倍—3倍,因此,車身的外露部件大量使用鍍鋅板是提高車身抗腐蝕性能的最有效途徑之一。

      我國目前還沒有官方的防腐蝕標準。在沒有規范的約束之下,自主品牌汽車鍍鋅板使用率較低。2015年5月,第三屆中國汽車防腐蝕與老化技術論壇上發布了“汽車防腐蝕與老化技術規范體系”,這是國內首個汽車領域的相關技術標準體系,對國內汽車產品抗腐蝕耐老化性能的提高將帶來深遠影響。隨著我國汽車產品檔次的提升、官方防腐蝕標準的出臺等,我國汽車用鍍鋅板有較大發展潛力,成為各大鋼廠投資建設的重點。

      先進高強鋼材料研發進步明顯

      近年來,鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料等輕質非鋼材料在國際高端品牌汽車中的用量呈現逐年增加趨勢。如歐洲車企正在其高利潤率車型中擴大鋁材料的應用,福特旗下采用全鋁車身的F-150皮卡已投產,特斯拉ModelS也是全鋁車身行列的一員。20161月,上汽通用凱迪拉克旗下首款國產豪華大型車凱迪拉克CT6正式上市,車身框架的64%由鋁合金材料進行打造。隨著國內日趨嚴格的排放規定和新能源汽車的迅速發展,鋁合金、復合材料在國內自主品牌的應用也開始增多。2015年上海車展上,北汽新能源推出微型純電動汽車——EX概念車,采用全新鋁合金框架式的車身結構,量產車將于2017年上市。20153月上市的別克英朗采用鋁合金發動機罩蓋,開10萬元級緊湊型轎車應用先河。在此背景下,鋼鐵企業都在傾力打造滿足汽車輕量化需求的高端汽車板產品。2015年以來,寶鋼、浦項、JFE、蒂森克虜伯等重點汽車板生產企業在先進高強鋼的研制方面取得了顯著進展。

      寶鋼。2015年2月,寶鋼QP1180GA先進汽車高強鋼全球首發,第一卷QP1180GA鋼成功下線。QP1180GA鋼板首次實現了980MPa強度以上級別高強鋼的鋅層合金化,在達到了1200MPa的超高強度的同時,具有15%以上的高延展率,具有更好的焊接性能、涂著性能、耐熱性和耐腐蝕性,為實現汽車的輕量化發展提供了有力支撐。

      20156月,寶鋼第三代汽車用鋼中錳鋼,實現了材料和零件雙全球首發。該材料包括了冷軋CR980MPa級、熱鍍鋅GI980MPa級和熱鍍鋅GI1180MPa級等系列鋼種;目前已用于后地板左右連接板零件的工業試制。980MPa級和1180級中錳鋼擁有超高強塑性匹配,屈服強度為760MPa1100MPa,抗拉強度為980MPa1250MPa;成型性好:伸長率≥30%;減重能力佳:減重≥15%。因此,其適用范圍比一般超高強鋼更為廣泛,應用前景包括汽車A柱、B柱、防撞梁和門檻加強件等眾多車身結構件。

      201511月,寶鋼發布了自主研發的超輕型白車身BCBBaosteelCarBody),這是國內鋼企首次發布完整的車身產品。BCB用材涵蓋寶鋼第一代、第二代和第三代汽車用鋼,包括最新開發的1180QP、1500MS、950TWIP等新材料,高強鋼應用比例達77.5%,鍍鋅板達75%。在成型工藝方面,應用了寶鋼熱沖壓成型、液壓成型、輥壓成型、VRB板成型和激光拼焊板成型等先進成型技術,安全性、舒適性和輕量化達到國際先進水平。

      浦項。浦項開發的低密度高強鋼產品從2015年7月開始進行試生產,這一新鋼種名為“HighSpecificStrengthSteels”(簡稱HS),由浦項科技大學研究小組開發,密度僅相當于普通鋼材的15%,卻具有普通鋼材不可比擬的高強度。HS低密度鋼并不是普通的鐵—鋁合金混合物,而是一種全新的化合物。鐵、鋁、碳、錳等元素在適當的熱處理溫度下形成金屬互化物,在870℃—920℃的特殊條件下,對金屬互化物采用鎳調節,金屬互化物的尺寸減小至幾十納米到幾百納米之間,在合金內均勻分布。與鈦相比,這一鋼材體積更小,但強度卻幾乎相同,制造成本僅相當于鈦的十分之一,價格競爭力優勢突出。除了作為汽車輕量化材料使用之外,該產品在未來還有望應用于造船、土木、防彈裝甲車、無人飛機等領域,前景非常廣闊。

      JFE。2015年12月,JFE開發出同時具有良好延展性和擴孔性的980MPa級高強冷軋鋼板,這在業界屬首例。

      為提高超高強鋼的延展性,需在鋼板的金屬組織中同時存在富有延展性的軟質相和保證強度的硬質相。因此,較大的硬度差成為缺陷源,造成延展翻邊、成型性能變差。而擴孔性良好的超高強鋼金屬組織為單一的硬質相,延展性較差。JFE采用獨有的熱處理技術,不僅在金屬組織中有軟質相和硬質相,還分散有中間硬度相,成功地降低了組織中的硬度差,提高了高延展性材料的擴孔性。

      蒂森克虜伯。2015年5月,蒂森克虜伯在日本橫濱太平洋國際會展中心舉行的“2015人與車科技展”上展出了用兩種高張力鋼板組合而成的復合鋼板制造的車身骨架部件。此次展出的是采用熱成型工藝制造的中柱試制品,預計該鋼板最早將于2017年被多家歐洲汽車廠商采用。

      該復合鋼板TriBond分為中柱用途和前大梁用途兩種類型,采用兩塊拉伸強度為500MPa級的高張力鋼板夾住一塊1.5GPa級高張力鋼板的三層構造。

      中柱用鋼板的抗拉強度為1.3GPa,可進行角度為85°的彎曲加工,可加工性比以前的1.5GPa級熱成型材料還要好。雖然材料成本比1.5GPa級熱成型材料高出5%左右,但可加工性良好,因此能夠減少材料用量,從而使重量減輕約8%。前大梁用鋼板的抗拉強度為1.1GPa,可進行135°彎曲加工。為了在車輛發生碰撞后容易吸收沖擊能量,該鋼板的強度低于中柱用鋼板,因而更易發生變形。蒂森克虜伯通過實驗證實,受到撞擊后,該鋼板只會翻折變形而不會發生破裂。

      復合鋼板首先通過熱軋和冷軋工藝軋薄三層重疊的材料,然后再制成環形中間材料,以中間材料的形式向汽車廠商等供貨。采用熱軋工藝將厚度約為250mm的初軋板坯軋薄至約30mm時,三層鋼板會牢固地接合在一起。

      強度和可加工性可通過改變三層鋼板的厚度比例來調整。如果是中柱用鋼板,兩塊500MPa級鋼板的厚度比例各為10%,而1.5GPa級鋼板的厚度比例為80%。如果是前大梁用鋼板,兩塊500MPa級鋼板的厚度比例各為20%,而1.5GPa級鋼板的厚度比例為60%。

      日本。對層壓復合鋼板的開發,是日本文部科學省“以超精加工技術材料為中心融合新興領域”的研究開發項目,該項目以開發使汽車進一步輕量化的新超高強度、高延展性材料為目標。研究成果顯示,通過將硬質組織與軟質組織層狀組合,可實現高強度和高延展性的統一,即在保持超高強度的同時,層壓復合可實現現有單一材料難以實現的高水平的延展性。一直參與項目的新日鐵住金和JFE鋼鐵公司將把這些經驗應用于汽車用高比強度材料的開發中。

      日本政府主導的科研項目“創新型結構材料研究開發”中的子項目“超高張力鋼板開發”有望縮短預期的研發時間,于2017年提前完成。項目的目標是在2020財年開發出能同時實現抗拉強度1.5GPa和延伸率20%的超高強鋼板,以新日鐵住金、JFE鋼鐵和神戶制鋼所為主導的日本鋼企開展了該項目的研究。項目中期目標是在2015財年研發出抗拉強度1.2GPa、延伸率15%的鋼板,但在2014財年,這3家公司就已經在實驗室試制成功。

      韓國。韓國政府非常支持“常溫成型延伸率25%以上、密度7.05g/cm3以上的GPa級低密度輕量鋼材”的開發工作。浦項和現代制鐵正在加快研制具有2GPa級強度的汽車板。浦項為了滿足客戶需求,正在致力于開發質量優秀的超高強度馬氏體鋼,以及拉伸強度為1.8GPa2GPa級熱成型鋼?,F代制鐵稱,正在開發1.8GIGA2GIGA級熱成型鋼和780MPa級底盤用熱軋鍍鋅板,而980MPa級底盤用熱軋鍍鋅板產品還在研究之中。

      先進高強鋼的應用獲得認可

      鋼鐵企業所付出的巨大努力也已經獲得汽車行業的高度認可,多款新品得到了應用。

      2016年,通用旗下邁銳寶、君越、新君威、XT5陸續推出,上述新車均采用通用最新中高級車平臺打造,相比之前,運用更多全新技術、材料,致力于在保證安全的前提下提升輕量化水平。其中,邁銳寶XL在車身大比例應用了高強度鋼和超強度鋼,在保證強度的情況下,成功實現減重。作為別克新一代高檔轎車的代表之作,全新一代君越車身高強度材料的使用比例達75%,其中超高強度鋼比例罕見性地達到41%。在A柱、B柱、門檻梁、車頂和車底等核心區域,屈服強度在900MPa1500MPa的超高強度鋼和熱成型鋼被大量使用,極大地提高了整個乘員艙的強度。前后車門內,同樣以最高規格的PHS熱成型鋼作為防撞梁。此前,通用雪佛蘭樂風RV率先在國內大規模量產應用寶鋼第三代先進高強鋼,整車采用高強度車身安全結構,其中超高強度鋼使用比例為6%,超過同級其他車型,成功實現相關零部件減重20%。20156月上市的上海通用新生代運動轎車別克威朗車身采用高強鋼比例達72%。20157月,上汽通用五菱汽車發布家用SUV“寶駿560”,車身高強鋼使用比例超過55%。20161月,北汽紳寶X55上市,車身高強鋼使用比例達到68%。

      在歐洲,浦項與雷諾三星汽車近日聯合發布公告稱,即將面世的車型SM6面板和內部車體材料上已采用浦項生產的高強度汽車板。其中浦項生產的1000MPa級超高強鋼板在該車上的比重高達18.5%,而在雷諾三星現有SM5、SM7車型上的比重僅為2%左右,有了大幅提高。在18.5%的應用比重中,抗拉強度1300MPa級的超高強鋼板比重為16%,剩下的2.5%1180MPa級的超高強鋼板,同時采用了TWBHPF技術。

      鋼鐵行業追求進步的腳步從未停止。在可見的未來,鋼材仍是汽車輕量化的主角。鋼鐵企業近年取得的顯著進展和先進高強鋼在汽車企業的應用情況也表明,鋼鐵仍然大有潛力可挖,鋼鐵材料的應用仍大有可為,尤其先進高強度鋼的應用還將有較大的增長空間。為了提升產品競爭力,汽車主機廠和鋼廠EVI合作會越來越重要。鋼鐵企業要進一步提高作為材料供應商對汽車開發的認識,深層次理解汽車對材料的要求,引導汽車制造商使用先進高強鋼和先進成型技術等,共同推動汽車工業鋼鐵材料研發和應用的進步。

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