基于短流程汽车板的汽车轻量化与节能减排

王文澜

摘 要：短流程高强钢和汽车轻量化已成为汽车工业发展的重要课题之一。汽车轻量化是国家节能减排的紧迫需要，更是车企提高核心能力的切实需求。

关键词：短流程；汽车板轻量化；节能减排

1 汽车板轻量化

近年，国外豪华车品牌接连推出具备轻量化设计的新产品，产品形式已从小众化的高性能跑车，向普通轿车、新能源车覆盖，汽车轻量化时代已经到来。面对未来高端车型轻量化的竞争方向，中国汽车品牌在这方面仍缺乏建树。从上世纪70年代开始，民用量产车轻量化就已经开始发展。包括奥迪、捷豹路虎等豪华车品牌开始着手研究，从设计与使用轻量化材料层面上来实现车型的轻量化。轻量化对于民用车型的意义，集中在两点：提升对能源消耗的经济性与车辆性能的优化。有资料显示：当汽车质量下降10%，燃油效率将提高6%-8%；汽车整备质量减少100公斤，百公里油耗可减少0.3-0.6升。可以说，在汽车产品同质化愈加严重的当下，轻量化技术将成为未来汽车行业发展的突破口。

然而轻量化设计的初衷虽好，但是对于整车设计而言，却是“牵一发而动全身”的复杂工程。比如，在使用轻量化车身材料上，比较初步的方式是将车身覆盖件转变为铝合金、碳纤维等相对于钢更昂贵的轻质材料；而如果想实现彻底的车身轻量化，使用多种复合材料研发车身架构才能从根本上解决问题。这样一来，作为汽车外壳钢板的轻量化在整个轻量化体系里就显得尤为重要。近年来，国内的环保问题日益严峻，政府相继出台了一系列严格的环保标准。在这种情况下，汽车轻量化逐渐成为趋势，我国已经出台了多项相关政策，促进新能源汽车的研发和使用，推动汽车用材轻量化进程。预计到2020年，我国汽车轻量化会发展到较高的水平，届时，以2005年目标车为基数，我国汽车整体上将减重40%左右。我国已在哥本哈根气候会议承诺：到2020年，单位国内生产总值CO2排放比将比2005年下降40-45%。图1为不同国家乘用车CO2排放限值。

研究表明，汽车每减少1000kg质量， CO2、NOx等相关有害气体的排放量也就下降。在美国，汽车质量如果减少25%，燃油将消耗将减少13%，一年可减少使用2.7亿桶石油。每消耗1L燃油，将产生CO2数值为2～2.5kg。图2为汽车整备质量与燃油消耗关系图。因此，燃油消耗的降低，意味着温室气体和有害气体排放下降。

2 高强钢与汽车轻量化

2015年至2017年，是先进高强钢产线投产高峰期。据相关资料统计，2015年至今投产或在建的高强钢生产线达几十条，设计产能1000多万吨以上，产品定位多是先进高强钢（AHSS），如浦项光阳厂新建的7号连续镀锌线、鞍钢和神户制钢合资的冷轧连退生产线等。此外，统计的产线中以高强度热镀锌产线居多。车身耐环境腐蚀和耐环境老化是汽车选材和加工工艺重点考虑问题之一，欧美等国对汽车防腐性能提出严格的标准规范。如美国、日本提出了车身表面耐蚀5年，耐穿孔腐蚀10年，发动机内腔耐腐蚀极限2年。钢铁行业追求进步的脚步从未停止。未来高强度钢仍是汽车轻量化的主角。钢铁企业取得的显著进展和高强钢在汽车企业的应用的实际情况也表明，钢铁仍有潜力可挖，尤其在先进高强度钢的应用还将有较大增长空间。为提升产品竞争力，汽车厂和钢厂E的深度VI合作会越来越重要。钢铁企业应进一步提高作为材料供应商对汽车产品开发的认识，深刻理解汽车对材料的需求，引导汽车制造厂商使用先进高强钢成型技术等，共同推动汽车工业、钢铁材料研发的进步。

3 汽车轻量化高强钢研发

以美国汽车材料合作伙伴组织（USAMP）为首的研发团队已经试制出两种兼具强度和成形性的第三代先进高强钢（AHSS）。美国汽车研究委员会（USCAR）称，该试制产品是研发取得进展的显著一步，因为该产品是用小型化的“类生产设备”制造的，而不是实验室设备。据悉，两个试制钢种之一是第三代中锰先进高强钢，其强度和延伸率分别达到1200MPa和37%；另外一个试制钢种强度和延伸率分别达到1538MPa和19%。两个钢种的性能指标几乎超过了美国能源部设定的全部目标，一旦获得实用化验证，便可以用于制造轻量化的汽车和卡车，实现更高的安全性和燃油效率。另外，美国汽车材料合作伙伴组织还开发了更优化的模型用于预测新钢种在汽车碰撞时的变形行为。

4 高强钢短流程

从以上论述中可看出，汽车用钢发展方向即高强度高塑性。但现有先进高强钢生产技术面临的问题是高能耗高排放。因此，降低制造过程能耗、排放，是提高先进汽车高强钢技术竞争力的有效途径。

短流程更加简约高效，节能环保。其中，DP钢由于其优异的性能特点，成为目前应用量最大、种类最多的先进高强钢。图3为高强钢短流程。薄板坯连铸连轧流程在薄规格热轧先进高强钢（如DP、TRIP、CP钢等）的开发上具有独特优势，结合酸洗表面实现“以热代冷”具有良好的应用前景。采用薄板坯连铸连轧流程生产薄规格汽车用热轧高强钢，具备“以热代冷”的潜力，可显著降低生产成本，发展前景广阔。图4为热轧（短流程）双相钢冷却工艺。但目前在实际生产过中还面临诸多技术挑战：（1）热轧产品的表面质量与冷轧产品还有一定差距。（2）薄规格高强钢的板形和尺寸精度控制难度大。（3）部分先进高强钢（DP、TRIP、Q-P等）需要对冷却路径进行严格控制，对轧后冷却能力、过程控制能力提出了更高要求。（4）薄板坯连铸连轧同宽轧制的特点对现场的生产组织有一定的限制。

5 结束语

采用短流程生产汽车用薄规格DP钢、热成形钢、冷弯成型高强钢等及其零部件的各项主要技术指标与传统流程的相当，先进汽车高强钢“以热代冷”工艺在技术、生产上是可行的。与传统流程相比，采用短流程生产汽车高强钢可以显著降低生产成本，实现节能环保的绿色制造，应用前景广阔。薄板坯连轧“以热代冷”是今后低成本汽車高强钢发展的重要方向，但仍面临表面质量、尺寸精度控制等方面的技术挑战。

参考文献

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