来自 配件 2019-08-22 03:16 的文章
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【必赢电子游戏娱乐】高强度钢仍是主角,一篇

用钢造汽车对于现代人来说是最基本的常识,但是很多人对车用钢的理解还停留在低碳钢的阶段。其实虽然同为钢材,如今的车用已经不能和几十年前的车用钢同日而语。近几十年对车用钢的研究一直大步向前,车用钢板越来越薄,钢材强度和耐腐蚀性能大幅提高。许多钢铁企业为了应对新材料的冲击正积极和汽车企业合作开发能够与铝合金、塑料、碳纤维复合材料抗衡的轻量化高强度钢。

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。

一直以来,钢都是汽车制造的主要材料。而随着社会对环保节能的呼声越来越高,国家对汽车油耗政策趋于收紧,消费者对车辆安全性也提出了更高的要求,这都迫使汽车制造商寻求更坚固轻便的造车原料。美国汽车研究中心在报告中透露,预计到2020年,高强度钢的用量将达到峰值,占整车重量的近15%。等到2040年时,该占比将逐步跌至近5%,届时其他轻量化材料也将在汽车材料领域内占据一席之地。

但是在混杂的汽车市场,现在很多企业都说自己用了“高强度钢”,其实什么级别的钢算“高强度钢”没有一个准确定义,它的指标是随钢材强度提升过程增长的。其实就类似于如今车型名称里的“新”,什么“新XX车型”、“全新XX车型”、“新一代XX车型”都是相对于上一代说的。于是企业市场部继续发挥混淆视听大放烟幕弹,只要是300Mp级别以上的都叫“高强度钢”。都叫“高强度钢”的钢材可能强度差出一倍。

当前,工程塑料、铝合金、镁合金等新材料的运用开始成为汽车轻量化的发展趋势之一。据悉,现在德国、美国、日本等国的汽车塑料用量已达到10%~15%,有的甚至达到了20%以上。此外,中国、日本和韩国的车身用铝需求目前约为50000吨,业内人士预计,未来至少10年的年均需求增速将达到30%左右。

和制钢原料铁相比,铝以不到其一半的重量和优异的抗腐蚀性更胜一筹,铝合金的出现一度对造车用钢形成威胁。但由于铝材价格相对昂贵,制造和维修工艺都颇具难度,不少汽车制造商更倾向以高强度碳钢取代普通钢材,造车原料之钢和铝之间的博弈由此展开。在日前举行的汽车与环境创新论坛上,宝钢研究院首席研究员王利、南方科技大学讲座教授朱强、吉林大学教授陈书明、苏州大学研究员张海涛等业内专家在圆桌会议上就造车用材“钢铝之争”展开了探讨。

基于以上两点,我觉得可以聊一聊车用钢的话题,而为了内容的丰富,我觉得可以先从钢的应用历史聊起。

面对轻量化的趋势,以及众多新材料的冲击,让一直在汽车用材上占据霸主地位的汽车用钢,面临着前所未有的挑战。但业内人士表示,在可见的未来,钢材仍是汽车轻量化的主角,钢铁企业和汽车制造企业合作研发高强度汽车用钢仍是实现汽车轻量化的主要方式之一。

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1、钢铁的发展略史

钢材仍是主流材料

钢有较大应用潜力和成本优势

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长久以来,汽车用钢中的板材(包括热轧板、冷轧板和镀层板)是生产汽车的最主要原材料。一般来说,制造1辆轿车须使用薄钢板600kg~800kg。如今,为达到汽车的轻量化要求和节能减排的目标,汽车所采用的材料必须自重轻。在这一点上,工程塑料、铝镁合金等新材料比较占优势。那么车用钢会逐渐被替代吗?

随着车用钢材的不断发展,造车用钢早已不是几十年前很多人印象里的低碳钢,现在的车用钢板不断变薄,但钢材强度和耐腐蚀性能却大幅提高。不少钢铁生产企业为应对新材料的挑战积极开发能与铝合金等其它材料抗衡的轻量化高强度钢。据相关数据,每辆车上只需增加212欧元的成本用于高强度钢材,即可实现减重进而节省约5%的燃油。

对于这个问题,上海汽车集团乘用车质保部主任工程师付玉生在接受笔者采访时坚定地表示:“没法替代!”他认为,目前新材料的强度只能代替200MPa~300MPa的软钢部分,对于高强度钢的地位,还是很难撼动的。对此,他解释道,汽车企业对汽车产品会按照受众群、利润等方面来定价,如果是30万元以上的车型,利润高,这些轻的贵金属材料自然也就用得多。“但现在市场上还是以中低端汽车为主,因此钢材仍将是主流材料。”

当前中国汽车市场高强钢的现状和应用潜力究竟如何?王利对此进行了分析,他表示目前车用钢材方面在不断努力下已实现减重,“这里面用了很多技术,其中功不可没的就是高强钢。过去20多年国际钢铁协会有一个项目宝钢一直在参加,钢厂通过开发新的材料继续用钢的话,钢还有多少潜力?通过这么多年的发展,最后给汽车厂的建议或者技术,一个是发展各种先进高强钢还在路上,第二又发展了很多先进制造技术,同时引进了全生命周期的概念。比如最新开发的一款电动概念车,车身减重达40%,它用高强钢的强度比较高了,超过1000兆帕的有40%,只有5%是软钢了,钢通过提高强度这个潜力还是比较大的。”

对于这个观点,宝钢研究院首席工程师王利深表赞同。他表示,一般的汽车企业承受不了镁铝等合金材料的成本。他认为,轻量化技术最终是多材料的应用。对此,王利形象地比喻道:“就像设计师造房子一样,假如你是穷人,就给你选便宜的材料;假如你是富人,就可以给你用好的材料。汽车用材的选择,还是要回归到客户群体。一般中低档的汽车,其用材还会是以钢为主。”他认为,在未来占主导地位的汽车制造材料还是高强度钢,比例约占60%。“如果用其他新材料,会引起汽车工业四大工艺的变化,其冲压、焊接、涂装、总装,各个环节都要配套,成本也会相应提高。所以说,除非出现突破性、革新性的材料和技术,否则很难撼动汽车用钢的地位。”

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长安汽车研究总院先期技术研究所室主任刘波也表示:“就目前来说,高强度钢的应用仍是轻量化最有效的手段。因为在实际操作中,高强度钢是应用最顺利、减重最明显的,而且推动起来也比较容易。”

宝钢研究院首席研究员 王利博士

高强度、高塑性汽车钢得到广泛关注

“从宝钢销售数据来看,我国2017年高强钢用量自主品牌占41%,欧系、日系、美系、韩系、自主共达到2800多万辆,而宝钢供的材料相对来说车型档次高一些,我们国家平均水平还会比这个水平低一点。高强钢的应用比例从我们去年的数据来算平均达到42-45%,这个水平应该是比较低的,国外是60%-70%,这个差距就是我们的潜力。”

目前来看,钢材是一种既能够实现轻量化,性价比较高,又能够保证安全的材料。

铝和钢之间的竞争,铝的突出优势是密度低,而要实现车身减重,在保持用钢比例下,需要将钢板做薄。普通钢板的厚度通常为0.7到0.75mm,如今超强度钢板厚度则仅有0.65mm甚至更薄,新款欧宝赛飞利的发动机盖钢板厚度达到0.6mm。

中国汽车工程研究院副总工程师、汽车轻量化中心总工马鸣图告诉笔者,汽车工业下一步的发展肯定要用到铝合金,但现在我国汽车用铝合金板材的性能、质量还没有达到要求。而对于钢材的强度要求,马鸣图觉得在1000MPa以下,保证成型性就足够了。“如果钢材的强度达到1000MPa以上,钢材的回弹、模具的磨损、模具的制造等问题,都很难解决。”

对此王利表示,“钢的比重不变下要减重只能变薄,但可以调整密度,现在我们有一个新的想法在做,就是对钢材密度的调整。钢铝之争铝的优势就是密度低,竞争到一定程度我可以借助你的优点调整我的密度。我们把钢的弹性模量提高,现在实验室也做出来了。我想说的一个观点,因为钢本身对现有的工业产业的基础不变,在创新方面还有很多空间,从这个维度讲,钢的生命力还是有的,钢的市场份额也是有的。如果的汽车售价超过20万用的材料选择就多一些,售价10万的汽车还是以钢为主。”

确实,高强度钢的成型问题,也是众多汽车企业关注的焦点。奇瑞汽车股份有限公司金属材料部副部长陈云霞就表示,希望高塑性、高强度的汽车用钢能够尽快面世。一汽股份有限公司技术中心材料部金属板材研究室高级工程师韩志勇对笔者坦言:“在轻量化和推动安全的趋势下,高强钢板的应用日益广泛,比例也不断提高,但同时也带来了一定的困难。随着强度的不断提高,钢材的可塑性就会变差,这就给成型带来了困难。”此外,韩志勇补充道:“在钢材强度提高的同时,如果塑性不能得到改善,对性能也会造成不利影响。对汽车企业来说,肯定是希望能得到一种强度高、成型性能好的材料,但这两个方面通常是矛盾的。因此我们希望,未来的高强度钢能够有效降低汽车企业的成型困难和生产成本。”

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高强度钢普及不能急于求成

吉林大学教授 陈书明

钢铁行业进入微利时代以来,汽车用钢一度成为钢厂生产的“香饽饽”,许多钢厂花费大量资源研发汽车用钢。据了解,目前,国内的许多钢厂已经可以生产出与国外品质相当的高强度钢材。王利告诉笔者:“现在国际上主流的大汽车厂需要的材料,宝钢基本上都能供应。此外,国际上同步研发的第三代汽车钢,宝钢也处在领先的位置。”

而成本问题也成为其它材料难以取代钢的主体地位的原因。陈书明表示,“在汽车轻量化的趋势下,虽然说现在大家都在做轻质材料,比如铝合金、镁合金等轻质复合材料,但是高强钢还是处于主体位置,最主要的因素我认为就是成本,我相信如果碳纤维的成本下来之后,有可能碳纤维就取代这个,这不是不可能,关键现在成本太高,钢目前还具备非常大的成本优势。”

但即便如此,国内对于高强度钢的利用率仅有40%,而放眼国际,这个比例则高达70%。对于普及率不高这一现象,首钢技术研究院工程师韩赟向笔者透露:“现在高强钢的推进工作仍不到位,在实际应用上,存在着汽车企业不愿意去推动的现象。”韩赟解释道:“对汽车企业来说,如果推行减重,企业就要重新去设计、调整。一个是成本方面考虑,另外如果有风险的话,前期的付出就都打水漂了,因此很多企业都不愿意尝试。”

除了成本之外,在满足需求的强度范围内,良好易行的成型工艺也成为钢材难以被替代的原因。“从开发的角度来说,汽车用钢的强度并不是很高,1000兆帕也就足够用了。高强钢现在主要是靠碳来强化的,很多都已经做到2200兆帕,但是在2200兆帕以上,会产生一个突变,或者2200-2500兆帕靠碳来强化基本就不可能了。”陈书明坦言,“我相信这个钢肯定会有其他的材料取代碳,强度会做的越来越高,但是它不一定用在车上,它可能用在其他高强度的领域。对于汽车而言1000兆帕以下的钢我们可选择的特别多,成本低,而且成形工艺非常好,所以在我国钢一时半会很难被取代。”

“还有一个原因,就是现在钢厂虽然能够生产高强度钢,但下游企业不会用。越是高强度的产品,其下游工序,如加工、焊接等,就越困难。”韩赟补充道。不过对于高强度钢应用的未来,他还是信心十足。“刚开始难免会有一些阻力,但未来肯定是一个逐步发展的过程。现在跟前两年相比,高强度钢的利用比例已经在增加,很多汽车企业也开始在尝试,但这个事情不能急于求成。”

而从钢本身的结构性能来看,其具有良好的修复性。朱强指出,钢本身带相变,在某些用途上具有一些优势。“对于汽车钢板而言,由于钢板有相变,万一碰了一个坑,很容易重新修复,这对复合材料或者铝相对来说比较困难一点。比如说铝合金复合材料,如果破一个洞,基本上去修就是整块换掉,成本也高,这是和钢相比铝本身存在的弱点。”

钢企须转换角色改变服务模式

铝合金发展期遭遇前狼后虎

高强度钢在国内的普及率不高,很大程度上是由于我国长久以来的汽车用钢制作工艺,都是效仿国外、跟随国外的。如今,要赶上国外汽车工业的步伐,就需要国内的汽车生产厂家正向思维,创造出能与国外比肩,甚至好于国外的产品。

相关数据显示,制造一辆普通中型汽车要耗去725公斤的钢和铸铁,以及350公斤的冲压钢板。相比之下,铝合金在一款欧洲汽车内的所占重量,由1990年的50公斤增加到2005年的131.5公斤,多数铝合金仍用于发动机内部件与气缸缸体,这一比重还在继续增加。与制造钢原料的铁相比,铝的重量不仅减轻了一半,其抗腐蚀能力也更优于钢,因此在汽车制造上铝也颇受青睐。

对于供应材料的钢厂来说,关键在于改变传统的服务模式。马鸣图告诉笔者,现在韩国浦项制铁公司已经能做到从满足客户的要求出发,为用户提供产品开发的先期介入,共同开发客户需求的钢材。他认为,钢厂不光只是钢材供应商,还要逐渐转变成一个能够解决问题的合作伙伴。

当前,采用全铝合金打造车身的车型已有很多出现。奥迪A8自1994年诞生起就采用全铝空间框架式车身结构,特斯拉研发制造的Model S也采用全铝车身。位于江苏常熟的奇瑞捷豹路虎全铝车身生产线投产后,首款国产车全新捷豹XFL铝合金材料应用比率达75%。捷豹XFL的多处车身结构件应用的诺贝丽斯RC5754高强度铝合金,屈服度达到105-145 Mpa,抗拉强度达220 Mpa,在强度、耐腐蚀性、连接性及成型性率等方面都有不错的表现。

“具体来说,钢厂不仅仅是把钢材生产出来就够了,还要让客户知道怎么用。这样就需要一个实用阶段的整体解决方案,包括是否跟客户合资成立新公司、指导客户如何选材、指导客户用什么样的工艺来做成零件,最后甚至是为客户提供金融方面的支持。”马鸣图坦言,“在这个方面,我国钢铁企业在总体上还是做的远远不够的。”

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对此,王利也表示:“下游企业的零部件设计能力很强,但他们对材料的认识不如钢厂,对新钢种不知道如何应用。对钢厂而言,虽然没必要去把握整车设计,但掌握相关零部件的设计是完全可以做到的。如宝钢以先期介入的形式,与客户共同开发,最终达到为客户提供解决方案的目的,这样会加快新钢种的普及和应用。”

苏州大学研究员 张海涛

在汽车企业看来,虽说高强度钢是实现轻量化的有效手段,但是如果要做好的话,就需要钢厂能够提供一个完整的方案。同时,他们也希望钢厂、研究院校等,能够和汽车企业共同开发,将成果资源共享、推广,从而降低单个企业的开发成本。

“现在车用铝材越来越多,尤其是底盘件,另外是车身,现在好多小车不断在走这条路。全铝框架虽然有些问题,但是也正在解决。”苏州大学研究员张海涛表示,“为什么要用全铝框架呢?第一成本比较低,一辆小车的成本可能就几千块钱一个车架,最主要是截面设计的很复杂,而铝的抗弯和抗扭刚度比钢更好。”

作为下游用户,刘波建议钢厂在推广轻量化方案的同时,除了材料之外,还要有相应的、合适的工艺和结构设计。“如果钢厂只是告诉用户高强度钢的材料厚度,是无法让企业信服的。所以当钢厂提出任何一个轻量化方案时,必须从结构、材料跟工艺这3个方面综合考虑,而且要多方案进行对比,只有这样,才能把轻量化落到实处。”

此外,铝比钢具有更优异的资源回收性和更长的生命周期。朱强表示,“铝的回收损耗率只有5%-10%,钢如果生锈回收就很困难,从长期来说铝合金是有优势的。如果车轮上用铝的话,现在大家已有共识,就是铝合金车轮肯定比钢的好,因为钢碰下容易锈,铝合金刮下没关系,这个性能钢是没有办法比的,铝合金的复合性能在这方面有独特优势。此外,长生命周期对汽车企业也很重要,每个产品的设计都要考虑长周期寿命,这方面铝也更有优势。”

在刘波看来,未来的汽车工业发展,不可能由一种材料占统治地位。所有相关企业都要寻找在目前这个阶段,与我们的设计、工艺水平最合适的材料。“找到它,并把它突破,最后把它精准地使用到汽车上,这才是最终目的。”

而在回收方面铝也有不具备优势之处,朱强同时指出,铝合金成分相对比较复杂,回收如何分类也存在问题。“比如对压铸的框架来说,板材两个合金没有办法一起用,必须分开,连接的时候费很大劲,拆开的时候又费很大劲,一方面回收效率不高,另一方面不易管理,这方面钢的回收相对来说更简单些。此外,铝合金回收还涉及很多问题,比如降低使用,很好的铝回收后用来做一些不重要的东西,本来很好的东西最后价值很低。”

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南方科技大学讲座教授 朱强

而从材料的疲劳性来看,铝和钢相比更具风险,同时加工也有所受限。“车辆关键部件的疲劳性能不仅是受材料本身性能控制,还受到材料缺陷的控制。铝的氧化能力非常强,这些缺陷对部件的疲劳性能影响比较大,非常容易出问题。钢的氧化性没有那么强,其缺陷对于疲劳性能来说影响相对较低。”朱强表示,“只凭锻造做不了复杂部件,锻造之后必须加工,否则满足不了结构设计的需求。锻造一般来说两种,或者放弃结构优化,或者重新加工,但是铝合金一经加工表面被破坏后疲劳性能又会下降,又要处理,成本又升高。这些都是铝合金需要克服的问题,解决这些问题后取代钢还是有可能的。”

在汽车底盘用材上,此前铝已取代部分钢,然而近年来随着钢铁技术的进步,底盘用钢又推出新的解决方案。朱强表示,“现在底盘用钢方面,我们开发了几个技术,一个是臂,我们现在到了780兆帕现在可以做钢的三角臂,它与铝相比只重了不到10%,成本低很多。还有两个轮子之间有一个连杆非常很重,现在我们开发一个新的技术后,减重40%,同时通过使用镀层,解决了腐蚀问题,钢本身也在进步。现在钢和铝在竞争互促进步,对车企来说有更多的选择,也由此得到发展。”

实际上,车用铝材当前已步入前有狼后有虎的阶段。前面钢材制造商通过不断改进性能,如今钢材不加镍一样可以实现不锈,而后面镁合金、碳纤维等材料随着成本的降低及性能的提高,对铝材市场都形成了冲击。朱强指出,“铝合金要想做好的话只能快速发展,因为钢已经做了这么多年想取代已经很难,铝一定要尽快产业化,才不会被后来者轻易取代,当前车用铝材的挑战和机遇都是并存的。”

钢铝混合车身结构是大势所趋

当前,越来越多的汽车制造工程师们更注重轻量化材料的混合应用,其研发核心不再只关注车用钢及铝的具体比例,而开始关心如何将多种材料正确混合使用。去年在法兰克福车展上亮相的全新奥迪A8已对奥迪的全铝空间框架式车身结构技术进行了革新和升级,舍弃了奥迪向来引以为傲的全铝车身,铝合金占比降至58%,除了高强钢以外,在车身材料中加入了更多的复合材料,车身却比现款车型增重近51公斤,由现款A8车型的236kg“逆势增重”到了282kg。

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新一代奥迪A8车身结构材料示意图

新一代奥迪A8采用铝合金材料对车身整体框架进行了搭建,为确保结构强度,在关键联接部位采用铝制铸件,车身表面采用了铝制钣金件。在车身座舱笼形结构中,大量采用热成型超高强度合金钢,远多于现款A8高强钢仅在B柱上的应用,该高强钢材料和20年前的钢材相比,刚度增强了5倍,重量降低了40%。车身结构中加入了镁合金,车厢后部采用了CFRP碳纤维复合材料,从后壁板等细节降低了车身的重量。

“未来铝在整个车身上的应用会越来越多,会出现很多混合车身,比如说奥迪A8全铝车身也开始做混合车身,现在国内很多车企也在跟随这么做。钢和铝连接主要问题在于耐蚀性,用涂胶的方式,用拴接不用焊接。上车身用钢,下车身用铝,用拴接的形式。比如北汽车窗框上面用钢,下面是用铝的,这种混合应用的组合越来越多。不是说钢不好,但是我觉得钢和铝混合在一起用更有前途。”张海涛表示。

对此,王利也指出,其实早在40年代当时就有钢和铝的竞争,后来经过多年发展,现在汽车用的材料已达成一些共识,就是合适的材料用在合适的地方。而且钢本身也在快速发展,这里面既有竞争又有合作。而这个竞争更有益于车企的发展,因为竞争的存在车企可以有更多的选择。展望未来,新能源汽车对轻量化的要求可能更高。

“自主品牌一定要有轻量化战略,钢如果用好其潜力还是不小的,通过采用合资品牌汽车用的高强度钢比例和种类实现白车身10%减重是很容易,通过其它的努力整车降7%-8%是可行的,其中先进高强钢的比例工艺不用变就可以实现车身10%以上。”王利表示,“如果再用一些新的技术和工艺,减重20%以上也是可以实现的。我们已分析过很多自主品牌的车型,这一块潜力还是很大的,差距就是我们的动力了。”

与传统车身相比,钢铝混合车身结构,通过材料的不同属性进行相应配比设计,在提升安全性的同时,车身整体更加坚固轻量,方便进行模块化设计,车身有更大的空间来配置复杂科技,产品更加多样化。除了合资品牌,上汽、北汽及比亚迪等不少自主品牌也在越来越多的使用钢铝混合车身结构。随着国内汽车制造业的发展,在钢铝同台竞技推动汽车材料不断向前革新的同时,未来如何将高强钢、铝合金、镁合金及碳纤维复合材料等多种材料正确的在车辆混合应用将成为汽车轻量化最重要的课题。

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