汽车用钢轻量化现状与发展讲座.ppt

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 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 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 DP TRIP F 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 第三代汽车钢的研发思路 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 A 30GPa 1 Rm 1GPa A 30 2 Rm 1 5GPa A 20 Alloyingdesign C Mn 低成本 Rm A 30GPa 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 14724 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