安鋼商用汽車輕量化用鋼研究進展

王新江 韋 弦 萬國喜

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

0 概述

所謂的汽車輕量化是指采用現代設計方法和有效手段對汽車產品進行優化設計，或使用新材料在確保汽車綜合性能指標的前提下，盡可能減輕汽車產品自身質量，以達到減重、降耗、環保、安全的綜合目標。汽車輕量化絕非是簡單地將其小型化或簡單化，首先應保證汽車原有的性能不受影響，既要有目標地減輕汽車自身的質量，又要保證汽車行駛的安全性耐撞性抗振性以及舒適性，同時保證車身的成本不提高［1］。

工信部2013年數據顯示，我國汽車油耗占石油年消耗總量的一半左右，而汽車油耗的49．2%是被只占汽車總量13．9%的中、重型商用車(＞3．5 t)消耗掉的。也就是說，雖然我國中、重型商用車數量比乘用轎車少得多，但其消耗的燃油大體上卻與乘用車相當。由于我國商用車通常是歇人不歇車地長時間運行，因此帶來的污染和能耗浪費比轎車要嚴重得多。而隨著我國經濟的發展，依賴公路運輸的物流業將迅速成長，對能源造成的影響將更加明顯，對于降低能源消耗具有重要的現實意義，因而也成為當前汽車工業亟待解決的問題。商用車輕量化是設計、制造、材料技術的集成，其中車身設計以及鋼鐵材料的高強化則是商用車實現有效減重的關鍵，二者對輕量化的貢獻率可達到60%以上。因此，對商用車進行輕量化其經濟效益可觀，但其社會和環境效益更為巨大，商用車的輕量化趨勢不可阻擋。

對于商用車汽車用鋼輕量化而言，輕質材料的替換和制造工藝改進，提高鋼材強度是最可行的兩種途徑。雖然采用鎂鋁合金和碳纖維材料減重效果十分明顯可以達到40% ～60%，但其價格要貴15倍～20 倍，因此根據中國目前的商用車市場用戶認知和消費價值觀，通過提高鋼材的強度等性能是許多企業實現輕量化的重點選擇，是汽車工業可持續發展的重要課題，也是鋼鐵材料的發展方向。

1 商用車汽車輕量化應用

當前，汽車行業正發生著一場關于輕量化的深刻變革，無論是商用車汽車制造廠商還是乘用車汽車制造廠商對輕量化的材料都十分渴求。因此，鋼鐵企業根據自身特點和區域市場優勢重點研發商用車或乘用車高強度輕量化材料，乘用車研發主要以寶鋼、武鋼、鞍鋼、首鋼、酒鋼、沙鋼等企業為主，商用車研發主要以安鋼、太鋼、邯鄲、柳鋼、承鋼等企業為主。而商用制造廠家對各部位使用輕量化材料認知參差不齊，造成輕量化進程推進相對較慢。安鋼從現有商用車生產廠家、市場用戶實際使用級別和研發推廣情況來看，目前商用車制造材料按照強度使用級別及下一步發展趨勢可以分為“三代”，如圖1所示。

對于這“三代”材料，各企業根據自身裝備和技術水平，在工業化生產和用戶加工使用過程中會存在不同的問題。因此，將三代商用車使用材料的優缺點簡單概括情況見表1。

圖1 商用車輕量化用鋼三階段使用級別

表1 國內商用車各階段材料的優缺點情況

在當前國際金融環境不穩定，全球汽車行業大發展的背景下，發展汽車用鋼，尤其是輕量化高強度汽車板，對國內鋼鐵行業走出困境意義重大。從下圖2 可以看出，未來一段時間內汽車用鋼及汽車鋼板仍將保持逐年遞增形勢，因此，隨著汽車工業的迅速發展、輕量化工作的推進，市場對汽車用高強度結構鋼板需求日益增加，開發第三代高強鋼成為我國鋼鐵工作者工作的重中之重。

圖2 鋼材用量估計

2 安鋼高強度商用汽車鋼研發進展

針對商用車輕量化汽車用鋼發展方向，2008年以來安鋼集中精力開展汽車輕量化用鋼的研制，先后投入大量的資金用基礎實驗研究，基礎工作使我們不走回頭路，走在了國內汽車輕量化用鋼研發的前列。主要研究工作如下:

2．1 析出物分析

開展了高強汽車用鋼析出強化工藝研究，找出影響強度的主要因素，固化了高強鋼的冶煉和軋制的關鍵生產工藝。同時也和高校研究院所合作進一步分析了鋼卷主要強化因數析出物的數量大小和分布，即小于30 nm 占43%，30 nm ～60 nm 占31%，60 nm以上占26%。

2．2 700 MPa 級焊接性能評價

對700 MPa 級高強汽車用進行了鋼焊接性能研究與評價，其結果為:所優選ER50 －6、CHW －70C焊絲焊接的接頭具有良好的疲勞性能，在承受310 MPa峰值應力(橫向)條件下，經受15 萬次應力循環而不破壞;T 型焊接梁結構在承受接近屈服峰值應力(縱向)條件下，應力循環周次大于80000次。這個結果打消了用戶最大使用顧慮，同時也提供了較為合適的焊接工藝和焊接材料，得到了用戶一致好評。

2．3 冷彎性能對比研究

一般說來，伴隨著強度的提高，塑性和韌性會有所下降，會給用戶實際生產帶來困難或成本急劇增加，因此我們也對其成型性能進行了研究。研究結果表明，我們采用細晶強化和析出強化相結合的方法使得材料的強度有了較大提高，而塑性和韌性雖然有所降低，但是依然可以滿足用戶現有的生產條件。例如可以滿足用戶普通折彎，沖片沖孔，羅拉成型等。

重點對700 MPa 級8 mm 以上規格的大梁鋼進行4 種不同條件下的冷彎對比試驗:第一種，正常縱剪生產條件下的上、下剪切口的冷彎對比;第二種，按照國家標準冷彎試樣加工后再進行了冷彎檢驗結果;第三種，針對下剪切口剪切不好狀態下，進行修磨處理后的冷彎檢驗;第四種，用戶對條板進行銑邊后的冷彎檢驗結果。安鋼通過這4 種冷彎檢驗對比結果，總結出以下經驗:1)冷彎試樣經過銑邊和按照標準機加工后，可以較好的保證D =0 冷彎合格。2)用戶縱剪加工后，上剪切口冷彎D =a 全部合格。3)下剪切口質量較好和修磨后可以保證D= a 的冷彎合格。4)下剪切口質量較差時，冷彎合格幾率較小，甚至出現90 °折彎時已經嚴重開裂，因此該種情況下剪切口需要修磨，建議用戶將條板上剪口放在下面使用。

2．4 8 mm 的屈服700 MPa 級材料高周疲勞試驗

為了給車輛設計者提供較為準確的材料疲勞壽命，我們和某汽車研究院進行了合作，對目前市場中常用的10 mm 以下屈服600 MPa 級別和屈服700 MPa級別的產品進行了材料的高周疲勞，屈服700 Mpa 高周檢測結果見表2。

表2 材料高周拉－壓和拉－拉疲勞檢測結果

2．5 商用汽車車架結構優化

輕量化材料的使用，車架為了保證原有的強度和剛度，必然需要對應力集中或應力較大的部位進行拓撲優化，該研究我們也和高校、車輛改裝廠聯合進行了研究，其中一部分的研究成果已經轉化為了實際生產，例如轎運車、半掛車輕量化后的油耗測試等。

3 安鋼商用汽車輕量化材料應用進展及前景

3．1 輕量化材料應用進展

由于我國公路運輸超載的存在，長期以來，廠家的商用車量均以能裝，耐用為主要發展方向，輕量化技術得不到重視。2011年7月1日開始實施的《公路安全保護條例》，一改以往以往用罰款作為處罰載貨車超限超載的主要手段，轉而采取吊銷車輛運營證。責令道路企業停頓甚至吊銷運輸經營許可證的處罰方式。在高成本的壓力下，汽車物流企業往往靠違法超載贏得利潤空間，但《條例》實施之后，超限超載的成本劇增。用戶靠超載賺錢的路越走越行不通，“大噸小標”將從源頭被杜絕，舊的掙錢模式已經走到盡頭。業內人士認為，如果《條例》執行到位，可對超限超載起到釜底抽薪的作用，并將改變貨車市場需求結構，企業可轉而重點生產輕量化產品的商用車，同時可以為用戶降低實際的使用成本，未來形成越來越講運輸效率的發展趨勢，使得運輸模式的發生巨大變化［2］。再加上一系列法律法規的約束，輕量化的理念迅速得到了鋼鐵企業和商用車制造企業的重視，輕量化材料使用進入了“快車道”。輕量化材料在商用車各部位的使用情況見表3。

表3 安鋼商用車部分部位輕量化使用材料對比

在完善質量管理體系下，通過技術營銷、市場倒逼和部分EVI 銷售模式，目前安鋼的高強度輕量化熱軋產品已批量穩定生產，形成了汽車大梁用鋼、汽車車廂用鋼、汽車車輪用鋼、汽車傳動軸管用鋼、汽車罐體用鋼、汽車橋殼用鋼六大系列產品。產品規格基本覆蓋了國內所有商用車生產需求，形成了與國內眾多知名汽車制造企業良好的合作關系。比如，駐馬店中集華俊、中集東岳、深圳中集、青島中集、山西大運、宇通客車、中聯重科、濟南重汽、十堰馳田、徐州光環、東風德納橋殼等等。

目前安鋼針對這些結構部件采用抗拉強度600 Mpa ～750 Mpa 的產品，實現了部分輕量化目標，其效果主要體現在以下幾個方面:

1)車身自重減輕10% ～25%之間。例如采用5 mm ～6 mm 制作腹板，8 mm ～12 mm 制作上下翼板的高強度輕量化大梁鋼分別替代原來6 mm ～8 mm腹板，12 mm ～16 mm 翼板的Q345B 可以減重15% ～22%;高強度車廂用鋼采用邊2 mm、底3 mm、側板2．5 mm，替代原來的Q345B 邊3 mm、底4 mm、側板2．0 mm 可以實現減重22．6%;高強度車輪用鋼采用6 mm 輪輞+11 mm 輪輻替代原來的Q235B 和330CL 可以實現每個車輪減重7 kg ～10 kg，約15%;其他系列基本減重在10% ～20%之間。

2)載重量增加運輸效率提高。以13 m 半掛車輕量化改造為例，其車架配置中上下翼板、腹板、邊梁、貫穿梁等若采用傳統材料Q345 等級別，合計重量約為2．54 t，成本金額約為14000 元，而若采用輕量化用高強鋼AG700L，鋼板規格可以明顯變薄，合計重量約為1．30 t，成本金額約為8500 元。改造后，不僅裝載噸位增加，實現了節能降耗，提升了車輛安全性能，而且還降低了生產成本，因此深受用戶歡迎。安鋼汽車運輸車隊車號為豫E18815 實際運行效果見表4。

表4 豫E18815 實際運行效果

投資回收期大幅縮短:輕量化改造購置價格為11 萬元，按照每趟多裝載4．88 t 計算，塵泥與精礦運費分別是90．69 元/ t，每月15 車次，每車月增效益:4．88 ×(90 +69)×15 =11639 元，每年增加效益12．88 萬元，11 個月即可收回投資。

3)每臺車節約鋼材使用量，減少了污染氣體的排放。2013年(第四屆)中國鋼鐵節能減排論壇中統計出生產一噸鋼排放SO21．7 kg、煙粉塵1．2 kg、COD0．076 kg、氨氮0． 0067 kg，噸鋼外排廢水量1．72 m3，排放CO21．8 t。

3．2 輕量化材料應用前景展望

汽車輕量化是一項系統創新工程。在汽車技術發展中，輕量化材料的應用水平已經成為衡量一個企業技術水平和產品水平的重要標志之一。新材料的應用決不是對原有材料的簡單替代，而是一個涉及技術、經濟、安全、環境等諸方面的復雜系統工程;需要從材料開發到零部件優化設計和檢測技術、先進制造技術、材料回收與再生技術、零部件維修技術等一系列有效整合資源，加快汽車輕量化的步伐，切實貫徹并行工程［2］。

目前，我國汽車輕量化技術無論在理論研究方面還是在實際應用方面都與國外有較大差距。現在國內商用車配置的變速器、車橋、齒輪在同樣輸出扭矩的情況下都比進口車重。據陳一龍介紹，“總載質量4 t 的牽引車，我國自主品牌卡車的自重是9 t，國外的只有7 t;而自卸車自重則占總載質量一半，比國外多三四噸;雖然廂式車要好一些，但是差距也很大”［1］，因此，商用車輕量化前景廣闊。

輕量化技術的發展涉及眾多學科，需要運用多學科交叉融合所形成的綜合性、系統性知識體系，而在目前國內的研發體系下，各研發機構往往只注重單個技術的研發，很少開展各技術間的交叉與融合;因此，不可能由單個企業或科研機構獨立完成，必須要由國家級的研究機構或政府有關部門做出戰略性和前瞻性的超前部署［2］。

隨著材料強度級別的提高，帶來了材料本身的韌性和塑性有所下降、板形質量控制難度大大增加等。這些給用戶后續加工使用帶來了較多困難，例如設備能力的增加，開平、縱剪、折彎、焊接材料和工藝的改變或優化等。雖然商用車輕量化進一步發展遇到了以上問題，但是輕量化帶來的經濟和社會效益已經非常顯著，并且該項發展符合國家節能減排工作，也符合世界汽車工業發展潮流，由此要實現商用車進一步的輕量化，必須普遍提升整車各部位的材料強度級別，降低使用厚度，實現輕量化;根據結構部件的使用特點，設計新工藝研發第三代超高強度屈服大于700 MPa 級別鋼鐵材料，例如車廂底板和邊板，大梁腹板，邊梁立柱等。

5 小結

1)商用汽車輕量化用鋼對于我國汽車工業降低消耗，提高運輸效率的貢獻是非常顯著的，其中車身結構優化設計和高強度鋼材料對輕量化的貢獻率可達到60%以上。

2)安鋼研發的商用汽車各部位的輕量化材料，如汽車大梁用鋼、汽車車廂用鋼、汽車車輪用鋼、汽車傳動軸管用鋼、汽車罐體用鋼、汽車橋殼用鋼等系列產品規格覆蓋了所有商用車生產需求，在國內商用車市場具有引領作用。特別是第二代大梁用鋼、廂體用鋼、車軸用鋼市場占有率名列前茅。

3)第三代商用汽車用鋼，即屈服強度大于700 MPa 的高強度鋼，例如800 L 和850 L 已投放市場，并將繼續引領商用汽車輕量化用鋼的研發和應用方向。

［1］聞睿．超載超限車將受“重拳”商用車減重最迫切［N］．專用汽車． VIEWPOI T/視點，2011．8 (2)．

［2］莊嚴．輕量化成商用汽車未來發展趨勢［N］． 商用汽車． 專用汽車與配件，2013．8 (3)．