基于短流程汽車板的汽車輕量化與節能減排

王文瀾

摘 要：短流程高強鋼和汽車輕量化已成為汽車工業發展的重要課題之一。汽車輕量化是國家節能減排的緊迫需要，更是車企提高核心能力的切實需求。

關鍵詞：短流程；汽車板輕量化；節能減排

1 汽車板輕量化

近年，國外豪華車品牌接連推出具備輕量化設計的新產品，產品形式已從小眾化的高性能跑車，向普通轎車、新能源車覆蓋，汽車輕量化時代已經到來。面對未來高端車型輕量化的競爭方向，中國汽車品牌在這方面仍缺乏建樹。從上世紀70年代開始，民用量產車輕量化就已經開始發展。包括奧迪、捷豹路虎等豪華車品牌開始著手研究，從設計與使用輕量化材料層面上來實現車型的輕量化。輕量化對于民用車型的意義，集中在兩點：提升對能源消耗的經濟性與車輛性能的優化。有資料顯示：當汽車質量下降10%，燃油效率將提高6%-8%；汽車整備質量減少100公斤，百公里油耗可減少0.3-0.6升。可以說，在汽車產品同質化愈加嚴重的當下，輕量化技術將成為未來汽車行業發展的突破口。

然而輕量化設計的初衷雖好，但是對于整車設計而言，卻是“牽一發而動全身”的復雜工程。比如，在使用輕量化車身材料上，比較初步的方式是將車身覆蓋件轉變為鋁合金、碳纖維等相對于鋼更昂貴的輕質材料；而如果想實現徹底的車身輕量化，使用多種復合材料研發車身架構才能從根本上解決問題。這樣一來，作為汽車外殼鋼板的輕量化在整個輕量化體系里就顯得尤為重要。近年來，國內的環保問題日益嚴峻，政府相繼出臺了一系列嚴格的環保標準。在這種情況下，汽車輕量化逐漸成為趨勢，我國已經出臺了多項相關政策，促進新能源汽車的研發和使用，推動汽車用材輕量化進程。預計到2020年，我國汽車輕量化會發展到較高的水平，屆時，以2005年目標車為基數，我國汽車整體上將減重40%左右。我國已在哥本哈根氣候會議承諾：到2020年，單位國內生產總值CO2排放比將比2005年下降40-45%。圖1為不同國家乘用車CO2排放限值。

研究表明，汽車每減少1000kg質量， CO2、NOx等相關有害氣體的排放量也就下降。在美國，汽車質量如果減少25%，燃油將消耗將減少13%，一年可減少使用2.7億桶石油。每消耗1L燃油，將產生CO2數值為2～2.5kg。圖2為汽車整備質量與燃油消耗關系圖。因此，燃油消耗的降低，意味著溫室氣體和有害氣體排放下降。

2 高強鋼與汽車輕量化

2015年至2017年，是先進高強鋼產線投產高峰期。據相關資料統計，2015年至今投產或在建的高強鋼生產線達幾十條，設計產能1000多萬噸以上，產品定位多是先進高強鋼（AHSS），如浦項光陽廠新建的7號連續鍍鋅線、鞍鋼和神戶制鋼合資的冷軋連退生產線等。此外，統計的產線中以高強度熱鍍鋅產線居多。車身耐環境腐蝕和耐環境老化是汽車選材和加工工藝重點考慮問題之一，歐美等國對汽車防腐性能提出嚴格的標準規范。如美國、日本提出了車身表面耐蝕5年，耐穿孔腐蝕10年，發動機內腔耐腐蝕極限2年。鋼鐵行業追求進步的腳步從未停止。未來高強度鋼仍是汽車輕量化的主角。鋼鐵企業取得的顯著進展和高強鋼在汽車企業的應用的實際情況也表明，鋼鐵仍有潛力可挖，尤其在先進高強度鋼的應用還將有較大增長空間。為提升產品競爭力，汽車廠和鋼廠E的深度VI合作會越來越重要。鋼鐵企業應進一步提高作為材料供應商對汽車產品開發的認識，深刻理解汽車對材料的需求，引導汽車制造廠商使用先進高強鋼成型技術等，共同推動汽車工業、鋼鐵材料研發的進步。

3 汽車輕量化高強鋼研發

以美國汽車材料合作伙伴組織（USAMP）為首的研發團隊已經試制出兩種兼具強度和成形性的第三代先進高強鋼（AHSS）。美國汽車研究委員會（USCAR）稱，該試制產品是研發取得進展的顯著一步，因為該產品是用小型化的“類生產設備”制造的，而不是實驗室設備。據悉，兩個試制鋼種之一是第三代中錳先進高強鋼，其強度和延伸率分別達到1200MPa和37%；另外一個試制鋼種強度和延伸率分別達到1538MPa和19%。兩個鋼種的性能指標幾乎超過了美國能源部設定的全部目標，一旦獲得實用化驗證，便可以用于制造輕量化的汽車和卡車，實現更高的安全性和燃油效率。另外，美國汽車材料合作伙伴組織還開發了更優化的模型用于預測新鋼種在汽車碰撞時的變形行為。

4 高強鋼短流程

從以上論述中可看出，汽車用鋼發展方向即高強度高塑性。但現有先進高強鋼生產技術面臨的問題是高能耗高排放。因此，降低制造過程能耗、排放，是提高先進汽車高強鋼技術競爭力的有效途徑。

短流程更加簡約高效，節能環保。其中，DP鋼由于其優異的性能特點，成為目前應用量最大、種類最多的先進高強鋼。圖3為高強鋼短流程。薄板坯連鑄連軋流程在薄規格熱軋先進高強鋼（如DP、TRIP、CP鋼等）的開發上具有獨特優勢，結合酸洗表面實現“以熱代冷”具有良好的應用前景。采用薄板坯連鑄連軋流程生產薄規格汽車用熱軋高強鋼，具備“以熱代冷”的潛力，可顯著降低生產成本，發展前景廣闊。圖4為熱軋（短流程）雙相鋼冷卻工藝。但目前在實際生產過中還面臨諸多技術挑戰：（1）熱軋產品的表面質量與冷軋產品還有一定差距。（2）薄規格高強鋼的板形和尺寸精度控制難度大。（3）部分先進高強鋼（DP、TRIP、Q-P等）需要對冷卻路徑進行嚴格控制，對軋后冷卻能力、過程控制能力提出了更高要求。（4）薄板坯連鑄連軋同寬軋制的特點對現場的生產組織有一定的限制。

5 結束語

采用短流程生產汽車用薄規格DP鋼、熱成形鋼、冷彎成型高強鋼等及其零部件的各項主要技術指標與傳統流程的相當，先進汽車高強鋼“以熱代冷”工藝在技術、生產上是可行的。與傳統流程相比，采用短流程生產汽車高強鋼可以顯著降低生產成本，實現節能環保的綠色制造，應用前景廣闊。薄板坯連軋“以熱代冷”是今后低成本汽車高強鋼發展的重要方向，但仍面臨表面質量、尺寸精度控制等方面的技術挑戰。

參考文獻

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