浅谈高强度钢在汽车轻量化中的应用

　　1 引言
　　近年来世界汽车保有量与日俱增，正以越来越大的影响力改变着人们的工作与生活，但随之而来的能源短缺、环境污染等一系列问题也日益突出。随着国际原油和国内成品油价格的上涨，轻型、节能、环保、安全舒适、低成本成为各汽车制造厂家追求的目标，节能减排已成为世界汽车工业界亟待解决的问题。
　　汽车质量的大小影响到滚动阻力、爬坡阻力与加速阻力，因此汽车质量与其燃油消耗有着极为密切的关系。据分析降低油耗的主要方法有，减轻质量(轻量化)占50%，提高发动机效率占20%，降低行驶阻力占30%，其中最有效的方法是汽车轻量化。因此在汽车设计中，轻量化是一个必须考虑的问题。汽车的轻量化不仅可以减小各种行驶阻力，降低燃油消耗，而且也有利于改善汽车的转向、加速、制动和排放等多方面的性能。同时，随着计重收费范围的扩大和油价不断上涨，载货车用户既要多承载，又要油耗少的呼声越来越高，各大载货车企业也正集中力量进行载货车轻量化研发。图1给出了车重和油耗之间的关系。
　　2 汽车轻量化的途径及材料应用趋势
　　2.1 途径
　　实现汽车轻量化主要有3种途径。一是改进汽车结构，使部件薄壁化、中空化、小型化及复合化，在结构设计上采用前轮驱动，将前置发动机后轮驱动结构改为前轮驱动结构，减轻传动系统质量，目前欧洲汽车已有约60%改为前轮驱动。二是开发应用新型轻质材料，如使用铝、镁合金等有色金属、塑料及非金属复合材料等密度小、强度高的轻质材料，或者截面厚度较薄的高强度钢。三是采用先进的制造工艺，将两个或多个零件集成为一个零件;研发各种先进的成形技术，如激光拼焊、液压成形等。
　　2.2 材料应用趋势
　　近几年来，虽然铝合金的研发应用逐渐增多，但钢铁材料仍占主导地位，只是其内部结构将发生变化，主要变化趋势是高强度钢的用量有较大的增长，铸铁和中、低强度钢的比例将会逐步下降。通常，高强度钢按照ULSAB所采用的术语，将屈服强度为210~550 MPa的钢定义为高强度钢(HSS)，屈服强度为550 MPa以上的钢定义为超高强度钢(UHSS)，而先进高强度钢(AHSS)的屈服强度覆盖于HSS和UHSS之间的强度范围。
　　大量事实表明，高强度钢已成为颇具竞争力的汽车轻量化材料，它在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面较其他材料具有较大的优势。安全法规是推动高强度钢应用的重要动力。采用高强度钢板，首先能改善汽车的安全和碰撞性能，现代汽车必须满足政府规定的各部分乘用空间的安全性，尤其是正面碰撞和侧面碰撞的要求，传统的碳素钢虽然可以吸收碰撞能量，但其缺点是质量大，影响燃油经济性;高强度钢板用于汽车车身，除能够减薄零件、降低自重之外还可以提高汽车表面件的抗凹陷性及抗破坏能力，在降低燃油消耗的同时又可提高汽车的安全性。
　　3 高强度钢在汽车轻量化中的应用现状
　　3.1 国内应用现状
　　上世纪80年代，重庆汽车研究所就开展了双相钢研究;一汽、奇瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。奇瑞汽车公司与宝钢合作，2001年在试制样车上使用的高强度钢用量为262 kg，占车身钢板用量的46%，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。吉利车身也大量采用了高强度钢和激光拼焊、液压成形等技术，其中吉利金刚48个零件改用高强度钢。同时在新开发车型中，高强度钢在车身中的质量已占30%以上，预计2009年要超过50%。据悉，吉利汽车目前已经实现了汽车减重10%~14%的初期目标，2008年吉利汽车轻量化的目标是13%~16%。东风汽车公司在减轻东风商用汽车自重、提高有效载货量方面已经取得了一定成果，目前已经采用含磷钢进行车身零件的试生产，如后围外板、后围内板、地板、后下横梁、前围隔板、门外板、挡泥板等零件， 2008年1月初，由中国汽车工程学会、中国第一汽车集团公司、东风汽车有限公司、吉林大学、宝山钢铁股份有限公司等12家相关企业及科研机构共同组成了产、学、研一体的汽车轻量化联盟。汽车轻量化联盟的12个成员单位将获国家拨款1亿元、企业自筹5亿元的资金保障，联盟将围绕汽车轻量化共性关键技术开展攻关，在2008年到2010年之间完成设计新型轻量化材料、轻量化材料先进成形技术等3个专题共10个课题的工作，实现轿车减轻自重8%~10%的目标。汽车工业共性关键核心技术的缺失，是制约我国汽车创新发展的瓶颈。轻量化技术是一项基础的共性技术，汽车轻量化技术创新战略联盟的出现，对于提升我国汽车行业的自主研发能力和国际竞争力，有着里程碑式的重要意义。
　　目前，我国高强度钢在应用过程中仍存在一定问题。首先是自主开发能力不足，新产品的开发与生产主要依靠引进技术与装备，品种少，不能完全满足国内汽车工业的需求;国内高强度钢的质量水平与国外仍存在一定差距;近几年，发达国家掀起一股绿色浪潮，欧盟、美国的汽车业正在大力推广无废弃物加工技术，新型环保材料被大量采用，倡导材料循环利用，这就给钢板的生产增加了难度。
　　3.2 国外应用现状
　　目前，汽车使用的高强度钢主要为板材与管材，它取代普钢、铸铁用于车身零件和其他结构件。如北美开发的PNGV-Class级轿车，其车身全部采用高强度钢，质量只有218 kg，与全铝车身相当。为满足日益严格的碰撞安全性要求、温室气体排放量的限值要求及解决轻量化和节省资源相互矛盾的问题等，国际钢铁协会成立了由18个国家的35家钢铁公司组成的ULSAB项目组，目的是在不增加成本的情况下，在维持车身功能与抗冲击安全性的同时，减轻车身质量，进行从车型设计到试制、评价等系列工作。其主要研究成果有，车身结构比同类车平均减重25%，车身抗弯和抗扭强度比同类车提高52%和80%，车身造价比同类车降低15%，可达到欧洲新车评估程序的五星级要求。在此基础上，1998年3月钢铁企业又开始在全球实施ULSAB-AVC计划，即先进的汽车概念项目，从整体上研究开发新一代钢铁材料汽车结构(车身、覆盖件与悬挂件等)，该车达到了2004年美国和欧洲的五星级碰撞标准，生产成本约为9 200~10 200美元，可被普通家庭接受，从2004年起，欧盟各国、美国、日本各大汽车公司所开发的新款汽车均部分或全部地采用ULSAB-AVC这一新技术。
　　ULSAB-AVC计划指出，高强度钢的强度将是低碳钢的5倍。现在各国都在加速高强度钢和超高强度钢在汽车车身、底盘、悬架等零部件上的应用。
　　5 结束语
　　尽管高强度钢板减重的效果相比铝合金有一定差距，但是高强度钢具有生产成本较低、加工工艺成熟的特点，因此采用高强度钢板进行车身的轻量化具有一定的优势。并且随着世界各国日益严格的安全法规的出台，高强度钢在汽车上的用量逐渐增多，并将逐步取代传统用钢。作为轻量化和增强安全性的主要材料，当前的主要问题是如何开发出具有良好加工性能的高强度钢，并以它为原材料，开发出具有全新结构的超轻钢制汽车。但汽车的轻量化是一个复杂的系统工程，要想以最低的成本获取最佳的轻量化效果，需要在开发新材料的同时，不断发展相应的汽车零部件设计、制造技术和其他相关技术。