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先进高强钢对汽车制造业的影响
信息来源:世界金属导报2020-01-21B01      时间:2020-02-03 14:59:07


从20世纪初第一辆汽车下线以来,车身结构中最为常用的材料就是钢材。在20世纪90年代之前,钢材的主导地位持续了近一个世纪,直到近年来才受到了铝、镁甚至塑料等低密度材料的挑战,这些新型材料已经用于整个车身结构或特定的独立部件。低密度材料的兴起,促使钢铁工业加快开发新钢种,可以使得车身结构更为轻量化,性能更优越,性价比更高。这些新车身结构被证实安全性更高。

将几十年前生产的汽车与今天的汽车进行比较,差别显而易见,现代汽车的优点概括为轻量化、经久耐用、环境友好型等几大特质。虽然现代汽车的发展道路并不平坦,但钢铁和汽车制造商之间的密切合作已经取得了重大成果,而且还在持续改进完善之中。

汽车制造的轻量化要求

保护乘客安全是当今汽车发展的关键性问题。除了这种保护以外,还需要保持车身的重量最轻。为此,特别采用了兼具高强度和韧性的原材料,从而实现轻量化和灵活设计的效果。

由于热成形钢(PHS)具有突出的性能,因此,可以作为现代汽车车身碰撞结构的支柱。在汽车生产中,制造商迫切需要安全而轻量化的材料,因而钼元素已经发挥着越来越重要的作用。

钼对汽车安全性和燃油效率的贡献

为了达到当今的汽车安全性标准,业内已经经历了漫长而曲折的发展过程。在热冲压成形技术的开发和应用过程中,改进的关注点就是燃油效率。然而在近几年,关注点已经发生了变化,而且对材料的改进已经显得愈发重要。

作为最初的热成形钢,22MnB5并不是作为汽车车身用钢而开发的。不过,该钢种的抗拉强度可达1500MPa,而对汽车而言,耐碰撞性与“韧性”这一性能指标密切相关。韧性越高,在发生碰撞时就可以吸收更多的能量。

瑞典汽车制造商萨博(Saab)在车型9000上采用了首个热成形钢部件,从而加固了门板。不过,与传统冲压工艺相比,热成形相关设备更为复杂、成本高昂,而且效率不高,因而进展缓慢。

不过,到2004年热成形工艺取得了重大突破。德国大众汽车公司在工艺效率上取得了显著提升,而且在大容量的流行车型帕萨特上采用了七种热成形钢部件,热成形技术也随之快速发展。截至目前,几乎所有的汽车都含有热成形钢部件。

2014年,瑞典沃尔沃汽车在第二代XC90车型上再次把热成形这一技术发挥到了前所未有的水平。车身结构近40%采用了热成形钢,从而打造出坚固的安全笼式车箱,有力确保了乘客安全。

随着钢材制造商将热成形钢的抗拉强度逐步向2000MPa提升,为了进一步减轻重量,强度和韧性之间的兼顾显得更加重要。国际钼协会(IMOA)实施的前期项目表明,在钢中添加钼,可以使得强度和韧性均得到显著改善。在钢材显微组织中,钼发挥了“胶水”的作用,在极限载荷的状态下,依旧可以使得各组织更为紧密,而且可以减小氢的不良影响,通过限制氢在材料内部的移动性,从而减少“氢脆”现象的发生。

归功于新开发的热成形技术,钼得到了更为有效的利用。首个商业化应用的、2000MPa级热成形钢中,钼含量为0.15%-0.20%。而新近开发的1500MPa级热成形钢正用于重型卡车的厚壁部件。钼的添加可以显著提升钢材的淬透性,从而改善厚壁的硬化效果。

钼对环境保护的贡献

道路汽车的运输会加剧全球能源消耗和温室气体排放。随着全球道路汽车的不断增多,环保法规会对能源消耗和温室气体排放限制更为严格。

自2015年以来,由于新登记轿车的二氧化碳平均排放超过了130g/km,欧盟汽车制造厂商已经受到了处罚。而且,根据欧盟规定,自2021年起所有新登记轿车的二氧化碳平均排放量需低于95g/km。

减轻车身重量是降低燃油消耗的途径之一,而且随着排放限值不断下调,这一点已经是当务之急。现场试验证实,汽车每减重100kg,百公里油耗可以节省0.1-0.5L,这相当于每公里减排二氧化碳8-12g。

因此,作为实现减排目标的解决方案,业内多年来一直大力推行汽车轻量化。通过采用强度更高和/或密度更低的材料,就可以同时满足轻量化、大型化和安全性等一定程度上互相制约的需求。

当制造汽车用先进高强钢板时,钼合金化发挥着至关重要的作用。其特殊的冶金学作用可以形成一种硬质相,从而具有超高的强度。钢材基体中硬质和软质相的混合物可以同时具备理想的强度、成形性和韧性,实现轻量化的效果,节省燃油,从而减少二氧化碳排放。具体优势如下:

?轻量化意味着可以生产更少的钢材,从而节省资源、减少污染;

?钼合金钢的回收利用率更高;

?采用高强钢制造的汽车部件可以吸收更多能量,在碰撞时确保安全;

?高强钢的生命周期碳足迹优于低密度材料;

?采用高强钢制造汽车,其成本低于低密度材料;

?高强钢采用现有的、全球性的制造技术,而无需新投资和远程运输。

?轻量化汽车制动和操控性能更优越。

未来对电动汽车的需求将持续增长

在当今世界,可持续发展引起了业内广泛关注,对于电动汽车的需求还将继续增长。

为了实现轻量化效果,高强钢在电动汽车上的应用显得更加重要。为了抵消电池组的重量,热成形钢未来将应用于电池外壳,从而使电池免于受损。不过,电动汽车需要考虑的另一大问题就是提升前端抵御碰撞的能力,抵消发动机组的缺失对碰撞安全性带来的负面影响。厚规格的热成形钢或许就是一种潜在的解决方案。

钼在汽车用钢上的前景

除了改善钢材的性能以外,对于钼的添加作用还需要进一步研究。国际钼协会正致力于探讨钼的潜在作用,并通过运用专业知识开发更好的合金化解决方案。随着业内对钼的理解更加深入,无疑将有助于拓宽其应用范围。

热成形钢在汽车和卡车上的应用已经证实,钼可以显著改善传统钢种的性能,鉴于对重量更轻、更安全汽车的迫切要求,预计未来汽车用高强钢对钼的需求依旧会稳步增长。 (罗晔)

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