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【汽车与环境】宝钢研究院首席研究员王利博士:中国汽车用钢轻量化现状与潜力

2018-12-10 14:57:21 盖世汽车综合
核心提示:2018年汽车与环境创新论坛-盖世直播!

2018年12月7日-8日,以“创新驱动、技术引领”为主题的2018第六届“汽车与环境”创新论坛在上海·安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨,旨在进一步促进整车企业与零部件企业之间对技术发展趋势的探讨、加强汽车行业专家之间的交流互动、增强整车与零部件企业的交流、搭建合作平台,通过活动促进汽车零部件产业创新转型升级、打造更具竞争力的整零协同创新关系,助力实现向汽车强国的转变。以下是宝钢研究院首席研究员王利博士在本次论坛上的发言:

轻量化,自主品牌,2018年汽车与环境,宝钢研究院

宝钢研究院首席研究员 王利博士

女士们、先生们大家下午好!我看今天报告里面有两个讲钢的,上午有SSAB讲钢,我是来自钢厂的,我今天给大家介绍的题目是钢汽车轻量化的现状与潜力,我主要用一些数据分析一下国内高强钢用到什么程度,还有什么潜力,从这个维度和大家做一些交流。

我来自宝钢,宝钢也是前年跟武钢合并以后,目前在国际上从产量来讲应该是世界第二,这是一个大的概念,2017年宝钢汽车板销售量近1300万吨,在国际上应该是第二第三,我们现在有四个基地,一个是宝山,一个是武汉,一个是广东湛江,还有一个是梅山。

我下面讲三方面,第一个是轻量化与材料,第二个是重点把我们国家钢轻量化的现状分析一下,这里面包括钢的生产还有钢的应用,最后是对钢的轻量化的潜力做一个分析。这个图我总结了两个主干,一个主干是中国汽车发展,中间这个应该是国际上汽车的发展,底下这两条线是常规汽车的能源线,最上面是电动车发展的趋势,我画这个图的目的,回顾一下整个汽车发展史130多年,在这130多年里,重点看一下材料这个发展,材料背后受能源的影响还是挺大的,包括安全等等,从最早的木头、钢铁,经过100多年的发展,在1940年左右就有钢和铝的竞争,后来快速发展,包括几次能源危机,经过100多年的发展,现在汽车用的材料应该达成了一些共识,大的共识就是合适的材料用在合适的地方,而且钢本身也在快速发展,这里面既有竞争,又有合作。当然这个竞争对汽车厂是有好处的,通过竞争可以更多的选择,如果我们展望未来,特别是针对新能源的发展,这两天大家谈的比较多,它对轻量化的要求可能更高,因为现在同样级别的车大约重量是常规汽油车重300-400公斤,这对轻量化的要求更高。这是总的情况。

这个图我们可以回顾一下从1975-2012-2025年,整个趋势钢还是下降的,从最早的60%-70%,后来到60%,将来预计可能在46%-50%这个地方,总体上的比例来看还是占主导地位。我们比较关心的,钢在下降的同时被什么替代了?大的来说可能就是被轻质材料替代了,提出是铝和一些新的碳纤维等等。

即使钢本身也在发生变化,最早90%全是软钢,到了2012年左右,软钢已经下降到40%了,将来软钢会下降到30%,其他的都是被高强钢替代了,钢铁的总量下降的同时,产品结构也在发生变化。

这个车是通用的一款车型,比较适合中国自主品牌的借鉴,这个品牌是雪佛兰的,就是卖10-20万左右的车型,我们看一下它的用材,基本上已经达到了我刚刚说的水平,软钢只有26%,其它的几块都被高强钢取代。

下面重点讲一下我们国家钢轻量化的现状,讲之前我想有一个概念,高强钢在行业是怎么定义的,这里边我把整个汽车用的钢画在一张图上,其中大于等于340MPa就叫高强钢,但是高强钢我们再细分,抗拉强度达到于780就叫超高强钢。这个图我根据国际钢铁协会总结的,2002年当时做过一个车身,我们看一下材料的变化,从最初只有黑颜色的,经过15年又发展了白颜色的这么多,钢铁本身的进步在整个材料领域是最活跃也是发展最快的,这背后我想还是来源于汽车的发展的驱动。

我们知道钢实现轻量化有两个路线,一个是用热冲压的路线,一个是用冷冲压的路线,现在国内各个汽车厂都有采用。要实现高强钢的话,特别是冷冲压成型的,就是通过控制冷却速度实现钢的强度,我们知道提高合金元素也可以提高强度,但是对于焊接性能影响比较大,冷却速度越快合金元素越低一些,特别是影响焊接的。右边这个图我画了一下,在工业生产里面生产汽车板的各类冷却速度的情况,宝钢经过这么多年的发展,我们建立了从冷却速度从每秒10度-1000度现在都有了,这是国际上覆盖最全的。

目前为止在宝钢大的汽车用的高强钢我们最高的强度就是冷冲压的,冷板可以到1700Mpa。其中发展比较快的在国内有一类钢我们叫新一代钢,强度高的同时汽车厂希望延伸率还要保持高,这是一个系列而不是一个产品应对的,上午讲过VDA的在宝钢也形成了一个系列,这是一个示意图,我们常规第一代的双相钢从600-1200都量产了。同样级别的延伸率可提高了30%左右的,这类钢叫高延伸率DP钢,这一块陆续的也已经投入市场。还有一块提升2倍的也有,1000兆帕的延伸率24%,更高的我们也有,延伸率达到60%的我们也有。为汽车厂提供了各种的选择。

这里面我给了一个例子,特别是针对高延伸率的钢,这个钢中出来以后会发生很多变化,之前它做不出来,因为这个钢的延伸率好,它就可以做出来了,比如用的780兆帕现在可以用980兆帕,提高200兆帕,这个钢最高强度可以到1200,用冷冲压照样可以做出复杂的硬件。这样成本、全生命周期二氧化碳排放还可以下降,冷冲这两年的发展对热冲也是一个冲击,这两个技术也在竞争。

这个产品系列还没有结束,其中有一个国家十三五项目,我们的开发目标很清楚,在第一代基础上,延伸率针对三个强度级别,1000、1200、1500,延伸率提升2-4倍。

我们知道作为钢铁之所以发展比较快,我觉得处理种类比较多之外,一个材料最终变成零部件,变成轻量化的解决方案,是需要材料和工艺的组合,材料背后有强度,形状也是可以变化的,比方说在钢板可以做成等厚度的,现在可以做成不等厚度的,不等厚度的有两种,还有激光拼焊板,通过材料和形状,当然工艺也是很重要一块,今天不是我讲的重点。工艺比方说新的高强钢出现,有常规的冲压、辊压、液压、热冲压等等很多新的技术发展,通过工艺跟材料的组合,背后是设计,会形成不同的解决方案,这样我们的材料在变化,工艺也在变化,组合是无数的,给设计师提供很多解决方案,为什么说研发很活跃的原因,因为需要做的事情还是比较多的。

下面我给一下我们统计的目前中国市场高强钢的现状,这是一个前提,这是我们统计过我们国家可能是2017年的数据自主品牌41%,欧系、日系、美系、韩系、自主,去年2800多万辆的数据。我统计的宝钢销售数据,这里面很有代表性,宝钢供的材料相对来说车型档次高一些,我们国家平均水平还会比这个水平低一点。出现高强钢的比例现在平均是什么现状,这不是针对某一个车,是针对我们去年,我们一年下来大约是42-45%的水平,这个水平应该是比较低的,国外是60%-70%,这个差距就是我们的潜力。

第二我们比较关注的是钢板要薄,薄了以后有一个毛病,很有可能耐腐性比较差,钢板减薄的同时镀锌板用的越来越多,镀锌板从最高只有十几,到现在45%-46%,国外大概是70%以上。经常看到有一些自主品牌的车碰一下锈掉穿孔。我下面具体的看一下镀锌板,其中60%是用在热镀锌的,30%是热度GA的,还有11%是EG的。

另外我们关注的是超高强钢,80%供给合资品牌的,自主品牌只用了24%,这个差距比较大,车从表面上看上去都一样,但材料是不一样的。合资品牌的超高强钢80%用的话,镀锌和不镀锌的话,一半是镀锌的,980兆帕的超过一半,这是合资品牌用钢的现状。我们看自主品牌,镀锌板只有10%,用的全是裸板,裸板价格便宜,背后是这个问题。980以上只有30%,这两个数据实际上我们打开一看,我们材料的差别还是比较大的。

另外一个我们比较关注的是根据我们的统计,整个热冲压占的比例到底是多少,冷成型相对为主,热成型只有7%左右,自主、美系、欧系不一样,欧系热冲压多,日系冷冲压多。我们国内处在这个之间,这背后就是每个车厂有一个轻量化的战略,到底用热冲还是冷冲还是匹配。

我下面结合钢看还有什么潜力没有,这个图我记得通用有一个报告,它通过一些努力车的减重还是比较多的,基本上在100-300公斤,白车身占了三分之一,这里面用了很多技术,其中功不可没的就是高强钢。过去20多年国际钢铁协会有一个项目宝钢一直在参加的,钢厂通过开发新的材料继续用钢的话,钢还有多少潜力,通过这么多年的发展,最后给除了几个给汽车厂的建议或者技术,一个是发展各种先进高强钢这个还在路上,第二又发展了很多先进制造技术,同时引进了全生命周期的概念。右下这个图是最新搞了一个概念车,针对电动车的,跟目前有些车比减重车身减重40%,它用的是什么?当然这个强度比较高了,超过1000兆帕的有40%,只有5%是软钢了,钢通过提高强度这个潜力还是比较大的。

下面这个我给出的宝钢在两年以前做的白车身,我们自己把我们多年来开发的各类钢跟工艺集成在一个车上,看看到底还能有多少的减重潜力,我们搞了一个B级车,大概有300多个件,花了三年做出来了,现在里面用的高强钢的比例大概77%,轻量化系数大家可以看一下,我们通过这个结论是这样,现在市场卖的通过我们这个努力最高可以减重25%,根据车型不一样,10-25%之间的减重率是可以实现的。

我们用的材料比例罗列在这边,软钢的比例只有22%了,里面用的各种高强钢,包括大于1Gpa的11%,通过新的材料的使用,我们证明现在的白车身平均降15%以上是很轻松的。我们用了很多新的技术,液压用了多少件,辊压还有VRB、TWB等等,这些技术配合起来,总体我们才能实现目标。

这个是我们车身做的一些结果,车身的性能指标,都很清楚,车的重量大概284Kg,我们比较了一下市场上卖的量产车个别到400Kg,有的350以上,这个减重还是效果比较好的。做完以后实际上我们也没有停止,进行了BCB1.0Plus,后来我们考虑了新的碰撞法规,又做了一些调整,强度、零件数又加了一些,包括传递路径等等,现在大体的重量做到324Kg,达到了2018年最新的标准,也是五星级的。我们为什么搞这个?因为新的要求出来,又加了一些新的材料和技术才实现了这个目标。

我总结一下,自主品牌一定要有轻量化战略,钢用好里面的潜力还是不小的,通过采用合资品牌汽车用的高强度钢比例和种类实现白车身10%减重是很容易的,通过其它的努力整车降7%-8%是可行的,这里面先进高强钢的比例工艺不用变就可以实现车身10%以上,要是用一些新的技术,新的工艺,20%以上也是可以实现的。这个曲线我们分析了很多自主品牌的车型,这一块潜力还是很大的,差距就是我们的动力了。

钢跟其它材料竞争当中,也在发展,没有竞争发展也没那么快,发展的同时有些概念在发达国家比较认可,要看排放,不能光看制造环节的,要全生命周期的,材料也是这样的,从原矿石一直到汽车结束,左边这个图是应用阶段加上用了轻量化的材料效果确实挺好,但是要看整个生命周期的话,钢铁还是一个比较环保的东西,这里面大家都在做,最好是第三方来做这些数据,我看上次讲的也有人说镁不认可,铝的不认可,目前这个理念大家应该慢慢的有这个角度考虑。

最后我想用这个图,前两天我们总结了我们国家汽车越来越多,交通死亡率是很高的,大家知道死亡车祸影响因素很多,2000是安全法规推出的那一年,因为有了那个标准汽车厂没办法开始提供被动安全,被动安全肯定要用高强钢,我们的高强钢的起步也就是在这个时候起来的,快速发展,右边我给了两个图,都是高强钢快速发展的过程。随着我们的发展,我们的汽车是越来越多的,现在已经2亿多保有量,现在车祸死亡每年5-6万,应该还是往下降的,这个比例是日本的10-20倍,还是很高,这背后有很多原因,死亡率减少这件事情肯定与各种元素都有关系,包括主动安全。我这边讲的被动安全里边高强度化以后,碰了以后保护行人也间接的起了作用,法规是最主要的,如果没有法规汽车厂就不会用这个技术。如果你不用高强钢你就过不了,这一块是相辅相成的,高强钢大量使用背后也为保护人的生命安全起了一个间接的作用。谢谢大家!

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