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【汽车与环境】河钢熊自柳:汽车用材向多材料混合方向发展,钢仍然是主要用材

盖世直播 2019-09-21 16:11:26
核心提示:2019(第七届)汽车与环境创新论坛现场嘉宾演讲实录,敬请关注!

9月20-21日,由中国人才研究会汽车人才专业委员会指导,国家特聘专家汽车组及盖世汽车主办的"2019(第七届)汽车与环境创新论坛"隆重举办,论坛以一个主论坛加四个平行论坛的形式,携百名行业权威嘉宾,共同探讨中国汽车产业在转型升级的新形势和新常态下,整车厂与零部件企业协同创新、升级做强、共同应对严峻市场和产业变革挑战之发展路径。以下为河钢集团钢研总院首席工程师熊自柳演讲内容实录:

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河钢集团钢研总院首席工程师熊自柳

大家好,首先感谢一下盖世汽车组织这样一次全产业链技术专家的讨论。河钢主要是钢材提供商,我们关注的是材料和材料应用技术,今天我的主题主要是河钢集团汽车用钢产品以及轻量化应用技术。

我今天的报告主要是分为5个部分,首先第一个部分,河钢集团汽车用钢的概述,河钢集团成立于2008年,整个总部是在石家庄,有20余家子公司,控股的公司有70余家,钢铁主业是唐、邯、宣、舞、矿业等等,连续11年进入世界500强,我们目前的世界排名是214位。

河钢集团十三五计划里面讲,汽车用钢作为我们的战略产品,生产基地也是包括在唐山、邯郸、宣化、承德、石家庄5个生产基地,主要的生产线一共30多条,包括热轧、冷轧、铝硅涂层的生产产线等等。我们的主供的主机厂遍布全球100多家。

我们的产品是取得了非常大的发展,2010年汽车用钢产量30万吨,2018年突破725万吨,位居国内第二,整个产品构成,包括冷轧热镀锌是200多万吨,热轧是300多万吨,还有特殊钢这一块有100多万吨等。

我们建立了全球的产品研发平台,与客户合作研发中心共同开展研发合作实现双赢,研发平台是分几个层次的,首先是集团内部的研发平台,拥有两个产业技术研究院,包括河钢钢研和机械研究院,解决产品和应用技术共性方面的研究,另外还有三大国家级的技术中心和五大省级的技术研究中心解决的产线的产品和应用技术相关的实际问题,还有8个国家重点实验室,解决的是产品检测和认证方面的一些产品性能和技术相关问题;另外从2016年开始,我们和客户开始建立客户研发中心,和客户建立了命运共同体的科研合作机构,从产品开发和应用技术研究着手开展EVI合作,目前为止我们已经和海尔、国能汽车等签署了5个客户研发中心。

国内的研发平台,我们和东北大学,北京科技大学,重庆大学、天津的汽车工程研究院10余所院校和科学院所共同进行产品和工艺技术的研发。我们和国外的国际钢协、世界汽车钢联盟,另外还有昆士兰大学、MEFOS等等国外的科研机构共同开展绿色可持续发展共性技术和产品应用技术。我本人是联盟的委员,每年参加两次联盟的会议,后面有一些技术内容是来自于共同的研究报告。另外河钢集团去年是钢协轮值主席和今年是国际钢协轮值主席,与MEFOS进行了洁净钢研发工作,昆士兰大学合作高强钢的成型应用技术,目前国际上是最顶尖的成型技术,后面有做相应的介绍。

冷轧及涂镀产品,从第一代汽车用钢到第三代汽车用钢所以牌号全覆盖,强度是最低100多兆帕到最高2000兆帕的热成型钢,实现了整车造。这个是我们的汽车用钢市场这一块,我们汽车板材这一块今年完成了德国宝马的认证,现在进行大众和通用和福特的认证,主供的汽车厂是北汽新能源、上汽、长城、海马等10余家主机厂,特殊用钢这一块,用户相对来说更高端一些,奔驰,宝马、克莱斯勒等等全球100多个主机厂还有1000多个零配件厂进行供货。

第二部分介绍一下河钢集团汽车轻量化的技术路线,首先简要的回顾一下技术背景,大家对汽车的节能和环保已经是耳朵里面都听出茧子了,这个概念提出还是由美国提出的,上个世纪90年代开发的FSV的车型,因为美国汽车能源消耗是最大的,整个汽车里面消耗石油大概占到60%以上,所以提出FSV的项目,解决汽车石油消耗和尾气排放的问题,后来国际钢协和汽车钢联盟一直研发继续研发这个下项目。

关于碳排放需要考虑原材料生产、运输、零件及整车制造、车辆消费阶段,以及车辆报废和回收循环等全生命周期阶段,把碳排放概念延伸到全产业链才是我们应该重点关注的问题。目前只考虑消费阶段的燃油消耗和碳排放实际上对于我们的汽车的开发来讲可能会形成一个误导。我们从全生命周期的碳排放的角度来看,实际上我们现在都认为轻质合金,铝合金,镁合金轻量化的效果非常好,但是从我们目前的研究观点来看,钢的全生命周期的碳排放比铝、镁合金、碳纤维低的多,大家可以参考一下世界汽车钢联盟相关的一些实验报告。我想以后全生命周期LCA的观点会引入到汽车设计的观念,现在有一些主机厂,比如说丰田已经用LCA的观点进行设计,用材到底是用钢多少?铝合金镁合金用多少?加起来全生命周期碳排放是多少,会作为车企的卖点,碳排放已经不是大家说说而已,要动真格,我们看2020年中国的制订目标是93克,欧洲是50克。

去年发布了一个标准全生命周期温室气体排放的标准,这个标准以后会作为一个政策规定汽车里面碳排放必须达到多少,这项政策很有可能在不远的将来会实施。

我们河钢的轻量化路径,主要是将合适的材料用在合适的地方,河钢采取的轻量化这一块,材料轻量化这一块还是主要采用高强钢,为什么?我后面会有PPT做详尽的介绍。另外工艺轻量化这一块还是做拼焊、冷成形、热成型、辊压等等,轻量化有结构轻量化、框架轻量化,边界轻量化我们和一些合作客户共同开展研究。

我们为什么选择高强钢作为轻量化的主要材料?首先铝合金、镁合金,我们把400多辆车型平均车门的重量做了一个对比,我们看一下铝合金相对于钢确实有一个轻量化的效果,大概能够减重5.73克,这个是结构设计。我们设计成车门,因为车门不光是结构,里面会有一些填充物还有其他的零部件,因为考虑震动性能钢度还有安全性,因为我们知道铝的钢度比较低,所以填充的东西会比较多。

做成车门以后再看轻量化的效果,我们看下面几个图,铝对钢来讲轻量化只有0.45千克这个是平均的结果,我们再看右边,体现的是一个结构设计的效果,这是好几百车型统计的结果,钢如果经过合理的结构设计,这个轻量化效果是可以和铝做到相当,也就是说实际上钢要做到轻量化结构设计这一块会发挥很好很大的潜力。

另外从成本的角度来看一下,这是一个副车架的对比,铝如果用高强钢替代,轻量化比率大概是0.66,轻量化成本增加了49.2元每公斤,如果是用先进高强钢轻量化比例是0.83,成本增加54块,这个是估算的价格,具体的可能会有一些误差,但是总的情况是钢的轻量化成本比铝合金要低的多的。

第三个方向,我要介绍一下河钢的材料轻量化主要的方案,主要是材料开发这一块,三个阶段,第一个阶段通过提高强度减薄做到轻量化,因为材料这一块性能大家都知道强度提高会牺牲韧性和延展率和性能,我们在用户使用过程当中出现很多的问题,我们针对出现的问题开发满足特定成形工艺的钢种,比如说满足高扩孔性能、抗剪切开裂、满足热成形的钢种等,而高强度低合金钢、低屈服双相钢、马氏体钢等等无法满足这些特定成形工艺的要求;随着轻量化要求的不断提高,前面两种提高强度的方法仍然不能完全解决超高强钢应用的问题,在此基础上我们开发了第二类、第三类汽车用钢,这个强度更高,延展率也会非常高,主要是淬火配分钢、TRIP等等,现在都开发出来了。

介绍一下结构轻量化主要的钢种情况,首先是低屈服的双相钢是我们用的最多的,排耗主要是两大类,一类是连退一个是热镀锌,排号包括DP450、DP500、DP590、780DP、980DP,主要的应用部件是结构件和加强件。

低屈服的钢度相对低一些,对安全性的要求比较高的时候显得就无能为力了,我们在此基础上开发了高屈服的双相钢也是用连退和热镀锌,主要的特点是弯曲性能比较好,在两相组织当中变的更加的均匀,两相硬度相差比较小,所以有比较低的弯曲性能,最小弯曲半径比较小,另外抗剪切开裂、翻边扩孔性好,主要是安全性结构件的开发。

我们开发的扩孔钢,主要是有热轧、热轧酸洗、冷轧,主要是450、580、780,主要的应用部位是悬架底盘和轮毂。

另外是马氏体钢,我们在冷轧产线上面,采用的是国内目前为止最先进的一项高氢连退水淬,喷氢的冷速能达到100以上的冷速能够实现组织强化的目的,因为其他的高强度双相钢,主要是基于合金强化,一个是组织强化,我们这个是单独的通过组织强化,所以说能够做到高强度,另外成本相对来说比较低,马氏体钢容易达到1500MPa性能,而HSLA、DP等钢很难实现。马氏体钢系列主要特点是实现高强高钢度高扩孔性能,主要是用在结构件上面。

第三类最主要的是连续退火的QP980和QP1180,目前980已经有一些商业化应用,1180是属于实验室研发的阶段,现在工业上已经实验出来了但是现在还在寻找客户,主要的特点加工硬化比较好,还有强塑积、高折弯性能、高吸能特性。

热成形钢现在能够做的是HS1500、1800、2000包括裸板和铝硅板,特点是变形抗力低,回弹小、成形精度高,应用部位主要是在结构件和悬挂件。

铝硅热成形钢我们知道是安赛乐米塔尔的专利技术,我本人从2012年开始研究铝硅热成形,目前已经形成自己的专利技术,我通过添加一些合金元素提高抗高温氧化性能,提高高温耐腐蚀性能,这两个专利目前已经在国内获得授权,现在在国外申请专利,在欧洲美洲现在已经有专利号了,因为国外申请专利周期比较长,估计要等一段时间回授权。

我们专利有什么特点呢?我们看铝硅成形最高的加热温度是850-900度,铝相里面也会溶解一部分的合金,使得镀层的熔点增加,另外成形性能得到保障,这样的话使得成形性能和高温氧化性达到有机的统一。我们知道铝硅涂层是热成形板,只能进行间接热成形,而我们的专利技术不仅可以间接成形,还可实现直接成形,所以这是我们的优点。

锌铝美产品我们有深冲系列,高强IF钢,结构钢、高强度低合金、双相钢等等,主要的特点是耐腐蚀性能、切口保护性良好的焊接性能成形性能优于GIGA,在汽车面板使用有降低蜂蜡和涂层的性能,宝钢也一直在推锌铝美产品一直没有推开,我们现在也是将它列入在推广锌铝美的产品,今年我们已经有一定的突破,有两家主机厂开始用我们的锌铝美产品。

第四个方面,我们建立自己的汽车板的数据库,目前的数据库这一块,包括材料数据库和拆解数据库,材料数据库三大部分,一个是基础性能包括了抗拉延伸率等等,另外是使用性能、服役性能,这样的性能主要是提供给主机厂做正向设计,用于整车概念/工程设计、工艺轻量化模具开发等全流程开发阶段,可以提供给主机厂,也和主机厂共同做研究。逆向解析数据库包括材料解析、工艺解析和3D扫描等,用于车逆向设计。

另外在轻量化应用技术这一块有自己专门的用户技术实验室,成型实验室有万能成形试验机、三点弯曲、疲劳试验机等设备;焊接实验室包括激光焊接、点焊、二氧化碳保护焊等设备;涂装设备有磷化、电化学工作站、耐候、盐雾的等等设备。另外模拟仿真这一块,对做材料设计这一块还是非常的重要,我们建立自己的仿真平台,包括唐钢、邯钢,钢研等等,我们借用第三方合作平台的模拟仿真技术资源,包括天津国家超算中心,燕山大学,昆士兰大学等等。

应用技术这一块,我们主要的是开发辊压成形,主要是做材料辊压性能的研究,还有工艺优化和截面优化还有零件成形质量安全性能评估。因为辊压做很多的轻量化成形的材料会有一些困难,1180到1500兆帕以后会有一些产品缺陷很难保证,像滑轨要求比较高的时候很难实现精度,因为做很多零件的时候要20道30道的车型反复进行弯曲,使得成形的零件性能难以保证,我们和昆士兰大学一块合作开发了链模成形,把这个辊子直径可以做到20-30米,这样做成链模的形式,成型变形区域大概能达到700-800毫米,使得整个的成型过程变的非常的缓慢,这样就减少了多余应力和多余应变的过程,材料的成形质量和精度也得到了很大的提升。

服役安全评价这一块主要检测高速应力应变曲线,研究应变强化和应变速率敏感曲线模型,提供给主机厂,做完高速拉伸以后会检测一下断口的断裂状态和附近的组织,看看这个材料高速完以后,材料是否会发生非正常失效,影响碰撞时的安全性能,也是佐证一下材料在碰撞的时候是不是安全?通过仿真验证我们的模型是不是达到了侵入性能吸能的要求。

新能源汽车的服务案例,主要是用到的热成形钢和辊压成形和冷冲压成形。第二个服务案例是在新能源客车上面的服务案例,这个是早期做的,当时是最开始是普通的新能源客车,当时行驶里程是300公里,开始Q345我们用了河钢的材料实现了轻量化的设计。用我们的材料780和980进行了选材设计,我们对结构形状进行优化设计,然后进行简单设计最终确定了内部的结构达到4个毫米,原来是1.5mm,也是满足他的要求,材料这一块也是相应的做了一些调整。

焊接这一块,也是提供很多的焊接方案,因为高强钢的焊丝比较难选,窗口提供给他们,通过监测和性能满足要求。经过模拟仿真还是满足了客车碰撞的要求。

这个是座椅轻量化的项目,主要是滑轨减重0.4KG,降重比例达到8.5%。因为变薄了以后成形还是很难成形焊接也很难,我们用采用链模和辊压的成形工艺,里面的残余力会非常小,非变形区是不会形成变形不会有质量缺陷,大变形的部分残余力只有屈服强度的0.4-0.5倍。

展望一下汽车用钢的发展趋势,汽车用材还是向多材料混合方向发展,汽车用钢仍然是主要的用材,主要是成本和性能,另外是全生命周期碳排放,还有钢质零部件具有比较好的可修复性。汽车用材有四种模式,以钢为主的设计,钢铝混合,以铝为主、碳纤维为主设计,可以看出所有模式中钢都是不可替代的,以铝、碳纤维为主的设计当中也是有15%-30%左右的钢。研发新钢种,AHSS钢应用技术,多材料复合应用技术是汽车用钢方面的发展趋势。

我就讲到这里,谢谢大家!


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