汽车轻量化论坛 首页 资讯中心企业新闻

神户制钢汽车轻量化技术研发进展

2018-2-22 11:46 500 0
简介
从2016年开始,在日本神户制钢新的中期经营计划“KOBELCO Vision G+”中,将飞机、汽车、船舶等运输设备的轻量化和能源、基础设施作为中长期发展领域,以材料、机械、电力为三大支柱强化并发展事业基础,其中对轻量 ...

从2016年开始,在日本神户制钢新的中期经营计划“KOBELCO Vision G+”中,将飞机、汽车、船舶等运输设备的轻量化和能源、基础设施作为中长期发展领域,以材料、机械、电力为三大支柱强化并发展事业基础,其中对轻量化要求越来越高的汽车领域,是发挥神户制钢生产各种材料的特长领域,本文针对神户制钢的汽车轻量化技术研发进行简要介绍。

1对汽车的要求性能和钢铁企业的作用

对汽车的要求性能不仅是设计良好、驾驶性优良,还有油耗低、环保性好、安全性高等特性,其中先进国家为改进油耗,提高环保性和安全性,不断强化法规法制。这些强化的法规,成为汽车制造厂必须应对的重要课题。在油耗和环保方面,正在推进混合动力车、电动汽车、燃料电池车的普及。在提高安全性方面,正在推进防碰撞安全技术和自动驾驶技术的研发。

1.1与汽车有关的法规

在与汽车有关的法规中,首先关注的是油耗和排放。图1是各国关于汽车CO2排放量规定的变化,可以看出,各个国家对CO2排放量的规定值都在逐年严格化。目前,欧洲和日本的规定比其他各国都要严格,2020年以后,美国、中国的法规也将大幅度强化。

CO2减排换言之,就是降低油耗。车体越重,行驶单位距离的CO2排放量越大。为了达到CO2排放量的规定值,必须减少CO2排放量,而减少CO2排放量有两种方法。一种方法是,降低发动机油耗和电动化等提高动力系统功能,从而降低CO2排放量。混合动力车、电动汽车等环保型汽车就属于这种方法。

另一种方法是,汽车本身轻量化。这种方法不仅对汽油发动机车的CO2减排,而且对降低环保型汽车增重也是有效的方法。

在汽车安全法规方面,美国和欧洲走在了前面,对汽车碰撞安全性要求进行正面微小偏置碰撞试验和柱状物侧面碰撞试验等更加严格的碰撞试验。日本和中国也将紧跟欧、美的步伐,采用更加严格的碰撞安全性标准。因此,汽车制造厂应使汽车的碰撞安全性达到最高标准,以适应欧、美、日、中等主要汽车市场的要求。

提高汽车碰撞安全性的另一个方法是预防碰撞。以自动驾驶为代表的预防碰撞技术是所谓的“主动安全性(Active Safety)技术”,是可以降低事故发生概率的技术。前述的碰撞安全性是“被动安全性(Passive Safety)技术”,是一旦事故发生时,保护乘员安全的技术。即使自动驾驶得到普及,也需要一旦事故发生时,保护乘员安全的技术。因此,在将来,汽车碰撞安全性也是汽车重要的性能要素。

1.2有关汽车法规的应对和钢铁厂的作用

汽车制造厂要研究解决的两个课题是:“降低油耗、提高环保性”和“提高安全性”。车体轻量化对解决这两个课题,都是非常有效的方法(如图2)。但是,在降低油耗、提高环保性方面,混合动力车和电动汽车由于配置蓄电池,使车重随之增加。

为了提高碰撞安全性,需要增加安全装置和对车架进行加固,这些都不可避免地增加了车重。为解决这些问题,汽车车体本身的轻量化是重要的研究内容。可以预计,今后对车体轻量化的要求,将会越来越高。汽车轻量化的方法大致可分为“材料置换”、“优化工艺”、“优化结构”等三大类。其中汽车用材对“优化工艺”和“优化结构”有很大影响,所以,“材料置换”是汽车轻量化的关键方法。

目前,“材料置换”有两种方法:一是“使汽车中大量使用的钢铁材料高强度化,从而减少钢铁材料用量”的方法;二是“采用比钢铁轻的铝材等材料,降低车体重量”的方法。神户制钢是生产钢铁和铝材的企业,所以在“钢铁材料高强度化”和“铝材应用”两个方面进行研究开发。此外,神户制钢还开展了“材料多元化”的研究,通过将钢铁材料与铝材紧密接合,获得更有效的轻量化效果。同时,还进行了支持“材料多元化”的“接合技术”等解决方案的开发。

2汽车对材料性能的要求和应对技术

图3是汽车车体重量的构成比例。重量比例最高的是车体覆盖部件,约占车体重量的40%。其次是悬簧底架、底盘、传动系统。神户制钢生产可使这些部件轻量化的钢材,促进汽车轻量化。以下对神户制钢生产的汽车轻量化用线材、条钢和薄板进行简要介绍。

2.1汽车轻量化用线材及条钢

使用线材及条钢制成的汽车零部件种类很多。其中使用神户制钢线材、条钢制成的汽车零部件主要是动力传动系统和车轮总成。一辆汽车使用的线材及条钢制成的零部件重量约为200kg,所以减轻这些部件的重量,对汽车轻量化起很大作用。

表1是线材、条钢制品高强度化产生的轻量化效果。高强度化可降低阀簧的高度,使螺栓小型化、细径化,减少悬架弹簧的圈数以及减少钢帘线用量。另一方面,部件高强度化带来耐疲劳性、耐久性、加工性等强度以外的特性要求等问题,这些问题必须一同解决。

2.1.1阀簧高强度化

阀簧的使用条件非常苛刻。阀簧在1min内要反复伸缩几千次,汽车行驶10万公里,阀簧要反复伸缩1亿次。为使汽车发动机高效率化,要求发动机实现“高功率”、“低油耗”、“小型化”。如图4所示,阀簧的小型轻量化是实现发动机上述要求的重要因子,为此,阀簧用线材必须高强度化。

神户制钢为应对阀簧用线材高强度化的要求,几十年来一直进行阀簧用高强度化线材的开发。现在,神户制钢已经开发出第三代阀簧用线材KHV12N,并进行批量生产。KHV12N阀簧比1980年开始生产的传统钢阀簧,减轻重量50%(如图5)。由于阀簧的高强度化、小型化,不仅使阀簧,而且使发动机小型化、轻量化。对汽车整体的轻量化起了很大作用。

另一方面,阀簧用线材的高强度化,使阀簧钢丝直径变细,所以必须同时解决提高阀簧的疲劳强度问题。原因是,阀簧钢丝直径变细,使夹杂物对疲劳强度的影响增大。对疲劳强度影响较大的夹杂物是SiO2等非金属夹杂物。解决这个问题的方法是,在炼钢阶段,通过对夹杂物成分的精确控制,使夹杂物低熔点化,在轧制中使夹杂物小型、无害化。

2.1.2螺栓高强度化

螺栓高强度化不仅可使螺栓本身小型化,而且有助于组件和汽车的小型轻量化,图6是螺栓高强度化的发展变化。神户制钢已经完成了强度为1300-1400MPa级螺栓用钢的开发,并实现了实用化。现在正在进行1600-1700MPa级螺栓用钢的开发。这种高强度螺栓用钢开发中的关键技术是,在提高强度的同时,保证良好的抗延迟断裂性的成分设计和最佳热处理制度。

2.2汽车用薄板

薄板主要用于汽车的车体。车体大致分为“面板、覆盖件”和“车体构架”两大类别。面板、覆盖件由于受到刚性要求的制约,利用高强度化使面板、覆盖件减薄有一定限度。因此,一些车种使用了比重小于钢的铝材和树脂等材料。

对于车体构架,需要保证碰撞安全性,因此不存在刚性问题。所以可采用高强度和轻量化兼有的高强度钢,即车体构架的主流材料是高强度钢板。实际上,在将高强度材料用于车体构架时,根据碰撞安全性的要求,车体不同部位对构架要求的性能也不同。对于乘员座室,为保护碰撞时乘员的安全,不发生压溃是最重要的。因此,座室构架用材不仅要高强度化,而且还要求具有良好的抗延迟断裂性和韧性。而车体前后构架应具有发生压溃吸收冲击能的功能。因此,车体前后构架用材不仅要高强度化,而且要求具有弯曲性和韧性。除了上述特性要求,还要求这些钢板具有良好的冲压成形性和焊接性。今后高强度钢部件将会不断增加,神户制钢对新型高强度钢的研发也在不断推进。

20世纪90年代后期,590MPa级高强钢开始被采用,神户制钢进行了高强度、高加工性的DP钢的开发和生产。为此,研发出车体构架部件用980MPa级DP钢,为进一步高强度化做出了贡献。

另一方面,即使是DP钢,当强度大于980MPa 级时,实现高强度和良好加工性兼有也非常困难。一般情况是强度升高,伸长率下降。神户制钢开发出加工性优于DP钢的高加工性高强TBF钢,并于2013年开始批量生产,用于车体构架部件。今后将开发出加工性更好的新一代高强钢,即第三代高强钢。

图7是神户制钢开发的新一代高强钢。此前,神户制钢通过微米级尺度的组织控制,提高了钢板的强度和伸长率,开发出TBF钢。这种TBF钢以贝氏体铁素体为母相,使残余奥氏体微米级尺度薄细化,消除了断裂起点,提高了钢的强度-延性综合性能,使钢板具有高强度和高延性。在新一代高强钢板的开发中,使贝氏体母相进一步微细化,同时使残余奥氏体纳米级尺度微细弥散化,使钢板具有更优良的强度-延性综合性能。为了获得这种理想的组织,神户制钢与大学共同对钢板的制造工艺和热处理制度进行了研究。

日本经济产业省组织实施的“ISMA(新结构材料技术研究团队)项目”也进行了新一代高强钢板的开发项目研究。神户制钢参加了该项目的研究工作,并且上述的纳米级组织控制的研发思想也得到确认,目前,正在按照这个思路进行研究。

ISMA项目的研究目标水平非常高,开发钢板兼有高强度和高加工性,钢板的强度×伸长率≥30000。神户制钢采用提高碳含量、增加残余奥氏体量,并对残余奥氏进行精密组织控制的方法。目前,在实验室已经获得了该项目目标值的试验数据。今后将进行新一代高加工性高强钢板的实用化、商品化研究。

伴随材料高强度化产生的一个主要问题是材料的接合方法问题。一般来说,由于钢板的高成分化,使钢板点焊变得困难。并且,钢板高强度化,使机械接合也难于进行。神户制钢为解决这个问题,进行了高强钢板接合方法的开发。以下介绍神户制钢开发的两个高强钢板接合方法(如图8)。一个方法是“外加压式电阻焊接法”。该方法为了将高强度钢板之间牢固焊接在一起,对焊接导电嘴周围进行压紧的点焊。采用该方法,可在比传统方法更宽的电流范围内,获得高于传统方法的点焊强度。另一个方法是“利用新开发焊接材料的电弧点焊法”。该方法使用针对新一代高强钢板高碳化特点的新开发焊接材料,进行电弧点焊,可获得比传统点焊高出很多的点焊强度。

神户制钢不仅进行高强度钢板的开发,而且为了便于高强度钢板的使用,同时进行了针对高强度钢板接合技术和新焊接材料的开发。

3车体轻量化的最新研发动向

在汽车轻量化方面,超高强度钢和热冲压钢的应用不断扩大,并且钢铁材料与非钢材料组合应用,即“材料多元化”也在不断推进。在材料多元化方面,欧美等国已走在前列,对各种材料的应用进行了深入研究。欧美以高级车为重点,不仅覆盖部件使用铝材的事例不断增加,而且碳纤维增强复合材料(CFRP)也开始用于车体构架。汽车材料多元化的趋势不断发展扩大。因此,今后钢铁材料要积极应对材料多元化的发展趋势。

汽车材料多元化有两方面的含义,一是非钢材料用于过去的钢铁材料构成的车体;二是由于传统接合技术不能使用,所以要开发新的接合技术。欧洲汽车制造厂已经率先采用了黏合剂接合技术和凿密(Caulk)接合技术。可以预期,在今后材料多元化的发展中,接合技术将会有很大变化。

例如,在钢材与铝材的接合方面,铝板材与软钢钢板的接合主要用于车体的覆盖件,接合方法是铆接和凿密。但是高强钢板、超高强钢板、热冲压材料开孔很难,并且有碰撞时产生裂纹的问题。所以在推进超高强钢板的应用时,为实现超高强钢板与其他材料的多元化,关键问题是改进机械接合技术,开发机械接合与熔融接合组合接合技术等多种接合方法。目前,神户制钢正在努力进行超高强钢板与铝材板的异种材料接合技术的开发。其中一种方法是金属元件与焊丝并用的焊接方法。该方法在神户制钢称为“Element Arc Spot Welding”。

这种焊接方法可获得比其他焊接法高出许多的焊接接头强度。神户制钢今后将开发出在接头强度、焊接成本和易操作性等方面适用于超高强度材料和材料多元化的接合技术。

如前所述,神户制钢具有生产开发特殊钢和高强钢等高强度钢材的优势和生产开发铝材和焊接材料的优势。神户制钢发挥这些优势,将这些技术融合起来,为促进汽车轻量化,积极开展材料多元化的研发。

图9是神户制钢的汽车部件材料多元化提案的图示。当钢铁材料在轻量化方面已经将作用发挥到极致时,在实现全铝化的过程中,应考虑钢铁材料与铝材的多元化组合。选择轻量化水平和成本水平,由汽车制造厂决定,但神户制钢进行了各种方案的技术储备,可以提供独有的低成本和轻量化兼顾的技术方案。

4结语

日系汽车制造厂不仅在日本,而且在世界各国进行全球化生产。因此,作为材料供应企业的神户制钢,也在不断构建全球化的材料供应体系。神户制钢目前已在汽车的主要生产地区如北美、中国,构建起高强度钢材、铝面板材、铝挤压材、铝锻材的生产制造体系。并且已于2017年在神户制钢本部设立了“汽车轻量化事业企画室”,在技术开发本部设立了“汽车解决方案中心”。

神户制钢的钢材生产厂、铝材生产厂、焊接加工厂以及公司本部密切协作,开展对汽车制造厂提供综合性技术提案的服务,作为生产各种材料的神户制钢,今后将进一步为汽车轻量化做出更大贡献。

收藏 分享 邀请
1

鲜花

握手

雷人

路过

鸡蛋

刚表态过的朋友 (1 人)

相关阅读

此篇文章已有0人参与评论

请发表评论

全部评论

精彩阅读

广告位

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市北二环利浩财智广场

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-3

关于我们-联系方式- 汽车轻量化在线