基于先进钢材料及其成型技术的车身轻量化研究

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【汽车轻量化在线】基于先进钢材料及其成型技术的车身轻量化研究

赵新阳，刘博远，马晓春

（东北林业大学 交通学院，哈尔滨150040）

【摘 要】针对目前国内外汽车保有量日益增多而产生的环境污染问题，环境保护和节约资源已成为当今汽车工业发展的主流，车身的轻量化正是实现上述发展趋势的途径之一。选用高强度先进钢等轻量化材料，以及先进的热成形制造工艺技术是汽车轻量化所采用的主要手段，因此对材料与技术的革新是该领域的主要研究方向。

【关键词】汽车轻量化；先进高强度钢；热成形

1 引言

目前，我国私家车辆的保有量随着人民生活水平的提高而逐年增加[1]，因汽车尾气排放而造成的环境污染问题日益严重，减少有害气体排放已经成为当今汽车行业发展的核心目标。我国为了减少有害废气的排放，坚持保护环境的基本国策，已将汽车轻量化技术放到汽车产业可持续健康发展的一个战略要点上。由相关研究数据可知，车辆整车整备重量降低10%,其燃油消耗率可降低6%～8%，车身自重每减少100 kg，百公里燃油消耗量降低0.3～0.6 L [2]。随着科技水平的日益提升，铝合金等材料虽代替了部分的车身用钢板，但在汽车制造中钢铁材料依旧占据着主导地位，因此对于先进钢材料的研发，依旧是汽车轻量化的一个热点。车身轻量化技术在多个学科领域里相互融合，通常采用：CAE 技术，车身设计合理化；选取轻量化材料；应用较为成熟的车身制造工艺[3]。

奥迪、通用、本田等车企于20世纪90年代便开展有关车身轻量化的技术开发，均取得成果。目前，我国对车用先进钢的开发与研究均取得一定进展，有关钢铁企业已经形成多种高强度钢板品种，宝钢生产的高强度IF 钢板已应用于载货商用车左、右车门内板等零件。我国在汽车轻量化领域里的技术水平仍有较大的提升空间。

2 先进钢材料2.1 高强度钢概述

按照屈服强度不同，钢类材料可以分为：低强度钢、高强度钢和超高强度钢。根据相关资料，低强度钢的屈服强度小于210 MPa，高强度钢的屈服强度在210 ～550 MPa 之间，超高强度钢的屈服强度通常大于550Mpa[4]。而根据钢强化机理的不同，可将高强度钢分为UHSS 和AHSS，其中对于AHSS钢的研究已经成为当今的一个热点。高强度钢的用量直接决定着汽车轻量化水平，先进高强度钢在未来的很长一段时间里都将会是轻量化材料的首选。

2.2 车辆对高强度钢的性能要求

2.2.1 车架(或承载式车身)

在车身、车体内部中起支撑作用的重要承载结构部件，在实际中材料应有较高的强度、较好的塑性，优良的疲劳耐久性。在工程实际中，通常选用屈服强度级别较高的钢板。

2.2.2 安全装置零件

安全装置零件形状复杂，大小各不相同，采用多部位焊接，负责驾驶员和乘客的人身安全。所以，要求用于此装置处的高强度钢具有很高的力学性能特别是较高的动态力学性能。

2.2.3 底盘部分零件

汽车底盘部分包括扭转梁、前后车架、悬架固定支座和连杆机构零部件等，这些零部件外形简单，焊接部位多，板材厚度较大，能够承受交变载荷。通常要求用于此处的高强度钢具有一定的成型性能，其中抗疲劳性能最为重要[5]。

2.3 车身轻量化系数

对于评价车身轻量化的程度，在国内外已经广泛采用车身轻量化系数来衡量。通常L 越小，汽车的轻量化程度越高。车身轻量化系数L 的具体定义如下：L=m/KTGA

m 为整车质量；KTG 为扭转刚度；A 为投影面积。

2.4 高强度钢的发展

2.4.1 发展现状

随着科技水平进步，高强度钢已经经历了第一代，第二代的发展，目前的第三代高强度钢综合性能最好，不仅弥补了第一代钢力学性能上的缺陷，与第二代钢相比还大大降低了成本。我国的宝钢、鞍钢等企业的研发部门已经研制出第三代钢并将其运用到工业生产之中。

2.4.2 第三代高强度钢

为弥补第一、二代钢的不足，第三代高强度钢的研发与应用受到各国推崇。通常第三代钢应用BCC 和FCC 组织进行高强度与高韧性的匹配，以体心立方晶格结构为基体组织的是BCC 组织,通常采用马氏体等硬相组织来提高材料基体的强度，而FCC 组织是面心立方的亚稳态奥氏体组织，正在研发的第三代高强钢基本是TG 钢和Q＆P 钢两类。Q＆P 钢的应用更为广泛，采用正相变方法进行加工,该方法采用淬火等温等方法将马氏体中碳元素扩散至奥氏体中,最终获得适量而稳定的残余奥氏体组织[6]。

依据有关资料，Q＆P 钢组成成分详情见表1[7]。

表1 Q＆P 钢组成成分

3 热成型技术3.1 热成型技术简述及工作原理

目前先进高强度钢在汽车轻量化技术领域广泛应用，但当钢板强度达到一定等级时传统加工工艺无法对其加工。因此，常采用先进的热成型技术来保证先进钢性能。

工作原理：在常温下将抗拉强度为500～600Mpa 的可淬火用高强度钢板加热至再结晶温度以上，保温一段时间使内部组织奥氏体化。随后，在相应模具上迅速冷却至冲压成型，且在型腔内保压淬火10～30s，最后获得板材[8]。

3.2 加工过程

板料加热；转移；定位、放置；成型；淬火。

3.3 热成型工艺特点

①经过热成型处理之后，钢材的强度得到较大的改善，在不降低汽车其他基本性能前提下，减轻车身质量从而达到了节能减排的目的。②压机吨位得到降低，节约成本，在高温下快速成型可以降低成形应力。③最终成型效果优良。④可以进行形状复杂的零部件加工。

3.4 国内外研究现状

3.4.1 国内研究现状

目前，国内热成型技术的研究开发与欧美发达国家之间仍有较大差距。我国高校研究人员盈亮等人选择保温时间、加热温度和淬火起始温度为设计因子进行四因素三水平正交实验，希望以此改善热成型高强度钢的强韧性[9]。

3.4.2 国外研究现状

针对先进高强度钢强度达到一定等级时加工难的问题，世界上许多学者都进行有关方面的研究，知名学者Maeno T 研究成型时钢板中的温度分布对热成型超高强度钢成型性的影响，进行温度分布的机理实际检验，实验结果证明这样既可阻止冲压时钢板温度的下降，也可阻止钢板边缘部位被淬火[10]。

4 结语

综上所述，目前第三代先进高强度钢不断开发与应用，先进钢材料在汽车轻量化领域依旧占据主导地位。汽车轻量化材料已经向材料多元化的方向发展，对复合材料的利用将会得到很大的提升目前，我国在先进热成型技术领域与发达国家之间仍有较大的差距，主要体现在核心技术的研究与应用方面。汽车轻量化技术的日益成熟必将带动汽车产业的可持续发展，给市场注入新的活力。