2019年汽车轻量化技术跟踪

2020-6-22 13:33 157 0 来自: 汽车工艺师
简介
【汽车轻量化在线】2019年,我国汽车轻量化技术有哪些进展?有哪些新材料新工艺有了应用?现结合2019年的展会、企业最新技术应用以及学术报告等进行汇总。由于专业和精力所限,汇总难免存在疏漏,希望读者补充和指正 ...

【汽车轻量化在线】2019年,我国汽车轻量化技术有哪些进展?有哪些新材料新工艺有了应用?现结合2019年的展会、企业最新技术应用以及学术报告等进行汇总。由于专业和精力所限,汇总难免存在疏漏,希望读者补充和指正。

一、Al-Si镀层热成钢的应用

采用高强度钢板冲压件制造车身是同时实现车体轻量化和提高碰撞安全性的重要途径。目前汽车车身安全件普遍采用1 300~1 500MPa级的超高强零件,但是高强度钢板强度越高,越难成形,尤其是当钢板强度达到1 500MPa时,常规的冷冲压成形工艺几乎无法成形。热成形技术的采用可以很好地解决超高强零件的成形问题。

热成形钢成形过程需要将材料加热至950℃或以上的温度,这会导致材料表面氧化,出现大量的氧化铁皮。传统的无镀层热冲压钢,在加热中会导致钢板和氧化铁皮的产生,也会有一定的表面脱碳(少量脱碳对于热成形钢某种程度上是有益的,因为会增加热成形零件的韧性)。氧化铁皮容易脱落在模具中,增大钢板与磨具的摩擦系数,降低模具的使用寿命,而定期清理模具中的氧化铁皮,严重降低生产效率。为满足冲压件的后续处理要求,需要通过喷丸去除表面生成的氧化铁皮。但喷丸处理不仅会导致成本增加,而且影响零件的尺寸精度,同时也有粉尘和噪声污染。

为了避免在热冲压过程中的材料氧化,采用对钢板表面镀上Al-Si涂层,Al-Si系合金涂层材料高温氧化环境下表面生成连续、均匀、致密的氧化铝、氧化硅氧化保护薄膜;易于富Si的SiC内涂层之间形成成分梯度过渡。相比较于其他类形的涂层,Al-Si涂层可以耐高温,950℃的高温环境下依然能保持涂层的形态和性能。

由于Al-Si涂层热冲压钢在加热过程中不需要加入气体保护控制,在加热后不会产生氧化铁皮,而且由于省去了喷丸处理,改善了加工环境、增强了尺寸精度而广受各大汽车冲压厂、主机厂的欢迎。

1. 高韧性新型Al-Si镀层技术

2019年9月18日,东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室易红亮教授团队在2019年中国汽车轻量化大会上发布高韧性新型Al-Si镀层技术,提出了Al-Si镀层和钢基体界面间高碳致脆的新理论,在汽车钢Al-Si镀层强韧化领域实现从0到1的突破。育材堂(苏州)材料科技有限公司将这一理论转化为界面降碳韧化技术,并通过马鞍山钢铁股份有限公司和鞍钢蒂森克虏伯(重庆)汽车钢有限公司批量工业试制出高韧性Al-Si镀层热冲压钢产品。这一新材料可达到现有材料的同等强度,并实现韧性20%~30%的提升,助推汽车零件安全性能的提升。

2019年5月,高韧性Al-Si镀层技术开发就取得了突破性进展,该项技术不仅取得了我国国家专利局授权,目前,也成为满足通用汽车新材料标准GMW14400中高韧性要求的全球唯一产品,打破了Al-Si镀层板被全球钢铁巨头技术垄断的格局。在6月公布的通用汽车公司全球材料新标准GMW14400中,首次增加了高韧性Al-Si镀层热冲压钢,并提出了韧性提高20%的技术要求。以推动产品应用为目标,育材堂、马钢、通用汽车组建了联合技术团队,在东风(武汉)实业量产热冲压线上进行了多轮零件热冲压验证。试验证明,采用新型钢材制造的零件碰撞性能提升达28%,延迟开裂风险大幅降低,涂装性能等各项指标均符合GMW14400标准。目前,多家国内外汽车制造商正持续追踪和评价界面降碳韧化技术。

实际上,安赛乐-米塔尔钢铁公司于1999年最早成功开发了Al-Si镀层技术并申请的专利。这项技术有效避免了无镀层热冲压钢板表面氧化的问题。同时,在磨具保护、零件尺寸精度、耐蚀性等方面也表现出优异性能,从此热冲压成形用钢在汽车上的应用逐年快速增长,全球Al-Si镀层钢板的应用已超过每年300万t。安赛乐-米塔尔“Al-Si涂层热成形钢”汽车零部件应用的专利组合包括加热温度区间和保温时间的工艺窗口以及激光拼焊板技术。基于热成形过程的高温抗氧化情况,以及热成形后点焊性能等因素的综合考虑,阿赛洛对Al-Si涂层热成形钢确定了自己的加热温度区间和保温时间,也称为工艺窗口(见图1)。这也是该Al-Si涂层热成形钢零部件制造工艺专利核心保护工艺参数指标。因而,若采用该材料生成汽车零部件,必须要避开此工艺区间。

Al-Si镀层汽车钢板虽然有诸多优点,但汽车企业在使用过程中发现这类钢板有一个重要缺陷:韧性不足。韧性不足会直接导致汽车碰撞安全件的失效断裂,还会导致零件延迟开裂,即零件冲压完并未开裂,但焊接装配后开裂。若这个瓶颈得到破解,汽车车门防撞梁、保险杠、B柱等这一类的安全结构件的安全性还可进一步加强。经研究发现,Al-Si镀层钢板在奥氏体加热过程中,镀层合金化使界面向22MnB5基材方向移动,形成合金化层和高铝含量的δ-铁素体扩散层,这两者均不含碳,因此导致22MnB5基材以及扩散层界面附近存在大量碳富集,并在随后的冷却过程中形成高碳马氏体。正是这层高碳马氏体的极低韧性,显著降低了Al-Si镀层产品的韧性。

基于这样的理论发现,易红亮团队在无需改变镀层和基材合金成分的前提下,打出“降低镀层厚度”和“优化加热工艺”组合拳,以减少22MnB5基材与镀层间的合金化,从而降低高碳马氏体层的厚度,大大改善了Al-Si镀层产品的韧性,实现了弯曲断裂应变大幅提升、延迟开裂风险大幅下降。这项依靠科学发现产生的原始创新成果,衍生出高韧性新型超高强钢Al-Si镀层技术。这套技术可以在现有钢厂Al-Si镀层板产线上直接生产,镀层的减薄可使企业每吨超高强汽车钢降低成本60元左右。易红亮教授团队还提出了热冲压快速加热工艺,使加热效率提升10%~20%。与此同时,新型高韧性Al-Si镀层技术完全满足汽车企业对涂层附着力、抗石击能力、耐腐蚀性等方面的要求。

2. Al-Si镀层热成形钢激光拼焊技术取得突破

安赛乐-米塔尔专利上的Al-Si涂层板激光拼焊板技术,简单地说就是采用激光把Al-Si涂层先剥离一层,再焊接。这样铝就不会渗进焊缝,生成脆性相(铝/硅氧化后的产物是SiO2和l2O3),增加气孔率,进而影响焊缝的性能。近期,宝钢在这方面有了新的突破。

2019年在德国举办的宝钢技术秀上,宝钢激光拼焊公司全球首次发布了Al-Si镀层热成形钢焊接新技术。该技术创新了1 500MPa与1 500MPaAl-Si镀层热成形钢间的焊接工艺和技术,可直接对带镀层钢板进行激光焊接,无需去除热成形钢的Al-Si镀层,突破了安赛乐-米塔尔专利技术的壁垒。

在焊接过程中,热成形钢的Al-Si镀层会融入熔池,造成焊缝化学成分重新配比,导致焊缝的关键性能降低,严重影响了焊缝品质,制约了Al-Si镀层热成形钢在拼焊领域的产业化应用。对此,宝钢公司进行了专项技术研究,开发出Al-Si镀层板专用焊丝及全新的焊接工艺,实现了对熔池成分精确调控,建立了焊接工艺与焊缝成分、晶粒尺寸等系统控制方法,使接头性能满足热冲压行业的技术需求,有力促进了我国Al-Si镀层热成形钢的规模化应用。

二、低密度双相钢在鞍钢实现重大突破

2019年7月,鞍钢股份成功下线了我国首卷轻质双相钢DP980-LITE,并在鞍钢集团钢铁研究院试验室完成了性能测试,各项指标均达到设计要求,其中伸长率优于传统的980MPa级双相钢,密度降低了5%。作为公司重大课题,鞍钢股份与东北大学、通用(中国)汽车研究院成立了“产销研”协同作战专项组,历时三年多,攻克了低密度双相钢成分与组织、性能调控共性关键技术,突破了双相钢中轻质合金元素带来的冶金、连铸、轧制及退火等多道工序参数设计与协同控制的专有技术,建立了低密度钢连铸工艺与批次生产质量控制的方法,开发出国内首卷5%低密度双相钢。

目前我国乘用车车身用钢质量比达到60%以上,通过该材料开发,鞍钢股份建立了我国低密度980MPa汽车钢自主开发理论与方法,为低密度汽车钢产业化奠定了基础,对推动汽车轻量化和高强度钢应用有深远影响。

三、碳纤维表面三维编织预成形技术取得突破

用碳纤维复合材料替代钢材,减重比例可达60%以上,是最理想的轻量化材料。然而,碳纤维材料面临加工成本高、结构设计复杂、成形要求高、变形难修复等问题,如何有效提高产品质量,减少资源浪费,成为碳纤维材料推广必须解决的问题。2019年,北京汽车研究总院选取汽车顶盖中横梁(见图2),开展了纤维表面三维编织预成形技术及HP-RTM固化成形技术专题研究,实现了零部件减重了36.5%,成本降至行业平均水平50%的目标。

该项目结合顶盖中横梁载荷分布,分别在主承力和非主承力方向选取了高性能碳纤维材料和玻璃纤维。研究人员采取了近净成形技术,在充气芯模表面进行三维编织,表面三维编制结构示意如图3所示,固化成形后形成了中空结构。通过尺寸优化设计,进一步确定了等长变尺寸的截面。最后采用胶接与铆接混合的连接工艺,如图4所示,其中主要依靠胶接进行载荷的传递,同时可以防止端部金属连接件与复合材料件之间产生电化学腐蚀。胶层厚度为1.5mm。设计和制造过程中保证一致的胶层厚度很关键,不均匀的厚度将使得胶层较薄一端的应力增大,这将大大降低连接度。由于胶接连接具有较低的剥离强度,为增加胶接连接的可靠性,增加了不锈钢铆钉铆接,同时铆接为胶接固化提供了夹持力。由于连接中采用了铆钉紧固件,因此为防止连接出现低强度破坏,被连接复合材料结构几何参数需要遵循一定的规则。

借助构建新型的参数化模型,对材料性能和编制结构进行关键性能预测和产品试验验证,与金属结构相比,碳纤维表面三维编织顶盖中横梁实现减重36.5%,抗压强度提升10%,抗弯强度提升60%,抗扭刚度提升10倍,有效改善了整车性能,成本大幅度降低。

碳纤维材料的性能由碳纤维的编织方向决定,不同的方向会呈现出不同的材料性能,一旦加工过程中出现偏差,必将对产品质量乃至安全性能带来影响。因此,碳纤维零部件的检测需要智能化的设备。其中,海克斯康Apodius3D影像测量系统可以将记录的局部纤维角度和实际表面纹理的图像,投射到获取的组件几何特征上,从而提供三维纤维定向测量,并完成与模拟或设计数据的比较,完成缺陷检测分析。同时系统还能有效地识别折痕、孔隙、卷曲和褶皱等诸多材料加工缺陷。

四、典型的轻量化零部件

1. 东碧工业的不等厚钢轮

日本东碧工业是1921年创立的轮毂制造商,总部位于日本东京都品川区。日本制铁的持股比例为20.8%。钢轮产量位居日本国内之首。2018年收购Asahi Tec,又成为铝轮的大型制造商。最近开发了利用“轮盘不等厚成形技术”生产的轻型钢轮。传统的钢轮为了便于冲压钢板,厚度必须考虑最高应力部位。东碧工业在既有生产线上添加新开发的“挤压+扩管成形”工艺,通过降低低应力部分的钢板厚度,实现轻量化。

2. 日立金属的轻量转向节

汽车底盘零部件常用高韧性、适用于铸造毛坯、加工性良好的球墨铸铁FCD370~450来制造,但由于轻量化的趋势正在考虑采用提升强度的材料。近期,日立金属完成了在实现轻量化的同时不会降低现有耐冲击强度的设计课题,追求无需增加成本的热处理技术和不会降低加工速度的快削性,推出了600MPa级高韧性球墨铸铁NMS600CM转向节。NMS600CM铸铁比FCD370铸铁有更高冲击强度,硬度也控制在可机械加工的223~262HB,由此确保了加工性。该转向节为半中空横截面结构,相比原有产品重量从5.5kg减轻1kg至4.5kg,减重18%。

3. 理研轻量转向节和中空凸轮轴

近期,日本理研公司推出了创新产品——新型的轻量转向节。它与450MPa级的FCD450采用同一材质并进行CAE解析,仅靠改变形状就实现了轻量化,可减轻质量10%,同时进一步降低成本。此外理研已完成原创高强度高延展性材料RCD550的开发,可实现进一步的轻量化。同时,该公司还推出了轻型铸钢材料中空凸轮轴。该中空凸轮轴使用高强度的铸钢材料,成功实现至今为止难以达成的铸钢材料中空化。由于铸钢的碳含量少且凝固点高,需要在短时间内注入热水以防冷却。另外,因凝固时的收缩量很大,热水流动性也不佳,所以模具方案也需要专业知识。通常铸钢相比铸铁生产困难且容易产生气孔等缺陷,在日本从事铸钢的铸件制造商很少。该中空凸轮轴由于特殊的中空结构一下子使其质量减少了35%,性能也比实心的凸轮轴提高很多。

4. NHK推出轻型座椅骨架

汽车座椅除了提供舒适的座卧功能外,还有保证在受到外力冲击时能保护乘坐人,因此要求有一定的强度。但比起车身来说,轻量化还有较容易实现。近期,NHK推出轻型座椅骨架,可实现35%的轻量化,除了螺母以外,包括支架在内全部大量使用铝压制材料,通过难度大的电弧焊和铝点焊制成。另外NHK还推出了轻型安全带座椅骨架,其在自动驾驶时变为旋转座椅,安全带被固定在座椅上,而非从车身中拉出。该座椅使用超高强度钢板,可实现30%的轻量化。

5. 超群的轻型铝轮毂

重庆超群的轻型铝轮毂比传统节约原材料25%,熔炼和铸造环节都比传统的工艺能约50%。轻量化轮毂使汽车降低能耗及增加续驶里程约8%。超群在轻型轮毂方面进行了结构和工艺创新。结构方面采用冷旋强化6系合金板,实现轮辋平均厚度3.0mm,同时创新设计后轮缘卷边中空结构,克服后轮缘变形、开裂的问题,大幅提升轮辋的抗冲击变形能力(见图5)。

材料与工艺方面,轮辐采用A356合金,轮辋采用6系热扎铝板;将轮辋和轮辐分开制作,轮辋应用冷旋压技术成形,轮辐应用低温快速冷却铸造工艺,轮辋 轮辐用FSW(搅拌摩擦焊技术)将其结合(见图6)。成品如图7所示。

6. 东风雷诺1.3T四缸涡轮增压发动机

由雷诺-日产-三菱联盟联合戴姆勒共同研发的1.3T四缸涡轮增压发动机在轻量化方面很有特色。雷诺将这款发动机代号定为HR13DDT,而奔驰则将其命名为M282,代号虽不同却是同一款发动机,当然在各自量产车型上应用时也有各自不同的调校路线,因此能够看到雷诺HR13DDT与奔驰M282功率扭矩数据会有较小的区别。搭载至科雷缤这款发动机最大功率为115 kW,最大转矩270 N·m,而奔驰M282的调校则显得更激进一些,最大功率为120kW,最大转矩为250N·m。这款发动机在轻量化方面有以下特色:

  • 缸孔表面使用了热喷涂技术   热喷涂技术又称镜面熔射缸孔技术,就是在铝制缸体缸孔处利用激光喷涂技术,在缸孔表面覆上一层耐摩擦的材料,再利用镜面珩磨加工工艺对熔射膜进行加工,以替代之前的缸套作用,这样可减小发动机质量,实现轻量化,同时提高发动机耐磨性能。HR13DDT气缸内壁非常光滑,几乎没有缸套的形态,去掉铸铁套后也使得整机质量减少了1kg,同时也减少了44%的摩擦。这项技术目前在量产车上应用较少,除了日产与奔驰之外,宝马的B38/B48,保时捷4.0T、V8等发动机也引领类似的缸孔熔射技术。
  • 三角形缸盖     这是由戴姆勒负责研发的,也是戴姆勒最擅长的一部分。三角形形状的缸盖市面上也非常少见,因为传统气缸盖都是矩形的。三角形杠杆设计使得净排气系统更靠近发动机中心,紧凑化设计使得缸盖的体积骤减,同时减重约3kg(见图8)。

7. 轻量化车身

爱驰汽车U5为一款纯电动中型SUV车型,于2019年12月19日正式上市。爱驰U5车身轻量化系数为2.29,采用“上钢下铝”结构设计:下车身出于轻量化与吸能考虑,采用了多种工艺搭配而成的铝合金结构,如挤压铝合金前碰撞横梁、一体铸造式铝合金减振塔、真空压铸铝合金横梁和纵梁等。上车身出于强度、刚性与成本角度考虑,采用传统钢制结构。此外,翼子板采用PP EPDM TD30材料,实现减重32.8%。据悉,爱驰U5全车共采用了21个热成形零件。A柱、B柱以及车顶纵梁均采用了500MPa热成形钢,车门防撞梁更是创新地采用了2 000MPa热成形钢,W形截面设计,成为全球首发2 000MPa热成形钢量产SUV。具体用材如图9所示。

爱驰在U5车型上大胆采用的河钢唐钢2 000MPa热成形钢,通过成分设计和生产工艺的优化,在强度提高的同时获得了较好的韧性和延展性。通过合金元素的控制,提高了材料的抗氢脆性能,大大降低热成形后服役环境下的延迟开裂风险。U5的车身如图10所示。

由于爱驰U5钢铝混合材料的应用,其车身的连接技术方面大量应用了航天级高强连接工艺,包括SPR、FDS、CMT焊、点焊、以及包括螺栓、套筒在内的紧固连接等。其在全球首次实现同种厚度热成形钢与铝板的SPR(自冲铆连接)连接,并通过先进的FDS和螺栓连接技术实现冷连接,有效克服了超高强钢、铝合金等异种材料难以采用传统的连接方法进行焊接的缺点。

八、结语

有人说汽车轻量化是个伪命题,因为成本高,工艺和加工装备要求有创新,这给整车厂带来很大挑战。但随着汽车电动化的普及和个性化要求的不断提高,轻量化的需求会显得尤其迫切。特别是随着技术进步和新材料的使用,轻量化的各种问题也会慢慢得到解决。

作者:中国汽车工程学会  /  赵宇龙;本文已在《汽车工艺师》 2020年第 06 期 杂志 “  特别策划  ”   栏目P12-P17上发表,转载请注明出处。


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