新材料与工艺手册

[轻量化客车] 热轧汽车结构钢在轻量化商用车上的发展与应用

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发表于 2020-12-31 11:58:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【摘要】对商用车轻量化主要部件(梁架、车轮、桥壳和厢体)所用热轧汽车结构钢的发展与轻量化应用进行了论述,重点介绍了热轧汽车结构钢的典型材料发展历程、强化机理、国内外研发现状及应用水平,深入阐述了近期EVI(Early Vendor Involvement)活动在国内外汽车制造商和钢厂之间的合作模式。最后,提出了国内热轧汽车结构钢在商用车轻量化应用中出现的问题和难点,并展望了热轧汽车结构钢未来的发展未来。
主题词:钢 轻量化 商用车 EVI


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<span]0 序言
近年来随着商用汽车产业的快速发展,对于汽车承载能力、使用寿命、节约能源以及材料升级切换等方面的要求越来越高,热轧汽车结构用钢板的研究也在不断创新中发展。商用半列挂车主要承载部件如纵梁、车桥以及车轮等,在车辆道路行驶过程中近乎承担了车辆整备质量和道路运输货物的全部重量,其动载力学性能对商用半挂车道路行驶安全性和使役寿命极为重要[1-3]。近年来,凭借高强度和优良的综合力学性能,热轧汽车结构用高强钢板的研发取得长足进展[4-5],并成功跻身商用车用钢市场。众多钢铁企业以商用车重点动载结构件(如:纵梁、车轮、冲焊桥壳等)为切入点,从用户设计需求中来,到用户产品应用中去,期间为用户提供全套新车型开发过程中新材料的选择方案以及先进成形工艺,并给出具体部件优化设计和分析解析的“材料优选+技术支持”的全套技术支持[6]。目前,该全套技术支持方式已经成为钢铁产品打入商用车市场不可或缺的先期介入模式(Early Vendor Involvement),即EVI模式。从而钢铁企业陆续开发了不同规格的高强度低合金汽车结构钢,尤其是近年来研发的屈服强度700 MPa 及以上高强度低合金钢,在实现低成本生产高强度板材的同时还明显减轻了车身质量,在商用车轻量化技术领域应用广泛[7]。

1]1]表1 国内700 MPa级析出强化高强钢成分范围和力学能力下限值 (质量分数)%


从表1可见,多数国内钢企在700 MPa级析出强化高强钢添加微合金元素铌(Nb),主要目的是提高汽车结构件的疲劳强度、降低部件质量,实现结构轻量化。其原理是在汽车钢中的铌元素通过细化晶粒、减缓带状组织、优化显微组织、促进析出强化等作用来达到提高钢材的屈服强度、低温韧性、冷成形性、焊接性能以及疲劳性能的基本力学性能和使用性能,进而便于制造复杂的汽车承载构件,提高构件的惯性矩和刚度,并同时提高构件的结构强度,进而达到构件和总成质量减低的目的。铌微合金化对钢材性能的作用见图1[19]。

图1]图1]图2 冷压桥壳钢成形工艺

桥壳钢按冲压方式主要分为2 种:一种为热冲压成型,这是目前桥壳最主要的一种冲压成型方式,所使用的材料则为Q345、16MnL 等抗拉强度在500 MPa以下的钢板,辅以少量的Q420和Q460结构钢以及进口的SMn750,厚度为14 ~20 mm,但由于板料感应加热过程中,材料失去了原有的状态致使强度有所降低,需对热冲压成型件进行淬火才能达到桥壳钢所需的强度要求[25]。此外,这些钢板普遍存在的问题是带状组织比较明显[26],在冲压加工及后续使用过程中存在褶皱、弯曲和开裂现象[27]。另一种为冷冲压成型,但所需材料的强度在600 MPa 以上,可将桥壳的厚度由14~16 mm 降低至12 mm,此方式生产工艺简单,材料利用率高、降低能耗及生产低成本等优点,可实现桥壳轻量化(可减重10%以上)和提高桥壳使用寿命[28]。为顺应中重型商用汽车轻量化发展需求,开发高强度耐疲劳性冷成型用桥壳钢成为大势所需,目前国内钢厂中只有宝钢[29]、武钢[30]、首钢[31]和普钢[32]等少数企业有专门600 MPa级桥壳钢牌号。
作为一类高强度、高塑韧性的新型钢种,贺信莱等人[33]最先提出的弛豫-析出控制相变(RPC)技术并成功应用在系列冷压桥壳钢的开发中,在此基础上,张杰等[34]和房玉佩等[35]研究了快速回火不同温度对Nb-Ti 及Nb-V 复合析出机制的影响;杨庚蔚[36]等研究了Ti-V 微合金化桥壳钢的相变规律和组织性能,强调了卷曲温度的重要性。随着微合金化冷压桥壳钢钢铁冶炼水平和工艺的不断提升,碳量可进一步控制在0.05%~0.09%,甚至更低水平[37],因而削弱了碳对贝氏体/马氏体韧性的不利影响[38],改善了焊接性能的同时,拉延成形性也显著提高,且通过添加微合金元素(Ti、Nb、V 等)进一步提升了钢材的强度[39],被逐步应用于汽车轻量化等对动载疲劳性能要求较高的制造领域[40]。作为车身的重要部件,桥壳钢在使役过程中承担着载货负荷、路面随机载荷、制动及转向等附加应力作用[41],叠加轻量化桥壳材料设计的不断减薄,桥壳焊接接头的焊接性[42-43]、断裂韧性[44-45]、抗疲劳性[46-48]等方面还需在工程应用中进行检验。
目前,宝钢已经在与山东蓬翔车桥厂进行合作开展抗拉强度为800~900 MPa 级重型货车桥壳用钢的开发和应用工作[19]。采用新的桥壳后,桥壳可实现减重50 kg,减重率达20%以上。此外,武钢[49]和首钢[50]也在积极与车桥厂合作开发抗拉强度600 MPa及以上级别桥壳用钢,与原有500 MPa 级C-Mn 热压桥壳钢相比,在提高桥壳强度和疲劳寿命的同时,实现车桥减重10%的目标[19]。但从焊后抗疲劳设计和冷压桥壳钢成分优化角度来进一步推动轻量化材料开发的相关技术尚未见针对性的报道。

1.3 车轮用高强度钢商用车钢制车轮总成结构一般由轮辐和轮辋焊接而成,见图3。较厚规格的轮辐一般采用旋压成形技术来替代传统冲压成形技术,成型工序相对简单,而轮辋的生产则主要包含了下料卷圆、闪光对焊、扩口、辊型、扩张精整等复杂工序。图4 所示的轮辐和轮辋各生产工序均要求车轮钢必须具备良好的塑性、强韧性、焊接性、冷成型性和抗疲劳特性。上世纪80 年代,因生产成本低廉,热成形技术成熟,热轧普碳钢成为当时车轮用钢的主要生产材料,到目前为止仍然是轮辋使用量最多的钢材[51],如330CL、380CL、440CL 等国内已实现批量生产和全规格覆盖。随着近年来车轮轻量化水平的不断提高,车轮用钢向着高强化水平发展而衍生出:低碳微合金钢(如490CL、S550CL、540CL、S550CL 和590CL)、细晶钢(如首钢的SCX400)及高扩孔钢(HR300/450HE、HR440/580HE)4 大类车轮钢产品,具体成分和力学性能实物水平见表2 和表3[52]。在材料选择方面,车轮轮辋材料主要涉及热轧普碳钢、低合金高强钢、铁素体-贝氏体(F-B)双相钢、铁素体-马氏体(F-M)双相钢以及全贝氏体钢[53]。统计数据显示,北美地区车轮生产商在车轮轮辋用钢的选择上偏重于采用热轧普碳钢,约占轮辋用钢量的70%,且逐年呈降低趋势,取而代之的是低合金高强钢的应用逐渐扩大,抗拉强度接近600 MPa[54]。而在欧洲市场,热轧普碳钢的轮辋市场份额虽然占据主导地位,但正在逐步被双相钢挤占,截至2017 年底,2 者市场份额分别约占55%和45%。在同年水平上,我国车轮轮辋用钢依旧以380CL 为代表的热轧普碳钢和低合金高强钢为代表,市场占有率分别约占80%和20%。

图3]图3]图4 重卡车轮生产流程

表2]表2]表3 车轮钢力学性能(一例)[52]


虽然我国在车轮钢的强度级别和应用水平上与国外尚存一定差距,但在商用车轻量化的背景下,作为旋转结构件的车轮在降低自重、降耗、减排方面的作用日渐凸显。据分析,车轮旋转件减重的节能效果相当于同车非旋转件的1.2~1.3 倍[55-56],因此,我国科研机构及众多车轮制造商对低合金高强车轮钢的研发和升级替代正在以380CL 为基础加快研发和推进步伐[57]。继河钢的曾宪平等人[58]采用无硅低碳低合金技术路线成功研制出380CL、420CL系列车轮钢之后,西华大学的盖少飞等人[59]以380CL 车轮钢为基础,研究了影响车轮钢板形表面质量的因素,通过对炼钢工艺以及连铸速度的合理改善,成功试制了490CL车轮钢。东北大学的王宁等人[60]通过对380CL普碳钢进行成分微调以及利用控轧控冷工艺在本钢热连轧生产线上开发研制了晶粒尺寸为4~6 μm,抗拉强度达550 MPa的低成本高强度商用车车轮钢板,最终实现车轮质量减重10%的同时保持了车轮较高的疲劳寿命。武钢研究院的刘永前等人[49]基于低碳380CL的基础体系,通过Nb微合金化技术思路,成功研发了抗拉强度为450~590 MPa 级轮辋用低合金高强钢系列,并在国内外商用车市场应用广泛。重钢的赵启帆等人[61]近期正开展590CL的合金优化设计,轧制工艺设计以及二级参数优化调整等工作,在改善590CL带钢冷成型性及焊接性的同时,提出了800 MPa 级车轮钢的研发设计思路。与此同时,上汽集团的陈少平等人[62]基于Abaqus 软件对800 MPa 高强度钢制车轮开展了动态弯曲应力先期分析工作,对数据分析所得车轮应力危险点部位进行曲面优化,最后完成了与弯曲疲劳台架试验结果的对比分析,但在车轮径向疲劳寿命预测与验证方面,刘建树等人[63]进行了有益的补充。
综上分析可见,我国车轮钢从高强化的钢材研究、车轮结构优化到结构使役行为研究均取得了系列研究进展,但也不难看出,从车轮钢的研究到结构的应用验证,各环节的衔接相对独立,未形成系统。中国汽车工程研究院有限公司[64](简称:中汽研)以国内汽车底盘技术研发、性能评价和工程数据库为基础,是致力于底盘操稳、平顺性、制动性及整车耐久性能的研究与开发的权威机构,拥有K&C 测试台、车轮六分力传感器、底盘性能客观测试等专业评价系统。为此,本文作者借助中汽研的车轮应变传感测试系统,与首钢技术研究院肖宝亮等人[65]以最终车轮应用验证为目标,在本文中通过先期介入车轮制造商的车轮结构仿真优化、定向材料研发以及配套焊接技术[66]等,为车轮企业提供了一款22.5×8.25型车轮的轻量化设计方案及最佳选材方案,成功正向研发了系列低合金高强度车轮钢并在应用中实现车轮减重,同时实现了车轮从设计、特定钢材研究、应用技术集成到结构应用验证的系统性研发。目前,该型车轮质量约35 kg,若能实现车轮质量降低10%以上,整车24 个车轮(含2个备用轮)可实现减重84 kg 以上。本文通过对车轮强度和结构设计、疲劳仿真、轮辋闪光对焊工艺研究等技术工作提出微合金化方案,成功开发了380CL~590CL 系列车轮钢,厚度由5.25 mm 降为4.50 mm,产品样件质量达到了31.5 kg,减重效果显著,从应用验证角度也达到了设计要求,径向疲劳寿命明显提高。

1.4 厢体用高强度钢商用半挂车主要由车厢厢体所在的上装结构件和车架所在的下装结构件组成。作为半挂车上重要的也是质量最大的部件,在减轻半挂车总质量方面具有很大的空间。伴随我国钢铁冶金技术、轧制技术的进步,对新型高强度钢材的研究不断发展,配合有限元精确解析的板形控制技术作为有力支撑,薄规格热轧高强度钢的强度级别不断提高,为商用车车厢结构的整体轻量化提供了技术基础。目前,我国商用半挂车自身重量大,载质量利用系数低,主要问题就存在于材料和结构优化2大方面。我国现存商用半挂车的厢板制造多采用Q345普碳钢居多,使用700 MPa级以上低合金高强钢(HSLA钢)制造轻量化车厢又亟待解决钢板韧性储备问题和焊接软化问题,其中后者对厢板连接强度至关重要。
HSLA 钢的强化方法主要包括细晶强化、位错强化、组织强化和析出强化4类,在商用车减重、节能等方面发挥着重要作用。其中,Ti、Nb 等微合金元素在板坯加热过程中可与碳氮形成一次碳氮化物来降低原奥氏体晶粒尺寸;在TMCP 热机械轧制过程中的组织变形又在HSLA 钢晶粒内贡献了大量的位错储能,具体而言,在TMCP过程中碳氮化物,特别是Nb(C,N),能够有效抑制奥氏体晶粒再结晶,轧机在精轧阶段可为HSLA 钢中的变形奥氏体提供更多的变形带、位错等固态相变组织形核点,2次细化轧后晶粒尺寸;随后通过控制冷却技术来控形控性低碳贝氏体组织,为HSLA 钢提供了组织强化手段;在最冷至570~600 ℃的卷曲阶段,固溶于基体中的Ti、Nb 等微合金元素2次形成弥散沉淀的纳米级析出相[67],并通过Orowan机制为主的析出强化作用再次提高HSLA钢的室温屈服强度。此外,HSLA 钢的制造成本低廉也成为取代Q345普碳钢制造厢板的最理想材料。
但制约HSLA钢成功应用于厢板制造的2大技术问题,即韧性储备低和焊接热影响区软化成为了近几年的研究热点[68-70]。尽管Ti、Nb 等微合金元素都能起到细晶强化与析出强化作用,但相关研究指出,钢中的元素C和N会优先和加入的Ti、Nb形成强化作用较弱的液析大颗粒相,不仅对析出强化效果造成不利影响,同时降低了材料的韧性储备[71-72]。因此,相关学者提出了低碳低氮的合金冶炼思路来降低了液析大颗粒相的数量和尺寸[73],并成功研发了强韧性优良的商用车厢体钢[74-75]。此外,哈尔滨工程大学的张中武等人[76]不仅详尽阐述了HSLA 钢的发展历程、强化机制和韧性机制,还对焊接性能进行了阐述,研究认为HSLA 钢具有良好的焊接性。但对于HSLA 钢固有的焊接热影响区(HAZ)的软化行为并未提及。2019年,西安石油大学的王雷[77]等人系统分析了低碳微合金钢经3 种不同焊接工艺(打底焊、间隙焊和连续焊)焊后热影响区强度降低的原因,明确了焊后强度降低是由于存在焊接HAZ软化区,其形成机制是在焊接热循环作用下原HSLA钢的形变强化组织发生回复与部分再结晶。从强化机制角度看,具体表现为原HSLA 钢应变强化和细晶强化效应的降低,这与本课题立项之初的相关研究结果相吻合[78-83],进一步证实了焊接HAZ 软化是HSLA 钢的固有特性,只可改善,不可消除。为此,本文作者尝试在700 MPa 微合金高强钢中进行硼的微合金化[84],在相同焊接热输入条件下可有效缓解粗晶热影响区(CGHAZ)的软化倾向,为此种高强钢在厢体制造中的进一步推广应用提供了技术参考。

2]2]图5 商用车开发各阶段的EVI模式[6]

3]3]4 应用难点
首先,为实现最佳轻量化设计,“精确”建模分析至关重要,而模型边界约束方式和加载条件直接影响仿真精度。目前,车辆模型分析多在刚性约束条件下开展不同载荷工况分析,忽略了阻尼系统对结构的柔化作用,必然降低了模型优化结果的置信度。因此,如何保证原始结构件的模型精度提高设计置信度成为主要难点。
其次,为达到轻量化目标值,需对“精确”模型进行参数化寻优或拓扑结构优化,从计算仿真层面给出了目标厚度条件下高强钢的匹配方案。高强钢的承载能力提高,对缺陷有较高的敏感度,如何提高板材的强韧性、均匀性和可制造性成为另一难点。
第三,焊接接头作为缺陷综合体,在疲劳载荷作用下裂纹优先萌生。为提高在复杂受力条件下焊接接头的疲劳适应性,针对性地开展材料关键共性技术研究及生产装备的引领与创新同样成为技术难点。

5]5]来源:期刊-《汽车文摘》;作者:张楠1,2 田志凌1 潘辉2 郑江鹏3 侯晓东3
(1.钢铁研究总院;2.首钢技术研究院;3.东莞材料基因高等理工研究院)


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