汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向
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1 先进高强钢在汽车工业中的应用现状
钢铁材料、铝和塑料是制造汽车的 3 大材料。铝合金发 展很快, 已经向钢铁材料在汽车制造中的统治地 位发起挑 战, 其优点是质量轻。从耐载荷与耐疲劳强度看, 如果钢的 强度级别提高到 780MPa 级以上, 则会显示出比铝合金更好 的性能优势[ 5] , 从而诞生了先进高强钢, 其在性能和减重安 全方面对铝合金发起挑战。
国内的宝钢钢铁厂实施了一个汽车轻量化的研究项目, 它包括超轻车身( U LSAB) 、超轻覆盖件( ULSA C) 、超轻悬挂 件( U LSAS) 和超轻概念车项目( ULSAB AV C) , 后者包括一 个 2 门掀背轿车和一个 4 门中级轿车的设计。钢板强度提 高, 板厚就可以减薄, 从而有效减轻车重, 使用高强度钢板代 替原用钢 板后, 车 身板 厚 可由 1. 0 ~ 1. 2mm 减 为 0. 7 ~ 0. 8mm, 从而减轻车重达 15% ~ 20% , ULSA B 和 ULSA C 使 用了大量高强钢, 分别减重 25% 和 30% 。UL SAB AVC 概 念车则达到了五星级的碰撞标准, 且成本低适于家庭购买。 1. 2 国外的应用现状
纵观汽车厂在高强钢使用方面的发展, 尤其是宝马汽车 公司, 近几年的发展速度在欧美地区是较快的。宝马 3 系列 在不同年代上市的汽车用材料的平均最低屈服强度从 1997 年版的 178MPa 猛增到 2004 年版的 294M Pa, 增长了 65% , 屈服强度在 400M Pa 的高强钢的使用比例也大幅度增加, 而 深冲软钢用量大幅减少。
在完成 UL SAB 相关项目( 包 括 U LSASh 和 UL SAC) 后, 阿赛洛( Arcelor) 公司和蒂森( T hyssen ) 公司分别设计制 造了大量采用高强钢的概念车车身, 使车身减重分别达 到 20% 和 24% 。分析其用钢情况, 发现未来车身用软钢大幅度 下降, 而强度等级大于 800M Pa 级的超高强钢显著增加。
日本在高强度汽车板生产和使用方面原本就有明显的 优势。为保持这种优势, 日本于 1997 年启动了 超级钢铁材 料 的国家研究计划, 为期 10 年, 其主要目的是实现钢铁材 料的强度翻番, 寿命翻番。瑞典于 1983 年由 SSAB 钢板公司 最早实现了 A H SS 中的 DP 钢的量产。另外, 美国的通用公 司, 15 年前其车身钢板中 78% 采用低碳钢, 高强钢的使用很 有限; 到 2004 年高强钢的使用率大幅度上升, 低碳钢的使用 率减少至 40% , A H SS 使用率达到 12% ; 2006 年 AH SS 的使 用率已至 18% [11- 13] 。
Key words lig htweig ht, A H SS, hot stamping press, automo bile
0 引言
随着环境恶化和能源紧缺问题的日益加剧, 环保、安全 和节能的考虑成为汽车制造业的主要发展方向。在减少燃 油消耗、减低废气排放的诸多措施中, 降低车重效果最明显。 资料表明, 车重减轻 10% 可节省燃油 3% ~ 7% [1- 4] 。因此汽 车轻量化成为了各大汽车生产厂提高竞争能力的关键。在 汽车轻量化的推动下, 铝合金、镁合金、塑料等零部件的使用 比例逐年增加, 使钢铁在汽车材料中的主导地位 受到了威 胁。鉴于这种情况, 世界各国钢铁公司都花费大量的人力、 物力进行综合性能更优异的钢铁材料的研究。研究汽车用 新型钢铁材料的问题至关重要, 从某种程度上讲, 最终关系 到钢铁工业的生存与发展。
先进高强钢( AH SS ) 的强度( 500~ 1500MPa) 和塑性配 合优于普通高强钢, 并同时具有高强度和较好的成形性, 特 别是加工硬化指数高, 有利于提高冲撞过程中的能量吸收, 所 以其 在 减重 和 安全 性 方面 具 有双 重 优势。用 价格 密度 强度作为指标, 当高强钢强度超过一定值 时, 就会 比 铝合金显示出更大的材料成本优势。由于当前汽车零部件 价格对销售具有绝对影响, 先进高强钢成为汽车公司给普通 汽车减重的首选材料, 已经广泛应用于汽车工业。 1. 1 国内的应用现状
目前, 国内传统高强钢的品种和质量与国外的差距不 大, 相应的国家标准已由宝钢负责制定完成。但是先进高强 钢( AH SS) 与欧美等发达国家和地区还有差距, 使用的标准 也主要是这些国家和地区制定的标准。近几年, 我国汽车工 业的发展非常迅猛, 整体技术水平有了很大的提高, AH SS 的应用也大幅度增加, 有利地促进了国内 A H SS 的开发和生 产。目前, 宝钢、鞍钢、武钢等主要钢铁企业都在积极开发 A H SS。其中宝钢的 AH SS 已形成了一定的批量生产能力, 并负责制定了冷轧 DP 钢国家标准。
为了应对来自非钢材料的挑战, 美国新一代汽车合作组 织 PNGV 进行了 34km / L 车的开发, 欧洲也进行了 100km / 3L 车的开发, 国际钢铁协会( IISI) 的钢铁材料供应厂家从 1994 年至 1998 年联合世界 18 个国家的 35 家钢铁企业共同 推进超轻型钢制车体 ULSAB ( U lt ra ligh t steel auto body) 、 U LSAC( U lt ra light steel auto closure) 、ULSA S( U lt ra light steel aut o suspension) 的研究开发项目。UL SAB 的目标是 在确保车体性能和冲撞安全性能, 且不增加成本的基础上, 通过大量采用高强度钢板, 并应用液压成形技术、激光拼焊 技术等使汽车车重减轻 25% ; U LSAC 的目标是通过采用液 压成形框架结构, 汽车内板部件最佳化, 以及高强钢板的应 用, 使门窗结构减重 25% , 车顶棚和前后盖板减重 30% ; U L SA S 的目标是基于结构分析, 对悬挂件( Suspension) 形式进 行最佳化设计, 并进行强度与成形性的最佳材料选择, 以达 到与铝制超连接悬挂件的质量基本相等, 使成本降低 20% , 其他钢制悬挂件基本不增加成本, 车重减轻 20% ~ 30% 的目
Abstract T he adv antag es of the automobile part s of advanced high str eng th steel( AH SS) in w eig ht lo ss and secur ity ar e ex panded o n, and it s applications in auto mobile indust ry a re also intro duced. Further more, it giv es a re view of t he mater ials and fo rming methods o f hot stamping pr ess technolog y of the A HSS plate. T he main pr oblems o f the ho t stamping press pr ocess ar e po inted o ut. A t last, the development trends in the applicat ions in automo bile in dustry are also for ecasted.
汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向/ 李 扬等
101
汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向*
李 扬, 刘汉武, 杜云慧, 张 鹏
( 北京交通大学机械与电子控制工程学院, 北京 100044)
摘要 阐述了先进高强钢板汽车零部件在减重、安全方面的优势, 介绍了先进 高强钢在汽车工业的 应用现状, 简单阐述了先进高强钢的成形工艺 热冲 压成形 工艺研 究, 指 出了先 进高 强钢热 冲压 成形 过程中 遇到 的主要 问 题, 探讨了先进高强钢 未来的发展趋势。
102
材料导报 A: 综述篇
2011 年 7 月( 上) 第 25 卷第 7 期
来自百度文库
问题。尤其自 2000 年以来, 中国汽车工业迅猛发展, 使以上 安全环保问题日益突出, 为保证汽车工业的健康发展, 各国 制定了相应的法规, 而各国汽车工业认为满足各项严格的法 规要求极为有效的手段是采用高强度轻量化材料。另外, 多 家大型国外汽车厂商已在我国广东省组建合资企业, 并设立 多条整车生产线, 为零部件配套市场提供了很大 的发展空 间, 但大部分关键零部件仍然依赖进口; 同时随着能源的日 益紧张, 新一代节能环保型汽车需求日益增强, 必须利用先 进制造技术, 开发新一代的、具有自主知识产权的关键汽车 零部件, 以提高汽车关键零部件制造水平和整车配套能力, 进而提升我国汽车产业的竞争力。针对以上需求, 先进高强 钢以其绝对的优势胜出, 其最大的优势就是: 提高材料的强 度, 在所要求的性能不变或略有提高的前提下, 减薄板材构 件的厚度, 因而降低构件的质量。
的。 而 ULSA B A VC( ULSAB advanced veh icle concept) 项
目则是国际钢铁协会( IISI) 从 1999 年开始委托 PES ( Por sche engineering service Inc. ) 设计, 由世界上 33 家钢铁公司 共同完成的超轻型钢制车体研究开发项目。该项目主要是 通过灵活运用 ULS AB UL SAS 的成果以及先进钢铁材料, 在车体、外板件、车轴和驱动系统等进行整车综合全面采用 轻量化设计方案。U LSAB AVC 是对到 2004 年达到实用化 的 C Class ( 相当于 1500mL 级别) 和 PNGV Class ( 相当于 2500mL 级别) 车采用先进钢铁材料的轻量化设计方案, 对 1999 年的 2 个级别代表车型实现整车减重 20% ~ 30% 的目 标。
关键词 轻量化 先进高强钢 热冲压 汽车
Applications and Developments of AHSS in Automobile Industry
L I Yang, L IU H anw u, DU Yunhui, ZH A NG Peng
( Schoo l of M echanical, Electro nic and Co nt rol Eng ineering , Beijing Jiaoto ng U niver sity, Beijing 100044)
先进高强钢的出现在很大程度上巩固了钢铁在材料领 域的主导地位。在实际车体制造方面, 近年来高强钢板的应 用在不断提高[ 5] 。国内外开始不断研究先进高强钢的种类
和特性[ 6- 9] 。国际钢铁协会( IISI) 先进高强钢应用指南第三 版中将高强钢分为传统高强钢( Convent ional H SS) 和先进高 强钢( AH SS) 。传统高强钢主要包括碳锰( C Mn) 钢、烘烤 硬化( BH ) 钢、高强度无间隙原子( H SS IF) 钢和高强度低合 金( H SLA) 钢; 先进高强钢( AH SS) 主要包括双相( DP) 钢、相 变诱发塑性( T RIP) 钢、马氏体级( M ) 钢、复相( CP) 钢、热成 形( H F) 钢和孪晶诱发塑性( TWIP) 钢[ 5,10] 。传统的高强钢多 是通过固溶、析出和细化晶粒作为主要强化手段, 而先进高 强钢( AH SS) 是指通过相变进行强化的钢种, 组织中含有马 氏体、贝氏体和/ 或残余奥氏体, 包括双相钢( DP) 、孪晶诱发 塑性( TRIP) 钢、复相钢( CP) 和马氏体级钢( M art) 等。汽车 用先进高强钢( AH S S) 分为热轧、冷轧和热镀锌产品, 其工艺 特点都是通过相变实现强化。
汽车工业的发展、汽车产量和汽车保有量的增加, 在给 人们出行带来方便的同时, 也产生了油耗、安全和环保 3 大
* 国家自然科学基金( 50974010) 李扬: 女, 1985 年生, 硕士生, 研究方向为先进高强钢热冲压成形过程 T el: 010 51468375 E mail: liyanghego ng da@ 126. com
钢铁材料、铝和塑料是制造汽车的 3 大材料。铝合金发 展很快, 已经向钢铁材料在汽车制造中的统治地 位发起挑 战, 其优点是质量轻。从耐载荷与耐疲劳强度看, 如果钢的 强度级别提高到 780MPa 级以上, 则会显示出比铝合金更好 的性能优势[ 5] , 从而诞生了先进高强钢, 其在性能和减重安 全方面对铝合金发起挑战。
国内的宝钢钢铁厂实施了一个汽车轻量化的研究项目, 它包括超轻车身( U LSAB) 、超轻覆盖件( ULSA C) 、超轻悬挂 件( U LSAS) 和超轻概念车项目( ULSAB AV C) , 后者包括一 个 2 门掀背轿车和一个 4 门中级轿车的设计。钢板强度提 高, 板厚就可以减薄, 从而有效减轻车重, 使用高强度钢板代 替原用钢 板后, 车 身板 厚 可由 1. 0 ~ 1. 2mm 减 为 0. 7 ~ 0. 8mm, 从而减轻车重达 15% ~ 20% , ULSA B 和 ULSA C 使 用了大量高强钢, 分别减重 25% 和 30% 。UL SAB AVC 概 念车则达到了五星级的碰撞标准, 且成本低适于家庭购买。 1. 2 国外的应用现状
纵观汽车厂在高强钢使用方面的发展, 尤其是宝马汽车 公司, 近几年的发展速度在欧美地区是较快的。宝马 3 系列 在不同年代上市的汽车用材料的平均最低屈服强度从 1997 年版的 178MPa 猛增到 2004 年版的 294M Pa, 增长了 65% , 屈服强度在 400M Pa 的高强钢的使用比例也大幅度增加, 而 深冲软钢用量大幅减少。
在完成 UL SAB 相关项目( 包 括 U LSASh 和 UL SAC) 后, 阿赛洛( Arcelor) 公司和蒂森( T hyssen ) 公司分别设计制 造了大量采用高强钢的概念车车身, 使车身减重分别达 到 20% 和 24% 。分析其用钢情况, 发现未来车身用软钢大幅度 下降, 而强度等级大于 800M Pa 级的超高强钢显著增加。
日本在高强度汽车板生产和使用方面原本就有明显的 优势。为保持这种优势, 日本于 1997 年启动了 超级钢铁材 料 的国家研究计划, 为期 10 年, 其主要目的是实现钢铁材 料的强度翻番, 寿命翻番。瑞典于 1983 年由 SSAB 钢板公司 最早实现了 A H SS 中的 DP 钢的量产。另外, 美国的通用公 司, 15 年前其车身钢板中 78% 采用低碳钢, 高强钢的使用很 有限; 到 2004 年高强钢的使用率大幅度上升, 低碳钢的使用 率减少至 40% , A H SS 使用率达到 12% ; 2006 年 AH SS 的使 用率已至 18% [11- 13] 。
Key words lig htweig ht, A H SS, hot stamping press, automo bile
0 引言
随着环境恶化和能源紧缺问题的日益加剧, 环保、安全 和节能的考虑成为汽车制造业的主要发展方向。在减少燃 油消耗、减低废气排放的诸多措施中, 降低车重效果最明显。 资料表明, 车重减轻 10% 可节省燃油 3% ~ 7% [1- 4] 。因此汽 车轻量化成为了各大汽车生产厂提高竞争能力的关键。在 汽车轻量化的推动下, 铝合金、镁合金、塑料等零部件的使用 比例逐年增加, 使钢铁在汽车材料中的主导地位 受到了威 胁。鉴于这种情况, 世界各国钢铁公司都花费大量的人力、 物力进行综合性能更优异的钢铁材料的研究。研究汽车用 新型钢铁材料的问题至关重要, 从某种程度上讲, 最终关系 到钢铁工业的生存与发展。
先进高强钢( AH SS ) 的强度( 500~ 1500MPa) 和塑性配 合优于普通高强钢, 并同时具有高强度和较好的成形性, 特 别是加工硬化指数高, 有利于提高冲撞过程中的能量吸收, 所 以其 在 减重 和 安全 性 方面 具 有双 重 优势。用 价格 密度 强度作为指标, 当高强钢强度超过一定值 时, 就会 比 铝合金显示出更大的材料成本优势。由于当前汽车零部件 价格对销售具有绝对影响, 先进高强钢成为汽车公司给普通 汽车减重的首选材料, 已经广泛应用于汽车工业。 1. 1 国内的应用现状
目前, 国内传统高强钢的品种和质量与国外的差距不 大, 相应的国家标准已由宝钢负责制定完成。但是先进高强 钢( AH SS) 与欧美等发达国家和地区还有差距, 使用的标准 也主要是这些国家和地区制定的标准。近几年, 我国汽车工 业的发展非常迅猛, 整体技术水平有了很大的提高, AH SS 的应用也大幅度增加, 有利地促进了国内 A H SS 的开发和生 产。目前, 宝钢、鞍钢、武钢等主要钢铁企业都在积极开发 A H SS。其中宝钢的 AH SS 已形成了一定的批量生产能力, 并负责制定了冷轧 DP 钢国家标准。
为了应对来自非钢材料的挑战, 美国新一代汽车合作组 织 PNGV 进行了 34km / L 车的开发, 欧洲也进行了 100km / 3L 车的开发, 国际钢铁协会( IISI) 的钢铁材料供应厂家从 1994 年至 1998 年联合世界 18 个国家的 35 家钢铁企业共同 推进超轻型钢制车体 ULSAB ( U lt ra ligh t steel auto body) 、 U LSAC( U lt ra light steel auto closure) 、ULSA S( U lt ra light steel aut o suspension) 的研究开发项目。UL SAB 的目标是 在确保车体性能和冲撞安全性能, 且不增加成本的基础上, 通过大量采用高强度钢板, 并应用液压成形技术、激光拼焊 技术等使汽车车重减轻 25% ; U LSAC 的目标是通过采用液 压成形框架结构, 汽车内板部件最佳化, 以及高强钢板的应 用, 使门窗结构减重 25% , 车顶棚和前后盖板减重 30% ; U L SA S 的目标是基于结构分析, 对悬挂件( Suspension) 形式进 行最佳化设计, 并进行强度与成形性的最佳材料选择, 以达 到与铝制超连接悬挂件的质量基本相等, 使成本降低 20% , 其他钢制悬挂件基本不增加成本, 车重减轻 20% ~ 30% 的目
Abstract T he adv antag es of the automobile part s of advanced high str eng th steel( AH SS) in w eig ht lo ss and secur ity ar e ex panded o n, and it s applications in auto mobile indust ry a re also intro duced. Further more, it giv es a re view of t he mater ials and fo rming methods o f hot stamping pr ess technolog y of the A HSS plate. T he main pr oblems o f the ho t stamping press pr ocess ar e po inted o ut. A t last, the development trends in the applicat ions in automo bile in dustry are also for ecasted.
汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向/ 李 扬等
101
汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向*
李 扬, 刘汉武, 杜云慧, 张 鹏
( 北京交通大学机械与电子控制工程学院, 北京 100044)
摘要 阐述了先进高强钢板汽车零部件在减重、安全方面的优势, 介绍了先进 高强钢在汽车工业的 应用现状, 简单阐述了先进高强钢的成形工艺 热冲 压成形 工艺研 究, 指 出了先 进高 强钢热 冲压 成形 过程中 遇到 的主要 问 题, 探讨了先进高强钢 未来的发展趋势。
102
材料导报 A: 综述篇
2011 年 7 月( 上) 第 25 卷第 7 期
来自百度文库
问题。尤其自 2000 年以来, 中国汽车工业迅猛发展, 使以上 安全环保问题日益突出, 为保证汽车工业的健康发展, 各国 制定了相应的法规, 而各国汽车工业认为满足各项严格的法 规要求极为有效的手段是采用高强度轻量化材料。另外, 多 家大型国外汽车厂商已在我国广东省组建合资企业, 并设立 多条整车生产线, 为零部件配套市场提供了很大 的发展空 间, 但大部分关键零部件仍然依赖进口; 同时随着能源的日 益紧张, 新一代节能环保型汽车需求日益增强, 必须利用先 进制造技术, 开发新一代的、具有自主知识产权的关键汽车 零部件, 以提高汽车关键零部件制造水平和整车配套能力, 进而提升我国汽车产业的竞争力。针对以上需求, 先进高强 钢以其绝对的优势胜出, 其最大的优势就是: 提高材料的强 度, 在所要求的性能不变或略有提高的前提下, 减薄板材构 件的厚度, 因而降低构件的质量。
的。 而 ULSA B A VC( ULSAB advanced veh icle concept) 项
目则是国际钢铁协会( IISI) 从 1999 年开始委托 PES ( Por sche engineering service Inc. ) 设计, 由世界上 33 家钢铁公司 共同完成的超轻型钢制车体研究开发项目。该项目主要是 通过灵活运用 ULS AB UL SAS 的成果以及先进钢铁材料, 在车体、外板件、车轴和驱动系统等进行整车综合全面采用 轻量化设计方案。U LSAB AVC 是对到 2004 年达到实用化 的 C Class ( 相当于 1500mL 级别) 和 PNGV Class ( 相当于 2500mL 级别) 车采用先进钢铁材料的轻量化设计方案, 对 1999 年的 2 个级别代表车型实现整车减重 20% ~ 30% 的目 标。
关键词 轻量化 先进高强钢 热冲压 汽车
Applications and Developments of AHSS in Automobile Industry
L I Yang, L IU H anw u, DU Yunhui, ZH A NG Peng
( Schoo l of M echanical, Electro nic and Co nt rol Eng ineering , Beijing Jiaoto ng U niver sity, Beijing 100044)
先进高强钢的出现在很大程度上巩固了钢铁在材料领 域的主导地位。在实际车体制造方面, 近年来高强钢板的应 用在不断提高[ 5] 。国内外开始不断研究先进高强钢的种类
和特性[ 6- 9] 。国际钢铁协会( IISI) 先进高强钢应用指南第三 版中将高强钢分为传统高强钢( Convent ional H SS) 和先进高 强钢( AH SS) 。传统高强钢主要包括碳锰( C Mn) 钢、烘烤 硬化( BH ) 钢、高强度无间隙原子( H SS IF) 钢和高强度低合 金( H SLA) 钢; 先进高强钢( AH SS) 主要包括双相( DP) 钢、相 变诱发塑性( T RIP) 钢、马氏体级( M ) 钢、复相( CP) 钢、热成 形( H F) 钢和孪晶诱发塑性( TWIP) 钢[ 5,10] 。传统的高强钢多 是通过固溶、析出和细化晶粒作为主要强化手段, 而先进高 强钢( AH SS) 是指通过相变进行强化的钢种, 组织中含有马 氏体、贝氏体和/ 或残余奥氏体, 包括双相钢( DP) 、孪晶诱发 塑性( TRIP) 钢、复相钢( CP) 和马氏体级钢( M art) 等。汽车 用先进高强钢( AH S S) 分为热轧、冷轧和热镀锌产品, 其工艺 特点都是通过相变实现强化。
汽车工业的发展、汽车产量和汽车保有量的增加, 在给 人们出行带来方便的同时, 也产生了油耗、安全和环保 3 大
* 国家自然科学基金( 50974010) 李扬: 女, 1985 年生, 硕士生, 研究方向为先进高强钢热冲压成形过程 T el: 010 51468375 E mail: liyanghego ng da@ 126. com