含铌高硬度钢促进汽车轻量化

编者注

“节能降耗、碳达峰、碳中和”已在世界范围内产生高度共识。 汽车行业节能降耗是各国汽车技术发展的驱动力。 汽车轻量化是节能降耗的大趋势，也是当前和未来汽车技术发展的主要方向之一。 快速发展的汽车产业也给我国节能降耗目标带来巨大挑战。 高硬度钢，特别是含铌微合金化高硬度钢，因其成本较低、制造工艺成熟、性能优良而成为汽车轻量化的首选材料。 其大规模采用，使得汽车轻量化技术在国外取得了长足的进步。 本期将发布这份报告，让读者了解我国汽车轻量化表现。

2021年，中国汽车销量超过2652.8万辆，连续多年位居全球第一。 乘用车已进入家庭钢结构用材，中国市场已成为各车企竞争的舞台。 与此同时，中国自主品牌汽车异军突起，成为中国汽车工业的主力军。

01、减少高强钢用量，保证车辆轻量化

车辆大多由高强度钢和数千个零件组装而成。 据兴业金属公司负责汽车新材料开发的卢洪洲博士介绍，汽车一般由车身、发动机、底盘和电气设备四大部分组成。 其中车身、发动机和底盘强烈依赖金属材料和制造工艺的发展。 。

回顾我国汽车轻量化发展历程，过去几年，自主品牌乘用车车身高硬度钢用量平均不足30%，高硬度钢用量在不少自主品牌乘用车身上这一比例甚至超过了10%。 与国际先进水平存在巨大差距。 经过整车总装单位和兴业金属的协同合作和多年努力，2021年先进高硬度钢材在我国自主品牌卡车上的应用率已达到60%以上，达到国际先进水平。

目前，汽车轻量化已上升到国家战略高度。 除了《中国制造2025》将轻量化列为节能与新能源汽车发展核心技术外，住建部、国家发改委、科技部科技部等国家部委相继出台专项规划。 ，还多次对轻量化技术的发展提出了具体要求。

“绿水青山就是金山银山”。 在众多节省汽车能源的方式中，轻量化一直被认为是最有效、最常见的实现方式之一。 行业研究表明，车辆每减轻 10% 的重量，就能节省 6%-8% 的燃油。 乘用车整备质量每减少100kg，百公里油耗可增加0.3L-0.6L。 高硬度钢的开发和应用是汽车轻量化的重要途径。

2010年，我国铌微合金车用厚板产值不足500万吨。 到2021年，铌微合金汽车厚板产值将接近2000万吨，占整体汽车用钢的40%左右，有力支撑了我国汽车工业的发展和节能降耗的进程。汽车工业。

02、金中掺杂铌，提高了钢材的性能和质量，保证了红色车辆的安全。

围绕国内外车用钢开发应用的差异，兴业金属与国外校企使用的产业链各方共同准备了50多个产业链技术合作项目，并相继研发出轻量化前叉轻量化车轮上下游及材料、轻量化悬架及材料、轻量化车身预制件及材料、轻量化半挂车及车身及材料、高性能蜗轮及材料等一系列高性能成套解决方案。高性能轻型车辆总成和零件。

从客车用高强钢的开发和使用情况来看，卢洪洲认为，近年来国外热注塑钢件用量猛增，铌微合金材料的性能有所提高。 近十几年来，中国乘用车已开始批量应用热注塑钢件，年生产能力超过1亿件。 然而，热成型零件存在硬度不足和氢脆延迟断裂的问题。 为了解决新型热注塑车辆部件弯曲性能不足，导致预制件在高速碰撞时过早断裂，对驾驶员和乘客造成伤害，保时捷和保时捷要求热成型钢的弯曲角度必须超过60度和65度（热注塑件需取样进行弯曲测试后才能购买和使用。国外上下游合作创新性地提出利用铌微合金化开发具有高弯曲性能和抗弯性能的热注塑钢氢致延迟开裂；国外钢厂与车企合作，通过复合微合金渗透性改善热成型钢的淬透性，扩大工艺窗口，提高冷弯性能和抗氢脆延迟断裂性能。所开发的硬质合金的性能和抗氢脆性能比传统热成型钢22MnBMnB5提高了10%以上。 该新材料已应用于多家整车企业、多款车型，保证车辆的被动安全性能，相关创新荣获汽车工业科技进步奖银奖。 2021年，含铌热成型钢年产值近10万吨。

不同车型的图片

研究应用问题背后的科学问题，并通过氢脆机理提出改善氢脆的解决方案。 采用冷链原子探针色谱技术，以氢核素氘为介质，系统研究了渗碳铌的氢键、位错和氢陷阱机制。 这篇发表在顶级期刊《科学》上，提出了高硬度的想法。 阐述了车辆用钢氢脆的四种触发条件，并阐述了基于HELP、裂纹钝化和HEDE的氢脆新机理。 一系列宏观实验结果与微观观察结果一致。 在此基础上，进一步建立了含铌热成型钢和热注塑件的制造工艺。

充分发挥铌在双相钢中的重要作用，显着提高其冷弯和扩孔成形性能。 本世纪初，客车车身使用的双相钢基本为DP590。 随着汽车轻量化的快速发展，DP780、DP980等更高硬度的双相钢越来越受到关注。 应用。 为了提高高强度双相钢的冷弯和扩孔成形性能，铌发挥着重要作用。 铌在双相钢中的作用是通过细化双相组织来提高材料的成形性。 2013年，国外完成了含铌DP780热轧厚板的开发。 通过采用含铌低碳成分设计，材料的组织得到显着改善，冷弯、扩孔等成形性能得到大幅改善。 为了解决零件剪切边缘脱落的问题钢结构用材，铺设材料保护。

车辆轻量化、高强度HSLA钢用量大，稳定性问题随着硬度的增加很容易解决。 高强度低合金钢主要用于下A柱加强件、门槛延伸件、前外框架、内B柱、后底盘支架和内侧框架等，在乘用车中占有较大比例白车身。 它是白车身使用的主要钢材。 随着汽车轻量化的发展，白车身用热轧高强低合金钢的硬度越来越高，逐渐从屈服硬度260MPa水平发展到明天的800MPa水平，同时高强热轧HSLA厚板的硬度稳定性控制是一个行业难题。 因此，2015年，我们通过与国外小钢厂的合作，通过轧机的优化和连续后退工艺，成功解决了厚板硬度稳定性随材料硬度不断增加而恶化的困境， ——轧辊性能差值小于20MPa的钢卷比例由72%提高到98%以上，最大性能波动由94MPa提高到43MPa，卷内性能稳定性显着提高。

利用传统生产线生产含铌Q&P钢，为乘用车轻量化提供了新的选择。 随着乘用车轻量化发展的需求，Q&P钢已研发成功，并在国外专业生产线上投入实际应用。 如何在传统生产线上生产Q&P钢是一个重要的问题。 2018年，光大金属与武钢合作，在传统生产线的基础上，开发出1000MPa级含铌高硬度、高脆性、低成本的第三代先进高硬度钢。 该材料具有与专用生产线材料相当的性能。 零部件已在车辆工厂进行测试。 试生产，注塑工艺稳定，零件规格准确，满足整车厂家要求。

从脱落问题引导入手，加快车辆材料卡改造。 碰撞脱落和成型脱落的预防和控制主要基于材料特性、同时分析的准确性和制造过程的控制。 除了利用铌微合金化等成分优化和工艺优化来提高材料性能、精确的材料破裂卡和材料本构之外，至关重要的是，在过去的五年里，我们与相关研究和测试机构合作，开发了用于热轧材料的材料卡。 -型钢、双相钢等含铌和不含铌材料，完成了零件的剪边剪切模拟、零件碰撞模拟、零件的成型试制和零件落锤冲击试验，建立了闭环材料打卡-成型模拟-零件试制-零件碰撞，推动整车向前发展。

从性能、成型、成本等多个维度推动车辆正向选材。 基于“车身环结构”、“新材料卡”、“成本模型”等，开发了车身正向材料选择系统（MISS系统），将车身材料选择与碰撞性能、车身挠度、成型等联系起来。减量、成本控制。 连接从基于经验转变为基于逻辑判断，并向全行业免费开放，为未来车辆开发和合理选型提供了新路径，确保“对的地方用对的材料” ”。

从商用车高强钢的开发和使用情况来看，陆洪洲介绍，外资企业已连续三年起草人大法案。 商用车拥挤控制和轻量化引起高层重视，组织协同技术攻关，推动节能减排。 提高产品质量和性能。 在商用车轻量化方面，前几年，商用车拉力界纷纷指出多拉跑路，导致严重拥挤。 而且商用车主要采用510L、330CL、380CL、Q235、Q345等传统材料，严重阻碍了新材料、新工艺、新设计的应用，导致自主品牌商用车与加拿大商用车质量存在差异。商务车辆。 差异巨大。 兴业金属连续两年向省人大撰写法案，如2016年提交的《关于改善货车市场需求和结构调整的议案》、《关于鼓励使用轻型商用车产品促进轻型商用车产品推广的议案》等。 《2015年节能降耗》、《减轻大气污染的建议》等。据悉，光大金属还与上下装配业合作，开发轻量化前叉、车轮、拖车等，以增加煤炭消耗和排放经过上下游产业通力协作和近六年的技术攻关，大量新零部件、新材料得到应用，商用车整体减重15%左右，煤炭消耗增加和排放，并提高产品性能和质量。

车辆重量的减轻提高了运输效率，减少了对道路的破坏，使运输更红更环保。 特别是促进了上游原材料行业和零部件制造业的技术提升，也为新的GB1589国家标准和新的国家超限政策的实施奠定了基础。 汽车轻量化促进汽车节能降耗、被动安全等性能提升，从而提高产品竞争力。 同时促进零部件制造业、模具工业、热处理炉工业、成形连接兵器工业的技术进步，促进我国机械制造业的整体技术进步。 汽车轻量化有效减少了原材料的使用，提高了高性能材料的应用，对我国“供给侧结构性转变”具有重要的推动作用。 经过上下游企业多年的努力，610L、700L、750L、540CL、590CL等铌微合金化高硬度钢材料已得到大量使用。

校企联合研发车轮钢入选车辆工业科技进步奖。 国外产学研用单位密切合作，生产出轻量化钢轮成套技术，荣获2018年度中国车辆工业科学技术进步奖。 设计制造的22.5×9.00钢轮，承载能力为4000Kg。 在满足各种性能要求的前提下，单轮重量为41Kg。 已大批量供应商用车企业。 我们为国外市场设计和制造22.5×9.00钢轮，负载能力为3550Kg。 在满足所有性能要求的前提下，单轮重量约为37Kg。 已大批量供应北汽福田、中国陕汽。 专为国内市场设计制造的22.5×8.25钢轮，承载能力为3350Kg，自重约为31.6Kg。 达到国际先进水平并已批量出口。 外观美观的高通风钢轮的开发，为客车钢轮的研制提供了新途径。 近三年研发出矿用自卸车专用轻量化车轮。 车轮重量从60多公斤减至50公斤以下。 首轮道路试验已完成，将为矿用自卸车轻量化、节能降耗、增加成本提供新方法。 选择。

轮钢硬度明显下降，与美国的差距正在逐步缩小。 随着国外商用车轻量化的发展，前叉钢材的硬度明显下降，与美国的差距逐渐缩小。 这几年，前叉钢的硬度逐渐从以前的510L变为700L以上。 高硬度级厚板。 2012年，国外开发出轮对用高硬度钢，带动了商用车高强度材料的发展需求。 近年来陆续开发出高疲劳性能700L、750L。 疲劳硬度显着提升，解决了前叉疲劳失效、三边冲孔缺陷、梁钢疲劳硬度不足等问题，产生了商用车车轮轻量化的全套解决方案。 群组应用程序保护。

作者|夏杰森