轻量化技术

随着全球不断变暖，为了防止温室效应和酸雨等问题，汽车轻量化迫在眉睫，轻量化材料的使用也在不断增加。欧洲铝协研究数据表明，若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；若滚动阻力减少10%，燃油效率可提高3%；若车桥、变速器等机构的传动效率提高10%，燃油效率可提高7%。具体从绝对量来说，汽车质量每降低100kg，每百公里可节约0.6L燃油。但是需要强调的是：汽车轻量化不仅仅是指汽车质量的下降，而是在保证汽车整体质量和性能不受影响的前提下，采用现代设计方法对汽车产品进行优化设计，或使用新材料最大限度地减轻各零部件的质量，努力谋求高输出功率、低噪声、低振动和良好的操纵性、高可靠性等，从而达到降低燃油消耗、减少污染排放的目的。为了实现汽车轻量化，目前主要途径有以下几个方面：结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺。结构优化的主要任务是在满足工艺要求的前提下进行结构形状和尺寸设计，主要包括尺寸优化、形状优化、拓扑优化和多学科设计优化。基体的各种优化方法比较间表1。在轻量化技术中，轻量化材料的开发和应用是当前最主要研究方向。在轻量化材料的使用方面，用高强度钢和铝、镁合金替代普通钢来制造汽车主要承载构件已成为一个发展趋势。此外，塑料、复合材料、精细陶瓷也被应用到汽车结构中。其中，使用高强度钢、玻璃纤维复合材料、铝、镁、碳纤维复合材料代替原本的低碳钢可分别减轻质量15%～25%、25%～35%、40%～50%、55%～60%、55%～60%。图1为轻量化材料在汽车中的应用部位图。表1结构优化设计方法对比汽车轻量化材料—高强度钢。国际钢铁协会根据钢的构造及强度水准，将抗张力在270MPa以下的划分为一般强度钢（软质钢、低强度钢），抗张力在270～700MPa的为高强度钢，抗张力超过700MPa的为先进高强度钢，1000MPa以上的为超高强度钢。另外关于热轧高强度钢板，是根据ISO4996及ISO595标准予以定义。与使用一般钢铁材料的汽车相比，高强度钢板制造过程中能量的增加非常小，因此使用高强度钢板的汽车在能源节省方面效果非常明显。具有以下特点，优点：a.与非铁材料相比，价格便宜b.强度范围较广c.与其它材料相比，用途和机能特性更广，成形性也非常优秀d.材料再利用性比较优秀e.与其它材料相比，焊接、共轭能力更好f.冲撞时，安全性更高g.内构造抗老化强度更好。缺点：a.随着高强钢强度增加，其塑性可能会随之下降，使得在冲床加工时，更容易出现因破裂、皱褶、弹性后效等方面导致不良品b.在拉伸强度大于1200MPa时，在腐蚀环境或空气中含氢较多时，会发生电位转移和晶体扩散等现象，导致材料延迟断裂的可能性增大c.随着高强度钢板使用的增加，以及钢板不断地变薄，导致车体和零部件的韧度下降d.材料强度不断增加的同时，冲床加工时所需的加工力也不断变大，对工模具的要求提高。不同钢种车身质量所占比见图2。图1汽车轻量化材料在汽车车中的应用①BH钢板超低碳烘烤硬化钢板（BakeHardenableSteel）是以超低碳钢为基础，通过添加微量元素Nb或Ti而制成的烘烤硬化冷轧钢板，在车身外板中得到应用。这种钢板在160～180℃的条件下通过冲床成型后，在涂装过程中通过碳素稳定的特性以提高屈服强度。与此同anti-dentability（抗凹性）得到提高，并且能减小门把手在承受强的屈服应力时表面变形的问题。②IF钢在需要边外版图的深度图像成型时，使用异方性系数R较高的IF钢（InterstitialFreesteel)。IF钢是以超低碳钢为基础，由于C、N含量低，加入一定量的钛（Ti）、铌（Nb）等强碳氮化合物形成元素，再将超低碳钢中的碳、氮等间隙原子完全固定为碳氮化合物，从而得到的无间隙原子的洁净铁素体钢，即为超低碳无间隙原子钢。因为其具有不老化性，所以能提高冲床成型性。为了得到高的R值，还需在提高冷轧率和烧纯温度的同时，更好的控制烧纯集合组织及发展相关工艺。③沉淀硬化钢板沉淀硬化钢板是在低碳型钢基础上，添加Nb、Ti、V等合金元素，干扰其沉淀硬化过程中析出不同类型和数量的碳化物、氮化物、碳氮化物及金属间化合物的电位移动，以提高钢的强度并保持足够韧性的一类高强度钢。④DP钢DP钢板是（DualPhasesteel）由马氏体、奥氏体或贝氏体与铁素体基体两相组织构成的钢。因为在铁素体和马氏体的交界处存在很多的可移动电位，且铁素体的体积较大，所以相对来说，DP钢板是具有高强度和高延性的新型冲压用钢，将其在退火炉中加热后骤冷至Ms温度以下时，时效得到延迟。因此，DP钢板具有很好的硬化性。另外，DP钢板变形初期，因为在低变形率时，加工硬化指数N的数值很高，随着变形率的增加，强度也会不断变大，所以非常适用于需要深拉伸性和延长性图2不同钢种在车身不同钢种车身质量所占比的难成型零部件。但是马氏体和铁素体的塑性变形能力有着很大差异，所以DP钢板的拉伸凸缘性不是很好。⑤TRIP钢板TRIP钢和DP钢一样，都是含有铁素体和奥氏体的双相钢，但是其在Ms以上400°C的贝氏体变形区域附近，通过维持1分钟的徐冷处理（奥氏体回火），使得铁素体和奥氏体分散，从而在增强强度的同时，提高了延伸性。此时通过相变诱导塑性效应而使钢板中残余奥氏体（fcc）在塑性变形作用下诱发马氏体形核，引入相变强化和塑性增长机制，提高钢板的强度和韧性。TRIP钢通过TRIP效应，使得在高变形区时N值提高，跟DP钢相比具有均一延展率高的特点。TRIP钢虽然异方性指数R值比较低，但在深冲压工艺中，通过诱发马氏体形核，使其强度增加，抑制断裂，所以TRIP钢的深拉性很优秀。另外，TRIP钢大约含有10%的残留奥氏体，碳素成分比DP钢高，因此电焊时要十分注意。⑥FB钢FB钢是由微量铁素体和贝氏体组成的双相钢。因为其有出色的延伸和延展性，所以是非常适用于轮盘上的热轧钢板。与统一强度的HSLA钢和DP钢相比，FB钢具备更高的加工硬化指数和全延伸率以及更好的加工面全段延伸性。因其焊接能力好，所以在需要优秀冲撞性能及耐久性的零件“特制板坯”中也可以使用。⑦TWIP钢孪生诱发塑性钢是在含有15%～35%Mn的高锰钢的基础上加入少量铝（0.1%～6.0%）的延伸性较高的钢。铝的作用是提高堆垛层错能，强化奥氏体的稳定性，抑制其变异为马氏体。TWIP钢利用了高锰钢中的奥氏体组织在常温下塑性变形时，不会变异为马氏体，此外通过在{111}r112界面孪生变形的同时吸收外部应力提高自身的强度等特征，使内部变形能均衡进行。一般的由Fe-25Mn-0.5C-1.5Al组成的TWIP钢是POSCO在1994年初次开发，最近在菲亚特的“newpanda”（新熊猫车型）保险杠中得到运用。最近，以德国MAxPlanck研究所的研究结果为基础，在欧洲各个钢铁企业，尤Fe-18Mn-0.6C-1.5Al-NbV组成，名叫HSDS（HighStrengthDuctileSteel的钢投入使用。另外，锰含量在降低到10%左右的低锰（leanMn-type）TWIP钢也已研发出来。与一般高强度钢相比，通过孪生诱发变形的TWIP钢具有在塑性变形中加工硬化速度较慢的特点。另外，DP钢和TWIP钢对氢致脆化比较敏感，因此在加工过程中，易出现延迟破损的情况。但是加工后奥氏体组织不变的TWIP钢，抗氢致脆化性比较强，没有观察到延迟破损等情况的发生。并且TWIP钢在低温时，强度不会像铁素体钢那样急增，脆性-延展性导致的变异温度较低，因此其具有在低温下使用的长处。另外，因为TWIP钢中添加锰、铝等物质均比铁轻，所以TWIP钢的密度较低，约为7.3g/cm3（铁大约为7.86g/cm3）。此外，由100%马氏体组成的MART（Martensit⁃icSteel）钢，在铁素体和贝氏体中含有少量马氏体和残留奥氏体，以及含有珍珠岩、Ti、Nb等析出物的复合组合型CP钢（ComplexPhasessteel）也已被研发并应用。德国MaxPlanck研究所ThyssenKrupp联手，正在研发在比较重的钢板中加入5%～10%的Al等轻量元素，以得到低质量的新概念轻型钢（lightweightsteel），此钢将很快实投入生产。DP钢、TRIP钢、FB钢与析出强化型钢相比，延展性强，是冶金业的新型产物，同时可被叫做尖端高强度钢（AHSS）。高强钢和其它轻量化材料性能及应用对比见表3。实现汽车轻量化的先进工艺主要包括液压成型技术和激光焊接技术。液压成型技术。20世纪70年代末期，德国率先开始对管材液压成型技术进行基础性研究，并于20世纪90年代初率先采用管材液压成型技术制造汽车构件，该技术因1994年的“ULSAB”计划的开展而得到快速发展。与传统的冲压-焊接工艺相比，液压成型技术可降低11%的零件成本、14%的设备成本、减轻零件7.3%的质量，目前，已有超过50%的汽车底盘装配有液压成型产品。激光焊接技术是20世纪60年代发展起来的以高能量密度的激光为热源的精密焊接技术。其应用包括汽车零件的激光焊接、板材的激光焊机、车身激光焊接，激光焊接已成为汽车制造生产中最主要的焊接方法之一。液压成型技术和激光焊接技术的比较见表3。总之，要实现汽车的轻量化应该从多个途径入手，同时注意相关配套设备的设计与制造。可以用图3来表示汽车轻量化技术的框架。表2轻量化材料性能及应用对比表3先进制造工艺对比图3轻量化技术框架