我会对浦项GIGA级钢在车身和底盘方面的应用进行说明,铝、镁合金在车身制造中尚未大规模应用

7月12日-13日,“2018中国汽车轻量化产业高峰论坛”在上海隆重举行,论坛以“新技术、新材料、新工艺“为主题,旨在降低汽车自身重量同时提高输出功率、降低噪声、提升操控性和安全性,并对汽车轻量化政策趋势发展、整车轻量化平台化设计方案、关键零部件轻量化技术开发及汽车轻量化多材料应用及成本控制分析等问题展开探讨。

目前,全球中型乘用车平均质量约为1200~1400kg,发达国家力争在2015年将中型乘用车整车质量减轻到1000 kg以下。实现汽车轻量化主要有以下几种途径:一是采用轻质材料,如使用低密度的铝及铝合金、镁及镁合金、工程塑料或碳纤维复合材料等;二是使用高强度钢替代普通钢材,降低钢板厚度规格;三是采用先进的制造工艺,如激光拼焊、液压成形、铝合金低压铸造及半固态成型技术;四是优化结构设计,即对汽车车身、底盘、发动机等零部件进行结构优化,采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等。1.2 汽车材料的应用趋势近年来,轻质材料的应用逐渐增多,汽车内饰件业已塑料化;铝、镁合金主要以铸件或锻件的形式应用于汽车发动机、变速器等零部件上,以及豪华车和特种车辆的车身制造中。由于成本高、成型工艺复杂及焊接性差等原因,铝、镁合金在车身制造中尚未大规模应用。

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高强度钢在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面较铝、镁合金具有明显的优势,能够满足减轻汽车质量和提高碰撞安全性能的双重需要,从成本与性能角度来看,是满足车身轻量化、提高碰撞安全性的最佳材料。除了疲劳强度外,高强度钢在应用中的各个性能指标均正比于板厚和相应的材料性能的n 次方的乘积。如压溃强度Ps∝tσb2n、撞击吸能AE =t 2σb2n 等。

浦项研究专员秦永薰

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浦项研究专员秦永薰介绍了POSCO千兆钢在新能源汽车轻量化中的应用,以下是演讲实录:

因此,高强度钢板能够大幅度增加零件的抗变形能力,提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。高强度钢应用于汽车零件上,可以通过减薄零件厚度来减轻车身质量;当钢板厚度分别减少0.05、0.10、0.15 mm时车身可减重6%、12%、18%。车身用钢向高强度化发展已经成为趋势。2高强度钢的强化机理与分类2.1 高强度钢的强化机理高强度钢的强化机制主要有固溶强化、析出强化、组织强化、烘烤硬化、细晶强化。

我是浦项中国SMC技术营销中心秦永薰博士,现在要向大家说明的是关于“电动车轻量化能做到多少”方面浦项GIGA级钢的应用情况。

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我会对浦项GIGA级钢在车身和底盘方面的应用进行说明。

高强度钢的主要种类

我们在图上可以看到,汽车尾气占到总温室气体排放量的四分之一,因此关于乘用车二氧化碳排放的规定也越来越严格。

根据强度分类,屈服强度在210~550 MPa和抗拉强度在270~700 MPa的钢为高强钢,而屈服强度大于550 MPa和抗拉强度大于700 MPa的钢为超高强钢。如果根据冶金学特征进行分类,分为普通高强度钢(C-Mn钢、高强度IF钢、BH钢、IS钢、HSLA钢)和先进高强度钢(DP、CP、TRIP、M、HF)。

对汽车来说安全性是最重要的。图上是美国高速公路安全保险协会做的一个测试,是用1959年的汽车和2009年的汽车进行正面碰撞测试。从图中可以看到2009年的车对比1959年的车,无论在设计方面还是钢材方面都更优秀。

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对电动汽车来说,安全也不能成为例外,特别是对于电动汽车来说它搭载了大容量、高电压的电池,所以电池的保护也非常重要。因此需要应用高强钢,既能降低重量,又能提高安全性。浦项为了车辆的轻量化和安全性,现在正在开发更高强度的钢材。如图,横轴是强度,纵轴是延伸率,一般的钢材强度增加延伸率会降低,蓝色的部分是AHSS浦项已经量产,现在的开发方向是研究更高强度、更高延伸率的钢材。

高强度钢高强度IF钢属于固溶强化钢,在超低碳、铝镇静钢中添加P、Mn和Si等固溶强化元素来提高强度,抗拉强度可达450 MPa。高强度IF钢具有良好的机械性能和抗二次加工脆性、化学处理性和合金化镀锌适应性。广泛应用在车身结构件、开启件上。

图中用圆点标注的是浦项已经量产的GIGA级钢。可以看到AHSS的部分有DP钢、CP钢、TRIP 钢、Mart钢、HPF钢,在X-AHSS领域有TWIP钢,U-AHSS领域有TWIP钢和XF钢。

烘烤硬化钢BH钢金相组织以铁素体为基体,主要以固溶强化来提高强度。其特点是添加的磷元素在钢的冶炼过程中可以与碳、氮形成固溶强化。在钢板冲压过程中,基体内“位错”密度增加,碳、氮原子向“位错”扩散的距离缩短,当BH钢车身进入涂装在烘烤炉中受热时,便赋予了固溶体中碳、氮原子扩散的能量,使碳、氮原子在“位错”处析出,从而提高了工件的屈服强度,故称此类钢为烘烤硬化钢。

首先简单说明一下980DP钢。浦项980DP有三种型号,一种是高延伸率型、高屈服强度性、均衡性。高屈服强度型-折弯和扩孔性能很好;高延伸率型-拉伸性能很好;以及兼具两种特点的平衡型。高屈服强度型适用在对折弯加工性要求比较高的部件,像座椅导轨等;高延伸率型适用在需要拉伸性能的member类部件。

低合金高强度钢在冶炼过程中添加一些微量元素,使钢能析出一些细小的碳化物并使晶粒细化而提高钢材的强度。

接下来是980/1180CP钢,CP钢(complex phase)里面包含贝氏体和马氏体,可以增加屈服强度。CP钢屈服强度可以达到850以上,焊接性能非常优秀,主要是用在门槛部位。下面的案例是以前使用1.8T EG 590TRIP钢换成1.2T GA 1180CP钢获得了33%的轻量化。1180CP钢在GIGA当中的销量是比较高的。

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接下来说明一下980/1180TRIP钢,这个钢和宝钢的980QP钢类似,右下图可以看到,延伸率对比CP钢、DP钢非常高,延伸率高的原因是因为钢铁组织里面含残留的奥氏体-相变为马氏体的时候延伸率会增加。图表上我们可以看到980TRIP钢延伸率可以达到25%左右,1180TRIP钢的延伸率可以达到15%左右。和相应DP钢对比的话,延伸率都提高了30%以上。图上是一个轻量化的适用案例,把1.4T 780DP改成1.2T 980TRIP。

双相钢是以相变为基础的新型高强度钢,在微观组织上,双相钢是以较软的铁素体加硬相马氏体所构成。在力学性能上,同时具有高的强度和加工硬化指数、低屈强比的特点。双相钢由低碳钢或低碳微合金钢经两相区热处理或控轧控冷而得到,马氏体以岛状分布于铁素体基体中,含量在5%-20%之间,钢的强度随马氏体含量的增加不断提高,强度范围为500-1200 MPa。DP钢具有较高的伸长率以及较高的加工硬化率,抗疲劳性能好。目前,DP钢的主要类型有DP450/DP600/DP780/DP980,主要用于汽车的结构件和安全件,如前内纵梁、后内纵梁、中支柱里板、座椅横梁等零件。 法国阿塞洛、瑞典SSAB、日本新日铁、神户制钢等钢厂可以生产多种规格的双相钢。国内宝钢、武钢、鞍钢可以提供一些等级的DP双相钢。

接下来要说明的是在冷成型钢里面的强度最高的Mart钢。浦项的Mart钢和其他公司的钢材对比,整体的平整度更高,这是由成分和工艺的优化带来的。1300/1500Mpa级别的Mart钢屈服强度达到1100以上,延伸率达到6左右。主要的适用范围是保险杠梁, 车门防撞梁, 门槛,加固材料等。氢脆性能方面我们也做了评价,是按GM的规格做的,结果是没有裂纹。

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接下来介绍的是高强钢中的热成形钢,热成形钢原素材的强度达到550Mpa左右,经过成型&热处理后强度可以达到1500Mpa。这个钢种主要是为了“需求高强度但成型性不足”的情况下使用的。1800/2000Mpa级的热成形钢已经开发完成,热成形钢可以用在抗冲撞部件上,右下图是应用热成形钢A柱、B柱事例。

相变诱导塑性钢相变诱导塑性钢其金相组织为铁素体、贝氏体、残余奥氏体,见图3、图4。在变形过程中,残余奥氏体会发生诱导相变转化为马氏体,引起相变强化和塑性增长。这类钢兼顾了较高的抗拉强度和良好的成形性,比双相钢成形性更好,同样具有BH钢性能,拥有更好的扩孔性。目前,此类钢板的主要牌号有TRIP590、TRIP690、TRIP780和TRIP780HR等,在汽车行业尚没有得到大规模应用。

到目前说明的是AHSS,接下来要说明的是U-AHSS钢,是图中浅蓝色圆点标注的。以950TWIP和1180TWIP为例,简单说明一下,如右边的图我们可以看到强度是1000Mpa级别的,延伸率可以达到40%。名称TWIP钢(TWinning Induced Plasticity)由来是因为它里面含有双晶。左图是现在适用在菲亚特上的案例。以前是用两种钢材叠加使用的,现在是用一种钢材一体成型,通过使用TWIP钢轻量化可以达到28%,成本可以降低22%。

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接下来简单说明一下980XF和1180XF钢。这个钢种的特点是晶相组织很微细、里面含有残留的奥氏体组织。我们可以看到,980XF钢延伸率可以达到28%,1180XF钢延伸率可以达到27%。下图是一个应用案例,原来用590DP钢的模具,直接用980XF钢进行冲压,无任何问题。

多相钢组织与TRIP钢类似,基本上是在Mn-Cr-Si合金成分体系的基础上,依靠钛、铌、钒元素微合金化产生的晶粒细化效应和析出强化效应,结合适当的卷取工艺而生产的,主要组织为细小的铁素体和高比例的硬质相,含有铌、钛等元素。通过马氏体和贝氏体以及析出强化的复合作用,CP钢强度可达800- 1 000 MPa,具有较高的吸收性能与扩孔性能,特别适合于汽车的车门防撞杆、保险杠和中立柱等安全件。热成形钢热成形钢是通过热成形技术获得的超高强度的马氏体钢。

应用之前介绍的素材,浦项制作了浦项的电动车概念车身,其中AHSS钢的使用率达到65%,GIGA级钢的使用率达到45.5%,它的参照白车身的基准重量是296公斤,浦项实际做出来的重量是218公斤,达到26.4%的减重效果,浦项的开发目标是达到30%的减重。

首先把常温下强度为500-600 MPa的高强度硼合金钢板加热到880-950 ℃,使之均匀奥氏体化;然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成形;之后保压快速冷却淬火,使奥氏体变成马氏体,因而成形件得到强度硬化。冲压件冷却淬火后,强度可达1 500 MPa,见图7。

这一车身通过了ENCAP的五星评价,和IIHS的GOOD Rating评价。

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接下来介绍一下能够在底盘部件中使用的GIGA级钢材,图中右下角红点标注的PHT后热处理钢以及980DP和1.5Mart钢。首先说明一下后热处理钢,这种钢材和热成形钢材类似,但是是成型后进行热处理的。这个是主要的适用部品,1500、1800PHT可以用在CTBA、平衡杆,还可以用在车门的防撞梁上。

热成形钢具有如下优点。a.零件成形后强度指标大幅度提高。b.高温下材料塑性好,成形能力强,可用于冷冲压无法成形的复杂零件,也可将冷冲压需要多道工序、多套模具成形的零件一次成形。c.高温下零件成形没有回弹,可以实现高精度成形。d.如果使用Al-Si涂层板,可以防止在热冲压过程中的脱碳等氧化现象,并可以省略后期的抛丸处理,零件拥有更好的抗腐蚀能力。热成形钢板主要用于车门防撞杆、前后保险杠、A/B/C柱等安全件,见图8。热成形钢技术在国外汽车行业已成为热门技术,其发展迅速。法国阿赛洛公司、德国蒂森-克虏伯、本特勒、麦格纳以及海斯坦普等公司均拥有热成形技术及成套生产线。

我们应用GIGA级钢还制作了底盘部件,PSC-EV指的浦项电动车悬挂概念,我们制作两种类型的悬挂,一种是CTBA型的后悬,另一种是多连杆型的后悬,前悬挂都是麦弗逊型。用CTBA型的可以达到20%的轻量化,用多连杆可以达到17%的轻量化。底盘方面AHSS钢的使用率达到了88%以上。

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浦项除了销售钢材之外,还提供钢材的使用解决方案,可以根据客户的生产阶段进行相应的技术支援。概念设计阶段我们可以提供拆解分析、钢种提案、结构提案;具体设计方面可以提供FE模拟、性能分析;生产阶段可以提供样品测试、部件测试,材料认证;量产阶段可以在量产出现问题的时候现场指导、模具有问题可以提供技术支持。

3高强度钢在国内外的应用情况为了达到汽车轻量化、安全化的目的,应对铝镁行业的竞争,20世纪90年代,国际钢铁协会的35家主要钢铁公司开展了超轻钢制车身(Ultra Light Steel Auto Body)ULSAB项目。其内容是通过大量采用高强度钢板,并应用液压成形、激光拼焊板等技术使汽车减重25%。2004年项目取得成功,整车减轻质量25%,车身静态扭转刚度提高了80%,静态弯曲刚度提高了52%,汽车安全等级达到了欧洲NCAP五星级碰撞标准。ULSAB车体上高强度钢板使用率为90%,其中DP双相钢超过70%,另外还采用了4%左右的抗拉强度为1 200 MPa的超高强度马氏体钢。最近几年,欧美汽车公司在开发新款汽车时都部分或全部采用了ULSAB项目技术,高强度钢大量使用在汽车车身、底盘、悬架和转向的零部件上。国内汽车合资企业的技术直接来源于国外母公司,高强度钢应用水平与国外汽车企业保持了相近的水平。自主品牌汽车企业在高强度钢的应用方面整体落后于国外汽车公司,正在快速追赶。

浦项提供钢材的时候一并提供解决方案,可以让客户在实际生产阶段避免发生很多问题。浦项主要提供材料解决方案和应用解决方案,材料方面浦项提供白车身使用的GIGA级钢材,前面说到的DP、CP、TRIP、Mart、HPF、TWIP、XF steels我们都会提供,还有底盘用钢,车身外板用钢我们也提供;应用方面浦项可以提供成形性分析、焊接和接合技术以及涂装和防锈技术。浦项在解决方案方面是材料选择和相应的应用技术都会提供的。如果你们需要高强度钢材或者在应用高强度钢材的时候有什么问题可以联系浦项,谢谢。

最近两年,国内自主品牌汽车开发的有些新车型,高强度钢质量占白车身质量的比例已经达到45%以上。近年来,国内钢铁企业积极开展了汽车用高强度纲的开发工作,目前宝钢、武钢、鞍钢等可以生产一些等级的高强度IF钢、DP双相钢、TRIP相变诱导塑性钢、BH烘烤硬化钢。国内钢铁企业已能提供多种规格的高强度钢板,不过从品种与质量来看,与国外的先进水平相比还有较大的差距。4高强度钢的发展趋势高强度钢在汽车减重、降耗、安全性方面有着显著优势,但在应用时还存在一些问题,即随着强度的增加,冲压性能变差、回弹量大、尺寸难以控制、容易起皱开裂,这给冲压成形工艺带来新课题。

主持人:感谢秦先生,大家对POSCO的钢铁有什么样的问题?

另外,高强度钢的可焊性比普通低碳钢要差,焊接工艺参数存在较大差异。为了开发性能更好的高强度钢,阿塞洛等钢铁公司正在研究开发孪晶诱导塑性钢、具有诱导塑性的轻量化钢。这些钢种具有非常优异的力学性能、高的应变硬化率及极高的塑性,被称为第二代高强度汽车用钢。目前,美国钢铁企业正在积极发展第三代高强度汽车用钢,具有第一、第二代高强度钢的微观组织特点,充分利用晶粒细化、固溶强化、析出强化及位错强化等手段来提高强度,通过应变诱导塑性、剪切带诱导塑性及孪晶诱导塑性来提高材料的塑性和成形性能。

提问:请问你最好的钢材的抗拉强度是多少?延伸率是多少?

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秦永薰:您问的是热成形还是冷成型。

强度钢是汽车轻量化的关键材料之一,近年来随着先进成形工艺与计算仿真技术的发展,高强度IF钢、DP双相钢、TRIP钢、热成形钢等在汽车部件中的用量越来越多。目前,国内钢铁企业的生产制造水平与国外的先进水平还有不小的差距,不少品种的高强度钢尚需要进口,国内钢铁企业应加大研发力度,早日赶上国外先进水平,为国内汽车行业的轻量化做更多的贡献。

提问:热成形。

秦永薰:现在量产中的最高强度的是热成形1500Mpa,延伸率达到6%。

主持人:还有其他问题吗?

提问:想请教一个问题,过千兆以后的钢材回弹蛮明显的,你们跟客户的合作,他们分析后一定会做软模趋势验证,需要重新雕刻,也许回弹重新再补偿再雕刻,这样的现象这种做法还常见吗?是经常发生的事情吗?

秦永薰:回答方面我们在和客户一起进行研究,把回弹最小化,因为回弹方面最重要的是模具,模具设计初期我们会提供最佳的解决方案,如果需要的话我们可以从韩国总部那边派专家进行技术指导。

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