节能减排、促碳达峰、碳中和——汽车轻量化

编者注

“节能减排、碳达峰、碳中和”已在世界范围内形成高度共识。 汽车行业节能减排是各国汽车技术发展的驱动力。 汽车轻量化是节能减排的大趋势，也是当前和未来汽车技术发展的主要方向之一。 汽车产业的快速发展也给我国节能减排目标带来巨大挑战。 高强钢，特别是含铌微合金高强钢，以其较低的成本、成熟的制造工艺、较高的性能成为汽车轻量化的首选材料。 其大规模采用，使我国汽车轻量化技术取得了长足进步。 本期特刊刊登此报告，旨在让读者了解我国汽车轻量化表现。

2021年，中国汽车销量突破2652.8万辆，连续多年位居世界第一。 乘用车已进入家庭，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，日益成为中国汽车工业的主力军。

01、高强钢消耗量的增加将保证汽车的轻量化。

汽车大多由高强度钢和数千个零件组装而成。 中信金属负责汽车新材料研发的卢洪洲博士介绍，一辆汽车通常由车身、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的发展历程，过去几年，自主品牌乘用车车身高强钢的平均使用率不足30%，而不少自主品牌的轿车高强钢的使用率还不到30%。乘用车车身比例甚至不足10%，与国际先进水平存在巨大差距。 经过汽车产业上下游单位与中信金属的多年协同合作和努力，2021年先进高强钢在我国自主品牌汽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。 《中国制造2025》不仅将轻量化列为节能与新能源汽车发展的核心技术，而且在工信部、国家发改委等相继发布的专项规划中，科技部等国家部委。 ，也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”。 在汽车节能的众多途径中，轻量化一直被认为是最有效、最常见的实现途径之一。 行业研究表明，车辆重量每减轻 10%，即可节省 6%-8% 的燃油。 乘用车整备质量可降低100kg，百公里油耗可降低0.3L-0.6L。 高强钢的开发和应用是汽车轻量化的重要途径。

2010年，我国铌微合金汽车钢板产量不足500万吨。 到2021年，铌微合金汽车钢板产量将接近2000万吨，占整体汽车用钢的40%左右，极大地支撑了我国汽车工业。 汽车行业产业发展与节能减排过程。

02、金中掺杂铌，提高钢材的性能和质量，保证汽车的绿色安全。

中信金属与国内产学研用方建立了50余个产业链技术合作项目，聚焦汽车用钢开发应用的国内外空白，先后开发了轻量化车架及材料、轻量化车架及材料、车轮上下游及材料、轻量化悬架及材料、轻量化车身零部件及材料、轻量化半挂车及车顶及材料、高性能齿轮及材料等一系列高性能轻量化汽车总成及零部件完整解决方案。

从乘用车用高强钢的开发和使用情况来看，卢洪洲认为，近年来国内热冲压钢件的使用量激增，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使用热冲压钢件，年生产能力超过1亿件。 然而，热成型零件存在韧性不足和氢脆延迟断裂的问题。 为了解决新型热冲压汽车零部件弯曲性能不足，进而导致高速碰撞时部件过早断裂和驾乘人员受伤的问题，奔驰和宝马要求弯曲角度为热成型钢必须超过60度和65度（热冲压时）。 冲压件必须取样进行弯曲试验后才能购买和使用。 国内上下游合作创新提出利用铌微合金化开发高弯曲性能和抗氢致延迟断裂的热冲压钢； 国内钢厂与汽车企业合作，通过复合微合金化提高热冲压钢的淬火柔性，扩大工艺窗口，提高冷弯性能和抗氢脆延迟断裂性能。 所开发钢材的极限冷弯性能和抗氢脆性能比传统热成型钢22MnB5提高10%以上。 新材料已在多家整车企业、多款车型上得到应用，保证了车辆的被动安全性能。 相关创新成果荣获汽车工业科学技术进步奖一等奖。 2021年，含铌热成型钢年产量近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，以氢同位素氘为介质，系统研究了晶界、位错和碳氮化铌的氢捕获机制。 这篇发表在顶级期刊《科学》上，提出了高强度钢。 讨论了汽车钢氢脆的四种触发条件，并讨论了基于HELP、裂纹钝化和HEDE的新氢脆机制。 一系列宏观实验结果与微观观察结果一致。 在此基础上，进一步完善了含铌热成型钢和热冲压件的制造工艺。

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等更高强度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、扩孔等成形性能，铌元素发挥着重要作用。 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，国家完成含铌DP780冷轧钢板的研制。 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。 为了解决零件开裂材料剪切边的安全铺设问题。

汽车大量使用轻质高强HSLA钢，随着强度的增加稳定性问题很容易解决。 高强度低合金钢主要用于上A柱加强件、门槛延伸件、前内框架、内B柱、后发动机支架和内侧框架等，在乘用车中占有较大比例白车身。 它是汽车白车身使用的主要钢种。 随着汽车轻量化的发展，汽车白车身用冷轧高强低合金钢的强度越来越高，逐渐从屈服强度水平260MPa发展到如今的800MPa水平。 高强度冷轧HSLA钢板的强度稳定性控制是一个行业难题，为此，2015年，通过与国内大型钢厂的合作，通过优化轧制和连续后退工艺，成功解决了劣化问题随着材料强度的不断提高，钢板强度稳定性的变化，卷内性能差异<20MPa钢卷比例由72%提高到98%以上，最大性能波动由94MPa降低到43MPa，性能线圈内的稳定性效果显着提高。

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钢已成功研发并在国内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，中信金属与马钢股份在传统生产线基础上联合开发1000MPa含铌高强高塑、低成本第三代先进高强钢。 该材料具有与专用生产线材料相当的性能，并已在汽车工厂进行零测试。 零部件试制，冲压工艺稳定，零件尺寸精度合格，满足汽车厂要求。

从破解问题出发，推进汽车材料卡建设。 碰撞裂纹和成形裂纹的预防主要基于材料特性、同时分析的准确性和制造工艺的控制。 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、精确材料断裂卡和材料本构之外，至关重要的是，在过去的五年里，我们与相关研究和检测机构合作，开发了热成型用材料卡钢、双相钢等含铌和不含铌材料，完成零件剪切边裂纹模拟、零件碰撞模拟、零件成形试制、零件落锤冲击试验，从材料卡构建闭环——成形模拟-零件试制-零件碰撞，推动汽车向前发展。

从性能、成型、成本等多个维度推动汽车正向选材。 基于“车身环结构”、“新材料卡”、“成本模型”等，开发了车身正向选材系统（MISS系统），将车身选材与碰撞性能、车身刚度、成型开裂，成本控制。 ，从基于经验变为基于逻辑判断，并向全行业免费开放，为汽车的前行发展和合理选型提供了新路径，确保“对的材料用在对的地方”。 ”

从商用车用高强钢的研发和使用情况来看，陆洪洲介绍，国内企业已连续三年为两届会议撰写提案。 商用车超载控制和轻量化引起高层重视，开展协同技术攻关，推动节能减排。 产品质量性能。 在商用车轻量化方面，过去几年，商用车上下游产业强调跑得快，导致超载现象严重。 而且商用车主要采用510L、330CL、380CL、Q235、Q345等传统材料，严重制约了新材料、新工艺、新设计的应用，导致自主品牌商用车与国外存在质量差异。商务车辆。 很远的距离。 中信金属连续三年向全国两会撰写提案，如2016年提交的《关于改善物流卡车市场需求和结构调整的提案》、《关于鼓励使用轻型商用车产品促进轻型商用车产品发展的提案》等。此外，中信金属还与上下游产业合作，开发轻量化车架、车轮、拖车等，降低能耗和排放，改善环境。经过上下游产业通力协作和近十年的技术攻关，大量新型零部件和材料得到应用，商用车整体重量减轻了15%左右，减少了能源消耗。消耗和排放，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，使交通更加绿色环保。 特别是带动了上游原材料行业和零部件制造业的技术提升，也为GB1589新国标和国家超限政策的实施奠定了基础。 汽车轻量化带动了汽车节能减排、被动安全等性能的提升，从而增强了产品的竞争力。 同时带动了零部件制造业、模具行业、热处理炉行业、成形及连接设备行业的技术进步，推动了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，增加了高性能材料的应用，对我国“供给侧结构性改革”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等铌微合金高强钢材料已得到大量使用。

产学研联合开发车轮钢并荣获汽车工业科技进步奖。 国内产、学、研、应用单位紧密合作，形成轻量化钢轮全套技术，荣获2018年中国汽车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。 我们为国内市场设计和制造22.5×9.00钢轮，承载能力为3550Kg。 在满足各种性能要求的前提下，单轮重量约为37Kg。 已大批量供应北汽福田、中国重汽。 我们为国外市场设计制造22.5×8.25钢轮，承载能力3350Kg，自重约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。 近两年又开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、节能减排、降低成本提供新方法。 选择。

车架用钢强度显着提高，与国外差距逐步缩小。 随着我国商用车轻量化的发展需求，车架钢强度显着提升，与国外的差距逐渐缩小。 这几年，框架钢的强度逐渐从以前的510L变为700L以上。 高强度钢板。 2012年，我国研制出高强高韧车架用钢，带动了商用车高强材料的发展需求。 近年来，先后开发了高疲劳性能700L、750L。 疲劳强度显着提升，解决了车架疲劳失效、三面冲孔缺陷、梁钢疲劳强度不足等问题，形成了轻量化商用车车架的全套解决方案。 应用程序保护。

作者 | 夏杰森