《中国汽车发展趋势及汽车用钢面临的机遇与挑战.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中国汽车发展趋势及汽车用钢面临的机遇与挑战.docx（22页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、中国汽车发展趋势及汽车用钢面临的机遇与挑战第49卷第12期2014年12月V ol.49，No.12December2014钢铁Iron and SteelDOI：10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20140553中国汽车发展趋势及汽车用钢面临的机遇与挑战康永林，朱国明（北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083）摘要：首先对中国汽车发展的现状与趋势进行了分析预测，2021年中国汽车产量可能达到3600万辆。伴随汽车迅速发展的同时，汽车用钢也面临安全、环境、资源、能源及成本等方面的挑战。中国汽车的高速增长和庞大的市场为汽车用钢的发展带来重大机遇，同时冶金行业
2、也面临来自非钢材料的激烈竞争和用户方面的挑战。就汽车用钢的发展潜力和钢铁行业可能采取的应对方案进行了讨论，分析了近年汽车用高强钢合金含量的发展、新型高强钢的组织性能精细控制及应用技术、超高强双相钢及新型淬火配分钢的精细组织、冷轧高强钢中的纳米粒子析出控制、热成形钢的工艺与组织性能以及先进高强钢的成形应用技术等。最后，举例介绍了汽车用钢供应商的先期介入（EVI）服务体系的加强与完善。关键词：汽车；汽车用钢；轻量化；环境；组织性能文献标志码：A文章编号：0449-749X（2014）12-0001-07Development Trend of Chinas Automobile Industry
3、and the Opportunities and Challenges of Steels for AutomobilesKANG Yong-lin，ZHU Guo-ming(School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing100083,China)Abstract:Firstly,the current situation and development trend of Chinas automobile industry were analyz
4、ed and predict-ed,the auto production is likely to reach around36million in2021.With the rapid development of auto,automotive steels are also facing challenges such as safety,environment,resource,energy,cost,and so on.The rapid growth of auto and huge market in China bring great opportunities for th
5、e development of automotive steel,while the metallurgical industry is also facing fierce competition from the non-steel material and challenges of users.The development potential of automo-tive steels and the response options that may be taken by steel industries are discussed.The recent development
6、 of alloy content in high strength automotive steels,the fine control and application technology of microstructure and properties in new high strength steel,the fine microstructure of ultra-high strength dual phase steel and quenching-partitioning steel,the control of nanoparticle precipitation in c
7、old rolled high strength steel,the process and microstructure and properties of hot stamped steel,the forming technology and application of advanced high strength steel were also analyzed.Finally,the strengthening and improvement of early vendor involvement(EVI)service system of automotive steel sup
8、pliers were intro-duced.Key words:automotive;automotive steels;light-weight;environment;microstructure and properties1中国汽车发展现状与趋势2000年以来，中国汽车高速增长，平均年增长率超过18，2009年最高年增长率达到45.5，2013年汽车产量达到2211.68万辆，增长率为14.8。据预测，2014年中国汽车产量可能突破2400万辆，今后几年，若按年增长率7预测，2021年中国汽车产量将达到3600万辆（图1）。另一方面，根据国家新型城镇化规划（20142021年），到
9、2021年，中国常住人口城镇化率将从2013年的53.7%提高到60%左右，将有1亿左右农业转移人口和其他常住人口在城镇落户，中国城镇人口将超过8.3亿，这对汽车和交通将形成新的巨大的需求。而汽车的发展同时也面临着安全、环境、资源、能源及成本等方面的挑战。汽车安全标准将不断提高。乘用车必须通过侧碰、偏置碰、正碰、顶部加压试验、后碰及行人安全等方面的碰撞测试。基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2013AA031601）；国家自然科学联合基金资助项目(U1460101)作者简介：康永林（1954），男，博士，教授；E-mail:kangylinhttp:/ of output
10、 of China s automobile from 2000汽车排放标准将更加严格。到2021年，要求乘用车每公里CO 2排放量降低到120g ，每100km 油耗降低到5L 。汽车轻量化是必然选择。研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，汽车质量每下降10%,油耗下降8%，排放下降4%。汽车用材的竞争日益激烈。近年来，为不断追求汽车轻量化，铝合金、镁合金、塑料及复合材料与汽车用钢的竞争日益激烈，铝镁合金及复合材料在汽车上的用量不断增加，这种竞争有力地推动了汽车用高强及超高强钢的开发和应用技术发展。制造成本的压力不断增大。用户不断追求高的性价比（安全、节能、动力和舒适等）；汽车结构用材的多
11、样性在一定程度上将增加制造成本（成形、连接、组装和回收等）；中低档大众车仍占市场总量的80以上,良好的性能和较低价格车仍占市场主体。2汽车用钢面临的机遇与挑战2.1汽车用结构材料的要求汽车用结构材料首先应满足低排放的要求，即环保。这主要体现在汽车材料的生产、汽车的制造过程及使用过程的排放与能源消耗，材料及结构的轻量化；其次，应满足碰撞标准安全，要求材料及结构具有高的强度和刚度；另外，从可持续发展战略来看，结构材料的绿色化应予重视，这就是可循环，便于回收利用和耐蚀，材料成分尽可能简单，努力实现材料及结构全生命周期的合理化；同时，汽车用材也需考虑实现较低的成本，这体现在选材及制造过程中材料的成形、
12、连接和涂装等方面，需考虑未来汽车仍以大众用中低档车为主高性价比的竞争力1。2.2冶金行业面临的机遇中国汽车的高速增长和庞大的市场为汽车用钢的发展带来重大机遇，这是由于先进钢铁材料在汽车安全、轻量化、节能及可循环再利用等方面具有较大优势，先进钢铁材料在绿色化制造、成本及材料与工艺良好结合方面具备很大潜力。2.3冶金行业面临的挑战冶金行业面临的挑战主要是来自非钢材料的激烈竞争和用户方面的挑战。冶金企业为应对这些挑战，一方面必须不断地为汽车行业提供系列稳定的高质量、高性能和高强度汽车用钢，同时还要建立和形成从现代汽车用钢的冶金技术到用户技术的完整技术体系和高素质技术人才队伍，为汽车行业提供选材、用材
13、、成形及制造等的一整套技术解决方案，并建立从先期介入（EVI ）到全面用户技术支持与服务的双赢体系。3汽车用钢的发展潜力与应对3.1汽车车身轻量化潜力的方向从汽车车身轻量化潜力的方向来看，主要包括以下几方面：（1）材料轻量化。采用高强、超高强钢及铝镁合金、复合材料等轻质材料。（2）制造轻量化。采用激光拼焊技术、变厚度轧制技术及创新的型材设计等。（3）部件结构轻量化。部件结构优化、力分布均衡化、加强筋设计等。（4）整车结构轻量化。整车结构高度集成优化。未来钢质汽车技术（FSV ）与非钢材料的竞争为钢铁材料带来希望。2011年国际汽车用钢协会发布的针对电动汽车车体的未来钢质汽车FSV （futur
14、e steel vehicle ）项目成果表明,汽车车身97%可使用HSS 和AHSS 钢材，车身质量可减少39，达到188kg ，与目前铝制车身结构一样轻，在不增加成本情况下实现大量节约，短期内可用于生产的解决方案，近70%的生命周期排放总量减少，并实现5星安全评级。3.2汽车用高强钢合金含量及性能的发展第3代汽车用钢的开发使钢具有高强度和高塑性，代表性的第3代汽车用钢有中锰钢、QP 钢和纳米强化钢等。近40年来，汽车用钢的合金含量在经历了第1代和第2代发展变化之后，更加注重从资源、环境、成本、可循环及绿色制造等可持续发展的要中国汽车发展趋势及汽车用钢面临的机遇与挑战第12期3求，大致经历了
15、如图2所示的过程，今后将向着低合金含量、成分简单化、主要通过精细的工艺控制与组织调控来获得高性能1。图2汽车用高强钢合金含量及性能的发展Fig.2Development and trend of alloy content and properties of automobile high-strength steel3.3钢铁行业可能采取的应对方案（1）通过冶金成分优化设计、运用多种强化机理及组织精细调控，开发综合性能良好且成本较低的新一代高强及超高强钢，以实现材料轻量化、提高汽车用钢的竞争力。（2）通过汽车部件及整体结构优化设计来进一步实现结构轻量化。（3）通过进一步开发冷成形、热成形、辊
16、弯成形、液压成形、变厚度轧制及CAE 等先进技术，实现成形工艺最优化及制造低成本。（4）通过热轧高质量薄规格高强板，直接热镀锌或酸洗后应用，实现部分“以热代冷”，以进一步降低钢材成本。（5）通过为汽车用材提供整套解决方案和高质量、全面的用户技术服务，以保证汽车用钢的可持续发展。4新型高强钢的组织性能精细控制及应用技术4.1超高强双相钢的精细组织众所周知，钢的成分及工艺决定其组织，钢的组织结构决定其性能，而同类钢的精细组织构成决定其力学性能的差异。图3为采用相同热轧卷取及冷轧工艺后，经不同加热温度(790、815、840)，在相同冷却及过时效处理(快冷开始温度为750，过时效温度为320)条件下
17、的0.17C-0.6Si-195Mn-0.34Cr-0.057Nb 系超高强双相钢的马氏体精细结构及所对应的力学性能2。(a)900,R m 1030MPa ，R p0.2436MPa ，R p0.2/R m 0.42，A 5012.7%；(b)815，R m 991MPa ，R p0.2439MPa ，R p0.2/R m 0.44，A 5016.0%；(c)840，R m 785MPa ，R p0.2399MPa ，R p0.2/R m 0.51，A 50=17.0%。图3C-Si-Mn-Cr-Nb 系超高强双相钢的马氏体精细结构及其力学性能Fig.3Martensitic phases
18、fine structure and mechanical properties of C-Si-Mn-Cr-Nbultra high strength dual-phase steels4.2冷轧高强钢中的纳米粒子析出控制图4为Nb 微合金化（C-Si-Mn-Cr-Nb ）冷轧超高强双相钢在连铸、加热、热轧、冷轧连退过程中的全析图及析出粒子形貌2。由图4可见，可以通过在不同冶金工艺阶段的析出特征进行相应的工艺控制，以得到目标组织及纳米析出粒子的分布。4.3新型淬火配分钢的组织性能新型Q &P 钢主要是通过相变进行强化,具有优异的成形和能量吸收性能。基于分析，提出了一种新型的热处理工艺Q&PB
19、(quenching &partitioning in bainite zone ，淬火和贝氏体区配分)通过提高残奥量，提高塑性。图5为Q&PB 热处理工艺(左)及过程中的配分和相变(右)示意图3。其成分为简单的C-Si-Mn 成分或添加微量的Mo 和Nb 。通过调整和优化配分温度及时间,可以得到M B 三相组织,其中残余奥氏体体积分数约为8%9%，力学性能十分优异。例如成分(质量分数，%)C 0.21-Si 1.5-Mn2.0的QP钢配分时间为60s 时的力学性能为：R m 1265MPa ，A =25，强塑积R m A =31.6GPa ；成分(质量分数，%)C 0.21-Si 2.0-M
20、n 2.1-Mo 0.21-Nb0.05的QP 钢配分时间为420s 的力学性能为：R m 1092MPa ；A =31；强塑积R m A =33.9GPa 3。康永林等：钢铁第49卷4图4C-Si-Mn-Cr-Nb 系冷轧超高强双相钢在冶金工艺过程中的全析图及析出粒子形貌Fig.4Diagram of precipitation during the whole metallurgical process and the precipitationparticles(a)Q&PB 热处理工艺；(b)过程中的配分和相变。图5Q&PB 热处理工艺及过程中的配分和相变示意图Fig.5Schemat
21、ic illustrations of Q&PB heat treatment,partition and phase transition during the process4.4热成形钢的工艺与组织性能近年来，热成形钢在汽车上的应用逐年增加，如汽车的防撞件和车身边梁等都可采用热成形钢。热成形钢的优势在于冶金成分简单、成本低和超高强度。热成形钢除了对原料钢板的淬透性有要求外，对原料的组织和力学性能也有一定要求。原料组织主要是铁素体珠光体，抗拉强度为350650MPa ；成形件组织主要是板条马氏体，抗拉强度达到15002000MPa 。图6为热成形钢的工艺与组织，图7为20112012年国际
22、上一些典型轿车车身用热成形钢的情况。可见，2012年Audi A3应用热成形钢的比例已达到21.74。图6热成形钢的工艺与组织示意图Fig.6Schematic illustrations showing process and microstructure of hot stamping steel中国汽车发展趋势及汽车用钢面临的机遇与挑战第12期5图720112012年国际上一些典型轿车车身用热成形钢情况Fig.7Use of hot stamping steel in some international typical car body during 20112012今后热成形钢在汽车
23、用钢上的比例还将继续增加，Arcelor Mittal 公司已成功开发出最先进的激光拼焊热压成形工艺技术，实现车门框板料经激光拼焊后整体热压成形，在汽车上得到批量应用(图8)。图8Arcelor Mittal 公司的激光拼焊整体热压成形车门框样品Fig.8Laser tailor welded whole hot stamping samplesof car door frame by Arcelor Mittal4.5先进高强钢的成形应用技术随着汽车轻量化的不断推进，汽车高强钢的用量不断增加，高强及超高强钢的成形应用技术不断面临新课题和新挑战，一些常规的冷冲压成形工艺从模具、设备负荷、材料、
24、加工成本、以及成形件的尺寸形状等方面已难以满足需求。为适应材料轻量化、部件及整体结构轻量化，液压成形、热冲压成形、辊压成形、激光拼焊、变厚度轧制、以及数值模拟与CAE 等先进成形技术与高强钢材料密切配合、不断发展和应用，使汽车轻量化不断达到新的水平。4.5.1液压成形与常规冷冲压成形相比，液压成形具有如下优势：（1）成形件形状结构优化，提高强度、刚度及疲劳强度；（2）节约材料、减轻成形件质量（约降低2030%）；（3）降低生产成本，减少零件（比冲压件平均减少1520%）和模具数量（模具费用降低约2030%），减少后续机加工和装焊接量5。液压成形技术在北美以及欧洲等国已大量应用，国内近年在许多车
25、型上的应用也不断增加，图9为北美轿车应用液压成形件的实例。液压成形的关键在于成形材料的合理选择、复杂成形工艺及模具的优化设计。图9北美轿车应用液压成形件的实例Fig.9Instance of the application of hydroforming parts inautomobiles of North American4.5.2辊压成形近年来，为了克服超高强钢板冷冲压成形在模具、设备及效率等方面的困难，辊压成形技术在汽车部件成形中的应用得到发展，对于钢板强度800MPa 以上的超高强钢，采用辊压成形工艺连续加工较简单断面的汽车结构件将更加经济高效。图10为辊压成形工艺示意图，图11为
26、辊压成形件在汽车上的应用部位6。图10辊压成形工艺示意图Fig.10Schematic illustrations of roll forming process康永林等：钢铁第49卷6图11辊压成形件在汽车上的应用部位Fig.11Roll forming parts in automobiles4.5.3激光拼焊激光拼焊是在汽车部件制造中应用较早的先进技术，是将不同厚度或不同强度的钢板毛料拼焊起来进行整体冲压成形，既可以减少模具数量及成形工序进而降低制造成本，也使成形件的整体结构用材得到优化，进而达到减少用材及轻量化。图12为不同钢种及厚度板料激光拼焊工艺过程及在汽车上应用激光拼焊板料冲压成
27、形的汽车结构件示意图7。近年，国外已成功开发出最先进的激光拼焊热压成形工艺技术，实现经激光拼焊后的车门框板料整体热压成形，使汽车成形件材料及结构更加优化并进一步轻量化。(a)板料激光拼焊工艺；(b)汽车上应用激光拼焊板料结构。图12板料激光拼焊工艺过程及在汽车上应用激光拼焊板料结构件示意图Fig.12Laser tailor welded blank process and application in automobiles structure parts4.5.4变厚度轧制对于某些汽车成形结构件而言，根据成形件各部位的受力分布均衡条件及结构轻量化需求，采用变厚度轧制板料(tailored
28、rolled blanks TRB)成形，将比采用等厚度板或激光拼焊板更加合理，变厚度轧制成形件不仅在厚度过渡区的尺寸形状和组织性能平滑过渡，而且成形件的受力、抗疲劳性能也有提高8-9。图13为变厚度轧制工艺及成形件厚度分布示意图8。(a)变厚度轧制工艺；(b)成形件厚度分布。图13变厚度轧制工艺及成形件厚度分布示意图Fig.13Schematic illustrations of TRB technology andformed part s thickness distribution4.5.5数值模拟分析与CAE 技术近年来，随着计算机及数值分析技术的发展，数值模拟与CAE 技术在汽车设
29、计与制造领域中的应用得到飞速发展，已成为现代汽车结构设计、制造及工艺与模具优化的关键技术之一。该项技术在汽车工程中的应用主要包括：流体动力学设计(CFD)，结构分析(structure)，成形模具(die)分析，成形工艺分析(stamp-ing)，碰撞试验(crashworthness)分析，振动、噪声和疲劳分析(NVH &fatigue)及人体工程测试(ergonomics)等。例如，高强及超高强钢板料冲压成形中的回弹、开裂及失效分析，采用不同强度钢种及厚度的成形极限分析预测，成形件断面及尺寸形状与成形工艺过程最优化设计等已得到广泛应用。采用数值模拟分析与CAE 技术不仅可以大大缩短结构与工
30、艺设计开发的时间并显著降低成本，同时可以以很高的精度预测各种材料及工艺条件下的成形极限、缺陷及进行最佳工艺设计与优化。5汽车用钢供应商的先期介入（EVI ）服务体系的加强与完善在汽车用钢市场竞争日益激烈、汽车制造商用户要求更加苛刻、竞争对手的研发能力与水平不断提高的现实形势下，如何发挥钢铁企业在汽车用钢方面的综合技术与人才优势，从汽车用钢的研发、生产及销售的传统模式向供应商先期介入服务模式EVI （early vendor involvement ）转变，形成以汽车用户新车型技术目标（轻量化、新工艺新技术应用、整车降成本等）为导向，以获取约定车型用材份额为目中国汽车发展趋势及汽车用钢面临的机遇
31、与挑战第12期7标的新型供需关系，从而实现双赢的新目标是现代汽车用钢研发生产及供应的必然趋势。纵观国内外汽车用钢的优势企业也是在EVI服务体系做得好的企业。下面简要介绍Arcelor Mittal公司和宝钢在这方面的做法和成果。（1）Arcelor Mittal公司的汽车全生命周期EVI 技术服务体系。为赢得国际汽车用钢的市场，Arce-lor Mittal公司建立了完善的汽车全生命周期EVI技术服务体系。对于新车型，通过先进工程项目，进行5年内的产品创新及与通用钢的结合提出一体化解决方案；2-3年内开展车型设计合作工程项目，进行车体结构设计支持、产品促销及认证；18个月内通过开展车体工业性试
32、制项目，协助开展冲压、连接等工艺，提供EVI服务及技术支持；对于已有车型，通过及时反映客户需求，尽快进行产品/工艺优化，实现汽车生产的质量管理。（2）宝钢以目标成本导向的汽车EVI服务模式10-11。宝钢通过以目标成本导向的汽车EVI服务模式创新实践，形成了宝钢特色的强有力的汽车用钢全过程设计与技术支持的汽车EVI服务体系。针对汽车厂的程序启动先进工程设计早期（概念）和车身设计模（工）具设计和开发车型投产批量生产各阶段，实施对应的市场开发设计支持工具支持投产支持生产监控等全程系统化和个性化支持。对于汽车厂的新车型，提出详细的针对自主品牌、合资品牌及外方设计的新车型EVI分层原则及工作机制。通过
33、汽车EVI服务模式的实施，实现了在成本优化、投产支持、模具设计、车身设计、先进工程设计等方面的技术支持，实现了汽车厂和钢厂共赢的良好局面。6结论（1）未来十几年，中国汽车产销量将持续较高地增长，保持世界上最大的汽车市场，为汽车用钢的发展带来机遇。（2）冶金行业面临非钢材料、较低成本的高性能钢材供应、良好全面的用户技术服务等诸多方面的挑战。（3）未来汽车用钢通过综合运用现代冶金学、材料科学与工程、计算模拟技术等手段，在汽车安全性、轻量化、成本及绿色制造等综合性能方面仍有很大的发展潜力和一定的优势。（4）冶金行业需要采取先进创新的冶金工艺技术来保证汽车用钢的质量、组织性能稳定性和成本控制，为汽车用
34、材提供整套解决方案，以高质量、一体化的用户技术服务来保证汽车用钢的不断发展和高竞争力。参考文献：1KANG Yong-lin.Potential Improvement in Performance of Au-to SteelC/International Conference on Green Manufactur-ing-the Future of Steel and Automobile.Guangzhou:WorldSteel Association.Chinese Iron and Steel Industry Association,2013:4.2韩启航.超高强冷轧双相钢组织性
35、能控制与强化、变形机理研究D.北京:北京科技大学，2013.3朱帅，康永林，邝霜，等.淬火-贝氏体区配分（Q&PB）工艺及钢的组织性能J.钢铁,2014，49（6）:72.4Bian Jian，Hardy Mohrbacher.Novel Alloying Design for PressHardening Steels With Better Crash PerformanceC/Proceed-ings of the2nd International Symposium on Automobile Steel2013.Anshan:s.n.,2013:104.5蒋浩民.宝钢液压成形技术研发
36、C/2008国际汽车车身用钢技术研讨会论文集.上海：出版者不详，2008.6Fran?ois Moussy.Evolution of Steels for Car Manufacturing,Mechanical ConsiderationsC/Proceedings of the2nd Interna-tional Symposium on Automobile Steel2013.Anshan:s.n.，2013:15.7Oliver Hoffmann.Innovative Steel Products and Technologiesfor Automotive Lightweight
37、DesignC/Proceedings of2009In-ternational Symposium on Automobile Steel.Dalian:Metallurgi-cal Industry Press,2009:5.8Armin Plath,Vehicle Lightweight Design With Advanced SteelApplicationsC/Proceedings of2013International Symposiumon Automobile Steel.Beijing:Metallurgical Industry Press,2013:2.9LIU Xi
38、ang-hua,Variable Sheet for Car Lightweight and Designby Optimization of Surplus CapacityC/Proceedings of2013International Symposium on Automobile Steel.Beijing:Metal-lurgical Industry Press,2013:223.10宝钢以目标成本导向的汽车EVI服务模式实践（上）J.世界金属导报，2014,52(5):11A.11宝钢以目标成本导向的汽车EVI服务模式实践（下）N.世界金属导报，2014,52(6):11A.康永林等：