2021年，中國(guó)汽車銷量2652.8余萬(wàn)輛，已連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一。乘用車進(jìn)入家庭，中國(guó)市場(chǎng)成為各整車企業(yè)競(jìng)技的舞臺(tái)，同時(shí)中國(guó)自主品牌汽車異軍突起，日益成為中國(guó)汽車工業(yè)的主力軍。

　　汽車多用高強(qiáng)鋼，萬(wàn)千零件來(lái)組裝。據(jù)中信金屬公司主管汽車新材料研發(fā)的路洪洲博士介紹：汽車通常是由車身、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)和電氣設(shè)備4大部分組成，其中車身、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)強(qiáng)烈依賴于金屬材料和制造工藝的發(fā)展。

　　回顧中國(guó)汽車輕量化發(fā)展的歷程，前些年，自主品牌的乘用車車身高強(qiáng)度鋼平均用量不足30%，很多自主品牌的乘用車車身高強(qiáng)度鋼用量甚至少于10%，與國(guó)際先進(jìn)水平存在巨大差距。經(jīng)過(guò)汽車上下游行業(yè)單位和中信金屬等的協(xié)同合作及多年耕耘，2021年中國(guó)自主品牌轎車先進(jìn)高強(qiáng)度鋼應(yīng)用已達(dá)到60%以上，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

　　目前 ，汽車輕量化已上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，不僅《中國(guó)制造2025》將輕量化列為節(jié)能與新能源汽車發(fā)展的核心技術(shù)，在工信部、國(guó)家發(fā)改委、科技部等國(guó)家部委相繼發(fā)布的專項(xiàng)方案中，也多次對(duì)輕量化技術(shù)的發(fā)展提出了具體要求。

　　“綠水青山就是金山銀山”，在汽車節(jié)能的諸多途徑中，輕量化歷來(lái)被認(rèn)為是最為有效的、共性的實(shí)現(xiàn)方式之一。行業(yè)研究表明，汽車每減重10%，燃油節(jié)約6%-8%。乘用車整備質(zhì)量減少100kg，百公里油耗可降低0.3L-0.6L。高強(qiáng)度鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是汽車輕量化的重要途徑。 

　　2010年中國(guó)鈮微合金化汽車鋼板的產(chǎn)量不足500萬(wàn)噸，到2021年，鈮微合金化汽車鋼板的產(chǎn)量近2000萬(wàn)噸以上，約占整體汽車用鋼的40%，極大地支撐了中國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展以及汽車工業(yè)節(jié)能減排的進(jìn)程。

　　02  點(diǎn)鈮成金提升鋼材性能品質(zhì) 見(jiàn)微知著確保汽車綠色安全

　　中信金屬與國(guó)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研用的產(chǎn)業(yè)鏈各方圍繞汽車鋼開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外差距，設(shè)立了50余項(xiàng)產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)合作項(xiàng)目，先后與上下游開(kāi)發(fā)了輕量化車架及材料、輕量化車輪及材料、輕量化懸架及材料、輕量化車身構(gòu)件及材料、輕量化半掛車及上裝和材料、高性能齒輪及材料等一系列高性能輕量化汽車總成、零件的成套解決方案。

　　從乘用車用高強(qiáng)鋼的研發(fā)和使用情況來(lái)看，路洪洲認(rèn)為，近年來(lái)國(guó)內(nèi)熱沖壓成形鋼零件用量猛增，鈮微合金化材質(zhì)性能提升。在過(guò)去的十幾年間，中國(guó)乘用車開(kāi)始批量應(yīng)用熱沖壓成形鋼零件，其年產(chǎn)能超過(guò)10000萬(wàn)件。但熱成形零部件存在韌性不足和氫脆延遲斷裂問(wèn)題。為解決新的熱沖壓成形汽車零件的彎曲性能不足，進(jìn)而導(dǎo)致高速碰撞時(shí)構(gòu)件提前碰撞斷裂傷害駕乘人員的問(wèn)題，奔馳和寶馬要求熱成形鋼的彎曲角度必須超過(guò)60度和65度（在熱沖壓成形零件上取樣進(jìn)行彎曲測(cè)試）才能夠被采購(gòu)和使用。國(guó)內(nèi)上下游合作，創(chuàng)新性地提出了采用鈮微合金化開(kāi)發(fā)高彎曲性能、抗氫致延遲斷裂的熱沖壓成形鋼；國(guó)內(nèi)鋼廠與汽車企業(yè)合作，通過(guò)復(fù)合微合金改善熱成形鋼的淬透性，擴(kuò)大工藝窗口，提高冷彎性能和抗氫脆延遲斷裂性能，所開(kāi)發(fā)鋼種的極限尖冷彎性能以及抗氫脆性能比常規(guī)的熱成形鋼22MnB5提高了10%以上，新材料在多個(gè)整車企業(yè)和多個(gè)車型上應(yīng)用，保證了汽車的被動(dòng)安全性能，相關(guān)創(chuàng)新成果獲得了汽車工業(yè)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。2021年含鈮熱成形鋼年產(chǎn)量近10萬(wàn)噸。

不同車型圖

　　研究應(yīng)用問(wèn)題背后的科學(xué)問(wèn)題，通過(guò)氫脆機(jī)理提出改善氫脆方案。采用冷鏈原子探針層析技術(shù)、氫的同位素氘作為介質(zhì)，系統(tǒng)研究晶界、位錯(cuò)、碳氮化鈮的氫陷阱作用機(jī)制，在頂刊《科學(xué)》主刊發(fā)表，提出了高強(qiáng)度鋼汽車鋼氫脆的四個(gè)觸發(fā)條件，并探討了基于HELP、裂紋鈍化和HEDE的新氫脆機(jī)制，一系列宏觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果與顯微觀察相吻合。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了含鈮熱成形鋼及熱沖壓成形零部件的制造工藝。

　　充分發(fā)揮鈮在雙相鋼中重要作用，顯著改善其冷彎及擴(kuò)孔成形性能。在本世紀(jì)初，乘用車車身應(yīng)用的雙相鋼基本上是以DP590為主，隨著汽車輕量化的快速發(fā)展，更高強(qiáng)度級(jí)別的雙相鋼如DP780、DP980得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。為提高高強(qiáng)雙相鋼的冷彎及擴(kuò)孔等成形性能，鈮元素發(fā)揮了重要的作用。鈮在雙相鋼中的作用是通過(guò)細(xì)化雙相組織改善材料的成形性。2013年，國(guó)內(nèi)完成了含鈮DP780冷軋鋼板的開(kāi)發(fā)，通過(guò)采用含鈮的低碳成分設(shè)計(jì)，材料的組織得到了顯著改善，冷彎及擴(kuò)孔等成形性能得到了大幅度提高，為解決零件的剪切邊緣開(kāi)裂奠定材料保障。

　　汽車輕量化高強(qiáng)HSLA鋼用量大，穩(wěn)定性隨強(qiáng)度提高難題迎刃而解。高強(qiáng)低合金鋼主要用于A柱上部加強(qiáng)件、車門(mén)檻加長(zhǎng)件、前部?jī)?nèi)側(cè)框架、內(nèi)側(cè)B柱、后部發(fā)動(dòng)機(jī)支架和內(nèi)部側(cè)框架等，在乘用車白車身中占有很大的比重，是汽車白車身的主要用鋼品種。隨著汽車輕量化發(fā)展，汽車白車身采用的冷軋高強(qiáng)低合金鋼強(qiáng)度越來(lái)越高，從屈服強(qiáng)度260MPa級(jí)別逐步發(fā)展到今天的800MPa級(jí)別，而高強(qiáng)冷軋HSLA鋼板強(qiáng)度穩(wěn)定性控制則是一個(gè)行業(yè)難題，為此，2015年通過(guò)與國(guó)內(nèi)大型鋼廠合作，通過(guò)軋制及連退工藝優(yōu)化，成功解決了隨著材料強(qiáng)度的不斷提高，鋼板強(qiáng)度穩(wěn)定性變差的難題，卷內(nèi)性能差異＜20MPa鋼卷比例由72%提高至98%以上，最大性能波動(dòng)由94MPa降低至43MPa，卷內(nèi)性能穩(wěn)定性效果提升明顯。

　　用傳統(tǒng)生產(chǎn)線生產(chǎn)含鈮Q&P鋼，為乘用車輕量化提供了新選擇。隨著乘用車輕量化發(fā)展的需求，Q&P鋼在國(guó)內(nèi)的專業(yè)生產(chǎn)線上得以開(kāi)發(fā)成功并得到實(shí)際應(yīng)用，如何在傳統(tǒng)生產(chǎn)線上生產(chǎn)Q&P鋼，則是一個(gè)重要的課題。2018年中信金屬與馬鋼合作開(kāi)發(fā)了1000MPa基于傳統(tǒng)生產(chǎn)線的含鈮高強(qiáng)度、高延性、低成本第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，材料具有和專用產(chǎn)線材料相當(dāng)?shù)男阅?，在汽車廠進(jìn)行了零部件試制，沖壓工藝穩(wěn)定、零件尺寸精度合格，滿足汽車廠要求。

　　從開(kāi)裂的問(wèn)題導(dǎo)向出發(fā)，推動(dòng)汽車材料卡片構(gòu)建。碰撞開(kāi)裂和成形開(kāi)裂的預(yù)防主要基于材料性能、同步分析的精準(zhǔn)度和制造工藝的控制，除了采用鈮微合金化以及其他成分優(yōu)化、工藝優(yōu)化提升材料性能外，精準(zhǔn)的材料斷裂卡片和材料本構(gòu)至關(guān)重要，過(guò)去5年間，先后與相關(guān)研究測(cè)試機(jī)構(gòu)完成了含鈮和不含的熱成形鋼、雙相鋼等材料卡片開(kāi)發(fā)，并完成了零件的剪切邊開(kāi)裂模擬、零件碰撞模擬，以及零件的成形試制和零件的落錘沖擊測(cè)試，構(gòu)建從材料卡片-成形仿真-零件試制-零件碰撞的閉環(huán)，促進(jìn)了汽車的正向開(kāi)發(fā)。

　　從性能、成形、成本多維度推動(dòng)汽車正向選材?；凇败嚿憝h(huán)狀結(jié)構(gòu)”、“新材料卡片”、“成本模型”等開(kāi)發(fā)了汽車車身正向選材系統(tǒng)（MISS系統(tǒng)），將車身材料選擇與碰撞性能、車身剛度、成形開(kāi)裂、成本控制相關(guān)聯(lián)，從基于經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榛谶壿嬇袛?，并免費(fèi)向全行業(yè)開(kāi)放，為汽車正向開(kāi)發(fā)和合理選擇提供了新路徑，確保了“合適的材料用在合適的地方”。 

　　從商用車用高強(qiáng)鋼的研發(fā)和使用情況來(lái)看，路洪洲介紹，國(guó)內(nèi)企業(yè)連續(xù)3年連撰兩會(huì)提案,商用車超載管制和輕量化引起高層重視，開(kāi)展協(xié)同技術(shù)攻關(guān),促節(jié)能減排提產(chǎn)品質(zhì)量性能。在商用車輕量化方面，前些年，商用車上下游行業(yè)強(qiáng)調(diào)多拉快跑，導(dǎo)致超載嚴(yán)重。而且，商用車主要采用510L、330CL、380CL、Q235、Q345等傳統(tǒng)材料，嚴(yán)重制約了新材料、新工藝、新設(shè)計(jì)的應(yīng)用，造成了自主品牌商用車與國(guó)外商用車在品質(zhì)和質(zhì)量方面存在著巨大的差距。中信金屬連續(xù)三年撰寫(xiě)全國(guó)兩會(huì)提案，如2016年提交的《關(guān)于改善物流載貨車輛市場(chǎng)需求和結(jié)構(gòu)調(diào)整的提案》、2015年《關(guān)于鼓勵(lì)使用輕量化商用汽車產(chǎn)品以促進(jìn)節(jié)能減排、減緩空氣污染的提案》等。此外，中信金屬還聯(lián)合上下游行業(yè)開(kāi)發(fā)了輕量化車架、車輪、掛車等降低了能耗和排放、提高了產(chǎn)品性能和質(zhì)量。經(jīng)過(guò)行業(yè)上下游的協(xié)同和近十年的技術(shù)攻關(guān)，大量的新型零部件、新材料得以應(yīng)用，商用車整體減重約15%左右，降低了能耗和排放、提高了產(chǎn)品性能和質(zhì)量。

　　整車自重的減低提高了運(yùn)輸效率、降低了對(duì)道路的損傷，使交通運(yùn)輸更綠色、更環(huán)保。尤其帶動(dòng)了上游原材料行業(yè)和零部件制造行業(yè)的技術(shù)提升，也為新GB1589國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家限超政策的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。汽車輕量化帶動(dòng)了汽車節(jié)能減排、被動(dòng)安全等性能的提升，進(jìn)而提升了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)帶動(dòng)了零部件制造行業(yè)、模具行業(yè)、熱處理爐行業(yè)、成形及連接裝備行業(yè)的技術(shù)提升，推動(dòng)了我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)的整體技術(shù)進(jìn)步。汽車輕量化有效降低了原材料的使用量，提高了高性能材料的應(yīng)用，這對(duì)我國(guó)“供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”有重要的推動(dòng)作用。經(jīng)過(guò)上下游多年的努力，610L、700L、750L、540CL、590CL等鈮微合金化高強(qiáng)度鋼材料被大批量應(yīng)用。

　　產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合研發(fā)車輪鋼，榮獲汽車工業(yè)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。國(guó)內(nèi)產(chǎn)、學(xué)、研、用各單位密切合作，形成了鋼制車輪輕量化成套技術(shù)，獲得了2018年度中國(guó)汽車工業(yè)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。設(shè)計(jì)制造的22.5×9.00鋼制車輪，承載4000Kg，在滿足各性能前提下，單只車輪自重41Kg，已大批量供貨商用車企業(yè)應(yīng)用。設(shè)計(jì)制造用于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的22.5×9.00鋼制車輪，承載3550Kg，在滿足各性能的前提下，單只車輪自重約37Kg，已大批量供貨北汽福田、中國(guó)重汽。設(shè)計(jì)制造用于國(guó)外市場(chǎng)的22.5×8.25鋼制車輪，承載3350Kg，自重約31.6Kg，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，已經(jīng)批量出口。外觀造型美觀的高通風(fēng)孔鋼制車輪的開(kāi)發(fā)為乘用車鋼制車輪提供了一種新的路徑。近兩年開(kāi)發(fā)了礦用自卸車專用輕量化車輪，車輪重量從60kg以上降至50kg以內(nèi)，完成了第一輪路試，將為礦用自卸車的輕量化和節(jié)能減排和成本降低提供新選擇。   

　　車架用鋼強(qiáng)度顯著增長(zhǎng)，與國(guó)外差距正逐漸縮小。隨著國(guó)內(nèi)商用車輕量化發(fā)展需求，車架用鋼強(qiáng)度有了顯著的增長(zhǎng)，與國(guó)外的差距逐漸縮小，在過(guò)去幾年中，車架用鋼的強(qiáng)度逐步由之前的510L轉(zhuǎn)為700L或更高強(qiáng)度級(jí)別鋼板。2012年國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)出了高強(qiáng)度、高韌性的車架用鋼，促進(jìn)了商用車用材高強(qiáng)化的發(fā)展需求。近年來(lái)，相繼開(kāi)發(fā)了高疲勞性能700L和750L，疲勞強(qiáng)度顯著提升，解決了車架疲勞失效、三面沖缺陷、大梁鋼疲勞強(qiáng)度不足等問(wèn)題，形成了成套解決方案，為商用車輕量化車架應(yīng)用保駕護(hù)航。