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发力汽车轻量化看中信金属如何点铌成金

发布时间:2019-09-14 09:02:59

  发力汽车轻量化 看中信金属如何点“铌”成金

  在日前举行的中信微合金化技术中心年会暨中信—CBMM RD项目报告会上,中国金属学会原副理事长李文秀指出,“含铌高强钢已经成为我国国民经济建设,推进供给侧结构性改革最重要、最活跃的研究应用领域,从西气东输管道项目低碳高铌X80管线钢,再到汽车轻量化用高强钢;从电站高温合金到飞机火箭,铌扮演了‘工业味精’的角色,只要一点点,效果却很明显。”

  对于李文秀提到的含铌高强钢以及金属铌,相信有不少人还比较陌生。据了解,铌作为一种合金化元素,很少单独使用。在汽车行业,铌加入到车用钢材和铝合金材料后,可显著提高汽车材料及零部件的强度、韧性、疲劳性能、抗氢致延迟断裂能力、吸能以及碰撞性能。同时可以提高汽车材料的扩孔性能、弯曲性能、降低带状组织以及偏析、提高汽车镀锌钢板的锌层附着力、提高汽车镀锌钢板的工艺可行性等,进而提高材料的加工制造性能,提高零部件的成材率。含铌材料可以有效提升汽车的轻量化和安全性能。

  实际上,目前中国每年生产和应用汽车用含铌钢材已达到1500万吨左右,占我国整体汽车用钢铁材料的1/3,广泛地应用在汽车车身、车架、排气系统、车轮和悬架、发动机和涡轮增压器、变速箱等总成,极大地支撑了我国汽车行业的发展。

  “汽车轻量化对‘中国制造2025’的落地实施、中国制造业的转型升级、以及加快中国经济的创新驱动发展有十分重要的战略意义,伴随着汽车轻量化的实施,我国涌现了如吉利汽车、宝钢、忠旺铝业、凌云工业、中信戴卡、康德复材等一批国际知名的制造企业。”中信金属有限公司汽车高级经理路洪洲博士日前在接受汽车采访时表示,“但通过与欧美对标可以发现,中国的汽车轻量化水平与国外仍有不小的差距,中国的含铌钢的比例与汽车工业发达国家尚有较大的差距,因而随着‘中国制造2025’的推进,中国汽车品质将稳步提升,含铌材料的应用量也将不断增加。”

  中信金属有限公司汽车高级经理 路洪洲博士

  在这次中信微合金化技术中心年会上,来自汽车和钢铁行业的人士对我国钢铁工业发展的新形势以及铌微合金技术的最新进展进行了探讨。而年会的主角——中信微合金化技术中心就隶属于中信金属有限公司。

  据公开资料显示,中信金属有限公司(以下简称“中信金属”)于1988年1月设立,注册资本为38.67亿元,是中国汽车工程学会的理事单位、中国汽车工业协会会员单位、汽车轻量化技术创新战略联盟理事单位。中信金属的铌产品业务、钢材产品业务与汽车行业密切相关,其中每年应用在汽车领域的铌产品销售额超过10亿元人民币。

  助力中国汽车轻量化有序推进

  在过去十年中,我国汽车轻量化工作取得很大进展,无论是设计、材料,还是制造技术都有明显进步,最重要的是轻量化的理念与认识上有了质的飞跃。在此过程中,中信金属与中国汽车工程学会、汽车轻量化技术创新战略联盟单位的通力合作,从最初将汽车轻量化理念和轻量化技术引入中国、到上下游汽车轻量化产品开发支持、再到行业技术交流平台的搭建,一步步助力我国汽车轻量化有序推进。

  1)首次将汽车轻量化理念和技术系统引入中国

  据路洪洲介绍,早在2005年,中信金属就将巴西“汽车用铌微合金化钢”国际研讨会资料引入中国,并于2006年正式出版为《铌微合金化汽车钢板》。在该书中,宝马汽车专家做了“轻量化车身的功能设计-如何根据结构要求来确定车身材料”的技术报告,系统介绍了汽车轻量化工程,汽车轻量化的设计、工艺、材料选用以及成本曲线,尤其为了能评估轻量化工程的效果设定一个标准,引入了一个专用的轻量化系数L。

  书中介绍了汽车的安全、刚度以及抗凹陷性等与轻量化和高强度应用的关系;轻量化与提到减少燃料消耗量,以及实现ACEA组织对汽车的二氧化碳排放量(与燃料消耗量直接相关)规定的关系;汽车减重100kg对于燃油消耗、排放、制动距离以及加速性能的关系等。这些资料首次系统地阐述汽车轻量化,有重要的启蒙作用,这让中国汽车行业对汽车轻量化获得了新的认识。

  为进一步推动中国汽车轻量化的发展,从2007年开始,中信金属连续8年组织汽车上下游行业整车和原材料专家前往欧洲车身会议观摩学习,车身轻量化是该会议的重点和特色,每个车型都会介绍轻量化系数、轻量化设计、轻量化材料应用以及轻量化工艺技术的应用。参会的中国专家由此对欧美汽车车身技术和车身轻量化技术得到了直观的、前所未有的认识。

  路洪洲表示,中信金属的上述工作为汽车轻量化技术创新战略联盟的建立奠定了基础。经过多年的推动,汽车行业与材料行业很快达成了共识,那就是:“轻量化是未来汽车技术发展的重要方向之一,无论传统车还是新能源汽车,轻量化是汽车重要的共性关键技术”。

  2)支持上下游轻量化开发 推出创新解决方案

  在过去的十年间,中信金属先后和上下游单位开发系列汽车钢铁材料

  ,包括:含铌的高强低合金钢(HSLA)、双相钢(DP)、热成形钢(PHS)、深拉延钢(IF钢)、烘烤硬化钢(BH)、大梁钢、车轮钢、齿轮钢、弹簧钢、耐磨钢等。

  在此基础上,通过研究零部件设计和制造工艺优化,先后开发了轻量化B柱、保险杠横梁、车轮、车架、板簧、排气系统、齿轮等汽车零部件。

  “近几年来,中信金属先后和上下游单位开发了轻量化厢式货车、轿车运输车、厢式车半挂车、中置轴厢式物流车、中置轴轿车运输车、自卸车、矿用自卸车、仓栅车等总成及整车。” 路洪洲表示,“在多年的开发合作中,目前已相应的形成了铌微合金化材料技术解决方案、含铌零部件轻量化技术解决方案、和铌微合金化整车集成技术解决方案。”

  3)搭建开放性汽车轻量化技术交流协作平台

  为深入认识中国自主品牌与国外汽车工业发达国家的差距,中信金属牵头和相关行业单位联合组织召开了7届“汽车Benchmark分析及汽车性能开发技术研讨会”,对每年的国内外车身技术进展进行系统研究和总结。同时为了推动我国自主品牌车身技术以及轻量化技术的进步、提供汽车行业车身交流平台,参考欧洲车身会议的开放、共享、技术引领的模式,2011年~2012年由中信金属和汽车轻量化技术战略联盟及中国汽车工程学会经多次商议下,于2013年正式启动的高水平行业平台会议“中国轻量化车身会议”。

  中国轻量化车身会议主要由整车企业的车身开发团队聚焦一个具体车型,介绍该车身的车身开发、设计理念、设计方法及工程分析技术、最新的制造工艺和轻量化材料,安全和刚度以及轻量化等核心性能的实现等。截止2017年,中国轻量化车身会议已走过5年,搭建了一个中国汽车行业前所未有的、开放的车身技术交流平台,成为原材料企业与整车企业的纽带,见证了自主品牌的发展壮大、正向开发和性能开发、平台化以及轻量化技术快速发展的历程。此外,为推动中国原材料企业EVI技术和模式的发展,中信金属和中国汽研等联合创建了“中国汽车EVI及高强度钢氢致延迟断裂会议”。

  上述行业公益性交流协作平台的创建,推进了我国汽车轻量化的进程以及汽车工业的发展,对自主品牌汽车、以及汽车原材料企业的发展起到了助力作用。

  中信金属铌微合金化技术系列技术案例

  据路洪洲介绍,铌是一种在火箭和导弹发动机以及航空发动机、汽车、船舶桥梁、能源运输上起着重要作用的金属。早在上世纪20年代,人类工程师就发现了铌的重要性能。钢铁中仅需加入0.03%的铌,就可以让强度提升30%以上,实现强度和韧性同时提升。阿波罗飞船服务舱的喷管扩张段、阿波罗登月飞船的主发动机喷管,就采用了C-103铌合金。

  “工业上有一种说法,铌是‘工业味精’。我给出了一个成语来表述:点‘铌’成金,首先,一点点的铌就可以大幅度提高金属材料的性能;其次,加入铌可以化腐朽为神奇,成为航天航空等不可或缺的贵重材料。”路洪洲表示。据他介绍,在高性能汽车材料中的含量仅为0.01~0.05%,如双相钢、热成形钢、大梁钢、车轮钢、弹簧钢等汽车轻量化材料,但一旦进行铌微合金化处理,上述材料的性能就有了大幅度的提升。但我国的铌矿的品位大多比较低,品位仅0.12~0.15%。品位的差距使得我国铌矿的开采成本远高于进口,这也是我国近几年来大量依赖从国外进口铌资源的原因。”为了保障我国铌资源能源供应,2011年,由中信金属、宝钢、鞍钢、首钢和太钢联合成立的中国铌业投资控股有限公司,出资19.5亿美元,收购了巴西矿冶公司 15%的股权,保证了我国的铌资源供应。

  目前铌微合金化材料已在汽车行业有广泛地的应用,新的铌微合金化技术开发也在持续推动行业的整体进步。路洪洲以中信金属的合作开发系列技术案例进行介绍:

  ●中信金属和兴民智通、北京航空航天大学、本钢等联合开发的铌微合金化RS590车轮钢以及通过轻量化设计、焊接工艺优化,开发的轻量化22.5×8.25英寸的车轮重量仅为31.5kg,达到国际先进水平,22.5×9英寸的车轮重量仅为37kg,目前已经批量供货达百万只以上,作为旋转的簧下质量构件,轻量化商用车车轮有效地促进了商用车的节能减排。

  ●中信金属与宝武钢铁、马钢等联合开发高弯曲性能、抗氢致延迟断裂的1500MPa铌微合金化热成形钢实现了全球首发,其钢材及热成形零部件均已批量供货,满足了主机厂的碰撞安全需求、提高了汽车安全性能。

  ●中信金属和安阳钢铁、驻马店中集华俊等开发的高强度挂车用钢AG700,AG750和AG800等高强度钢和轻量化挂车也已经批量应用,整车减重18~25%,助力了商用车限载限超以及新国标GB1589的实施。

  ●中信金属与一汽、东风、宝钢和太钢开发的排气系统不锈钢和排气系统零部件也已经大规模应用,支撑了我国汽车排放标准的实施。

  研发将向动力总成和新能源领域延伸

  随着汽车轻量化的不断深入,铝合金和镁合金的应用越来越多,尤其是铝合金车身冲压构件和铸造构件,对此,路洪洲表示,“目前中信金属开发了新型的铸造铝合金细化剂,在铝合金零部件铸造过程采用铝铌硼细化剂替代传统的铝钛硼细化剂可以显著细化晶粒、减少缩孔缩松,提高铸件的疲劳性能、减低零部件重量,未来中信金属将在该领域做深入的研究和发掘,以支撑我国铝合金铸造汽车零部件的品质提升。”

  他同时指出,新能源汽车当前已成为国家战略,而新的电极材料、EMC和电机等用磁性材料也成为限制新能源汽车发展的瓶颈和机遇。中信金属将紧跟国家战略,坚持创新驱动,下一步将从车身和底盘的技术开发向传统汽车动力总成以及新能源汽车电池、电机和电控延伸。

  此外,中信金属还将进一步提升汽车领域的EVI服务能力,以期更好地为汽车上下游提供技术支持,尤其是汽车产品开发的先期介入的技术支持。“中信金属每年提供项目经费与上下游联合开发高性能汽车材料和汽车产品,我们希望与更多的汽车上下游优秀企业合作,共同推动行业的技术进步。”

  对汽车轻量化行业的建议:

  过去的十年,中国的汽车轻量化经历了从概念认识、新型轻量化材料的开发,到如今的轻量化设计、制造工艺和新材料耦合的零部件和整车开发等三个过程。但主机厂的轻量化工程推动工作并不顺畅,这里有很多原因,包括成本、供应商体系、法规、消费者的认识等等。路洪洲指出,解决这个问题需从以下几个方面着手:

  第一、汽车轻量化解决方案体系建设,目前自主品牌主机厂在重量管控、新材料应用、轻量化成本分析等方面取得了较大的进展,但很少有主机厂具备各部件和总成的系列轻量化解决方案能力,多数从CAE工程分析和材料应用的角度进行轻量化车型及零部件的开发,造成了产品部门、工程分析部门、成本管控部门对轻量化部门不便协同的问题。

  自2016年,中信金属启动了“典型构件的系列轻量化解决方案”研究项目,通过总成的数字化等效子模型的开发,进行B柱总成和前保险杠横梁总成的系列轻量化方案开发,大大缩短了开发流程,形成了包括重量、成本、安全、制造工艺性、供应商资源的多维度轻量化方案矩阵,基于该矩阵,主机厂可以根据新开发车型的定位和性能需求,直接在数据库中选择合适的轻量化方案,让产品部门、工程分析部门、成本管控部门和轻量化部门在方案的层面进行沟通,降低了主机厂轻量化的推进难度。

  第二、车身正向选材体系的开发,尽管自主品牌多数主机厂已经开始正向开发,目前自主品牌车身材料的选择主要通过工程师的经验、对标车型参考和原材料企业的推介,尚未形成正向选材系统和体系,制约了新材料的应用和轻量化的进程。

  近年来,中信金属和奇瑞汽车、宝武钢铁、武汉上善等组成攻关团队,基于车身环状结构理念,从整车性能需求和零部件功能需求、成形焊接等制造工艺需求、和综合成本三个维度进行选材,首先通过汽车碰撞安全性能和刚度要求评估、零部件吸能和局部刚性等要求评估、零部件成形特征和焊接工艺窗口评估、耐腐蚀性能要求评估、成本评估等角度,通过逻辑计算最终推荐合适的材料,以达到“合适的材料用在合适的地方”诉求和选材理念。

  路洪洲坦言,尽管“典型构件的系列轻量化解决方案数据库”和“车身正向选材系统” 的构建难度较大,需要整车企业的多个部门、供应商以及科研院所配合,但这两个体系将对支撑中国汽车轻量化起到举足轻重的作用。“中信金属作为第三方平台单位,愿意和上下游单位一道、投入人力物力做更多的尝试,推动我国汽车轻量化的进程。”

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