汽車材料中的高強(qiáng)度鋼究竟是怎樣定義和分類的？

    陸匠心：高強(qiáng)度鋼是相對軟鋼而言的，這個劃分是基于材料的強(qiáng)度級別，但是不同的鋼鐵廠和汽車廠劃分標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，有些按照屈服強(qiáng)度，有些按照抗拉強(qiáng)度劃分。

    按照國際鋼鐵協(xié)會的定義，將屈服強(qiáng)度在210～550MPa范圍內(nèi)的鋼定義為高強(qiáng)度鋼（HSS），屈服強(qiáng)度在550MPa以上的鋼定義為超高強(qiáng)度鋼（UHSS）。在日系汽車中，一般把抗拉強(qiáng)度在340MPa以上的定義為高強(qiáng)度鋼，780MPa以上的定義為超高強(qiáng)度鋼。這兩種定義方法對具體材料來說差異不大，都是目前經(jīng)常采用的。

    重點要指出的是，按照強(qiáng)度定義的高強(qiáng)度鋼在使用性能上存在很大差異，如成形、焊接、涂裝等。材料達(dá)到高的強(qiáng)度不是太難的事，但在達(dá)到高強(qiáng)度的同時又具有好的使用性能就不容易了。汽車廠需要的是滿足各種使用性能的高強(qiáng)度鋼，而不是僅僅強(qiáng)度高。

    此外，根據(jù)強(qiáng)化機(jī)理的不同，汽車用高強(qiáng)度鋼又可分為普通高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼是以相變強(qiáng)化機(jī)制為主的鋼種，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的延塑性大大好于普通高強(qiáng)度鋼，同時也具有較高的強(qiáng)塑積，在滿足工藝性能的同時也具有更高的輕量化潛力。

    高強(qiáng)度鋼是目前應(yīng)用最為廣泛的輕量化材料，相對于其他汽車輕量化材料，其主要有哪些優(yōu)勢？

    陸匠心：目前，汽車輕量化可采用的材料方案有很多種，包括高強(qiáng)度鋼、鋁鎂輕金屬、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。高強(qiáng)度鋼與目前主要采用的幾種非鋼輕量化材料相比，其優(yōu)勢主要有：

    1）制造技術(shù)成熟。從鋼廠到汽車制造廠，全流程技術(shù)趨于完善，各工序環(huán)節(jié)技術(shù)的銜接和配合非常可靠，為汽車制造過程的穩(wěn)定提供了保證，也為最終汽車產(chǎn)品的性能水平和質(zhì)量可靠提供了保證。

    2）材料技術(shù)成熟。材料特征可控性高，安全可靠性好，用戶使用技術(shù)成熟；材料科學(xué)基礎(chǔ)扎實，新開發(fā)的鋼種性能不斷提升。

    3）環(huán)境友好。隨著鋼鐵制造技術(shù)的提升，材料制造過程對環(huán)境的影響降低，可回收性好。

    4）成本低。資源豐富，材料成本低廉；工藝成熟，制造成本低；可維護(hù)性好，使用成本低。

   高強(qiáng)度鋼由于強(qiáng)度較高，存在回彈較大、沖壓成形性較差等缺點，采用冷沖壓工藝來生產(chǎn)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的高強(qiáng)度鋼零件還存在一定的技術(shù)瓶頸，目前有沒有更好的適合高強(qiáng)度鋼成形的新工藝？

    陸匠心：冷沖壓成形是成本最低、工效最高的工藝，而且理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗的積累最豐富，所以它仍然是業(yè)界應(yīng)用最多的成形方式。但高強(qiáng)度鋼在冷沖壓時的確存在回彈大、成形性較差的缺點。然而，也正因為此，行業(yè)在解決高強(qiáng)度鋼成形性差和回彈大等問題方面下了很大力氣，做了很大努力。這種努力主要體現(xiàn)在新材料開發(fā)和成形質(zhì)量提升兩個方面。

    在新材料開發(fā)方面，寶鋼已經(jīng)成功開發(fā)具有高延伸率的超高強(qiáng)度鋼。比如QP1180，強(qiáng)度級別達(dá)到1200MPa級，延伸率還能達(dá)到14%以上，這就意味著汽車上絕大部分的結(jié)構(gòu)件仍然可以采用冷沖壓的成形工藝來制造。

    在成形質(zhì)量提升方面，寶鋼與用戶一起開發(fā)最合適的冷沖壓工藝，包括成形方法、工序設(shè)計、材料利用率提升等。在回彈的預(yù)測和控制方法方面也做了大量的工作，幫助用戶極大地縮短了控制回彈所需要的工藝和模具的調(diào)試時間。

    寶鋼在高強(qiáng)度鋼成形新工藝方面的研究包括熱沖壓成形、輥壓成形和旋壓成形等，目前熱沖壓和輥壓成形技術(shù)已實現(xiàn)了工業(yè)化大批量應(yīng)用。熱沖壓成形的優(yōu)點是可以很好地解決回彈大和成形性差的問題，缺點是能耗高、成本高。輥壓成形是采用漸進(jìn)成形的方式將高強(qiáng)度鋼輥彎成一定的形狀，它的工效高，成本低，加工產(chǎn)品的長度基本不受限制，可較好地控制回彈等，它的缺點是目前還只能做等截面形狀的零件，變截面的輥壓成形技術(shù)還在研究中，沒有實現(xiàn)大批量的工業(yè)化應(yīng)用。

    還有一些其它加工方式，如鏈?zhǔn)匠尚巍⑷嵝猿尚巍㈦姶懦尚巍爻尚蔚龋瑖鴥?nèi)外也有不少學(xué)者在進(jìn)行研究，只是目前還沒有實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

    根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，鋼材的噸鋼初次能耗的確是大大低于鋁材的，然而作為汽車材料，鋼與鋁的綜合能耗應(yīng)該是考慮原材料冶煉、軋制、運輸、零部件制造以及回收的全過程。那么汽車上鋼與鋁在全壽命周期（Life Cycle Assessment，LCA）的能耗究竟誰更低？寶鋼有沒做過相關(guān)的研究？

    陸匠心：關(guān)于鋼與鋁的LCA能耗究竟誰更低尚存爭議。世界鋼鐵工業(yè)協(xié)會研究結(jié)果表明鋼低于鋁；而2013年9月，隸屬于美國能源部的橡樹嶺國家實驗室發(fā)表研究成果，他們研究了豐田Venza車型的傳統(tǒng)鋼制車身、高強(qiáng)度鋼輕量化車身和全鋁車身三種情況，得出結(jié)論認(rèn)為從全生命周期（LCA）角度汽車用鋁比用鋼更利于節(jié)能減排。當(dāng)然，影響碳排放的因素眾多，不同的車型、輕量化系數(shù)等都影響碳排放結(jié)論。

    寶鋼在鋼鐵產(chǎn)品生命周期（LCA）評價方面已經(jīng)開展了大量工作，并積累了豐富的數(shù)據(jù)。每年寶鋼發(fā)布的《社會責(zé)任報告》中也包括了寶鋼產(chǎn)品生命周期研究的進(jìn)展情況。在汽車用鋼方面，寶鋼以車門、發(fā)罩等典型零件總成為載體，研究了從材料生產(chǎn)、零件制造、車輛運行與回收的全生命周期的碳排放對比，近期還在開展白車身的LCA評價工作。我們開展這方面工作的主要目的不是要與其它材料比個高低，更重要的是要發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期中能夠改善或降低能源的消耗之處，使我們產(chǎn)品的制造和使用更加“綠色”。

    國內(nèi)乘用車車身高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用情況如何？與國外品牌有哪些差異？

    陸匠心：自2007年國家成立汽車輕量化戰(zhàn)略技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟以來，極大地推動了國內(nèi)乘用車車身高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用，但與國外品牌相比，國內(nèi)乘用車在高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用方面還有明顯差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

    1）車身用高強(qiáng)度鋼的比例：國內(nèi)平均在50%以上，有些達(dá)到了60%以上，使用熱沖壓件約2～5個。國外平均水平在60％以上，有些達(dá)到了80%以上，使用熱沖壓件在6個以上。

    2）車身用高強(qiáng)度鋼的級別：國內(nèi)以780MPa以下為主，國外在780MPa以上的比例較高。

    3）車身用高強(qiáng)度鋼鍍層板（熱鍍鋅、電鍍鋅或鋅鐵合金）：國內(nèi)的比例在30％以上，國外在60％以上。

    4）高強(qiáng)度鋼的使用技術(shù)水平：包括高強(qiáng)度鋼的成形、焊接、涂裝、評估、模具設(shè)計技術(shù)等，國內(nèi)尚存在較多問題沒有得到系統(tǒng)的解決。

    5）使用高強(qiáng)度鋼的車身設(shè)計水平：國內(nèi)自主設(shè)計的有些車型使用了較多的高強(qiáng)度鋼，但材料的作用沒有得到充分發(fā)揮，高強(qiáng)度鋼對提升車身整體性能沒有起到應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

    在超高強(qiáng)度鋼發(fā)展的技術(shù)路徑上，一個是冷成形的第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，另一個則是熱沖壓高強(qiáng)度鋼，這兩方面寶鋼也都有成熟的產(chǎn)品，您如何看待這兩種技術(shù)之間的潛在競爭？

    陸匠心：熱沖壓可以滿足汽車上復(fù)雜形狀安全結(jié)構(gòu)件的制造要求，熱沖壓用鋼在歐系車上應(yīng)用較多。第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼是近年來發(fā)展起來的鋼種，也是近年來汽車用鋼的一個突破性產(chǎn)品。這一鋼種的出現(xiàn)，為汽車制造增加了另一種輕量化鋼材的技術(shù)解決方案。可以預(yù)計在今后一段時間內(nèi)，這兩種輕量化技術(shù)路線將并存并有一定程度的競爭，由于第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼顯現(xiàn)的優(yōu)良性能，在其制造和使用技術(shù)等進(jìn)一步成熟后，我相信第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼將得到快速發(fā)展。

    這兩種產(chǎn)品及技術(shù)不存在沖突，而是有互補(bǔ)的作用。采用什么技術(shù)方案，取決于汽車的設(shè)計、零部件資源、對材料的使用傾向、當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)等。寶鋼已經(jīng)有了這兩種技術(shù)的成熟產(chǎn)品，并能提供相應(yīng)的解決方案。寶鋼仍將在這兩個產(chǎn)品及其技術(shù)上開展持續(xù)的研發(fā)，使這兩個產(chǎn)品及其技術(shù)能夠不斷滿足不同用戶的需求。

    寶鋼是全球最早實現(xiàn)第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼商業(yè)化的鋼企，在QP鋼之后，又成功的實現(xiàn)了中Mn鋼的商業(yè)化。寶鋼為何選擇多種技術(shù)路徑同步開發(fā)而不是專注于某一個鋼種？這些鋼種各有什么特點？

    陸匠心：實現(xiàn)第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的技術(shù)路徑有很多，QP鋼（Quenching and Partitioning，淬火配分鋼）和中Mn鋼是在當(dāng)前工藝裝備基礎(chǔ)上最可能實現(xiàn)商業(yè)化的兩種技術(shù)路線。相比較而言，中Mn鋼較QP鋼具有更高的強(qiáng)塑積，但制造難度更大，當(dāng)前的技術(shù)成熟度相對較低。若中Mn鋼的制造技術(shù)得到解決，將能為汽車提供更具有競爭力的輕量化解決方案。

    汽車車身部件因其成形和功能要求不同，對所使用的鋼材有不一樣的性能要求。寶鋼率先開發(fā)的第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼QP鋼，可滿足目前新開發(fā)車型中成形復(fù)雜零件對高強(qiáng)度鋼的制造要求。但汽車行業(yè)對材料的要求是不斷提升的，不斷開發(fā)更好性能的鋼鐵材料也是鋼鐵行業(yè)自身發(fā)展的動力。所以寶鋼基于自身材料技術(shù)的積累和對未來汽車用鋼發(fā)展趨勢的判斷，開發(fā)性能更為優(yōu)越的中、高M(jìn)n鋼產(chǎn)品，以應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的更高需求。此外，這些產(chǎn)品并非互不相干，在材料冶煉與軋制技術(shù)、工程應(yīng)用技術(shù)，以及其它相關(guān)的體系中都是具有共同的平臺的。

    當(dāng)然，這些產(chǎn)品和技術(shù)方案也有各自的特點。例如，QP鋼成分、組織特征和使用性能最接近現(xiàn)有成熟產(chǎn)品，最具易用性；高M(jìn)n鋼雖然性能顯著優(yōu)于QP鋼，但對用戶的加工使用技術(shù)水平要求較高；中Mn鋼則在性能、成本和易用性方面都介于QP鋼和高M(jìn)n鋼之間。

    寶鋼是國內(nèi)較早引入EVI合作模式的鋼企，這種合作模式的優(yōu)勢在哪里？寶鋼有哪些合作的成功經(jīng)驗可以分享？

    陸匠心：EVI（Early Vendor Involvement）指的是供應(yīng)商早期介入，鋼廠作為材料供應(yīng)商在下游汽車用戶車型開發(fā)的早期階段就介入進(jìn)去，充分了解用戶在車型開發(fā)中對原材料性能的要求，同步開發(fā)性能滿足新車型要求的材料，并為客戶提供個性化服務(wù)。對鋼廠來說，這種模式的好處：

    一是可以準(zhǔn)確掌握新車型對材料的性能要求，有針對性地高效開發(fā)新產(chǎn)品。

    二是能更好地了解用戶需求，指導(dǎo)鋼廠制訂產(chǎn)品發(fā)展和經(jīng)營策略。

    三是與用戶發(fā)展更緊密的合作關(guān)系，提升和拓展合作范圍。

    總之，這種模式促進(jìn)了鋼廠產(chǎn)品的發(fā)展，也得到用戶的歡迎，是實現(xiàn)“雙贏”的模式。

    EVI合作獲得成功，首要的是要獲得用戶對合作模式的認(rèn)同。這種認(rèn)同是建立在雙方可以實現(xiàn)共贏的基礎(chǔ)上的。以高強(qiáng)度鋼的使用為例，汽車廠對車型的定位和功能需求各不相同，僅鋼廠一廂情愿是不夠的。鋼廠要讓用戶充分了解高強(qiáng)度鋼的特點，以及每一種不同特性的高強(qiáng)度鋼與車身零部件功能要求之間的關(guān)系。通過雙方在新車型設(shè)計階段的先期合作，找到合理應(yīng)用高強(qiáng)度鋼的解決方案，從而使得高強(qiáng)度鋼應(yīng)用之后能夠?qū)崿F(xiàn)低的成本和發(fā)揮有效的作用。

    編后

    鋼鐵材料由于在強(qiáng)度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及成本方面具有綜合的優(yōu)勢，其在汽車材料中的主導(dǎo)地位仍是不可動搖的，尤其是高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用還有較大的增長空間。但高強(qiáng)度鋼也面臨輕量化新材料（如碳纖維復(fù)合材料、鋁合金等）技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。因此，高強(qiáng)度鋼材料與應(yīng)用技術(shù)本身也需要不斷地提升，在競爭中求發(fā)展，同時鋼企也需要不斷推進(jìn)以用戶需求為導(dǎo)向的產(chǎn)業(yè)鏈合作模式（如EVI等），提高服務(wù)客戶的意識與能力。

    陸匠心簡介：

    教授級高工，享受政府特殊津貼專家，寶鋼汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點實驗室主任，曾任寶鋼中央研究院副院長，2005年獲東北大學(xué)博士學(xué)位。長期從事先進(jìn)結(jié)構(gòu)鋼的研制和研究管理工作，承擔(dān)了多項國家及省部委的研究項目，多次獲得科技進(jìn)步獎勵：2003年獲冶金企業(yè)管理現(xiàn)代化創(chuàng)新成果一等獎，2004年獲機(jī)械工業(yè)科技進(jìn)步一等獎、中國冶金行業(yè)科技進(jìn)步特等獎，2005年獲上海市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎、國家科技進(jìn)步二等獎。陸匠心教授憑著多年扎實的理論研究和實踐成果，領(lǐng)導(dǎo)寶鋼研究院在擴(kuò)大企業(yè)的產(chǎn)品競爭優(yōu)勢和實施精品戰(zhàn)略的過程中貢獻(xiàn)突出，多次應(yīng)高校或者學(xué)術(shù)會議邀請做學(xué)術(shù)報告，在國內(nèi)外具有良好的聲譽(yù)，是一個有突出貢獻(xiàn)的鋼鐵專家。


 

責(zé)任編輯：王元

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