汽車高強(qiáng)鋼發(fā)展現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外典型鋼制輕量化車身開發(fā)案例

1 汽車高強(qiáng)鋼發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的高強(qiáng)鋼根據(jù)強(qiáng)化機(jī)理的不同，可分為普通高強(qiáng)鋼（HighSpeedSteels，HSS）、先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AdvancedHighStrengthSteel，AHSS）和超高強(qiáng)鋼（UltraHighStrengthSteel，UHSS），相關(guān)鋼材類別及其強(qiáng)度分布如圖1所示。其中，先進(jìn)高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼具備較高的強(qiáng)度和成形性，是實(shí)現(xiàn)車身輕量化和保證安全性的重要材料。近幾十年來(lái)，汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼是材料的研發(fā)重點(diǎn)，世界鋼協(xié)根據(jù)研發(fā)歷史及其特點(diǎn)，將其分為3代：第1代以鐵素體為基的AHSS鋼的強(qiáng)塑積為10~20GPa·%；第2代以?shī)W氏體為基的AHSS鋼的強(qiáng)塑積為50~60GPa·%，其合金含量高和生產(chǎn)工藝控制困難導(dǎo)致成本高；第3代AHSS鋼以提高第1代AHSS鋼強(qiáng)度、塑性和降低第2代AHSS合金含量、生產(chǎn)成本2方面為目標(biāo)進(jìn)行研發(fā)，第3代多相AHSS鋼通過多相、亞穩(wěn)和多尺度的組織精細(xì)調(diào)控，其強(qiáng)塑積為30~70GPa·%。目前，國(guó)內(nèi)鋼廠已經(jīng)具備DP、CP、TRIP、TWIP、Q&P、MS等先進(jìn)高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)能力，分別用于內(nèi)外覆蓋件、各種結(jié)構(gòu)件和梁類等汽車零部件。其力學(xué)性能覆蓋面非常寬，滿足汽車對(duì)強(qiáng)度、剛度、碰撞吸能安全性、舒適性和可加工性的要求，給汽車用材與選材提供了更多的選擇。

 目前，國(guó)際主流車型的高強(qiáng)鋼占車身的比例已超過70%，其中自主品牌中高強(qiáng)鋼的應(yīng)用已達(dá)45%。中國(guó)是高強(qiáng)度鋼應(yīng)用最普遍的國(guó)家，車身使用比例接近50%，預(yù)計(jì)未來(lái)將達(dá)到60%～65%，但是超高強(qiáng)鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼使用比例大幅落后，目前僅有5%，預(yù)計(jì)未來(lái)有3倍提升空間。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面，先進(jìn)高強(qiáng)鋼與超高強(qiáng)鋼比鋁鎂合金具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足減輕汽車質(zhì)量和提高碰撞安全性能的雙重技術(shù)需要，甚至從成本與性能角度來(lái)看，是目前滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的最佳材料。

圖 1 先進(jìn)高強(qiáng)汽車用類別及強(qiáng)度分布

 對(duì)近年來(lái)“歐洲車身會(huì)議”和“中國(guó)輕量化車身會(huì)議”展示車型相關(guān)用材數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，我國(guó)乘用車高強(qiáng)鋼的應(yīng)用水平已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平（圖2），歐洲車身會(huì)議展示產(chǎn)品的高強(qiáng)鋼用量平均為56.7%，最高為73%，中國(guó)輕量化車身會(huì)議展示產(chǎn)品的高強(qiáng)鋼用量平均為62%，最高為70.4%。因此，高強(qiáng)鋼在車身上的應(yīng)用方面，中國(guó)處于領(lǐng)先地位，顯示了我國(guó)汽車企業(yè)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用水平大幅度提升，從材料生產(chǎn)到零件加工生產(chǎn)體系的日臻完善。

圖 2 全球典型鋼制車身的高強(qiáng)度鋼應(yīng)用情況

 從國(guó)際上看，盡管已經(jīng)有了許多鋁合金和碳纖維等材料應(yīng)用的成功案例，但高強(qiáng)鋼仍然在企業(yè)用材策略中占據(jù)重要地位。從圖 2 可知，各大主機(jī)廠在車身用材選擇和成形工藝選擇方面存在不同，而決定其高強(qiáng)鋼用材策略的關(guān)鍵因素是鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品規(guī)格、性能、價(jià)格以及供應(yīng)鏈的支撐能力。

 綜合以上分析，隨著我國(guó)高強(qiáng)鋼生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，在汽車鋼品種和強(qiáng)度級(jí)別等方面已經(jīng)與發(fā)達(dá)國(guó)家基本相當(dāng)，我國(guó)在具有高強(qiáng)度、高塑性特征的第 3 代鋼開發(fā)和生產(chǎn)方面具有的世界領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)為世界所公認(rèn)，也為我國(guó)進(jìn)一步推動(dòng)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用提供有力支撐，以高強(qiáng)鋼相關(guān)的一批團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的頒布及汽車用鋼上下游產(chǎn)業(yè)鏈 EVI 領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，將為車企擴(kuò)大高強(qiáng)鋼應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)和材料保障。相信隨著“高強(qiáng)鋼回彈”“延遲斷裂”等核心技術(shù)問題的認(rèn)知與解決，將為高強(qiáng)鋼在我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)內(nèi)的進(jìn)一步應(yīng)用開拓更大的空間。

 2 國(guó)內(nèi)外典型鋼制輕量化車身開發(fā)案例

為提升自身整車EVI技術(shù)水平，增強(qiáng)企業(yè)選材和提供鋼鐵輕量化綜合解決方案的能力，近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外主要鋼鐵公司先后開展了多款鋼制輕量化車身與綜合解決方案項(xiàng)目，典型的有浦項(xiàng)PBC-EV、蒂森In-car、安米S-inmotion、寶鋼BCB系列和馬鋼MCEV等。

 2.1 浦項(xiàng) PBC-EV 和 eAutopos 項(xiàng)目

2010~2012年，浦項(xiàng)開發(fā)了首款PBC-EV（POS?COBodyConcept-ElectricVehicle）純電動(dòng)概念白車身（圖3）。PBC-EV車身采用了先進(jìn)高強(qiáng)鋼及熱成形、變截面柔性輥壓成形、液壓成形、激光拼焊等先進(jìn)成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)提高了安全性。PBC-EV白車身高強(qiáng)鋼比例達(dá)到65%（其中超高強(qiáng)鋼超過40%），車身質(zhì)量由296kg降低至218kg，在成本小幅增加的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)量降低26%；從制造到報(bào)廢回收后的LCA全生命周期評(píng)價(jià)中溫室氣體排放量減少約50%。

圖 3 浦項(xiàng) PBC-EV 白車身

2021年，浦項(xiàng)發(fā)布了其新的生態(tài)友好型電動(dòng)汽車（含純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車）綜合解決方案eAutopos（eco-friendly，ElectrifiedAutomotiveSo?lutionofPOSCO），主要產(chǎn)品包括車身和底盤用高強(qiáng)汽車板、電池包專用鋼材、驅(qū)動(dòng)電機(jī)用節(jié)能高效電工鋼、氫能電動(dòng)汽車用金屬雙極板和二次電池用正負(fù)極材料等（圖4）。針對(duì)白車身，eAutopos解決方案為使用多種先進(jìn)超高強(qiáng)鋼增強(qiáng)車身強(qiáng)度和碰撞安全性。例如，對(duì)于吸收車輛前部沖擊力的前縱梁采用了980XF鋼，座椅橫梁和儀表板橫梁外側(cè)件則采用了MS1500等超高強(qiáng)度冷軋板，前側(cè)圍延伸件采用了1500MPa熱成型鋼。經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)后，白車身質(zhì)量降低至207kg，降低30%。針對(duì)懸架系統(tǒng)，eAutopos解決方案為采用其研制的高性能軸承鋼、懸架彈簧、輪胎簾線鋼等，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)保證了部件良好的加工和使用性能。

圖 4 eAutopos 電動(dòng)車綜合解決方案

2.2 蒂森 In-car 項(xiàng)目

2009年，蒂森啟動(dòng)了面向汽車生產(chǎn)商的創(chuàng)新項(xiàng)目“In-car”。項(xiàng)目聚焦輕量化、降本、減排和提高性能，并引入生命周期分析（LifeCycleAssess?ment，LCA）理念，開發(fā)出了30多種車身、底盤及動(dòng)力系統(tǒng)的創(chuàng)新解決方案，使整車質(zhì)量減輕一半的同時(shí)成本降低20%（表1），在汽車整個(gè)生命周期可減少CO2排放量1.6t。

In-car項(xiàng)目是蒂森的菜單式輕量化解決方案，它對(duì)車身、懸架、動(dòng)力總成3大系統(tǒng)的16個(gè)主要部件均進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，每個(gè)部件給出了1種以上的解決方案，且每種解決方案提供了對(duì)標(biāo)車和In-car解決方案的用材、質(zhì)量、成本和排放情況，用戶可以根據(jù)應(yīng)用目的、生產(chǎn)和工藝條件選擇不同的解決方案。

2.3安米S-inmotion項(xiàng)目

從2010年開始，安米陸續(xù)開發(fā)了S-inmotion系列車型（包括燃油車、電動(dòng)車、轎車、SUV、商用車）輕量化解決方案（圖5），主要通過先進(jìn)高強(qiáng)鋼的輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)用，為用戶提供安全、輕量化、低成本、滿足可持續(xù)發(fā)展的全面解決方案。

以2015年北美市場(chǎng)典型SUV和中高級(jí)轎車為例，通過S-inmotion解決方案，SUV可實(shí)現(xiàn)車身質(zhì)量降低112kg（比例為21%），高強(qiáng)鋼比例由33%提升到51%；轎車有望實(shí)現(xiàn)車身質(zhì)量降低100kg（比例為28%），高強(qiáng)鋼比例由68%提升到74%，全生產(chǎn)周期碳排放減少13.5%。

圖 5 S-in motion 輕量化方案 

2020年，安米推出了全新的S-inmotion純電動(dòng)汽車鋼制電池包解決方案（圖6）。該方案應(yīng)用多種高強(qiáng)鋼，其中關(guān)鍵部位（骨架、底部）使用先進(jìn)高強(qiáng)鋼（包括2GPa鋁硅鍍層熱成形鋼和500MPa馬氏體鋼），在滿足性能的前提下有效控制電池包質(zhì)量，電池盒結(jié)構(gòu)僅占總電池包質(zhì)量的20%。通過對(duì)零件的截面設(shè)計(jì)優(yōu)化，大大降低了模具的成本投入；梁結(jié)構(gòu)采用輥壓成形工藝，底蓋板等采用方板件設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)單的淺沖壓或開孔工藝，使得電池包整體材料利用率達(dá)到90%以上，可有效控制成本。

2.4 寶鋼 BCB 系列項(xiàng)目

2015年，寶鋼推出了首款超輕型概念白車身BCB（BaosteelCarBody），是國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)首次按照汽車設(shè)計(jì)流程和規(guī)則，整合新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)而完成的白車身，在安全性、舒適性和輕量化方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平（圖7、表2）。

BCB白車身質(zhì)量為284kg，車身大量應(yīng)用3代汽車用鋼，包括MS1500、B1800HS、TWIP950、QP1180等新材料，高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例為77%；在成形工藝方面，應(yīng)用了熱沖壓成形、液壓成形、輥壓成形、VRB板成形和激光拼焊板成形等先進(jìn)成形技術(shù)。通過高強(qiáng)減薄輕量化設(shè)計(jì)，保證整車性能的同時(shí)，實(shí)車輕量化系數(shù)達(dá)到2.7。

圖 6 輕量化鋼制電池包方案(S-in motion)

圖 7 寶鋼 BCB 白車身

表 2 寶鋼 BCB 白車身設(shè)計(jì)指標(biāo)

2021年，寶鋼向全球發(fā)布了超輕型純電動(dòng)高安全車身BCB-EV（BaosteelCarBodyElectricVehi?cle）。BCB-EV以先進(jìn)材料、成熟工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化為創(chuàng)新點(diǎn)，打造了以吉帕鋼為主的超輕型高安全純電動(dòng)車身（圖8）。BCB-EV白車身吉帕鋼比例超50%，電池包框架吉帕鋼100%，最高強(qiáng)度熱成形材料用到2000MPa級(jí)別，冷成型材料應(yīng)用到1700MPa級(jí)別；先進(jìn)高強(qiáng)鋼與7種先進(jìn)成形、不等厚軋制、拼焊工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)白車身質(zhì)量達(dá)到303kg（質(zhì)量降低57kg，降低比例10%～20%），輕量化系數(shù)達(dá)到2.13，滿足整車C-NCAP2021五星碰撞安全、25%小偏置碰GOOD性能要求，實(shí)現(xiàn)鋼板生產(chǎn)環(huán)節(jié)CO2減排200kg，電動(dòng)車使用環(huán)節(jié)CO2減排296kg。

圖 8 寶鋼 BCB-EV 

2.5 馬鋼 MCEV 超輕型電動(dòng)概念車開發(fā)

為了積極響應(yīng)汽車行業(yè)輕量化需求，充分展示利用鋼鐵的設(shè)計(jì)靈活性以及使用高強(qiáng)鋼來(lái)解決新能源汽車輕量化面臨的難題，2018年馬鋼聯(lián)合中國(guó)汽研、中信金屬等啟動(dòng)了馬鋼電動(dòng)概念車（MasteelConceptElectricVehicle，MCEV）電動(dòng)概念車開發(fā)項(xiàng)目。項(xiàng)目選取一款全球先進(jìn)的電動(dòng)車為標(biāo)桿，并結(jié)合行業(yè)電動(dòng)車先進(jìn)技術(shù)水平，開發(fā)一款基于馬鋼汽車鋼體系的輕量化、高性能、高安全、經(jīng)濟(jì)型A級(jí)電動(dòng)概念車（圖9）。 MCEV設(shè)計(jì)車采用全鋼車身設(shè)計(jì)，用鋼布局講究“將合理的材料應(yīng)用于合理的部位”原則，進(jìn)一步提升高強(qiáng)鋼的比例，達(dá)到輕量化效果。其中前橫梁、頂蓋中橫梁、外門環(huán)、門檻梁外板等安全部件采用馬鋼1500MPa級(jí)、1800MPa薄鍍層、高冷彎、抗延遲開裂熱成形鋼。MCEV設(shè)計(jì)車采用了48.08%高強(qiáng)鋼、22.33%先進(jìn)高強(qiáng)鋼、13.22%熱成形鋼，高強(qiáng)鋼占比達(dá)83.63%（其中含Nb高強(qiáng)鋼比例61%），如圖10所示。

圖 9 MCEV 新能源概念車

圖 10 MCEV 白車身用材比例

在車身設(shè)計(jì)上，通過CAD/CAE/SE等計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)白車身的結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行優(yōu)化分析，通過采用傳力路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化設(shè)計(jì)等，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)進(jìn)一步提升了車身的安全性。MCEV設(shè)計(jì)車前防撞梁加長(zhǎng)、增加副吸能盒，在MPDB工況下，可使碰撞力的傳遞更加均衡，在小偏置碰撞工況下，抗撞性能有所提高，如圖11、圖12所示。MCEV設(shè)計(jì)車上縱梁延伸到縱梁前端板形成閉環(huán)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，有效提升抵抗小偏置碰撞的能力；前艙橫梁的拉通橫梁結(jié)構(gòu)提升了抵抗變形能力，分散傳力路徑，增強(qiáng)安全性能，提高扭轉(zhuǎn)剛度；貫穿式的高強(qiáng)鋼座椅橫梁與B柱、頂蓋中橫梁形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，提高局部剛度性能和抗變形能力，有效實(shí)現(xiàn)載荷分流，極大增強(qiáng)整車剛度，如圖12所示。 經(jīng)輕量化設(shè)計(jì)，MCEV白車身質(zhì)量為265kg，質(zhì)量降低10.9%，輕量化系數(shù)為2.62；整車正面100%碰撞、柱碰、MPDB的性能達(dá)到C-NCAP五星水平，25%小偏置碰、頂壓性能達(dá)到中保研汽車碰撞安全指數(shù)（C-IASI）優(yōu)秀水平，白車身（帶玻璃）扭轉(zhuǎn)剛度≥23000N·m/(°)、彎曲剛度≥15000N/mm，白車身（帶玻璃）扭轉(zhuǎn)模態(tài)≥36Hz、彎曲模態(tài)≥52Hz，具有較高安全性。

圖 11 MCEV 設(shè)計(jì)車碰撞傳力路徑

圖 12 MCEV 設(shè)計(jì)車前防撞梁、上縱梁、前艙橫梁、B 柱環(huán)

MCEV設(shè)計(jì)車的主要技術(shù)性能指標(biāo)與其它新能源車型對(duì)比如表3所示。MCEV概念車不論在輕量化（質(zhì)量）、安全性能（扭轉(zhuǎn)剛度）、高強(qiáng)鋼占比等方面的技術(shù)指標(biāo)水平均優(yōu)于標(biāo)桿車，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

表 3 多款新能源車的高強(qiáng)鋼占比、車身質(zhì)量、扭轉(zhuǎn)剛度、輕量化系數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

 輕量化是以電為核心的新能源化是汽車節(jié)能減排的有效途徑，也是未來(lái)全球汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。高強(qiáng)鋼由于其高承載安全性、高工藝適應(yīng)性、高性價(jià)比綜合優(yōu)勢(shì)，可預(yù)見未來(lái)至少15年甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依舊是全球節(jié)能和新能源汽車材料行業(yè)的最重要發(fā)展方向之一。未來(lái)隨著汽車產(chǎn)業(yè)的電動(dòng)化這一大勢(shì)所趨，節(jié)能減排、“碳達(dá)峰、碳中和”政策的實(shí)施，以及先進(jìn)高強(qiáng)鋼性能和應(yīng)用技術(shù)愈發(fā)成熟，其必將在汽車輕量化領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。基于新時(shí)代的EVI理念，協(xié)同上下游產(chǎn)業(yè)鏈，以國(guó)家行業(yè)發(fā)展政策及終端用戶市場(chǎng)共性及個(gè)性化需求為牽引，打通不同類別汽車用鋼之于終端車型產(chǎn)品的應(yīng)用瓶頸鏈，為終端用戶提供汽車鋼成套應(yīng)用技術(shù)解決方案，達(dá)成在車型上的集成應(yīng)用是目前全球汽車鋼業(yè)界的熱點(diǎn)、焦點(diǎn)領(lǐng)域。近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外主要鋼鐵公司先后開展的多款鋼制輕量化車身項(xiàng)目，展示了不同優(yōu)秀鋼制輕量化解決方案的實(shí)踐案例，大大促進(jìn)了全球各類鋼制車型領(lǐng)域的整體輕量化技術(shù)水平，尤其促進(jìn)了各類先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼的持續(xù)推廣應(yīng)用。 相對(duì)于傳統(tǒng)的燃油汽車，新能源汽車在鋼材應(yīng)用總體層面不存在本質(zhì)差異性，但是還是會(huì)體現(xiàn)出一定的個(gè)性化。首先，新能源汽車基于三電系統(tǒng)的存在，其對(duì)輕量化和安全性的要求更高，尤其隨著近年來(lái)中保研汽車碰撞安全指數(shù)（C-IASI）等更苛刻碰撞安全性能評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)的逐步推廣，強(qiáng)度級(jí)更高的鋼種將集成應(yīng)用于新能源汽車車身和底盤系統(tǒng)。其次，新能源汽車將增加對(duì)高品質(zhì)電機(jī)用硅鋼片的消耗。

上述新能源車的結(jié)構(gòu)特性將會(huì)對(duì)鋼企的產(chǎn)品發(fā)展策略產(chǎn)生影響。近年來(lái)國(guó)內(nèi)如熱成形薄鋁硅鍍層板、DH鋼等單一品種汽車鋼的研發(fā)及推廣及以馬鋼MCEV項(xiàng)目為代表的超輕質(zhì)、高性能、低成本，滿足市場(chǎng)需求的新能源汽車用鋼集成技術(shù)解決方案，均是國(guó)內(nèi)汽車鋼業(yè)界走出中國(guó)特色發(fā)展之路的重要探索。綜上所述，推進(jìn)中國(guó)汽車鋼產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同、又好又快的發(fā)展，這顯然不是鋼鐵行業(yè)一個(gè)領(lǐng)域的事情，必須進(jìn)一步加強(qiáng)汽車用鋼上下游產(chǎn)業(yè)鏈EVI合作力度，不斷基于新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展涌現(xiàn)出的新需求，研發(fā)出對(duì)口的新鋼種，不斷合作突破更多的產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)瓶頸，推進(jìn)我國(guó)汽車鋼事業(yè)邁向新的發(fā)展階段，為中國(guó)制造業(yè)早日實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)國(guó)夢(mèng)”，達(dá)成“雙碳”宏偉目標(biāo)注入強(qiáng)勁的科技動(dòng)力。