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先进高强度钢减轻汽车重量
发布:lee_9124   时间:2015/6/23 10:35:30   阅读:1716 
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The Honda Fit(Image credit: WorldAutoSteel)

汽车制造是大生意,而且越来越大。目前每年的全球产量约为六千五百万辆,而在本世纪初还仅为四千万辆,大多数的汽车都是由钢构成的。
虽然钢远比几年前更加先进。满足日益增长的汽车安全所需的强度要求、燃油经济性的减重要求、以及引领制造未来汽车新型“超级钢”的钢铁行业需求。

未来汽车——更轻、更高效、钢制(The Car of the Future – Lighter, More Efficient, and Made of Steel)

走在前沿的是WorldAutoSteel成员公司开发的先进高强度钢(Advanced High Strength Steel, AHSS),被证明是汽车制造行业革命性的材料。WorldAutoSteel是世界钢铁协会(World Steel Association)的汽车集团,包括全球20家大型钢铁生产商。

通常的钢铁工程交易涉及到最终强度、韧性和可加工性之间的需求平衡——钢的强度越高,往往更脆且韧性更低,这就使其难以制成汽车、难以焊接。AHSS能够保留低纯度钢的韧性和可加工性,同时具有更高的强度。
 
 
The Steel Strength Ductility Diagram(Image credit: WorldAutoSteel)

通常低碳钢的拉伸强度为300MPa,AHSS在保持25%的最大拉伸(低碳钢约为40%)下仍可超过1500MPa。秘密在于它的微观结构,马氏体、贝氏体、奥氏体相,而不是铁氧体、珠光体或渗碳体。

这种特殊冶金获得的钢可用于制造强度更高、质量更轻的汽车,同时保持优异的抗冲击以及钢的回收利用。

钢轮(Wheels of Steel)

通常现代汽车的白车体(body in white,BIW)需要使用350-400kg的钢。车体必须满则许多不同的要求,其中一部分可能还会与其他部分发生冲突(例如强度与轻度),生产和维修的经济成本、耐腐蚀涂层、有吸引力的颜色。

自从汽车开始生产以来,钢就是被选的材料,因为其具有功能性、强度及承受能力的良好组合,但今天使用的金属与20世纪初Model T Ford第一代生产线上使用的已经有很大不同。

在最近的2007年,超过一半的汽车BIW由普通低碳钢构成。今天,这种“最普通的”('plain vanilla')金属占比不足30%,并可能在几年内完全消失。

在那些原本使用普通碳素钢的地方,汽车制造商目前选用包括AHSS在内的一系列高级钢,为汽车特定部位提供特殊质量选择。例如,现代汽车安全性大大提高,意味着保护结构的元件(如轮子)现在经常被纳入BIW中。这些关键的安全元素必须具有高强度,以抵抗碰撞负荷,从而保护乘坐者。

相反的,好比翅膀的车身和门需要具有足够的硬度以抗撞击,而前部和后部碰撞保护区——俗称为缓冲区——由钢制成,可有预见性的发生变形以吸收能量。通常的现代汽车在车身周围的不同区域采用约六种不同级别的钢。
 
 
North American Truck of the Year 2014-The Chevrolet Silverado
 

Engineers comb the New VW Passat AHSS body structure at the 2014 Aachen Body Engineering Days

轻量化(Light is Right)

当今汽车发展的最大驱动力之一是减轻汽车重量。汽车越轻,燃料的使用就越少,这将使加速和刹车效率更高,而且生产成本也可能更低。

制造商在减少重量方面的努力已经有几十年了,最近采用AHSS取得了一些惊人的进步。

传统的美国汽车通常被认为是油老虎,但这正在发生改变。2014年度北美卡车(2014 the North American Truck of the Year)被命名为Chevrolet(雪弗兰) Silverado,撅弃了传统的大比例。这种新式卡车比其前任轻了90kg,主要得益于AHSS的应用。

更令人印象深刻的是大众(Volkswagen,VW)2015款Passat(帕萨特)。这种流行的五座车是德国制造商高效制造方法的缩影,已经发展了超过8款,最大的销售量之一。这是非常惊人的,VW在新款上使用AFSS减少了85kg,相当于一个成年人的重量。

这种可能性甚至延伸到了微型车范畴内。微型Honda(本田)Fit在车身外壳超过1/4的地方采用先进钢,减少了20kg的重量,进一步提高了本已令人羡慕的燃油经济性。

不用商量,汽车制造商已经完全承认,汽车行业在接下来的几年内可能发生的改变将比过去更加彻底。特别是内燃机,可能被新型推进系统所取代,最有可能的是通过电池或燃料电池驱动电机。

人们可能会认为未来的汽车将由其他材料制成,但事实上看来,钢铁仍将占据主导——良好的环境和经济因素决定。两大主要替代品是先进复合材料(如碳或玻璃纤维增强塑料)和铝合金。

纤维增强塑料具有良好的强度-质量性能,但生产陈本高昂,寿命也不如金属,可回收性差。需要注意的是,利用纤维增强塑料生产一辆普通汽车的能量成本(由此产生的碳足迹)相当于钢制汽车的四倍。

铝合金同样具有良好的强度以及较轻的质量。其主要缺点在于加工成本高、能量需求重,碳足迹比塑料高10%左右,约为钢铁的6倍。

随着汽车越来越轻量化以及对低碳能源的使用,这就显得日益重要。传统汽车中,生产环节的排放量占其寿命内总排放的15-20%。取决于动力能源的零排放汽车超过80%。换句话说,外加低碳电力系统时,钢铁的生态优势实际上是提高的。



来源:新材料在线
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