汽車材料中的高強度鋼究竟是怎樣定義和分類的？

    陸匠心：高強度鋼是相對軟鋼而言的，這個劃分是基于材料的強度級別，但是不同的鋼鐵廠和汽車廠劃分標準并不統一，有些按照屈服強度，有些按照抗拉強度劃分。

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

    重點要指出的是，按照強度定義的高強度鋼在使用性能上存在很大差異，如成形、焊接、涂裝等。材料達到高的強度不是太難的事，但在達到高強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度鋼，而不是僅僅強度高。

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

    高強度鋼是目前應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，包括高強度鋼、鋁鎂輕金屬、碳纖維增強復合材料等。高強度鋼與目前主要采用的幾種非鋼輕量化材料相比，其優勢主要有：

    1）制造技術成熟。從鋼廠到汽車制造廠，全流程技術趨于完善，各工序環節技術的銜接和配合非常可靠，為汽車制造過程的穩定提供了保證，也為最終汽車產品的性能水平和質量可靠提供了保證。

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

    3）環境友好。隨著鋼鐵制造技術的提升，材料制造過程對環境的影響降低，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；可維護性好，使用成本低。

   高強度鋼由于強度較高，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結構相對復雜的高強度鋼零件還存在一定的技術瓶頸，目前有沒有更好的適合高強度鋼成形的新工藝？

    陸匠心：冷沖壓成形是成本最低、工效最高的工藝，而且理論基礎和實踐經驗的積累最豐富，所以它仍然是業界應用最多的成形方式。但高強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，行業在解決高強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。這種努力主要體現在新材料開發和成形質量提升兩個方面。

    在新材料開發方面，寶鋼已經成功開發具有高延伸率的超高強度鋼。比如QP1180，強度級別達到1200MPa級，延伸率還能達到14%以上，這就意味著汽車上絕大部分的結構件仍然可以采用冷沖壓的成形工藝來制造。

    在成形質量提升方面，寶鋼與用戶一起開發最合適的冷沖壓工藝，包括成形方法、工序設計、材料利用率提升等。在回彈的預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試時間。

    寶鋼在高強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已實現了工業化大批量應用。熱沖壓成形的優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成形的方式將高強度鋼輥彎成一定的形狀，它的工效高，成本低，加工產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還在研究中，沒有實現大批量的工業化應用。

    還有一些其它加工方式，如鏈式成形、柔性成形、電磁成形、溫成形等，國內外也有不少學者在進行研究，只是目前還沒有實現工業化應用。

    根據現有的數據，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？寶鋼有沒做過相關的研究？

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

    寶鋼在鋼鐵產品生命周期（LCA）評價方面已經開展了大量工作，并積累了豐富的數據。每年寶鋼發布的《社會責任報告》中也包括了寶鋼產品生命周期研究的進展情況。在汽車用鋼方面，寶鋼以車門、發罩等典型零件總成為載體，研究了從材料生產、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，更重要的是要發現產品生命周期中能夠改善或降低能源的消耗之處，使我們產品的制造和使用更加“綠色”。

    國內乘用車車身高強度鋼板的應用情況如何？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略技術創新聯盟以來，極大地推動了國內乘用車車身高強度鋼板的應用，但與國外品牌相比，國內乘用車在高強度鋼板的應用方面還有明顯差距，主要表現在以下幾個方面：

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

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

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

    4）高強度鋼的使用技術水平：包括高強度鋼的成形、焊接、涂裝、評估、模具設計技術等，國內尚存在較多問題沒有得到系統的解決。

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

    在超高強度鋼發展的技術路徑上，一個是冷成形的第三代先進高強度鋼，另一個則是熱沖壓高強度鋼，這兩方面寶鋼也都有成熟的產品，您如何看待這兩種技術之間的潛在競爭？

    陸匠心：熱沖壓可以滿足汽車上復雜形狀安全結構件的制造要求，熱沖壓用鋼在歐系車上應用較多。第三代先進高強度鋼是近年來發展起來的鋼種，也是近年來汽車用鋼的一個突破性產品。這一鋼種的出現，為汽車制造增加了另一種輕量化鋼材的技術解決方案。可以預計在今后一段時間內，這兩種輕量化技術路線將并存并有一定程度的競爭，由于第三代先進高強度鋼顯現的優良性能，在其制造和使用技術等進一步成熟后，我相信第三代先進高強度鋼將得到快速發展。

    這兩種產品及技術不存在沖突，而是有互補的作用。采用什么技術方案，取決于汽車的設計、零部件資源、對材料的使用傾向、當地法律法規等。寶鋼已經有了這兩種技術的成熟產品，并能提供相應的解決方案。寶鋼仍將在這兩個產品及其技術上開展持續的研發，使這兩個產品及其技術能夠不斷滿足不同用戶的需求。

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

    陸匠心：實現第三代先進高強度鋼的技術路徑有很多，QP鋼（Quenching and Partitioning，淬火配分鋼）和中Mn鋼是在當前工藝裝備基礎上最可能實現商業化的兩種技術路線。相比較而言，中Mn鋼較QP鋼具有更高的強塑積，但制造難度更大，當前的技術成熟度相對較低。若中Mn鋼的制造技術得到解決，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。寶鋼率先開發的第三代先進高強度鋼QP鋼，可滿足目前新開發車型中成形復雜零件對高強度鋼的制造要求。但汽車行業對材料的要求是不斷提升的，不斷開發更好性能的鋼鐵材料也是鋼鐵行業自身發展的動力。所以寶鋼基于自身材料技術的積累和對未來汽車用鋼發展趨勢的判斷，開發性能更為優越的中、高Mn鋼產品，以應對未來可能出現的更高需求。此外，這些產品并非互不相干，在材料冶煉與軋制技術、工程應用技術，以及其它相關的體系中都是具有共同的平臺的。

    當然，這些產品和技術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有成熟產品，最具易用性；高Mn鋼雖然性能顯著優于QP鋼，但對用戶的加工使用技術水平要求較高；中Mn鋼則在性能、成本和易用性方面都介于QP鋼和高Mn鋼之間。

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

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

    一是可以準確掌握新車型對材料的性能要求，有針對性地高效開發新產品。

    二是能更好地了解用戶需求，指導鋼廠制訂產品發展和經營策略。

    三是與用戶發展更緊密的合作關系，提升和拓展合作范圍。

    總之，這種模式促進了鋼廠產品的發展，也得到用戶的歡迎，是實現“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同。這種認同是建立在雙方可以實現共贏的基礎上的。以高強度鋼的使用為例，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度鋼的特點，以及每一種不同特性的高強度鋼與車身零部件功能要求之間的關系。通過雙方在新車型設計階段的先期合作，找到合理應用高強度鋼的解決方案，從而使得高強度鋼應用之后能夠實現低的成本和發揮有效的作用。

    編后

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

    陸匠心簡介：

    教授級高工，享受政府特殊津貼專家，寶鋼汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室主任，曾任寶鋼中央研究院副院長，2005年獲東北大學博士學位。長期從事先進結構鋼的研制和研究管理工作，承擔了多項國家及省部委的研究項目，多次獲得科技進步獎勵：2003年獲冶金企業管理現代化創新成果一等獎，2004年獲機械工業科技進步一等獎、中國冶金行業科技進步特等獎，2005年獲上海市科學技術進步二等獎、國家科技進步二等獎。陸匠心教授憑著多年扎實的理論研究和實踐成果，領導寶鋼研究院在擴大企業的產品競爭優勢和實施精品戰略的過程中貢獻突出，多次應高校或者學術會議邀請做學術報告，在國內外具有良好的聲譽，是一個有突出貢獻的鋼鐵專家。


 

責任編輯：王元

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