2021年，中國汽車銷量2652.8余萬輛，已連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一。乘用車進入家庭，中國市場成為各整車企業(yè)競技的舞臺，同時中國自主品牌汽車異軍突起，日益成為中國汽車工業(yè)的主力軍。

　　汽車多用高強鋼，萬千零件來組裝。據(jù)中信金屬公司主管汽車新材料研發(fā)的路洪洲博士介紹：汽車通常是由車身、發(fā)動機、底盤和電氣設備4大部分組成，其中車身、發(fā)動機、底盤強烈依賴于金屬材料和制造工藝的發(fā)展。

　　回顧中國汽車輕量化發(fā)展的歷程，前些年，自主品牌的乘用車車身高強度鋼平均用量不足30%，很多自主品牌的乘用車車身高強度鋼用量甚至少于10%，與國際先進水平存在巨大差距。經(jīng)過汽車上下游行業(yè)單位和中信金屬等的協(xié)同合作及多年耕耘，2021年中國自主品牌轎車先進高強度鋼應用已達到60%以上，達到國際先進水平。

　　目前 ，汽車輕量化已上升到國家戰(zhàn)略層面，不僅《中國制造2025》將輕量化列為節(jié)能與新能源汽車發(fā)展的核心技術(shù)，在工信部、國家發(fā)改委、科技部等國家部委相繼發(fā)布的專項方案中，也多次對輕量化技術(shù)的發(fā)展提出了具體要求。

　　“綠水青山就是金山銀山”，在汽車節(jié)能的諸多途徑中，輕量化歷來被認為是最為有效的、共性的實現(xiàn)方式之一。行業(yè)研究表明，汽車每減重10%，燃油節(jié)約6%-8%。乘用車整備質(zhì)量減少100kg，百公里油耗可降低0.3L-0.6L。高強度鋼的開發(fā)和應用是汽車輕量化的重要途徑。 

　　2010年中國鈮微合金化汽車鋼板的產(chǎn)量不足500萬噸，到2021年，鈮微合金化汽車鋼板的產(chǎn)量近2000萬噸以上，約占整體汽車用鋼的40%，極大地支撐了中國汽車工業(yè)的發(fā)展以及汽車工業(yè)節(jié)能減排的進程。

　　02  點鈮成金提升鋼材性能品質(zhì) 見微知著確保汽車綠色安全

　　中信金屬與國內(nèi)產(chǎn)學研用的產(chǎn)業(yè)鏈各方圍繞汽車鋼開發(fā)和應用的國內(nèi)外差距，設立了50余項產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)合作項目，先后與上下游開發(fā)了輕量化車架及材料、輕量化車輪及材料、輕量化懸架及材料、輕量化車身構(gòu)件及材料、輕量化半掛車及上裝和材料、高性能齒輪及材料等一系列高性能輕量化汽車總成、零件的成套解決方案。

　　從乘用車用高強鋼的研發(fā)和使用情況來看，路洪洲認為，近年來國內(nèi)熱沖壓成形鋼零件用量猛增，鈮微合金化材質(zhì)性能提升。在過去的十幾年間，中國乘用車開始批量應用熱沖壓成形鋼零件，其年產(chǎn)能超過10000萬件。但熱成形零部件存在韌性不足和氫脆延遲斷裂問題。為解決新的熱沖壓成形汽車零件的彎曲性能不足，進而導致高速碰撞時構(gòu)件提前碰撞斷裂傷害駕乘人員的問題，奔馳和寶馬要求熱成形鋼的彎曲角度必須超過60度和65度（在熱沖壓成形零件上取樣進行彎曲測試）才能夠被采購和使用。國內(nèi)上下游合作，創(chuàng)新性地提出了采用鈮微合金化開發(fā)高彎曲性能、抗氫致延遲斷裂的熱沖壓成形鋼；國內(nèi)鋼廠與汽車企業(yè)合作，通過復合微合金改善熱成形鋼的淬透性，擴大工藝窗口，提高冷彎性能和抗氫脆延遲斷裂性能，所開發(fā)鋼種的極限尖冷彎性能以及抗氫脆性能比常規(guī)的熱成形鋼22MnB5提高了10%以上，新材料在多個整車企業(yè)和多個車型上應用，保證了汽車的被動安全性能，相關(guān)創(chuàng)新成果獲得了汽車工業(yè)科技進步獎一等獎。2021年含鈮熱成形鋼年產(chǎn)量近10萬噸。

不同車型圖

　　研究應用問題背后的科學問題，通過氫脆機理提出改善氫脆方案。采用冷鏈原子探針層析技術(shù)、氫的同位素氘作為介質(zhì)，系統(tǒng)研究晶界、位錯、碳氮化鈮的氫陷阱作用機制，在頂刊《科學》主刊發(fā)表，提出了高強度鋼汽車鋼氫脆的四個觸發(fā)條件，并探討了基于HELP、裂紋鈍化和HEDE的新氫脆機制，一系列宏觀實驗結(jié)果與顯微觀察相吻合。在此基礎上，進一步完善了含鈮熱成形鋼及熱沖壓成形零部件的制造工藝。

　　充分發(fā)揮鈮在雙相鋼中重要作用，顯著改善其冷彎及擴孔成形性能。在本世紀初，乘用車車身應用的雙相鋼基本上是以DP590為主，隨著汽車輕量化的快速發(fā)展，更高強度級別的雙相鋼如DP780、DP980得到了越來越多的應用。為提高高強雙相鋼的冷彎及擴孔等成形性能，鈮元素發(fā)揮了重要的作用。鈮在雙相鋼中的作用是通過細化雙相組織改善材料的成形性。2013年，國內(nèi)完成了含鈮DP780冷軋鋼板的開發(fā)，通過采用含鈮的低碳成分設計，材料的組織得到了顯著改善，冷彎及擴孔等成形性能得到了大幅度提高，為解決零件的剪切邊緣開裂奠定材料保障。

　　汽車輕量化高強HSLA鋼用量大，穩(wěn)定性隨強度提高難題迎刃而解。高強低合金鋼主要用于A柱上部加強件、車門檻加長件、前部內(nèi)側(cè)框架、內(nèi)側(cè)B柱、后部發(fā)動機支架和內(nèi)部側(cè)框架等，在乘用車白車身中占有很大的比重，是汽車白車身的主要用鋼品種。隨著汽車輕量化發(fā)展，汽車白車身采用的冷軋高強低合金鋼強度越來越高，從屈服強度260MPa級別逐步發(fā)展到今天的800MPa級別，而高強冷軋HSLA鋼板強度穩(wěn)定性控制則是一個行業(yè)難題，為此，2015年通過與國內(nèi)大型鋼廠合作，通過軋制及連退工藝優(yōu)化，成功解決了隨著材料強度的不斷提高，鋼板強度穩(wěn)定性變差的難題，卷內(nèi)性能差異＜20MPa鋼卷比例由72%提高至98%以上，最大性能波動由94MPa降低至43MPa，卷內(nèi)性能穩(wěn)定性效果提升明顯。

　　用傳統(tǒng)生產(chǎn)線生產(chǎn)含鈮Q&P鋼，為乘用車輕量化提供了新選擇。隨著乘用車輕量化發(fā)展的需求，Q&P鋼在國內(nèi)的專業(yè)生產(chǎn)線上得以開發(fā)成功并得到實際應用，如何在傳統(tǒng)生產(chǎn)線上生產(chǎn)Q&P鋼，則是一個重要的課題。2018年中信金屬與馬鋼合作開發(fā)了1000MPa基于傳統(tǒng)生產(chǎn)線的含鈮高強度、高延性、低成本第三代先進高強度鋼，材料具有和專用產(chǎn)線材料相當?shù)男阅?，在汽車廠進行了零部件試制，沖壓工藝穩(wěn)定、零件尺寸精度合格，滿足汽車廠要求。

　　從開裂的問題導向出發(fā)，推動汽車材料卡片構(gòu)建。碰撞開裂和成形開裂的預防主要基于材料性能、同步分析的精準度和制造工藝的控制，除了采用鈮微合金化以及其他成分優(yōu)化、工藝優(yōu)化提升材料性能外，精準的材料斷裂卡片和材料本構(gòu)至關(guān)重要，過去5年間，先后與相關(guān)研究測試機構(gòu)完成了含鈮和不含的熱成形鋼、雙相鋼等材料卡片開發(fā)，并完成了零件的剪切邊開裂模擬、零件碰撞模擬，以及零件的成形試制和零件的落錘沖擊測試，構(gòu)建從材料卡片-成形仿真-零件試制-零件碰撞的閉環(huán)，促進了汽車的正向開發(fā)。

　　從性能、成形、成本多維度推動汽車正向選材?；凇败嚿憝h(huán)狀結(jié)構(gòu)”、“新材料卡片”、“成本模型”等開發(fā)了汽車車身正向選材系統(tǒng)（MISS系統(tǒng)），將車身材料選擇與碰撞性能、車身剛度、成形開裂、成本控制相關(guān)聯(lián)，從基于經(jīng)驗轉(zhuǎn)變?yōu)榛谶壿嬇袛?，并免費向全行業(yè)開放，為汽車正向開發(fā)和合理選擇提供了新路徑，確保了“合適的材料用在合適的地方”。 

　　從商用車用高強鋼的研發(fā)和使用情況來看，路洪洲介紹，國內(nèi)企業(yè)連續(xù)3年連撰兩會提案,商用車超載管制和輕量化引起高層重視，開展協(xié)同技術(shù)攻關(guān),促節(jié)能減排提產(chǎn)品質(zhì)量性能。在商用車輕量化方面，前些年，商用車上下游行業(yè)強調(diào)多拉快跑，導致超載嚴重。而且，商用車主要采用510L、330CL、380CL、Q235、Q345等傳統(tǒng)材料，嚴重制約了新材料、新工藝、新設計的應用，造成了自主品牌商用車與國外商用車在品質(zhì)和質(zhì)量方面存在著巨大的差距。中信金屬連續(xù)三年撰寫全國兩會提案，如2016年提交的《關(guān)于改善物流載貨車輛市場需求和結(jié)構(gòu)調(diào)整的提案》、2015年《關(guān)于鼓勵使用輕量化商用汽車產(chǎn)品以促進節(jié)能減排、減緩空氣污染的提案》等。此外，中信金屬還聯(lián)合上下游行業(yè)開發(fā)了輕量化車架、車輪、掛車等降低了能耗和排放、提高了產(chǎn)品性能和質(zhì)量。經(jīng)過行業(yè)上下游的協(xié)同和近十年的技術(shù)攻關(guān)，大量的新型零部件、新材料得以應用，商用車整體減重約15%左右，降低了能耗和排放、提高了產(chǎn)品性能和質(zhì)量。

　　整車自重的減低提高了運輸效率、降低了對道路的損傷，使交通運輸更綠色、更環(huán)保。尤其帶動了上游原材料行業(yè)和零部件制造行業(yè)的技術(shù)提升，也為新GB1589國家標準和國家限超政策的實施奠定了基礎。汽車輕量化帶動了汽車節(jié)能減排、被動安全等性能的提升，進而提升了產(chǎn)品的競爭力。同時帶動了零部件制造行業(yè)、模具行業(yè)、熱處理爐行業(yè)、成形及連接裝備行業(yè)的技術(shù)提升，推動了我國機械制造行業(yè)的整體技術(shù)進步。汽車輕量化有效降低了原材料的使用量，提高了高性能材料的應用，這對我國“供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”有重要的推動作用。經(jīng)過上下游多年的努力，610L、700L、750L、540CL、590CL等鈮微合金化高強度鋼材料被大批量應用。

　　產(chǎn)學研用聯(lián)合研發(fā)車輪鋼，榮獲汽車工業(yè)科技進步獎。國內(nèi)產(chǎn)、學、研、用各單位密切合作，形成了鋼制車輪輕量化成套技術(shù)，獲得了2018年度中國汽車工業(yè)科技進步獎。設計制造的22.5×9.00鋼制車輪，承載4000Kg，在滿足各性能前提下，單只車輪自重41Kg，已大批量供貨商用車企業(yè)應用。設計制造用于國內(nèi)市場的22.5×9.00鋼制車輪，承載3550Kg，在滿足各性能的前提下，單只車輪自重約37Kg，已大批量供貨北汽福田、中國重汽。設計制造用于國外市場的22.5×8.25鋼制車輪，承載3350Kg，自重約31.6Kg，達到國際先進水平，已經(jīng)批量出口。外觀造型美觀的高通風孔鋼制車輪的開發(fā)為乘用車鋼制車輪提供了一種新的路徑。近兩年開發(fā)了礦用自卸車專用輕量化車輪，車輪重量從60kg以上降至50kg以內(nèi)，完成了第一輪路試，將為礦用自卸車的輕量化和節(jié)能減排和成本降低提供新選擇。   

　　車架用鋼強度顯著增長，與國外差距正逐漸縮小。隨著國內(nèi)商用車輕量化發(fā)展需求，車架用鋼強度有了顯著的增長，與國外的差距逐漸縮小，在過去幾年中，車架用鋼的強度逐步由之前的510L轉(zhuǎn)為700L或更高強度級別鋼板。2012年國內(nèi)開發(fā)出了高強度、高韌性的車架用鋼，促進了商用車用材高強化的發(fā)展需求。近年來，相繼開發(fā)了高疲勞性能700L和750L，疲勞強度顯著提升，解決了車架疲勞失效、三面沖缺陷、大梁鋼疲勞強度不足等問題，形成了成套解決方案，為商用車輕量化車架應用保駕護航。