河鋼熊自柳：汽車用材向多材料混合方向發展，鋼仍然是主要用材
9月20-21日，由中國人才研究會汽車人才專業委員會指導，國家特聘專家汽車組及蓋世汽車主辦的"2019（第七屆）汽車與環境創新論壇"隆重舉辦，論壇以一個主論壇加四個平行論壇的形式，攜百名行業權威嘉賓，共同探討中國汽車產業在轉型升級的新形勢和新常態下，整車廠與零部件企業協同創新、升級做強、共同應對嚴峻市場和產業變革挑戰之發展路徑。以下為河鋼集團鋼研總院首席工程師熊自柳演講內容實錄：
河鋼集團鋼研總院首席工程師熊自柳
大家好，首先感謝一下蓋世汽車組織這樣一次全產業鏈技術專家的討論。河鋼主要是鋼材提供商，我們關注的是材料和材料應用技術，今天我的主題主要是河鋼集團汽車用鋼產品以及輕量化應用技術。
我今天的報告主要是分為5個部分，首先第一個部分，河鋼集團汽車用鋼的概述，河鋼集團成立於2008年，整個總部是在石家莊，有20餘家子公司，控股的公司有70餘家，鋼鐵主業是唐、邯、宣、舞、礦業等等，我們目前的世界排名是214位。
河鋼集團十三五計劃裡面講，汽車用鋼作為我們的戰略產品，生產基地也是包括在唐山、邯鄲、宣化、承德、石家莊5個生產基地，主要的生產線一共30多條，包括熱軋、冷軋、鋁硅塗層的生產產線等等。我們的主供的主機廠遍布全球100多家。
我們的產品是取得了非常大的發展，2010年汽車用鋼產量30萬噸，2018年突破725萬噸，位居國內第二，整個產品構成，包括冷軋熱鍍鋅是200多萬噸，熱軋是300多萬噸，還有特殊鋼這一塊有100多萬噸等。
我們建立了全球的產品研發平台，與客戶合作機構共同開展研發合作雙贏，研發平台是分幾個層次的，首先是集團內部的研發平台，擁有兩個產業技術研究院，包括河鋼鋼研這兩個是解決產品和應用技術共性方面的研究，另外還有三大國家級的技術中心和五大省級的技術研究中心解決的產線的產品和應用技術相關的問題，還有8個國家重點實驗室，解決的是產品監測和認證方面的一些產品，另外從2016年開始，我們和客戶開始建立客戶研發中心，和客戶建立了命運共同體的合作機構，從產品開發和應用技術研究著手，目前為止我們已經和海爾、中吉簽署了5個客戶研發中心。
國內的研發平台，我們和東北大學，北京科技大學，重慶大學、天津的汽車工程研究院10餘所院校和科學院所共同進行產品和工藝技術的研發。我們和國外的國際鋼企業汽車鋼聯盟，另外還有昆士蘭大學、MEFOS等等國外的科研機構共同開展綠色可持續發展共性基礎和產品應用技術。我本人是聯盟的委員，每年參加兩次的會議，後面有一些技術內容是來自於共同的研究報告。另外我們國際鋼協和MEFOS進行了研發平台，昆士蘭大學做高強鋼的成型應用技術，目前國際上是最頂尖的成型技術，後面有做相應的介紹。
冷軋及塗鍍產品，強度是最低100個兆帕到最高2000兆帕的熱成型鋼。這個是我們的汽車用鋼市場這一塊，我們汽車板材這一塊今年完成了德國寶馬的認證，現在進行大眾和通用和福特的認證，主供的汽車廠是北汽新能源、海馬等10餘家主機廠，特殊用鋼這一塊，用戶相對來說更高端一些，賓士，寶馬、克萊斯勒等等全球100多個主機廠還有1000多個零配件廠進行供貨。
第二部分介紹一下河鋼集團汽車輕量化的技術路線，首先簡要的回顧一下技術背景，大家對汽車的節能和環保已經是耳朵裡面都聽出繭子了，這個概念提出還是由美國提出的，上個世紀90年代開發的SFC的車型，因為美國汽車能源消耗是最大的，整個汽車裡面消耗石油大概佔到60%以上，所以提出SFC的項目，解決汽車尾氣排放的問題，後來國際鋼協和汽車鋼聯盟一直研發這個。
把碳排放概念延伸到全產業鏈，這個實際上對於我們的汽車的開發來講可能會形成一個誤導，我們從全生命周期的碳排放的角度來看，實際上我們現在都認為輕質合金，鋁合金，鎂合金輕量化的效果非常好，但是從我們目前的研究觀點來看，鋼的全生命周期的碳排放比鋁、鎂合金、碳纖維低的多，大家可以參考一下世界汽車鋼聯盟相關的一些實驗報告。我想以後全生命周期LCA的觀點會引入到汽車設計的觀念，現在有一些主機廠，比如說豐田已經用LCA的觀點進行設計，用材到底是用鋼多少？鋁合金鎂合金用多少？加起來全生命周期碳排放是多少，會作為車企的賣點，碳排放已經不是大家說說而已，要動真格，我們看2020年中國的制訂目標是93克，歐洲是50克。
去年發布了一個標準全生命周期溫室氣體排放的標準，這個標準以後會作為一個政策規定汽車裡面碳排放必須達到多少，這項政策很有可能在不遠的將來會實施。
我們河鋼的輕量化路徑，主要是將合適的材料用在合適的地方，河鋼採取的輕量化這一塊，材料輕量化這一塊還是主要採用高強鋼，為什麼？我後面會有PPT做詳盡的介紹。另外工藝輕量化這一塊還是做品焊冷成形熱成型輥壓等等，輕量化有結構輕量化、框架輕量化，邊界輕量化我們和一些合作客戶共同開展研究。
我們為什麼選擇高強鋼作為輕量化的主要材料？首先鋁合金、鎂合金，我們把400多輛車型平均車門的重量做了一個對比，我們看一下鋁合金相對於鋼確實有一個輕量化的效果，大概能夠減重5.73克，這個是結構設計。我們設計成車門，因為車門不光是結構，裡面會有一些填充物還有其他的零部件，因為考慮震動性能鋼度還有安全性，因為我們知道鋁的鋼度比較低，所以填充的東西會比較多。
做成車門以後再看輕量化的效果，我們看下面幾個圖，鋁對鋼來講輕量化只有0.45千克這個是平均的結果，我們再看右邊，體現的是一個結構設計的效果，這是好幾百車型實驗的結果，鋼如果經過合理的結構設計，這個輕量化效果是可以和鋁做到相當，也就是說實際上鋼要做到輕量化結構設計這一塊會發揮很好很大的潛力。
另外從成本的角度來看一下，這是一個副車架的對比，鋁如果用高強鋼替代，輕量化比率大概是0.66，輕量化成本增加了49.2元每公斤，如果是用先進高強鋼輕量化比例是0.83，成本增加54塊，這個是估算的價格，具體的可能會有一些誤差，但是總的情況是鋼的輕量化成本比鋁合金要低的多的。
第三個方向，我要介紹一下河鋼的材料輕量化主要的方案，主要是材料開發這一塊，三個階段，第一個階段還是通過提高強度減薄做到輕量化，因為材料這一塊性能大家都知道強度提高會犧牲韌性和延展率和性能，我們在用戶使用過程當中出現很多的問題，我們針對出現的問題開發滿足特性成形工藝的鋼種，比如說滿足高強度低合金鋼、低屈服雙相鋼、馬氏體鋼等等，前面兩個方法不能解決這些問題，在此基礎上我們開發了第二類、第三類汽車用鋼，這個強度更高，延展率也會非常高，主要是淬火配分鋼等等，現在都開發出來了。
介紹一下結構輕量化主要的鋼種情況，首先是低屈服的雙相鋼是我們用的最多的，排耗主要是兩大類，一類是連退一個是熱鍍鋅，排號包括DP450、DP500、DP590、780DP、980DP，主要的應用部件是結構件和加強件。
低屈服的鋼度相對低一些，對安全性的要求比較高的時候顯得就無能為力了，我們在此基礎上開發了高屈服的雙相鋼也是用連退和熱鍍鋅，主要的特點是彎曲性能比較好，在兩相組織當中變的更加的均勻，兩相相差比較小，所以有比較低的彎曲性能，彎比比較小，另外抗剪切開裂、翻邊擴孔性好，主要是安全性結構件的開發。
我們開發的擴孔鋼，主要是有熱軋、熱軋酸洗、冷軋，主要是450、580、780，主要的應用部委是懸架底盤和輪轂。
另外是馬氏體鋼，我們在冷軋產線上面，採用的是國內目前為止最先進的一項高氫連退水淬，噴氫的冷速能達到100以上的冷速能夠實現組織強化的目的，因為其他的高強度雙相鋼，主要是基於合金強化，一個是組織強化，我們這個是單獨的通過組織強化，所以說能夠做到高強度，另外成本相對來說達到1500，整個的特點是實現高強高鋼度高擴孔性能，主要是用在結構件上面。
第三類最主要的是連續退火的QP980和QP1180，目前980已經有一些商業化應用，1180是屬於實驗室研發的階段，現在工業上已經實驗出來了但是現在還在尋找客戶，主要的特點加工硬化比較好，還有強塑積、高折彎性能、高吸能特性。
熱成形鋼現在能夠做的是HS1500、1800、2000包括裸板和鋁硅板，特點是變形抗力低，回彈小、成形精度高，應用部位主要是在結構件和懸掛件。
熱成形鋼我們知道是外國的專利技術，我本人從2012年開始研究鋁硅熱成形，目前已經形成自己的專利技術，我通過添加一些合金元素提高抗高溫氧化性能，提高高溫耐腐蝕性能這兩個專利目前已經在國內形成專利有專利，現在在國外申請專利，現在在歐洲美洲現在已經有專利號了，因為國外申請專利周期比較長。
這個有什麼特點呢？我們看鋁硅成形最高的加熱溫度是850-900度，鋁相裡面也會溶解一部分的合金，使得鍍層的熔點增加，另外成形性能得到保障，這樣的話使得成形性能和高溫氧化性達到有機的統一。這個鋼種我們知道鋁硅塗層是熱成形板，這個是可以直接成形的，所以這是我們的優點。
鋅鋁美產品我們有深沖系列，高強IF鋼，結構鋼、高強度低合金、雙相鋼等等，主要的特點是耐腐蝕性能、切口保護性良好的焊接性能成形性能優於GIGA，在汽車面板使用有降低蜂蠟和塗層的性能，寶鋼也一直在推鋅鋁美產品一直沒有推開，我們現在也是將它列入在推廣鋅鋁美的產品，今年我們已經有一定的突破，有兩家主機廠開始用我們的鋅鋁美產品。
第四個方面，我們建立自己的汽車板的資料庫，目前的資料庫這一塊，包括材料資料庫和拆解資料庫，材料資料庫三大部分，一個是基礎性能包括了抗拉延伸率等等，另外是石油性能、服役性能、這樣的性能主要是提供給主機廠做正向設計，從輕量化設計工藝輕量化模具開發等等可以提供給主機廠，也和主機廠共同做，我們對材料這一塊的認識比主機廠更深刻。
另外在輕量化應用技術這一塊有自己專門的技術實驗室，成型實驗室有疲勞試驗機有一些設備，焊接實驗室，還有塗裝這一塊油各種的平台，包括腐蝕的等等設備。另外模擬模擬這一塊，對做材料設計這一塊還是非常的重要，我們建立自己的模擬平台，包括唐鋼、邯鋼，鋼研等等，我們有技術資源和第三方簽訂的合作，包括天津國家超算中心，燕山大學昆士蘭大學等等。
應用技術這一塊，我們主要的是開發輥壓成形，主要是做材料輥壓性能的研究，還有工藝優化和截面優化還有零件成形質量安全性能評估。因為輥壓做很多的輕量化成形的材料會有一些困難，1180到1500兆帕以後會有一些產品缺陷很難保證，像滑軌要求比較高的時候很難實現精度，因為做很多零件的時候要20道30道的車型反覆進行彎曲，使得成形的零件性能難以保證，我們和昆士蘭大學一塊合作開發了鏈模成形把這個輥子可以做到20-30米，這樣做成鏈路的形式，成型階段大概能實現700-800毫米，使得整個的成型過程變的非常的緩慢，這樣就減少了多餘應力和多餘應變的過程，材料的成形質量和精度也得到了很大的提升。
服役安全評價做應變強化曲線和應變速率敏感曲線提供給廠商，做完高速拉伸以後會監測一下埠的型號，看看這個材料高速完以後，材料是不是會發生失效會發生什麼變化？也是佐證一下材料在碰撞的時候是不是安全？通過模擬驗證我們的模型是不是按照標準來達到了侵入性能吸能的要求。
新能源汽車的服務案例，主要是用到的熱成形鋼和輥壓成形和冷衝壓成形。第二個服務案例是在新能源客車上面的服務案例，這個是早期做的，當時是最開始是普通的新能源客車，當時行駛里程是300公里，開始Q345我們用了河鋼的材料實現了輕量化的設計。用我們的材料780和980進行了選材設計，我們對結構形狀進行優化設計，然後進行簡單設計最終確定了內部的結構達到4個毫米，原來是1.5mm，也是滿足他的要求，材料這一塊也是相應的做了一些調整。
焊接這一塊，也是提供很多的焊接方案，因為高強鋼的焊絲比較難選，窗口提供給他們，通過監測和性能滿足要求。經過模擬模擬還是滿足了客車碰撞的要求。
這個是座椅輕量化的項目，主要是滑軌減重0.4KG，降重比例達到8.5%。因為變薄了以後成形還是很難成形焊接也很難，我們用一線的成形方式，鏈模和輥壓的工藝，裡面的殘餘力會非常小，非變形區是不會形成變形不會有質量缺陷，大變形的部分殘餘力只有屈服強度的0.4-0.5倍。
展望一下汽車用鋼的發展趨勢，汽車用材還是向多材料混合方向發展，汽車用鋼仍然是主要的用材，主要是成本和性能，另外是全生命周期碳排放，還有鋼質零部件具有比較好的可修復性，以鋼為主的設計，鋼鋁混合，以鋁為主、碳纖維為主的鋼都是不可替代的，所以說以碳纖維為主也是有15%-30%左右的鋼。研發新鋼種，AHSS鋼應用技術，多材料複合應用技術是汽車用鋼方面的發展趨勢。
我就講到這裡，謝謝大家！
敬請關注蓋世汽車「2019（第七屆）汽車與環境創新論壇」直播專題！
