专访丨中信金属股份有限公司汽车高级经理路洪洲博士:中国汽车产业的轻量化之路

   日期:2018-11-20     来源:中国汽车材料网    作者:汤争荣    评论:0       [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
2019(第二届)国际汽车轻量化材料连接技术研讨会
核心提示:在新能源汽车快速发展趋势下,铌微合金化技术未来在新能源汽车上有哪些应用方向?国内轻量化的发展和国际水平还有差距吗?近日,在2018年中国汽车工程学会年会暨展览会以及随后的专访中,中信金属股份有限公司高级经理、汽车技术总监路洪洲博士为中国汽车材料网记者一一解惑。
  【中国汽车材料网】汽车轻量化是实现推动汽车行业节能减排和提高汽车产品竞争力的重要手段之一。汽车轻量化是一个系统工程,涉及到产品设计、材料、装备和工艺、售后维修、回收再利用等多方面。结构优化和新材料应用无疑是其中最重要的内容,铌微合金化高强度钢的开发及结构优化和相关制造技术的应用,是实现汽车轻量化的有效手段。
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由于电池能量密度的限制,需要不断增加电池来提高新能源汽车的续航里程。而重量的增加,显著影响其电耗、动力性、制动性能、被动安全性等,因此新能源汽车的轻量化显得更为重要。整车其他零件的重量才能抵消电池增加的重量,轻量化是突破瓶颈的有效手段之一。因此,轻量化技术已经成为中国新能源汽车的重要方向之一。

那么在新能源汽车快速发展趋势下,铌微合金化技术未来在新能源汽车上有哪些应用方向?国内轻量化的发展和国际水平还有差距吗?近日,在2018年中国汽车工程学会年会暨展览会以及随后的专访中,中信金属股份有限公司高级经理、汽车技术总监路洪洲博士为中国汽车材料网记者一一解惑。
  
“中信金属在前十年针对轻量化这块做了很多工作,如发展高强钢、轻量化零部件等方面。在这个过程中我们发现整个态势,包括国家战略也在往新能源这块转变。所以大概在四年前我们开始着手新能源、智能网联这块的技术和产品开发。”路洪洲一开场就表明了中信金属在汽车产业中要发挥的作用。

铌产品业务是中信金属的主要业务。四十年来,中信金属在中国积极推动铌微合金化技术及其应用,是我国铌微合金化技术和铌产品的行业领导者,铌产品涉及钢铁、铸造、非晶等产业。

铌合金在汽车钢中应用日趋成熟
  
铌是钢中最有效的细晶强化微合金元素,同时根据不同钢种的生产工艺,有其不同的特征,提高汽车钢的强度和零件的结构强度以及汽车安全性能、促进轻量化。概括来说,铌在钢中的主要作用可以概况为:

✔提高汽车钢的强度和零件的结构强度以及汽车安全性能、促进轻量化

✔提高汽车钢的韧性和零件的抗冲击韧性和吸能性能以及汽车安全性能、促进轻量化

✔提高汽车钢及构件的疲劳性能

✔提高汽车钢的扩孔性能和零部件的成形性及成品率、促进轻量化

✔提高汽车钢的弯曲性能和零部件的成形性及成品率、促进轻量化

✔降低带状组织以及偏析和零部件的成形性及成品率、促进轻量化

✔减缓汽车构件的氢脆倾向

✔提高汽车镀锌钢板的锌层附着力及成品率

✔提高汽车镀锌钢板的工艺可行性等

新能源汽车用新材料成为铌微合金化技术新的赛场
  
路洪洲表示铌在新能源汽车上应用主要铝合金、电池、电机、电控系统用材:
  
铝合金性能的改进

目前中信金属在新能源汽车领域的一个点是主要铝合金。因为新能源对整车重量、更长的续驶里程越来越迫切。所以我们正在开发一些高性能的铝合金。比如说用新型铝铌硼细化剂代替传统的铝钛硼,这样能使铸造的零部件基体晶粒大幅度细化,为轻量化创造了条件。新型的AlNbB 细化剂可以对铝合金进行晶粒细化和减低缩孔缩松等缺陷,尤其是铸造铝合金零部件等,进而提高铝合金零部件的结构强度、疲劳性能和对铁杂质的容忍度,进而实现铝合金零部件的轻量化。

动力电池正负极材料
  
同时我们也在开发新能源电池。用到传统的锂离子电池主要是以钴做正极,石墨做负极。那么我们现行开发的新能源电池是以铌作为正极或负极,它的充电时间是六分钟到10分钟就可以充满,用快速充电这么一个方式大大提高了使用者对新能源汽车的接受程度,同时电池的安全性大幅度提高,比如用石墨会有爆炸、着火等情况,当然也不能说现有技术就不好,这是技术发展过程中遇到的障碍。只是我们可以提供另外一种解决方案,我们用铌作为新能源电池的一种材料就基本可以避免这种情况的发生。这种技术大概到2020年会被产业化。

含铌的纳米晶材料
  
我们在电控方面也做了很多工作,我们开发了纳米晶的材料,代替原来的铁氧体材料。新能源汽车的差异化在于电能利用效率的比拼,为提高电能转换效率,一方面要提高电机的性能,实现高能量密度、高频化和低损耗,对材料的要求是高饱和磁感和高频下低损耗。另一方面在电路设计中采用高频化技术来实现高效、小型化的设计目标,在电路中磁性器件的主要作用是实现滤波、储能、变压、测量等功能,对磁性材料的要求是宽频特性好,以满足电驱动高低频需求;损耗低,以延长续航里程;高居里温度,以提高温度稳定性;高阻抗特性,以满足高频化智能化的EMC苛刻需求。我们知道新能源汽车有电磁兼容的问题,尤其是大巴车或者乘用车,因为电路特别复杂,我们开发的这种新的材料,可以大幅度降低EMC问题的风险。由于Nb元素的存在,阻止了晶粒的长大和影响磁性能的FeB杂相的析出,最终形成由晶粒尺寸为10-20纳米的纳米晶相和剩余非晶相构成的双相合金。纳米晶合金的晶粒尺寸小于磁交换作用长度,导致平均磁晶各向异性很小,并且通过调整成分,可以使其磁致伸缩趋近于零,因此获得更加优异的综合软磁性能,其突出特点是兼备了高饱和磁感、高磁导率和低损耗。在充电桩上,使充电效率大幅度提高,目前已经量产,特斯拉、比亚迪也都已经开始使用了。这也是和我们的合作伙伴一起开发的。更为关键的是,该技术可是实现电动车的无线充电。

铌微合金化硅钢片

在电机方面,硅钢制造的转子也是电机里面的一个零部件,在硅钢方面,我们也在开发高强度硅钢。电机转速提高之后,对硅钢也是有很高的强度要求。向无取向硅钢中加入Nb这一类微合金元素的方法,一方面形成细小碳化物粒子通过析出强化提高强度,另一方面是通过固溶Nb抑制退火时的再结晶,使得再结晶分数不超过90%,保留了部分冷加工位错等缺陷使得强度不会因再结晶而显著下降。比如我们现在正在和马钢开发高强度的硅钢片。

国内外轻量化水平差距缩小,新材料的应用功不可没

  举个例子,2007年,我们对车身做轻量化优化的时候,发现了一个问题,当时用于轻量化优化的base车型的的车身用的都是软钢,没有高强钢,车身扭转刚度只有7000牛米/°,当时国际车身刚度水平是15000左右,安全星级,跨国公司基本都在五星、四星这个水平,高强钢用量应该在50%左右。而国内主流车型车身高强度钢用量不到5%,所以差距还是相当大。通过这十年的发展在中国汽车工程学会、汽车轻量化技术创新联盟、国家扶持和各个汽车企业的推动下,国内的轻量化水平也在大幅度提高。以车身为例,高强钢应用比例也已经提高到50-60%左右,部分车型甚至达到70%。应该说在经济性轿车领域,国内外车身的轻量化水平已相差无几,甚至国内车型的用材更为“厚道”。

但在铝合金方面还是有一定差距的,我们看到的国外的高端车型,如捷豹路虎都是用的全铝车身,或者覆盖件是全铝的车身。在成本控制和工艺水平方面,自主品牌还是和国际上有差距的,但自主品牌还在努力中,这也与国内主流车型的产品定位相关。我们也看到蔚来ES8,奇瑞小蚂蚁等全铝新能源汽车车身已实现产业化,可以说已掌握全铝车身产业化的一些关键技术。

以商用车为例,比如挂车,国外都是700MPA为主的钢制挂车还有全铝的挂车,像日本美国这些国家。2016年新GB1589实施后,国家部委以及地方相关部门对超载超限进行了严格的管控给我们带来了一个很好的机遇。像中信现在做的几个项目都可以是每个挂车减重10%,跟国外钢制挂车水平差不多,但铝合金方面还有差距。

多种材料的集成应用成为汽车轻量化发展主流趋势
  
乘用车方面,未来的发展趋势应该是多种材料的集成,全钢车身应该不符合我们未来的发展要求,从成本来说,完全全铝车身可能成本又难以接受。而且从工艺上来看,主机厂的四大工艺举办已经定型了,完全的全铝车身,主机厂的压力会比较大。所以从材料来看应该是多种材料车身,多种材料与工艺的集成,这样在性价比、成本控制上才能得到很好的平衡。

在商用车方面,因为商用车是重要的生产资料,无论是物流运输还基建用车,其可靠性即出勤率、大修里程、轻量化等对商用车至关重要。所以将来还是以钢为主。因为特别新的材料与工艺可能会影响出勤率,影响物流企业的运营效率。新的材料和技术会逐步应用,但可能会比较慢。但高强钢的应用、智能化技术等会发展的越来越快,因为物流运输不仅是轻量化的问题还有空载率和出勤率等问题,几个方面的协同发展物流效率会提高。

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