隨著我國(guó)對(duì)節(jié)能環(huán)保要求的日益嚴(yán)格以及國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略的需要，汽車輕量化越來(lái)越成為緩解能源壓力和改善環(huán)境、降低霧霾的重要手段。盡管我國(guó)商用汽車在汽車總保有量中所占比例不高，但其燃油消耗量已經(jīng)占到全部汽車燃油消耗量的70%左右，其中公路貨物運(yùn)輸每年消耗的燃油占全部汽車油耗的56%，其尾氣排放也占汽車排放的50%以上，我國(guó)公路運(yùn)輸車輛的載重和自重較歐洲地區(qū)、美國(guó)、日本平均高出20%左右，給我國(guó)帶來(lái)巨大的能源壓力和環(huán)境壓力。在我國(guó)霧霾天氣日漸增多的背景下，公路運(yùn)輸領(lǐng)域的節(jié)能減排已刻不容緩，進(jìn)一步限制超載和推廣使用輕量化汽車具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

從各國(guó)的經(jīng)驗(yàn)看，實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排的措施主要有4種：改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率，小型化、輕量化，替代燃料和開(kāi)發(fā)新能源汽車。輕量化作為傳統(tǒng)汽車、替代燃料汽車和新能源汽車共有的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)引起了世界各國(guó)和知名跨國(guó)企業(yè)的高度重視。汽車輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料、裝備和工藝、售后維修、回收再利用等多方面[1]，結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料優(yōu)化無(wú)疑是其中最重要的內(nèi)容，鈮微合金化高強(qiáng)度鋼的開(kāi)發(fā)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化和相關(guān)制造技術(shù)的應(yīng)用，是商用車輕量化的有效手段。

一、商用車列車車輛輕量化概述

商用車列車車輛主要由牽引車和掛車構(gòu)成，我國(guó)牽引車技術(shù)在國(guó)際上已經(jīng)自成體系，但輕量化方面與國(guó)外有明顯差距；我國(guó)掛車生產(chǎn)廠商較分散，在各方面與國(guó)外都有較大的差距。各種廂式運(yùn)輸車、罐式運(yùn)輸車、半掛汽車是承擔(dān)公路運(yùn)輸?shù)慕煌üぞ摺陌l(fā)展趨勢(shì)看，在未來(lái)的道路運(yùn)輸中甩掛運(yùn)輸和重型化運(yùn)輸已逐步成為最普遍、最具經(jīng)濟(jì)效率的運(yùn)輸方式。汽車列車車輛的輕量化可以帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。根據(jù)上海某大型物流企業(yè)實(shí)際公路運(yùn)行的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，車輛公路運(yùn)輸每減輕自重100kg，可節(jié)約0.4L/100km的燃油。據(jù)測(cè)算，該公司現(xiàn)有半掛運(yùn)輸車3 000輛，每輛車平均每年行駛12萬(wàn)km，單車油耗33L/100km，在未進(jìn)行輕量化前的自重是15t，如果通過(guò)掛車輕量化能使車輛自重下降10%，將節(jié)省成本5 000多萬(wàn)元，節(jié)約柴油712.8萬(wàn)L，年減排二氧化碳1.91萬(wàn)t，產(chǎn)生十分可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。如果每年投放市場(chǎng)的新車均為輕量化車型，可以推算整個(gè)公路運(yùn)輸行業(yè)，每年將節(jié)約燃油消耗20億L，減排二氧化碳620萬(wàn)t。如施行若干年后，整個(gè)行業(yè)的車輛均更新完成，則節(jié)能減排的效益更加十分巨大。總而言之，輕量化的汽車列車車輛的開(kāi)發(fā)和投入使用可以促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步、提高運(yùn)輸效率、節(jié)約能耗、減少排放，并促進(jìn)社會(huì)和諧。

二、底盤(pán)的輕量化

商用車列車車輛的底盤(pán)主要由車架、車輪、車橋以及懸架等構(gòu)成。

1.微合金化高強(qiáng)度鋼車架

全國(guó)主要商用車廠商目前最常用的牽引車車架所用鋼板仍然是500MPa級(jí)，應(yīng)用比例占到了65%左右，而歐洲牽引車車架主要使用強(qiáng)度級(jí)別為700MPa的微合金化鋼板，800MPa級(jí)微合金化鋼板也在某些車型上得到了應(yīng)用。牽引車車架輕量化主要是通過(guò)700MPa以上級(jí)別高強(qiáng)微合金化大梁鋼代替500MPa級(jí)常用鋼板，可將車架質(zhì)量降低150～300kg，可將車架質(zhì)量降低10%～20%，具有良好的減重效果。為實(shí)現(xiàn)牽引車車架的有效減重，國(guó)內(nèi)許多商用車生產(chǎn)廠開(kāi)始嘗試以700MPa級(jí)微合金化鋼板制作高強(qiáng)輕量化車架，但在采用沖壓機(jī)加工700MPa級(jí)別高強(qiáng)鋼車架時(shí)，普遍遇到了沖孔開(kāi)裂、回彈量大、疲勞失效等問(wèn)題。這需要通過(guò)車架設(shè)計(jì)、材料性能優(yōu)化、模具設(shè)計(jì)、材料成形工藝試驗(yàn)以及車架的疲勞性能分析和測(cè)試等來(lái)解決。

700MPa高強(qiáng)度微合金化鋼板在滾壓成型過(guò)程中均不同程度的出現(xiàn)過(guò)縱梁彎曲角R位置出現(xiàn)裂紋，其原因是多次反復(fù)擠壓圓角變形區(qū)造成，即多次冷卻硬化的結(jié)果，現(xiàn)在縱梁生產(chǎn)廠家以及主機(jī)廠均已使用大型壓力機(jī)沖壓成型。經(jīng)研究表明，提高700MPa高強(qiáng)度微合金化鋼板的成形性，并采用以下工藝方案：板料-數(shù)控激光切割外形-數(shù)控沖孔（或模具沖孔）-模具復(fù)合成型（包含折彎及合梁）-補(bǔ)孔-表面處理（拋丸）可以避免裂紋的產(chǎn)生。優(yōu)化的700MPa高強(qiáng)度微合金化大梁鋼成分見(jiàn)表1。

典型700MPa高強(qiáng)度微合金化大梁鋼組織為針狀鐵素體+貝氏體+M/A，晶粒細(xì)小，M/A分布在鐵素體和貝氏體基體和晶界，其冷彎、低溫沖擊、表面質(zhì)量、板形良好，延伸率在18%～22%，屈服強(qiáng)度比在0.9～0.93之間。另外車架是疲勞構(gòu)件，表面劃傷等對(duì)使用過(guò)程的疲勞性能有較大的影響，數(shù)控激光切割外形或用模具沖切外形可解決板料毛刺問(wèn)題。吊運(yùn)過(guò)程中可采用吊帶并用墊木隔離的方法可解決板料和成品縱梁劃痕問(wèn)題。其原因由于選用其它切割設(shè)備在切割過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺造成零件表面劃痕。吊運(yùn)過(guò)程中鋼絲繩、鐵鏈吊索具也會(huì)對(duì)縱梁表面造成劃痕，彎曲成型后易在零件表面劃痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中缺陷使縱梁在使用過(guò)程中產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。

大梁沖孔是重要的工藝，尤其是鋼材強(qiáng)度提高以后，以北汽福田重型卡車、北方奔馳重型卡車和大運(yùn)重型卡車為例，縱梁彎曲角R（單梁或雙梁一次成型）都采用10mm的規(guī)格，工藝上也主要采用先沖孔后成型的生產(chǎn)工藝方案，東風(fēng)汽車則主要以配鉆孔為主。但實(shí)際使用中，共性的問(wèn)題均為彎曲線與腹面最外側(cè)孔距離太近，造成縱梁腹面平面度超差無(wú)法達(dá)到工藝要求，同樣造成縱梁直線度較差，縱梁呈拱形狀，此外還有縱梁和襯梁翼面、間隙超差（2～4mm）、縱梁開(kāi)口尺寸正超差等問(wèn)題。這些問(wèn)題需靠合理模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及設(shè)備參數(shù)的精細(xì)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.微合金化高強(qiáng)度鋼車輪

商用車列車車輛一般裝配20個(gè)車輪，車輪作為高速旋轉(zhuǎn)的非簧載質(zhì)量，其輕量化效果比其它零部件更為顯著，車輪輕量化產(chǎn)生的節(jié)能效果是其它零部件的1.5倍左右，因而采用輕量化車輪可以達(dá)到良好的節(jié)能減排效果。以22.5×8.25型車輪為例，目前國(guó)內(nèi)的該型號(hào)車輪的質(zhì)量約35kg，若每個(gè)車輪減重10%，則相當(dāng)于上裝減重100kg以上。目前，興民鋼圈等企業(yè)和科研院所通過(guò)600MPa級(jí)新型車輪鋼的開(kāi)發(fā)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)、成型和焊接等工藝優(yōu)化等，最終使輪輞板厚由5.25mm降低為4.5mm、產(chǎn)品樣件質(zhì)量達(dá)到了31.5kg，減重明顯，達(dá)到了預(yù)期要求，車輪疲勞性能有明顯提升。新型鈮微合金化600MPa車輪鋼的主要成分見(jiàn)表2，金相檢驗(yàn)表明除B類、D類有0.5級(jí)夾雜外，其余均為0級(jí)。與只通過(guò)LF處理鋼種夾雜物對(duì)比說(shuō)明，通過(guò)LF+RH工序可以較好的降低鋼中夾雜級(jí)別，可以提高鋼材的疲勞性能。鋼中鐵素體占91%，貝氏體占9%，貝氏體含量適中。組織均勻細(xì)小，鐵素體晶粒度13級(jí)，平均晶粒尺寸約4.0μm，屬超細(xì)晶粒鋼。新型鈮微合金化600Mpa車輪鋼的延伸率≥22%，擴(kuò)孔率≥100%，金相組織和結(jié)構(gòu)優(yōu)化見(jiàn)圖1。

使用含鈮高強(qiáng)鋼600MPa的車輪鋼來(lái)制造輪輞并降低輪輞厚度，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析和輕量化設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真分析，可計(jì)算出在材料替換之后各危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞壽命。通過(guò)整體減薄輪輞的方式對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)三維造型軟件Solidworks進(jìn)行模型的改變，再導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行應(yīng)力分析，研究輪輞減薄至4.5mm后車輪徑向疲勞載荷和彎曲疲勞載荷下危險(xiǎn)點(diǎn)的等效應(yīng)力及疲勞壽命。結(jié)果表明當(dāng)輪輞減薄至4.5mm后，車輪的疲勞壽命滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。原有輪輞重14kg，在使用新型含鈮高強(qiáng)鋼替換原有材料并進(jìn)行整體減薄設(shè)計(jì)后，輪輞質(zhì)量約為11.5kg，相比于原有輪輞減重約2.5kg。輪輻重20kg，加上輪輞的11.5kg，整個(gè)車輪總重為31.5kg，滿足了用戶對(duì)質(zhì)量的需求，并且也滿足了疲勞壽命的要求。

在鋼制車輪制造過(guò)程中，焊接技術(shù)主要應(yīng)用于輪輞的對(duì)接及輪輻與輪輞的組合。商用車車輪輪輞的對(duì)接一般采用閃光對(duì)焊，高強(qiáng)鋼的閃光對(duì)焊成為亟待解決的問(wèn)題。存在的主要問(wèn)題是：成型過(guò)程中輪輞對(duì)焊焊縫易開(kāi)裂；徑向疲勞試驗(yàn)中疲勞裂紋易在組合焊縫區(qū)萌生、擴(kuò)展，明顯影響產(chǎn)品質(zhì)量、制造成本及生產(chǎn)效率。閃光對(duì)焊參數(shù)主要包括：伸出長(zhǎng)度（L0）、閃光電流（If）、閃光留量（δf）、閃光速度（Vf）、頂鍛留量（δu）、頂鍛速度（Vu）、頂鍛壓力（Fu）、頂鍛電流（Iu）、夾鉗夾持力（Fc）等。生產(chǎn)實(shí)踐證明，閃光留量（δf）、頂鍛留量（δu）、頂鍛壓力（Fu）及帶電頂鍛時(shí)間（St）對(duì)接頭性能及產(chǎn)品質(zhì)量具有更明顯的影響。通過(guò)研究得到，隨著δf增大，界面結(jié)合特征減弱，過(guò)熱區(qū)及界面晶粒粗化，焊接區(qū)寬度有增加的趨勢(shì)；δf對(duì)接頭力學(xué)性能的影響主要與A動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和晶粒粗化有關(guān)。隨著δu增大，界面結(jié)合特征減弱，過(guò)熱區(qū)晶紋彎曲角增大，焊接區(qū)和過(guò)熱區(qū)寬度減小，接頭延伸率及彎曲裂紋長(zhǎng)度有減小的趨勢(shì)，這主要與接頭塑性變形量、A動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及位錯(cuò)密度的變化有關(guān)。隨著Fu增大，過(guò)熱區(qū)晶紋彎曲角增大，焊接區(qū)和過(guò)熱區(qū)寬度有減小的趨勢(shì)；Fu較小時(shí)過(guò)熱區(qū)硬度相對(duì)較高，F(xiàn)u在4MP≤Fu≤6MP范圍內(nèi)接頭彎曲裂紋長(zhǎng)度減小。隨著St增加，界面區(qū)及過(guò)熱區(qū)晶粒粗化，界面區(qū)F量增加，過(guò)熱區(qū)和焊接區(qū)寬度增加，接頭延伸率及硬度有減小的趨勢(shì)，在0.4s

最終通過(guò)新鋼種的開(kāi)發(fā)、輕量化設(shè)計(jì)以及焊接工藝的優(yōu)化，開(kāi)發(fā)的輕量化車輪質(zhì)量達(dá)到31.5kg，質(zhì)量低于國(guó)內(nèi)外同尺寸車輪，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，彎曲疲勞性能以及徑向疲勞性能等滿足標(biāo)準(zhǔn)要求以及汽車使用要求。

3.橋殼

商用車橋殼從結(jié)構(gòu)上主要可分為整體式橋殼和分段式橋殼2大類，整體式橋殼因制造方法不同又有多種形式，常見(jiàn)的有整體鑄造、鋼板料沖壓焊接、鋼管擴(kuò)張成形等。板料沖壓焊接式橋殼具有質(zhì)量小、制造簡(jiǎn)單、材料利用率高、抗沖擊性能好以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，并適于大批量生產(chǎn)。目前橋殼采用鋼板料沖壓成半橋殼再經(jīng)焊接而成的制造工藝正在逐步推廣，有關(guān)橋殼的沖壓成形研究也日漸成為研究熱點(diǎn)。目前沖焊車橋存在主要問(wèn)題是工藝水平普遍較低，過(guò)程控制能較弱，試制、試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)及分析技術(shù)落后等導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，出現(xiàn)“漏油、漏氣”的現(xiàn)象較多，齒輪噪聲高、早期失效普遍，制動(dòng)器質(zhì)量缺陷較多等。就橋殼生產(chǎn)工藝而言，汽車沖焊橋殼根據(jù)鋼板的厚度分為冷沖壓成形與熱沖壓成形，重型和中型車商用車列車車橋料厚度在12～20mm之間時(shí)，主要采用熱沖壓成形。國(guó)外一般為控切割下料—加熱（中頻爐）—壓型、整形（30 000kN以上雙工位液壓機(jī)）—空冷—拋丸—焊接，而國(guó)內(nèi)汽車橋殼普遍采用剪板機(jī)下料—加熱（中頻爐、電爐）—熱沖壓（3 000～10 000kN液壓機(jī)）—空冷—校直—修邊（氣割或刨平）—焊接工藝來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。由于國(guó)外在熱沖壓生產(chǎn)橋殼時(shí)壓型和整形在同一工序完成，所以橋殼質(zhì)量穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)，而我國(guó)大多數(shù)產(chǎn)線矯直或整形溫度偏低，從而導(dǎo)致所生產(chǎn)的橋殼質(zhì)量不穩(wěn)定。

橋殼的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其所用材料必須具有很高的強(qiáng)度，良好的彎曲及拉延成形性及優(yōu)異的焊接性能。目前，已有日本的SAPH440、SHP45、GW3300等，德國(guó)的TL-VW1114Ti、TL-VW1128TLVW1206、TL-VW1490等橋殼專用鋼牌號(hào)，目前國(guó)外普遍采用的橋殼鋼抗拉強(qiáng)度為600MPa，而國(guó)內(nèi)大量應(yīng)用的則為Q345、16MnL等抗拉強(qiáng)度在500MPa以下的鋼板，這些鋼板普遍存在的問(wèn)題是帶狀組織比較明顯，所以在沖壓加工及后續(xù)使用過(guò)程中存在皺褶、彎曲和開(kāi)裂現(xiàn)象。目前國(guó)內(nèi)鋼廠中只有寶鋼股份（簡(jiǎn)稱“寶鋼”）、武鋼股份（簡(jiǎn)稱“武鋼”）、太原鋼鐵集團(tuán)（簡(jiǎn)稱“太鋼”）、邯鄲鋼鐵集團(tuán)（簡(jiǎn)稱“邯鋼”）等少數(shù)企業(yè)有專門(mén)的橋殼鋼牌號(hào)，所以國(guó)內(nèi)高強(qiáng)橋殼鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用還沒(méi)有引起足夠的重視。寶鋼已經(jīng)在與山東蓬翔車橋廠進(jìn)行合作開(kāi)發(fā)鈮微合金化的800～900MPa級(jí)重型貨車橋殼鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工作，采用新的橋殼鋼后，橋殼可減重50kg，減重率達(dá)20%以上。另外，武鋼、邯鋼、太鋼也在與車橋生產(chǎn)廠積極開(kāi)發(fā)600MPa以上鈮微合金化橋殼鋼，以實(shí)現(xiàn)橋殼輕量化（可減重10%以上）和提高橋殼使用壽命的目的。與原有500MPa級(jí)碳-錳鋼相比，新的更高級(jí)別的橋殼鋼都采用了鈮微合金化技術(shù)，充分利用了鈮在鋼中細(xì)化晶粒、調(diào)節(jié)奧氏體非再結(jié)晶溫度、析出強(qiáng)化、延遲加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大等作用，不僅使鋼板軋制工藝更加穩(wěn)定，同時(shí)顯著消除了鋼中帶狀組織，在提高橋殼強(qiáng)度的同時(shí)，提高了橋殼的韌性，從而大大地提高了橋殼的使用壽命。典型的輕量化商用車列車橋殼見(jiàn)圖2。

4.變截面板簧

商用車懸架系統(tǒng)主要有多片鋼板彈簧、變截面少片鋼板彈簧、橡膠懸架、空氣懸架、復(fù)合材料板簧等，其中變截面少片鋼板彈簧、橡膠懸架、空氣懸架、復(fù)合材料板簧都可以達(dá)到減重的目的。由于橡膠懸架、空氣懸架價(jià)格較貴，而復(fù)合材料板簧尚不成熟，因而對(duì)于中國(guó)商用車而言，參與變截面少片鋼板彈簧是比較這種的選擇，既可以輕量化同時(shí)性價(jià)比高。

少片變截面彈簧是由一片或幾片縱向等長(zhǎng)的變斷面彈簧組成，一般不超過(guò)5片（見(jiàn)圖3）。由兩端薄中間厚、等寬等長(zhǎng)的鋼片所迭加起來(lái)。少片鋼板彈簧的鋼板截面變化大，從中間到兩端的截面是逐漸不同，因此軋制工藝比較復(fù)雜，少片簧與多片簧相比，在相同剛度（即相同承載能力）的情況下，少片簧比多片簧輕約30%～40%左右，降低了油耗，增加了行駛平順性。而且少片簧單片之間為點(diǎn)接觸，減少了相對(duì)摩擦及振動(dòng)，增加了乘坐舒適性。

國(guó)內(nèi)外板簧的比較，國(guó)外的板簧使用應(yīng)力約為1 300MPa，國(guó)內(nèi)還處于900～1 100MPa。目前，廣泛應(yīng)用的彈簧應(yīng)力和變形的計(jì)算公式根據(jù)材料力學(xué)推導(dǎo)出來(lái)。若無(wú)一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，很難設(shè)計(jì)和制造出高精度的彈簧，隨著設(shè)計(jì)應(yīng)力的提高，以往的很多經(jīng)驗(yàn)不再適用。

三、車廂的輕量化

除了牽引車以外，掛車是商用車列車的主要組成部分，掛車的輕量化是商用車列車減重的主要手段。半掛車的車廂和車架，作為半掛車上最重要的也是質(zhì)量最大的部件，在減輕半掛車總質(zhì)量方面具有很大潛力。以往的車架，由于材料性能和設(shè)計(jì)方法的限制，為了達(dá)到使用所需的強(qiáng)度在結(jié)構(gòu)上有很多不合理的設(shè)計(jì)，這也直接導(dǎo)致了整車質(zhì)量的增大。而隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型高強(qiáng)度鋼材的研究不斷發(fā)展，有限元仿真分析和先進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的廣泛應(yīng)用，以及新型制造工藝的推動(dòng)，為車廂、車架結(jié)構(gòu)的輕量化開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)。半掛車自重大，質(zhì)量利用系數(shù)小，主要問(wèn)題存在于材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面。目前，掛車采用Q345和Q235比較多，如采用鈮微合金化的700MPa及750MPa的掛車用鋼可以有效降低掛車質(zhì)量，但同時(shí)焊接、成形等工藝也亟待優(yōu)化。

抗拉強(qiáng)度700MPa及以上級(jí)別汽車用鋼的強(qiáng)化途徑主要是多種強(qiáng)化方法的綜合使用，從強(qiáng)度貢獻(xiàn)來(lái)看主要有組織強(qiáng)化和析出強(qiáng)化2種，組織強(qiáng)化通過(guò)添加一定量的淬透性元素，結(jié)合控制軋制和控制冷卻，得到中低溫轉(zhuǎn)變組織來(lái)提高鋼板強(qiáng)度，此鋼種綜合性能優(yōu)良，析出強(qiáng)化主要加入高鈦、微鈮釩微合金元素，通過(guò)碳氮化物第二相粒子的析出強(qiáng)化鐵素體基體，從而提高強(qiáng)度，析出強(qiáng)化鋼成本較低，成形性較好，但韌性稍差于低碳貝氏體鋼。

中信聯(lián)合鋼廠開(kāi)發(fā)了抗拉強(qiáng)度700MPa及750MPa級(jí)別汽車用熱軋卷板。由于采用低碳微合金化成分設(shè)計(jì)，其焊接性能和接頭疲勞性能十分優(yōu)良：采用優(yōu)選ER50-6、CHW-70C和CHW707Ni焊條焊接材料具有良好的焊接AG700L鋼的能力，保留余高的焊接接頭板拉伸強(qiáng)度與母材相當(dāng)，焊接接頭冷彎性能良好，各區(qū)沖擊功均處于較高水平；同時(shí)這3種焊接材料具有優(yōu)良的抗冷裂性能，可在不預(yù)熱條件下完成8mm的700MPa鋼板的焊接；ER50-6、CHW-70C焊絲焊接的AG700L焊接接頭具有良好的疲勞性能。鈮可以產(chǎn)生非常顯著的晶粒細(xì)化及中等程度的沉淀強(qiáng)化作用，并可改善低溫韌性。在高于臨界溫度時(shí)，鈮元素對(duì)再結(jié)晶的作用表現(xiàn)為溶質(zhì)拖曳機(jī)制，而在低于臨界溫度時(shí)，則表現(xiàn)為析出釘扎機(jī)制。鈮在鋼中的特點(diǎn)就是提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，從而達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的。

典型的鈮微合金化的750MPa的掛車用鋼成分見(jiàn)表3，通過(guò)冶煉控制以及軋制控制，鈮微合金化的700MPa及750Mpa的掛車用鋼均表現(xiàn)出了良好的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度比在0.9左右，延伸率在16%以上，強(qiáng)度波動(dòng)在100MPa以內(nèi)，沖擊功在80～130J。典型的顯微組織見(jiàn)圖4，由圖4可見(jiàn)，750MPa的掛車用鋼由均勻細(xì)小的PF（多邊形鐵素體）和少量P（珠光體）組成，晶粒度在12～13級(jí)。

1.輕量化轎車運(yùn)輸車

采用上述700MPa及750Mpa的掛車用鋼，再集成輕量化設(shè)計(jì)以及制造工藝優(yōu)化，可以將12位框架式轎運(yùn)車從目前的整備質(zhì)量14.5t減至13t，輕量化減重目標(biāo)10%。輕量化轎車運(yùn)輸車裝配圖見(jiàn)圖5。

在常用的彎曲、加速和緊急制動(dòng)工況下，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的車架大部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值都處在安全的范圍之內(nèi)，采用新型的高強(qiáng)鋼后可保證結(jié)構(gòu)的安全。新的結(jié)構(gòu)在各工況下的最大位移與原始結(jié)構(gòu)相差不大。從減重效果來(lái)看，根據(jù)模型測(cè)算的質(zhì)量，車架由原來(lái)的約8.2t降6.7t，相對(duì)整車減重約10%。

2.輕量化柵攔車

2013年SSAB（全球高強(qiáng)鋼領(lǐng)先制造商）進(jìn)行倉(cāng)柵車輕量化攻關(guān)，使用微合金化的Domex700與Weldox960制造車架車廂，倉(cāng)柵半掛車質(zhì)量從7 800kg降低到5 800kg，每年節(jié)約費(fèi)用增加運(yùn)輸量為8 050歐元，節(jié)約燃料2 070歐元，合計(jì)10 120歐元/年。2014年，國(guó)內(nèi)鋼廠與某掛車企業(yè)合作，使用700MPa與960MPa掛車用鋼制造車架車廂、空氣懸架替代板簧懸架、寬基單胎鍛造鋁合金車輪代替雙胎滾型鋼制車輪，進(jìn)行倉(cāng)柵車輕量化攻關(guān)，倉(cāng)柵半掛車質(zhì)量從8 000kg降低到4 900kg，每年節(jié)約費(fèi)用增加運(yùn)輸量為15萬(wàn)元，節(jié)約燃料4.4萬(wàn)元，合計(jì)19.86萬(wàn)元/年。應(yīng)用960MPa微合金化高強(qiáng)專用車用鋼制造掛車大梁上下翼板、腹板、牽引板，實(shí)現(xiàn)減重727kg；采用700MPa級(jí)微合金化高強(qiáng)專用車用鋼制造倉(cāng)柵半掛車的車廂底板、車架的橫梁、邊梁、前封、后封、立柱，懸掛以及部分支撐件，實(shí)現(xiàn)減重1 007kg。

四、駕駛室的輕量化

駕駛室是商用車重要的組成部分，通過(guò)合理地應(yīng)用輕量化材料，提高商用車駕駛室白車身的動(dòng)態(tài)性能，并減輕白車身質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)白車身的輕量化設(shè)計(jì)，有利于駕駛?cè)藛T的安全和節(jié)能減排[2]。目前國(guó)內(nèi)商用車駕駛室的內(nèi)外板多采用DC01-DC04，其中DC04居多，發(fā)動(dòng)機(jī)周圍復(fù)雜采用DC06，厚度為0.8～1.2mm。駕駛室骨架多采用DC01-DC04，厚度1.5mm居多，也采用20號(hào)鋼來(lái)制造駕駛室骨架。但隨著節(jié)能減排需求的提高，我國(guó)高強(qiáng)度鋼用量約有提高，如一汽汽車駕駛室用高強(qiáng)度鋼比例約15%左右，東風(fēng)汽車用高強(qiáng)度鋼用量亦在15%左右，而陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司汽車駕駛室用高強(qiáng)度鋼比例則小于10%。高強(qiáng)度鋼主要是高強(qiáng)度合金鋼（HSLA）和烘烤硬化鋼為主。而通過(guò)Benchmark分析了解到，最新奔馳商用車駕駛室的高強(qiáng)度鋼比例達(dá)到了25%以上，應(yīng)用了大量的HSLA鋼，這些鋼材均采用鈮微合金化來(lái)強(qiáng)化鋼材性能。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)主機(jī)廠與相關(guān)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了駕駛室輕量化的研究和開(kāi)發(fā)，但多停留在結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的層面[3]，應(yīng)該采用高強(qiáng)度輕量化材料、先進(jìn)成形技術(shù)和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)合，達(dá)到更佳的輕量化效果，同時(shí)通過(guò)輕量化來(lái)降低鋼材采購(gòu)成本，進(jìn)而抵消一部分高強(qiáng)度鋼的采購(gòu)成本。

五、鈮微合金化

微合金含鈮高性能鋼在汽車行業(yè)較為廣泛，主要目的是提高汽車安全、降低汽車質(zhì)量、輕量化，達(dá)到節(jié)能減排的目的。其原理是在汽車鋼中添加鈮元素，通過(guò)細(xì)化晶粒、減緩帶狀組織、優(yōu)化顯微組織、提高鍍層性能等來(lái)達(dá)到提高鋼材的強(qiáng)度、韌性、彎曲性能、擴(kuò)孔性能、焊接性能以及疲勞性能等基本力學(xué)性能和使用性能，進(jìn)而更便于制造復(fù)雜的汽車構(gòu)件，提高構(gòu)件的慣性矩和剛度，并同時(shí)提高構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到構(gòu)件和總成質(zhì)量減低的目的。鈮微合金化對(duì)鋼材性能的作用見(jiàn)圖6。

冶金和材料工程師更加關(guān)心鈮微合金化對(duì)鋼材性能的作用，對(duì)于汽車工程師而言，鈮微合金化對(duì)對(duì)于汽車構(gòu)件性能的作用更加重要，表4總結(jié)了鈮微合金化對(duì)汽車輕量化以及汽車構(gòu)件和總成功能的作用[4]。

總而言之，多年的實(shí)踐證明，通過(guò)微合金化技術(shù)可以提高汽車鋼的力學(xué)性能和使用性能，為汽車輕量化奠定了基礎(chǔ)。

六、結(jié)論

商用車列車的輕量化意義重大，在重視牽引車輕量化的同時(shí)，應(yīng)加大推動(dòng)掛車的輕量化。通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化并結(jié)合制造工藝的改進(jìn)，采用鈮微合金化高強(qiáng)度鋼的輕量化車輪、駕駛室、橋殼、牽引車車架、變截面懸架、掛車等可分別減重約100kg、150kg、200kg、150～250kg、200kg、1.5t，進(jìn)而采用鈮微合金化高強(qiáng)度鋼的輕量化商用車列車可減重2t以上即輕量化15%左右，可以有效降低燃油消耗和減低排放。

在汽車鋼中添加鈮元素，通過(guò)細(xì)化晶粒、減緩帶狀組織、優(yōu)化顯微組織、提高鍍層性能等來(lái)達(dá)到提高鋼材的強(qiáng)度、韌性、彎曲性能、擴(kuò)孔性能、焊接性能以及疲勞性能等基本力學(xué)性能和使用性能，進(jìn)而更便于制造復(fù)雜的汽車構(gòu)件，提高構(gòu)件的慣性矩和剛度，并同時(shí)提高構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到構(gòu)件和總重降低的目的。鈮微合金化的系列高強(qiáng)度鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是商用車列車輕量化的有效手段。

參考文獻(xiàn)

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