英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

通过使用含钼先进高强度钢进行车辆轻量化

1Alexander Patrick Hardwick 2 Tim Outteridge

摘要：过去二十年来，汽车制造商面临越来越大的压力，要求减少车辆对环境的影响。提高燃油效率和降低尾气排放的一种有效方法是使用先进的高强度钢（AHSS），在较低重量下提供相同的强度和抗撞击性。本研究评估了福特Fusion中考虑用于B柱的两种钢种在使用过程中对环境的影响,先前车型中使用的淬硬硼钢（含钼双相钢DP800和DP1000）和由二者混合物制成的液压成型部件。

福特提供了与组件质量和等级相关的信息。在GaBi LCA软件工具中创建了炼钢、精加工、成型、车辆使用和寿命终止的过程模型。对液压成型过程中新组件的影响进行了灵敏度分析。

生命周期评估表明，新的DP800 / DP1000 B柱对环境影响较小。 总体而言，新型DP800 / DP1000的全球变暖潜能值（GWP）比的硼钢低29％。使用阶段被认为是环境影响的主要来源，占GWP生命周期影响的93％。两个B柱设计之间影响差异的主要原因是新型钢的组件重量减轻了4公斤,尽管新型钢的合金含量较高，但由于制造过程运用了新技术，所以对环境影响比较小。液压成形工艺的灵敏度分析表明，即使成形的冲击硬化比压制硬化大100％，新B柱设计生产的GWP仍然低于硼钢版本。

发现含钼的DP1000 / DP800的B柱比以前的硼钢具有更低的生产环境影响和更高的寿命。评估表明，通过在车辆中更多地使用AHSS而不影响碰撞性能，可以通过改善车辆车身结构来降低对环境的影响。

关键词：汽车、高强度钢、轻量化、钼

1 引言

在过去的二十五年中，交通运输部门成为政府、消费者和其他利益相关者的共同关注点，寻求应对气候变化、空气污染和资源利用的更好解决方案。欧盟估计，公路运输占欧盟二氧化碳总排放量的20％左右，乘用车占总排放量的12％左右。此外，欧盟公路运输的排放量在1990年至2004年期间增加了26％，拉高了总排放量5％的总体趋势，并占该地区石油消费量的60％。在美国也出现了类似的趋势，1970年至2007年间，由于个人旅行需求增加，以及中国汽车保有量从1999年的1500万以下增加到更多，运输能耗每年平均增长1.3％。 2013年超过1.2亿，导致主要城市空气质量问题日益严重。

降低与运输相关环境影响的战略可分为三大类：减少运输需求，使用低影响运输方式，如步行和骑自行车以及改进车辆技术和燃料。 在第三类中，可通过减排技术改进，减少尾气排放，如催化转化器；燃料本身成分的变化，如减少柴油中的硫；电动或混合动力汽车的使用以及提高车辆燃油效率，例如降低滚动阻力和车辆轻量化，这是本研究的重点。

车辆轻量化是一种广泛使用的策略，用于减少车辆的环境影响，并且可以通过选用混合材料和部件重新设计来实现。由于强度和抗碰撞性要求，材料的选择可能在车辆车身结构的一些关键部件中受到限制。

本文介绍了国际钼协会（IMOA）于2014年进行的生命周期评估研究的结果，该研究评估了福特Fusion不同代的两个B柱设计的生命周期影响。

2 方法

2.1 目标

该项目的是评估两种福特Fusion B柱设计的生命周期从开始到结束的影响。该研究由IMOA委托，旨在帮助其成员和更多的利益相关者了解在车辆车身结构中使用含钼的AHSS可量化的环境影响。

2.2 产品系统，功能单元和边界

2.2.1 B柱和功能单元的描述

福特Fusion是2005年开始生产由福特生产的中型客车。主要在美洲销售，第一代福特Fusion于2006年至2013年间销售，包括2010年的车辆更新。在此版本车辆中，B柱由压制硬化硼钢制成，每个B柱的质量为13.3千克，两个B柱占白车车身总质量的8％左右（约325千克）。为了开发第二代福特Fusion，福特发起了一项重新设计车身白车身（BIW）的计划。 BIW重新设计的目标是提高车辆的安全性;降低与车辆相关的噪音、振动和不平顺性（NVH）;并在限制车辆质量增加的同时进行其他改进。对于B柱，这意味着该部件被重新设计为液压成型部件，其材料包括两种AHSS钢种的混合物：双相钢DP800和DP1000（Ford 2012）。

重新设计的部件质量为9.3千克，比上一代轻4千克（30％）;但是，AHSS等级的合金元素含量高于典型的硼钢等级。 DP800可含有高达1％的铬和钼（典型的钼含量为0.18％）和2.5％的锰，总合金含量为2％至3％。 DP1000可含有高达1.4％的铬和钼（典型的钼含量约为0.33％）和2.9％的锰（BSI 2013）。汽车应用的硼钢等级通常具有较低的合金含量。例如，非标准化22MnB5等级的样品成分含有1％至1.4％的锰，0.11-0.25％的铬和0.0008-0.005％的硼，总合金含量在1.5％至2.5％之间（Ruukki 2015; Salzgitter 2015; SSAB 2015）。

这两个部件在功能上是等效的，碰撞试验表明，由于侧面碰撞（部件变形向内的位移测量）在支柱底部是等效的最大碰撞变形，最大碰撞变形的减少为64毫米。B柱重新设计使白车有更广泛应用，但特殊车辆需要重新设计其他部件。因此，不将白车的其余部分包括在内，把两个组件隔离进行比较被认为是合理的。

选择用于该研究的功能单元是福特Fusion中的一个B柱，其总寿命为20万公里，为期10年，福特建立的两代车辆之间的功能等同。乘用车的典型寿命值在150,000和300,000km范围内的车辆里程评估方法是不同的。 在这项研究中，使用了200,000公里的值，这符合福特Fusion的标准维护计划，该计划的运行时间长达241,000公里（150,000英里）（Ford 2015）。

2.2.2系统边界和假设

LCA的系统边界包括生产钢材所需的所有原材料; 炼钢和铸造; 轧制，精加工和成型; 车辆使用超过20万公里，包括燃料生产和燃烧；车辆的报废。

使用GaBi LCA软件中的模型评估相关等级的钢铁生产，其中二次炼钢工艺适合于反映所述等级的合金成分。对于所有等级，炼钢的要素被认为是相同的。GaBi数据库反映全球平均产量的数据被用于模拟合金的二次生产，只有钒铁和锰铁的含量与模拟值有明显差异，其中只有南非生产的数据可用，钼含有钼铁的数据由IMOA提供。该数据被认为具有地理代表性，因为钢和合金是全球贸易商品。所有主要数据和原始数据集都来自最近5年，但由国际钢铁协会提供的废钢数据价值较高，该数据用于计算8年前的废弃信用/负担，尽管它的期限已经包括在内，但被认为具有当前可用数据集的最广泛的地理和技术覆盖范围。

根据福特提供的技术图纸，新的B柱计算包括76％DP800和24％DP1000。这些不同组件的灵敏度结果会作为分析报告的一部分。

各钢种成分的信息来自公开可用的等级成分数据和直接提供给作者的数据。尽可能使用表示平均值或典型值的合金组合物。还考虑了表明最大合金含量（例如合金标准）的成分数据，并用于交叉引用其他数据源。

由于缺少新DP800 / DP1000组件的液压成型技术的数据参数，因此，本次建模用传统的汽车冲压和成型工艺数据。分析中排除了这种数据替换对结果的潜在影响。本次评估未包括两个B柱设计之间装配过程的差异。

B柱使用阶段的燃料消耗可用使用燃料减少值（FRV）估算。 汽车工业使用FRV来估计由于车辆轻量化所减少的燃料消耗。FRV包括基于车辆质量减少的动力系统调整大小所带来的影响（Koffler 2010）。在该研究中，假设车辆在欧洲正常环境下行驶，FRV会基于新欧洲驾驶循环（NEDC）进行计算。 NEDC是一种驾驶循环模型，用于模拟典型的车辆使用情况，并在欧洲用于评估车辆的排放曲线（EU 2007）。

图1 生命周期对全球变暖的潜在影响

图2 生命周期酸化潜力影响

图3 生命周期富营养化的潜在影响

图4 生命周期光化学影响

图5 生命周期初级能源需求

从NEDC可以计算出汽油车辆的动力传动系统尺寸为0.15 L/（100 km * 100 kg）和柴油车辆尺寸为0.12 L/（100 km * 100 kg）的典型FRV，而动力传动系统尺寸调整的FRV为0.35 L /汽油车辆（100公里* 100公斤）和柴油车辆0.28L/（100公里* 100公斤）（Koffler 2010）。在这项研究中，动力系统调整后的FRV值反映了第二代福特Fusion的发动机由于尺寸减小使燃油效率提高，其中2.5至3.5升发动机被1.5至2.5升发动机取代，燃油经济性得到改善，但是发动机马力相同，功能相同。柴油发动机仅在欧洲和其他地区销售，作为第四代蒙迪欧出售。因此，之前B柱设计的柴油动力传动系统的结果仅仅表明第三代蒙迪欧与第一代福特Fusion不同。没有动力系统调整大小的结果已作为敏感性分析的一部分包括在内，因为这被视为关键的使用阶段假设。

在使用寿命结束时，假设钢的回收率为95％，这符合欧盟的报废车辆指令。从2015年1月1日起，所有车辆要求采用95％的回收率（EU 2000），以及WorldAutoSteel用于报废废钢的95％的回收率在他们的autoLCA工具中回收（autoLCA 2013）。 考虑到生产新钢所需的废料输入，基于净废料方法评估在使用寿命结束时回收钢材的好处。 两种产品均通过BF / BOF生产线进行建模，BF / BOF生产线是汽车电动机/卷材产品的主要生产过程，平均废料输入为12％。世界钢铁协会开发的全球废钢平均价值用于计算在使用寿命结束时可归因于回收的总体环境效益/负担。

表1 两个B柱设计的完整生命周期结果

2.3生命周期影响评估方法

评估中包括的环境影响类别和生命周期指标包括全球变暖潜势、酸化潜力、光化学臭氧形成、富营养化潜力和一次能源需求。包括全球变暖潜力，因为它是用于量化气候变化的类别，这是与政府和立法者认为与车辆相关的主要环境问题。二氧化碳排放也越来越受到严格限制，在某些国家，二氧化碳排放被用作车辆税收的依据。酸化潜力，光化学臭氧形成和富营养化潜力都与燃料燃烧产生的气体排放有关，例如Nox、SOx和受车辆排放标准管制的挥发性有机化合物。据报道，初级能源需求是衡量系统生命周期能源效率的标准。本评估中报告的四种影响类别使用的表征方法是ILCD手册（ILCD 2011）中推荐的方法。

3 结果

在车辆B柱的整个生命周期中生成的结果表明，新的DP800 / DP1000设计对所评估的四种影响类别以及一次能源需求的影响较小。 图1、2、3、4和5显示了一个B柱对汽油和柴油动力传动系统的影响，结果分为制造，使用和寿命终止（另见表1）。

这些数据表明，使用阶段是B柱生命周期影响的主要因素。在超过200,000公里的车辆寿命和假设汽油动力传动系统中，使用阶段占DP800 / DP1000 B柱的生命周期GWP的93％和硼钢B柱的GWP的94％。 对于本研究中包含的所有类别，使用阶段占总影响的80％以上。 因此，4千克重量减轻和相关动力系统调整大小导致的燃料消耗减少是两个B柱设计之间影响差异的主要原因。

图6 制造业的全球变暖潜在影响

图7 灵敏度分析 - 包含/排除动力系统燃料减少值

与钢回收相关的寿命终止信用见图。 1,2,4和5为低于x轴的负值。 这代表了由于原始材料对钢材的需求减少而在下一生命周期中节省的环境。 这方面的例外是富营养化潜力，其中用于计算钢铁回收的寿命终止信用额的废料处理价值不会导致富营养化的负面影响。 这是因为在电弧炉中从废料生产钢所消耗的电力的富营养化潜力高于生产高炉钢的富营养化潜力。

两个B柱设计的结果表明，新设计在生产过程中也可能具有较低的环境影响。由于在B800支柱所需材料的减少以及随之而来的炼铁和二次炼钢影响减少，因此在DP800和DP1000钢种中更多地使用合金元素（包括钼）导致的影响小幅增加。 对于评估的所有其他影响类别，观察到类似的趋势，新设计在所有情况下都会产生影响。

4 讨论和敏感性

如前所述，无法获得制造新部件的液压成型工艺相关的数据。为了本研究的目的，用常规的成形方法估算两种组分的成形。敏感性分析表明，鉴于两种设计的生产影响之间的差异，即使成形的影响加倍（即增加100％）也不会导致生产的全球变暖潜力高于原始硼钢设计。 对于酸化和富营养化潜力，敏感性分析发现，当成型冲击增加50％时，新设计的生产影响更大。对于光化学臭氧形成和一次能量需求，当形成冲击分别高于80％和90％时，发生交叉点。

进行第二次灵敏度分析以研究对B柱中使用的DP800和DP1000的比例变化的影响。 发现DP1000的影响比DP800略高，但假设该组件为100％DP1000导致B柱的生产影响增加不到5％，对于所有评估指标（在组件的整个生命周期内不到1％）。

第三个灵敏度分析研究了在没有动力系统调整大小的情况下使用燃料减少值的效果。详见Sect2.2.2，没有动力系统调整大小的FRV估计为汽油车辆0.15升/（100公里* 100公斤）和柴油车辆0.12升/（100公里* 100公斤）。对于汽油车辆，动力总成调整大小的FRV假设为0.35升/（100公里* 100公斤），0.28升/（100公里* 100公斤）柴油车

全文共6152字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[1996]