简述雨刮弹片选材的技术革新

2022-09-11

一、雨刮弹片材料SUS-204替代SUS-304的理论研究和实验验证

传统意义的雨刮设计，我们以下图示为例:

它的主要零件包含附件(Hold spring)，骨架(Center bracket)，铆钉(Rivet)，环扣(Buckle)，中支(Second bracket)，分支(Yoke)，弹片(vertebra)和雨刮胶条(Rubber)。根据雨刮长度不同，去选择不同的骨架，中支和分支去搭配以满足不同车型，但总体结构都有相似性，这也是BOSCH系统模块化平台设计的具体体现。

基于一支22英寸雨刮的材料清单要求，一支传统雨刮要用到2PCS雨刮弹片，由于产品使用的特殊性，弹片的传统选材我们要选择不锈钢SUS-304以提高产品在雨水中的抗腐蚀性。BOSCH公司在2015推出一项低碳的目标改善，就是要降低我们产品的碳排放量。在这个项目中，我们相继把普通的热轧钢板(SGCC)更换成一般用冷轧钢板(SPCC)，雨刷弹片的不锈钢选材也从高规格的SUS-304系列换成SUS-204系列，在功能测试和实际应用都取得了不错的效果。本篇就以弹片的更新设计，作为一个突破口来展开说明。SUS系列不锈钢来自于日本JIS钢铁行业标准，SUS-304指的是304不锈钢，相当于我国的(06Cr19Ni10)不锈钢。SUS-204也是属于同一个家族系列，成分当量相当于我国的0Cr18Mn8Ni5N。这两种材料最终形成替代，很大意义上在于它们的成分很接近，两种材料的化学成分和物理特性也很类似，但制造成本和工艺成本却相差很多，即在某种意义上，换用SUS-204不但在成本上有着很大的节约，还在于它的制造等级没有SUS-304那么严格和精细，在一定程度上节省了能源消耗，是一种低碳的材料选用，这就是我们之所以选择这个研究方向的理论支撑和依据。

首先，我们通过一个表格来认识一下这两种不同不锈钢的物化性能：

从比对分析表中我们可以看出,两种材料成分的最大不同在于Ni含量，而Ni是不锈钢中最重要的元素，它的多少直接影响到不锈钢的耐腐蚀强度。在不锈钢中加入镍，是为了使钢容易形成单相组织(奥氏体)，使钢本身没有形成微电池的能力，这是避免钢被腐蚀的主要原因。奥氏体不锈钢可抵抗酸的腐蚀，同时奥氏体没有磁性，故加入镍在不锈钢一般就不会被磁铁吸了。正常情况下,Ni含量越高不锈钢的耐腐蚀强度会越大。镍对奥氏体不锈钢特别是对铬镍奥氏体不锈钢力学性能的影响，主要是由镍对奥氏体稳定性的影响来决定。在钢中可能发生马氏体转变的镍含量范围内，随着镍含量的增加，钢的强度降低而塑性提高，具有稳定奥氏体组织的铬镍奥氏体不锈钢韧性(包括极低温韧性)非常优良。在雨刮设计中，雨刮弹片的选材，其优良的低温韧性也是有助于车子在冬天雨刮使用中有不错的表现。

雨刮弹片在雨刮产品设计过程中的最大目的就是为胶条提供适度支撑而又要保持一定的柔性和弹力，以便让胶条更好的和汽车玻璃贴合以达到优良的挂刷效果。所以，强度相关的力学性能要求不是很高，而雨水中的耐腐蚀性能反而是我们追求和集中的焦点。为了测试SUS-204和SUS-304这两种材料替代的可行性，我们对其做了盐雾对比实验，以达到替换这一目标。相关验证必须要在满足我们实验要求的前提下进行改进和尝试，雨刮的行业标准大纲中，弹片的材料选用要求要能通过NSS中性盐雾实验，具体的实验标准如下:

设计标准告诉我们，如果我们用SUS-204代替SUS-304,NSS盐雾实验要过96h后，弹片生锈等级程度，白斑为Ri1，边沿生锈等级≤Ri5，表面气泡等级≤m2/g2，这个目标很明确。为此，我们对产品进行了NSS(中性盐雾实验)对比实验，并分成不同的产品弹片长度和测试时间梯度加以逐项对比。

SUS-204和SUS-304各个长度尺寸盐雾实验的分值结果如下：

备注：A：红色代表实验结果超出标准。B:V3代表V3产品平台，11”～28”代表雨刮长度从11英寸到28英寸。

Test Photo(失效样品图片)：

我们从两种材质的实验结果来看，SUS-204和SUS-304的耐腐蚀强度在96h小时内基本上在同一个水平上，两批样品分别各有一支失效,Fe-corrosion分数为Ri2。进一步测试144h和240h的实验结果，SUS-304的抗盐雾腐蚀的稳定性要比前者更持久，但品质过剩，我们不做过多分析。积极的实验结果告诉我们，我们在设计雨刮弹片时可以选择SUS-204来代替原本的SUS-304，产品的性能不会下降，这个实验为我们提供了有力的实验证明并为我们的决策提供了方向和参考

二、简单阐述SUS-204新材料选用对低碳排放的贡献

一般情况下，业界以吨钢综合能耗来衡量我们的炼钢水平，指企业在报告期内平均每生产一吨钢所消耗的能源折合成标准煤量。每生产一吨粗钢，从炼焦、烧结、炼铁、炼钢直到企业最终钢材配套生产所必需的耗能量及企业燃料加工与运输、机车运输能耗及企业能源亏损所分摊在每吨粗钢上的耗能量之和。也包括钢铁工业企业的采矿、选矿、铁合金、耐火材料制品、碳素制品、煤化工产品及其他产品生产、辅助生产及非生产的能耗。随着我国科学技术的发展和进步，我国钢铁工业顿钢综合能耗有了很大的降低，从1978年的2520Kg标准煤下降到了2017年的570.5Kg标准煤。年平均下降率达到了3.7%。尽管有了如此大的进步，钢依然是社会发展能源消耗的大户，特别是越精炼的钢因提炼工艺漫长和复杂，对能源的消耗就越大。如果我们在工业产品设计时选择低一个等级的钢材，那在这个产品整个生命周期内，我们会节省很多的社会能源。譬如我们这次研究的对象SUS-204,相比比它高一个等级SUS-304来讲，产品的可靠性不会差很多，但该类型的钢，社会能耗会降低很多。

下表是以本公司2014～2018年度,在SUS-204和SUS-304切换期间，对两种不锈钢的需求数据表，我们从中可以比对出我们在完成了两种材料替代，总共有多少顿SUS-304的不锈钢被等级稍微低一点的SUS-204替代。我们获取了BOSCH公司深圳工厂2014～2018年对两种不锈钢的年用量，我们从下列表可以看出，SUS-304不锈钢的用量逐年呈下降趋势，而SUS-204逐年增加。

深圳工厂在2015年之前，雨刮用弹片全部采用SUS-304不锈钢材，2015年我们部分产品切换成SUS-204不锈钢材，我们综合2014年～2018年这5年的不锈钢用量，这5年间我们共耗用SUS-204不锈钢材1422446kg，也就意味着5年的时间里我们用SUS-204钢替代SUS-304钢，总的替代规模约为1422.5顿。对工厂而言，雨刮弹片是做为一个工业终端产品导入使用的，产品的能耗的计算是要全生命周期加以统计，从铁矿石的开采到不锈钢的冶炼直至不锈钢的终端产品，工艺形成的每一步都需要能源的消耗，就本文所阐述的两种不锈钢的应用来看，SUS-304和SUS-204在后端终端零件的应用工艺上没有很大的区别。前端工艺，目前最为常见的工艺流程RKEF(回转窑电炉)+AOD(氩氧精炼炉)也不会有很大的差别，主要差别就是镍成分的填入量。我们可以运用公式计算出，2015年～2018年，这4年间，基于这个技术改进，这两种材料对镍的耗用是不同的，我们同样可以把这个镍用量的减少换算成标准煤：

能耗用(标准煤)=1422.5*((0.11+0.08)/2-(0.065+0.045)2)*570.5=32461.45 KG

由以上计算结果可知，BOSCH深圳工厂通过4年的技术创新，为自然环境减少了32顿左右的碳消耗。

最后，通过理论设计，实验验证到规模化的导入，BOSCH深圳工厂这个雨刮弹片不锈钢选材与低碳应用的项目不但在成本节约上取得了不错的成绩，更重要的是我们在这一细分领域，创新了我们的设计理念，让环保低碳的设计思维根深于我们的设计过程中，在社会环保低碳的趋势中发挥我们的贡献。

三、所阅读文献的查阅范围及手段

雨刮因为是个具体的工业产品，在公共出版物里并没有详细的介绍和引申，绝大多数的设计知识和参考文件来自于各个公司的专利,VALEO SYSTEMES ESSUYAGE,ROBERTBOSCH GmbH,TRICO PRODUCTS CORP,DAEWOO MO-TOR CO LTD,SIEMENS AGTOR CO LTD,SIEMENS AG…。资料和文献来源主要来自各个国家知识产权局和专利管理机关,外国文献资料及企业设计的工程手册。

摘要：新的雨刮对中间钢条的技术要求比之前有很大的提高。以Bosch集团为代表的一批汽车工业集团也在内部的产品设计中引入低碳设计理念，在保证功能不变或提升的情况下，尽量选择低碳环保的设计材料和工艺，这样在整个产品的设计生命周期内最大限度地降低CO2的排放，本文就以公司内部一个产品零件设计为例，阐述我们在产品设计领域中的革新。

关键词：雨刮,不锈钢,能耗用