Các xu hướng phát triển của thép ô tô
Trung bình có 900 kg thép trên một chiếc xe ô tô đặc trưng 5 chỗ[1]. Thách thức xưa nay của thép là làm sao chế tạo thép có
độ bền cao nhưng lại có khả năng định hình tốt để đảm bảo chất lượng quá trình
gia công. Mối quan hệ giữa độ bền và khả năng định hình của thép thường được mô
tả bằng biểu đồ đường cong quả chuối như bên dưới (banana-curve), mô tả mối
liên hệ giữa độ bền kéo và độ giãn dài. Biểu đồ này cũng tóm tắt các nhóm thép
ô tô đã và đang được phát triển hiện nay.
Hình 1: Mối quan hệ giữa độ bền kéo giới hạn (UTS) và độ giãn dài tổng (TE) của các thế hệ thép cường độ cao (Biểu đồ Banana)
Nguồn: Chung JY, Kwon O. Development of high performance auto steels. In: Proceedings of ICTP 2008. Gyeongju-Korea, 7-11 September. 2008. pp. 3-6.
Vùng thép cường độ cao truyền thống (Conventional high strength steel -HSS)
nằm gần gốc tọa độ của biểu đồ, vốn có độ bền và độ giãn dài đều thấp, bao gồm
các loại như thép IF (Interstitial free), thép cacbon trung bình (mild steel),
thép carbon-manganese, thép BH (bake hardening) và thép hợp kim thấp cường độ
cao (high strength low alloy steels-HSLA). Loại thép này được phát triển từ thập
niên 70-80.
Kế bên vùng này là các chủng loại thép cường độ cao tiên tiến thế hệ một
(Generation 1st AHSS): Thép DP (Dual phase steel), thép TRIP
(transformation-induced plasticity), thép ferritic-bainitic, thép CP (complex
phase), thép martensite (MART), với độ bền rất cao nhưng độ giãn dài có hạn chế.
Để khắc phục hạn chế này người ta phát triển các mác thép thép cường độ cao
tiên tiến thế hệ hai (Generation 2nd AHSS): Thép TWIP (Twinning-Induced
Plasticity), thép AUST SS (Austenitic stainless steel), Thép L-IP® (Al-added
lightweight steels with induced plasticity). Các mác thép này có cơ tính tuyệt
vời, cường độ cao và khả năng gia công định hình cũng rất cao, nhược điểm là
khó sản xuất và chi phí cao. Do đó hiện nay thế giới đang phát triển các mác
thép cường độ cao tiên tiến thế hệ ba (Generation 3rd AHSS): Thép DH (cải tiến
từ thép DP), thép CH (cải tiến từ thép CP). Loại này hiện đang trong quá trình
nghiên cứu và phát triển.
Thép cường độ cao tiên tiến (Advanced high-strength steels - AHSS) hiện được
sử dụng cho hầu hết các thiết kế xe mới. AHSS chiếm tới 60% cấu trúc thân xe
ngày nay, tạo nên những thiết kế xe tối ưu, nhẹ hơn nhằm nâng cao tính an toàn
và cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu.
Các loại thép cường độ cao tiên tiến mới cho phép các nhà sản xuất ô tô giảm
25-39% trọng lượng các bộ phận của xe và 8-10% trọng lượng toàn bộ xe so với
thép thông thường. Khi áp dụng cho một chiếc ô tô gia đình 5 chỗ điển hình
(sedan), trọng lượng tổng thể của xe sẽ giảm 100-150 kg, tương ứng với việc tiết
kiệm 2-3 tấn khí nhà kính trong tổng vòng đời của xe. Lượng khí thải tiết kiệm
này có thể nhiều hơn tổng lượng CO2 thải ra trong quá trình sản xuất tất cả các
loại thép được dùng trong xe.
Các loại thép ô tô cần có các đặc tính như yêu cầu cường độ cao nhưng lại
có khả năng định hình tốt; yêu cầu độ cứng cao nhưng lại có khả năng hàn tốt;
yêu cầu độ cứng vững cao nhưng lại có mức độ hấp thụ lực cao khi xảy ra va chạm.
Ngoài ra còn yêu cầu chống móp, chống mỏi và chống ăn mòn tốt...Do các yêu cầu
mang tính trái ngược nhau đó nên thép ô tô không giống như thép thông dụng dùng
trong ngành xây dựng mà nó có cấu trúc tế vi đặc biệt nhờ vào thành phần hóa,
chế độ nhiệt luyện, phương pháp gia công…
Hình 2: Hai vùng chịu lực chính trong thân xe ô tô
Phần đầu xe và đuôi xe là vùng hấp thụ lực va chạm để bảo vệ cho cabin,
vùng này sử dụng thép có độ dẻo dai cao (hay còn gọi là độ bền va đập cao) cho
phép biến dạng khi va chạm (Crumple zones/Crash zones). Trong khi khoang hành
khách là khu vực được gia cố bằng thép có độ cứng cao, không cho phép biến dạng
trong quá trình va chạm (Safety cage).
Hình 3: Ví dụ về các loại thép được sử dụng trong thân xe ô tô
Source:
Technology Roadmaps: Intelligent Mobility Technology, Materials and
Manufacturing Processes, and Light Duty Vehicle Propulsion, 2017. Center for
Automotive Research.
Cột A chỗ vị trí giữa tài
xế và khoang hành khách dùng thép có cường độ rất cao để không bị biến dạng dưới
lực va chạm, dùng thép 1000-1500MPa, xu hướng hiện nay ngày càng sử dụng nhiều thép dập nóng (Hot Forming/ Hot
stamping steels) hoặc thép martensite có cường độ siêu cao lên tới 1500-2000MPa;
các dầm kết cấu cản trước (bumper) ở vị trí đầu xe thì cho phép biến dạng khi
va chạm để hấp thụ lực va chạm nhằm bảo vệ cho khoang lái và khoang hành khách,
nên cản sử dụng thép cường độ thấp hơn, 980-1200MPa. Các tấm vỏ ô tô (body
panels) như nắp capo, trần, cốp, cửa, sàn… thì dùng thép cường độ thấp là thép
mild steel, thực tế hiện nay vỏ xe cũng có xu hướng dùng thép AHSS chẳng hạn
như thép DP để giảm trọng lượng thân xe, nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu.
Đây chỉ là một ví dụ về ứng dụng các mác thép, tùy vào thương hiệu ô tô, phân cấp ô tô, thị trường, model …mà thiết kế các mác thép sẽ khác nhau.
Một ví dụ điển hình là cấu trúc vi mô của thép TRIP, chính là điều tiên quyết để tạo ra kiểu cơ tính độc đáo của mác thép này: Gồm ma trận ferit và austenite giữ lại, martensite và bainite được giữ lại hiện diện với số lượng khác nhau.
Hình 4: Cấu trúc vi mô của
thép TRIP
Các loại mác thép này có
chỉ số tăng cứng biến dạng dẻo cao (Strain hardening exponent/ n-value) nên rất
phù hợp cho quá trình dập tạo hình. Kết quả là cơ tính của chi tiết thành phẩm
sau công đoạn gia công dập tạo hình, đặc biệt là độ bền chảy, cao vượt trội hơn
so với cơ tính của phôi ban đầu. Loại thép này đồng thời có cả hiệu ứng tăng cứng
trong lò sấy (bake hardening effect) nên Yield strength sẽ tăng thêm sau quá
trình sấy sơn. Loại thép này có độ bền mỏi cao và khả năng hấp thụ năng lượng tốt,
khi có lực va chạm mạnh thì thành phần austenite giữ lại sẽ chuyển biến tiếp tục
thành pha martensite cứng hơn, làm tăng cường độ thép lên cao hơn nên thường được
dùng để chế tạo các bộ phận kết cấu và gia cố khung xe ô tô.
Ngành thép vẫn sẽ lạc nhịp
so với ngành sản xuất ô tô trong nước?
Dezan Shira & Associates
nhận định “Trong 20 năm qua, GDP của Việt Nam đã tăng trưởng với tốc độ gộp
hàng năm là 5% tính theo giá trị thực, cao hơn 1,7 lần so với mức trung bình
toàn cầu. Nếu tăng trưởng GDP duy trì ở mức ổn định, dự báo sẽ có thêm 36 triệu
người tham gia tầng lớp trung lưu của Việt Nam trong thập kỷ tới. Ngoài ra, số
lượng ô tô bình quân trên 1.000 dân cũng đạt khoảng 50, tương đối thấp so với
các quốc gia trong khu vực Đông Nam Á. Do đó, nhu cầu ô tô ở Việt Nam được dự
báo sẽ bùng nổ với 800.000-900.000 ô tô được bổ sung trên đường mỗi năm vào năm
2025, tăng lên khoảng 1,5-1,8 triệu xe vào năm 2030”[2].
“Trong năm 2022 người Việt
đã mua sắm 509.141 xe, tăng 19,4% tương đương 98.751 xe so với năm 2021. Con số
này chưa bao gồm doanh số bán xe của các thương hiệu ô tô nhập khẩu như
Mercedes-Benz, Audi, Jaguar Land Rover, Volvo, Nissan, MG”[3].
“Mặc dù số lượng xe nhập
khẩu vẫn ít hơn so với xe sản xuất, lắp ráp trong nước tuy nhiên số lượng xe nhập
khẩu đã tăng liên tục trong 5 năm qua. Đáng chú ý, số lượng ô tô nhập khẩu vào
Việt Nam lập kỷ lục liên tiếp vào năm 2021 và 2022 với lần lượt là 160.000 và
173.467 chiếc”. Hai nước Thái Lan và Indonesia chiếp đến 75% lượng xe ô tô xuất
khẩu vào Việt Nam, mặc dù là hai quốc gia có quy mô ngành thép nhỏ hơn Việt Nam
khá xa.
“Thái Lan là nước sản xuất
ô tô lớn xuất khẩu vào Việt Nam. Lượng ô tô nguyên chiếc nhập khẩu từ Thái Lan
năm 2022 là 72.032 chiếc. Gần đây hơn, trong tháng 2 năm nay, Việt Nam nhập khẩu
6.066 xe từ Thái Lan, trong đó có 5.385 xe từ 9 chỗ ngồi trở xuống và 646 xe tải.
Indonesia đang nổi lên là
một trong những nước xuất khẩu ô tô lớn nhất sang Việt Nam. Mặc dù số lượng ô
tô nhập khẩu không chênh lệch so với Thái Lan nhưng giá trị lại tương đối thấp
nếu so sánh. Giá xe nhập khẩu trung bình của Indonesia chỉ 14.000 USD trong khi
Thái Lan là 20.000 USD”.
Chi phí sản xuất ô tô ở
Việt Nam luôn cao hơn so với các nước trong khu vực, cao hơn Thái Lan và
Indonesia khoảng 20%[4]. Lý do một phần lớn nằm ở
tỷ lệ nội địa hóa nguyên vật liệu, thiết bị cho sản xuất ô tô của Việt Nam hiện
khá thấp, đạt khoảng 5% trong năm 2020[5] trong khi tỷ lệ này tại
Indonesia và Thái Lan hiện đạt trên 40% (Ngoại trừ một số phiên bản như Mazda3,
Mazda6 thì tỷ lệ nội địa hóa đã lên 30-40% theo Trường Hải[6]).
Ở Thái Lan và Indonesia,
ngay khi sản lượng ô tô tiêu thụ vài trăm ngàn chiếc/năm thì nhiều các nhà sản
xuất lớn đã nhảy vào đầu tư các nhà máy sản xuất thép mạ kẽm cho vỏ ô tô (Body
panel), chẳng hạn như Nippon Steel và JFE Steel đã đầu tư các dây chuyền mạ kẽm
thép tấm sản xuất vỏ ô tô khá sớm ở Thái Lan và Indonesia.
Ở Việt Nam hiện có nhà
máy CSVC được đầu tư đồng bộ thiết bị cán và mạ để sản xuất thép cho vỏ ô tô,
tuy nhiên sản phẩm cũng chỉ hạn chế ở các mác thép HSLA truyền thống, cường độ
cao nhất là HSLA 550MPa chứ chưa có các mác cơ bản như BH, DP, CP…Nhà máy Posco
Việt Nam thì chỉ có máy cán và ủ mà không có dây mạ. Sản xuất thép cho ô tô Việt
vẫn là câu hỏi để ngỏ khi quy mô nhu cầu thì khá nhỏ trong khi chi phí đầu tư công
nghệ và thiết bị sản xuất rất lớn.
Bài viết mang tính chất cá nhân, không đại diện cho các cơ quan và tổ chức tác giả đang làm việc hay cộng tác.
Phan Đình Long
[1] https://worldsteel.org/steel-topics/steel-markets/automotive/
[3] https://thanhnien.vn/o-to-tieu-thu-tai-viet-nam-dat-ky-luc-trong-nam-2022-toyota-ban-chay-nhat-1851541873.htm#
[4] https://e.vnexpress.net/news/business/industries/making-cars-costs-more-in-vietnam-than-other-asean-countries-4019585.html
[5] https://en.diendandoanhnghiep.vn/reason-fornbsp-vietnam-s-low-automobile-localization-rate-n32861.html
[6] https://vietnamnet.vn/sep-lon-o-to-phan-phao-viet-nam-chi-lam-duoc-oc-vit-cho-bien-so-o-to-2114014.html
