全球汽車業(yè)處于材料革命前夜

陳長(zhǎng)年 鐘志平 陸 辛

（機(jī)械科學(xué)研究院，北京100044）

2012年9月，機(jī)械科學(xué)研究總院李新亞院長(zhǎng)率領(lǐng)機(jī)械院、一汽公司、東風(fēng)汽車公司、大連理工大學(xué)12名專家，赴美國(guó)進(jìn)行汽車輕量化制造技術(shù)調(diào)研與交流。訪問(wèn)了俄亥俄州立大學(xué)（OSU）、通用汽車公司研發(fā)中心汽車輕量化材料部門（GM）、底特律中國(guó)工程師協(xié)會(huì)材料委員會(huì)，美國(guó)藍(lán)石公司、MAG公司等。大家認(rèn)識(shí)到，世界汽車業(yè)正處于材料革命前夜。

1 全球汽車產(chǎn)業(yè)處于材料革命前夜

1.1 概述

汽車工業(yè)對(duì)全球工業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有舉足輕重的作用。然而，隨著世界范圍的能源匱乏、生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化和可持續(xù)發(fā)展的硬性要求，汽車行業(yè)燃油經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)入門檻越來(lái)越高。

過(guò)去的20年，美國(guó)政府對(duì)汽車燃油消耗，要求每年降低1%。而2010—2025年則每年要求降低4%。2010年4月美國(guó)公布了新的汽車燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定截至2016年汽車平均燃油效率要達(dá)到6.6 L/100 km，該標(biāo)準(zhǔn)較美國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)壓縮2.6 L，2011年6月份又提出到2025年，達(dá)到4.18 L/100 km。輕量化已成為車企發(fā)展的目標(biāo)（圖1）。GM公司提出，供應(yīng)商的零部件每減重1 kg，公司愿意額外支付3～6美元。

大量研究表明，約75%的油耗與整車質(zhì)量有關(guān)，降低汽車質(zhì)量，就可有效降低油耗以及排放。汽車質(zhì)量每下降10%，油耗下降6% ～8%，排放降低4%（圖2）。

汽車是人類文明發(fā)展的重要見(jiàn)證物，它伴隨著材料的發(fā)展而發(fā)展。從最開(kāi)始的自然材料（木材），到后來(lái)的鑄鐵、中碳鋼、高強(qiáng)度鋼、輕質(zhì)金屬、復(fù)合材料的使用，每一次材料應(yīng)用的創(chuàng)新都會(huì)帶來(lái)汽車技術(shù)的飛躍，可以說(shuō)是一代材料，一代汽車。

目前在美國(guó)，關(guān)于未來(lái)汽車材料，業(yè)內(nèi)已達(dá)成共識(shí)，即:不能片面強(qiáng)調(diào)某一種輕質(zhì)化材料，應(yīng)發(fā)揮不同輕質(zhì)材料的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)汽車材料一定是多種材料的混合。GM的corvette Z06車，年產(chǎn)幾千至幾萬(wàn)輛，多種輕量化新材料應(yīng)用于此車型，代表了汽車工業(yè)發(fā)展的方向。車前端采用鋁/鎂合金件;車身結(jié)構(gòu)采用AHSS;車底板采用復(fù)合材料。甚至鈦合金也已應(yīng)用于此車型。為此，美國(guó)政府已投資100億美元進(jìn)行AMI（Advanced Manufacturing Initiative，先進(jìn)制造技術(shù)創(chuàng)新）研究;投資3億美元進(jìn)行 MGI（Materials Genome Initiative，材料基因工程）研究。

表1 各種性能的鋼材在車身的應(yīng)用與發(fā)展

1.2 先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）的發(fā)展

美國(guó)通用汽車公司的Dr.Josh P.Campbell介紹了汽車高強(qiáng)鋼應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。在白車身中，低碳鋼與高強(qiáng)低合金鋼（HSLA）的重量比例呈下降趨勢(shì);約束淬火高強(qiáng)鋼（PHS）的重量比例呈上升趨勢(shì);烘烤硬化鋼的用量將維持不變。通過(guò)低碳鋼、HSLA的減少以及PHS的增加，使車身重量減輕（表1）。

未來(lái)汽車高強(qiáng)鋼的應(yīng)用將聚焦在第三代AHSS，其性能可達(dá)到:1 000～1 500 MPa時(shí)具備20% ～30%的延伸率，從而使AHSS的應(yīng)用從碰撞安全件延伸至結(jié)構(gòu)件甚至外覆蓋件，如圖3所示。

美國(guó)汽車業(yè)高強(qiáng)鋼的目標(biāo)是:（1）第三代AHSS的量產(chǎn)，并且降低價(jià)格;（2）強(qiáng)度達(dá)到1 000～1 500 MPa，并且可以冷成形;（3）材料可焊性好、成本低。

1.3 鋁合金汽車的發(fā)展

與10年前相比，國(guó)外汽車自重平均減輕20%～26%。如美國(guó)1976年每車用鋁合金僅39 kg，1982年達(dá)到62 kg，而1998年則達(dá)到了100 kg。這一發(fā)展趨勢(shì)還在加快進(jìn)行。在各國(guó)轎車發(fā)展中、長(zhǎng)期計(jì)劃中，以中型轎車為例，美國(guó)規(guī)定整車質(zhì)量為1 000 kg以下，西歐規(guī)定為800 kg以下。在最近投放的一些先進(jìn)車型中，鋼鐵材料的比例降低。例如奧迪A2鋼材的比例僅為34%，輕質(zhì)材料則高達(dá)52%;日本本田NSX全車用鋁材達(dá)到31.3%。

2002年，全新奧迪A8通過(guò)使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身零件數(shù)量從50個(gè)減至29個(gè)，車身框架完全閉合。這種結(jié)構(gòu)不僅使車身的扭轉(zhuǎn)剛度提高了60%，還使車重減少50%。英國(guó)捷豹XK更是將鋁合金技術(shù)與輕量化優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致，不僅車身零件總數(shù)從5 189個(gè)降至2 761個(gè)，車身剛性提高了48%。新一代路虎車身重量比上一代減重420 kg，車身的鋼材料替換為鋁合金，并采用單殼體式車身，比上一代鋼制車殼體減重高達(dá)39%。前副車架采用鋁合金材料鑄造，減輕14 kg。后副車架采用單件空心鑄件，減輕了15 kg。行李廂門被分割為兩部分，上半部分使用復(fù)合材料，下半部分采用鋁合金材料，可容納兩個(gè)成年人的體積。

GM公司在其開(kāi)發(fā)的車型上大量采用輕合金，如camro（大黃蜂），鋁合金占10%，malibu（邁銳寶）的鋁合金達(dá)到12%（385磅），凱迪拉克CTS的鋁合金達(dá)到10.3%（361磅），ATS（2013年上市）的鋁合金則達(dá)到23%。凱迪拉克ATS的前機(jī)蓋采用鋁合金冷沖壓工藝，減震塔采用真空薄壁壓鑄技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)支架采用鋁合金擠壓件焊接結(jié)構(gòu)，保險(xiǎn)杠采用鋁合金擠壓件，車門采用鋁合金成形，車身其他部位、結(jié)構(gòu)件、底板、覆蓋件采用鋼材。前后軸重達(dá)到50%:50%，可與BMW3系競(jìng)爭(zhēng)。

1.4 復(fù)合材料汽車的發(fā)展

統(tǒng)計(jì)顯示，全世界平均每輛汽車的塑復(fù)材用量在2000年就已達(dá)105 kg，約占汽車總重量的8% ～12%。而發(fā)達(dá)國(guó)家汽車平均使用量為120 kg，占汽車總重量的12%～20%。預(yù)計(jì)到2020年，發(fā)達(dá)國(guó)家汽車平均復(fù)材用量將達(dá)到500 kg/輛以上。我國(guó)電動(dòng)汽車增重高達(dá)30%～40%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)際先進(jìn)水平（德國(guó)大眾電動(dòng)汽車增重6% ～16%），復(fù)合材料電動(dòng)汽車成為減重的最佳出路，可以平衡增加的電池重量（表2）。

表2 純電動(dòng)車整車質(zhì)量與續(xù)航能力關(guān)系

近年來(lái)復(fù)合材料電動(dòng)汽車發(fā)展十分迅速，在幾乎所有汽車和相關(guān)展覽會(huì)上，紛紛展出超輕復(fù)合材料電動(dòng)汽車。如日本帝人公司在2011中國(guó)國(guó)際橡塑展上展示了一輛重437 kg超輕電動(dòng)汽車，德國(guó)大眾公司在2011法蘭克福車展展出高強(qiáng)度碳纖維奧迪A5DTM。蘭博基尼在2011日內(nèi)瓦車展期間推出Murciélago（國(guó)內(nèi)又稱蝙蝠）替代車型，該車的一大突出特色就是全車大量采用碳纖維復(fù)合材料技術(shù)，尤其是全碳纖維復(fù)合材料單殼體車身。美國(guó)GM公司的Ultralite全復(fù)合材料高檔運(yùn)動(dòng)車，得競(jìng)賽冠軍的太陽(yáng)能賽車等均由先進(jìn)復(fù)合材料制成（圖4）。

2 制造工藝瓶頸面臨突破

2.1 鋁合金汽車零部件與車身制造技術(shù)

2.1.1 鋁合金車身成形技術(shù)

美國(guó)通用采用超塑成形（SPF）。約6年前，美國(guó)通用汽車公司專門開(kāi)發(fā)了一種稱為快速塑性成形的工藝（QPF），這種工藝與超塑性脹形類似，在超塑脹形之前增加了一道熱沖壓工序，使得后續(xù)超塑脹形開(kāi)始時(shí)坯料的曲率半徑不是無(wú)窮大了，從而可以使氣壓迅速增大，把成形時(shí)間降到了15 s以內(nèi)。為此他們進(jìn)行了大量研究工作，并設(shè)計(jì)制造了專用的成形設(shè)備和生產(chǎn)線。

例如，GM公司某車型后背門內(nèi)板采用AZ31鎂合金超塑性溫成形，加熱至475℃;外板采用鋁合金超塑性溫成形，加熱至400℃。兩種材料均采用氣脹超塑性成形技術(shù)，在液壓機(jī)上成形每件需要1～2 min。在問(wèn)及關(guān)于車身鋁板成形是采用溫成形還是冷成形，Dr.羅愛(ài)華指出取決于設(shè)計(jì)，有些結(jié)構(gòu)可以采用冷沖壓，有些只能采用溫成形（SPF）。

2.1.2 鋁合金車身和零部件鑄造技術(shù)

美國(guó)藍(lán)石公司的鋁合金真空鑄造技術(shù)全球領(lǐng)先。印象最深刻的是Thin－Tech——超高真空薄璧鑄造技術(shù)，鑄件精度非常高，壁厚2～4 mm，重量3～12 kg，氣孔含量很少，具有高強(qiáng)、高延展、可熱處理、可焊接、可鉚接等特點(diǎn)，如圖5。其中給BMW公司提供的減震塔（shock tower），采用2 500 t真空壓鑄機(jī)成形，產(chǎn)品外觀可達(dá)到A級(jí)表面質(zhì)量，與車身外觀要求一致。

Thin－Tech的關(guān)鍵因素包括:壓鑄設(shè)備的真空密封技術(shù);專用的鋁合金材料;產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（要與客戶協(xié)商）;熱處理技術(shù)（T5）;模具技術(shù);澆冒口系統(tǒng)等。

同時(shí)，據(jù)介紹，藍(lán)石的真空壓鑄件可鉚接、焊接，以便滿足不同連接技術(shù)的要求。全球僅兩家有這項(xiàng)技術(shù)。

鋁合金在汽車零部件應(yīng)用首推發(fā)動(dòng)機(jī)中最重、最大的鋁汽缸體。日本、美國(guó)分別有100%、85%的轎車缸體已經(jīng)采用鋁合金。而我國(guó)使用比率不到40%，且大馬力高檔全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)自主制造還是空白。預(yù)計(jì)到十二五末，我國(guó)至少將有60%的轎車采用鋁合金壓鑄缸體/Cosworth鑄造。采用Cosworth鑄造工藝生產(chǎn)的缸體鑄件，強(qiáng)度可提高30%左右，鑄件重量減輕約10%～15%，金屬液的利用率高達(dá)80% ～90%。是新興的鋁合金綠色鑄造技術(shù)。

2.1.3 鋁合金及多種材料的連接技術(shù)

美國(guó)公司非常重視鋁合金車身連接技術(shù)，認(rèn)為焊接、鉚接工藝直接影響輕量化。OHIO大學(xué)的Edison焊接研究所（EWI）在材料連接及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域走在世界的前端，是研究與應(yīng)用間的橋梁。主要的研究工作有:先進(jìn)的氬弧焊接技術(shù);釬焊和低溫焊;不同材料的聯(lián)接;摩擦焊工藝;激光焊工藝;塑料和復(fù)合材料的加工裝配;電阻焊;超聲波輔助加工;超聲聯(lián)接等等。圖6為多重連接技術(shù)制作的骨架。

3 材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)并行工程

福特汽車公司輕量化專家夏志永提出，汽車輕量化關(guān)鍵技術(shù)之一是優(yōu)化設(shè)計(jì):車身、底盤、動(dòng)力系統(tǒng)需進(jìn)行總體優(yōu)化設(shè)計(jì)。福特公司2007年所做的研究報(bào)告稱，實(shí)施“材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)并行工程”后，采用復(fù)材可將零部件種類減為原來(lái)的8%，加工費(fèi)用相對(duì)鋼材降低60%，粘結(jié)費(fèi)用相對(duì)焊接減少25%～40%。同時(shí)，復(fù)材模具費(fèi)只約占鋼制件模具的10% ～20%，成本降低更加顯著。圖5所示美國(guó)藍(lán)石公司用高真空薄璧鑄造技術(shù)鑄造的鋁合金減震塔，是結(jié)構(gòu)減重和材料減重并重的代表。

表3 通用汽車實(shí)施“材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)并行工程”的成功范例

表3所示通用汽車提供的資料表明，隨著采用輕質(zhì)材料，部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、工藝也隨之改變。

4 我國(guó)汽車材料替換革命的思考

4.1 我國(guó)汽車材料替換的緊迫性居全球之最

（1）我國(guó)原油進(jìn)口依賴度的攀升

我國(guó)原油進(jìn)口依賴度從2001年的30%攀升到2011年的56%，首次超美居世界第一。據(jù)預(yù)測(cè)，2020/2030年將達(dá)到64% ～74%。同時(shí)，2009年中國(guó)車用汽油消費(fèi)量6 260萬(wàn)t，占汽油總量的87%。

（2）為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境壓力，汽車排放標(biāo)準(zhǔn)迅速提高

2009年，中國(guó)政府在聯(lián)合國(guó)氣候變化峰會(huì)上承諾，爭(zhēng)取到2020年單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，而交通運(yùn)輸是溫室氣體排放的主要領(lǐng)域之一，實(shí)行機(jī)動(dòng)車排放總量控制，是履行國(guó)際承諾的重要行動(dòng)。但我國(guó)2011年氮氧化物排放量不降反升5.73%，使得“十二五”頭年的排放總量減排計(jì)劃沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，特別是京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角區(qū)域的問(wèn)題非常嚴(yán)重。為此，汽車排放標(biāo)準(zhǔn)迅速提高。我國(guó)2008年實(shí)施了汽車尾氣國(guó)3排放法規(guī)，2011年出臺(tái)了國(guó)4排放法規(guī)，預(yù)計(jì)今年出臺(tái)國(guó)5排放標(biāo)準(zhǔn)。而國(guó)6排放標(biāo)準(zhǔn)也在制定中。

（3）我國(guó)汽車保有量，人均擁有量迅速攀升

2011年中國(guó)汽車保有量突破1億輛（10 578萬(wàn)輛），增長(zhǎng)16.4%。據(jù)預(yù)測(cè)，2020年將達(dá)到2億輛。汽車重量每減輕10%，最多可實(shí)現(xiàn)節(jié)油8%。據(jù)報(bào)道，美國(guó)汽車質(zhì)量如果減少25%，燃油消耗減少13%，按美國(guó)目前汽車保有量2.5億輛計(jì)，一年可節(jié)省27億桶石油。

同時(shí)，我國(guó)人均汽車擁有量迅速向世界平均水平靠近。2007年中國(guó)汽車千人保有量只有34輛，2011年迅速上升至78輛，據(jù)預(yù)測(cè)，2020年將攀升至170輛，超過(guò)世界千人保有量120輛的平均值。

（4）迅速提升我國(guó)汽車燃油效率是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的戰(zhàn)略措施

我國(guó)汽車現(xiàn)行平均油耗為8.06 L/100 km，要求2015年乘用車平均耗油降至6.9 L/100 km，節(jié)能型乘用車油耗降至5.9 L/100 km以下。到2020年再降至5.0 L/100 km，節(jié)能型乘用車降至4.5 L/100 km以下;商用車新車耗油量接近國(guó)際先進(jìn)水平。這就是說(shuō)，8年內(nèi)，節(jié)能型乘用車油耗要下降約一半。為此，一方面要大力發(fā)展節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器，另一方面是發(fā)展汽車輕量化技術(shù)。

4.2 我國(guó)汽車輕量化現(xiàn)狀

鋁合金在汽車零部件應(yīng)用中發(fā)展比較成熟。特別是用于發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)器、行走系統(tǒng)零部件及各種附件等的鋁鑄件比較發(fā)達(dá);鋁合金輪轂成為出口第一汽車零部件。但是作為鋁合金應(yīng)用主體的鋁合金車身，開(kāi)發(fā)滯后，與國(guó)際差距巨大，正在成為國(guó)內(nèi)近年熱點(diǎn)。近年國(guó)內(nèi)車企紛紛開(kāi)發(fā)鋁合金車身，特別是研發(fā)鋁合金電動(dòng)汽車。其中上海汽車公司研發(fā)的鋁合金電動(dòng)汽車重量達(dá)到1 100 kg，東風(fēng)汽車計(jì)劃年產(chǎn)5萬(wàn)輛鋁合金電動(dòng)汽車。

上世紀(jì)80年代后北京中華汽車公司率先制造了玻璃鋼車身，90年代末珠海公牛高性能復(fù)合材料有限公司研制了一款全玻璃鋼轎車，并在西安投入量產(chǎn)，還在湖北二汽作了整車碰撞試驗(yàn)，據(jù)說(shuō)防撞效果優(yōu)于金屬。山東武城制造過(guò)齊魯牌全玻璃鋼面包車，據(jù)說(shuō)僅山東武城就有相關(guān)企業(yè)600多家?，F(xiàn)在玻璃鋼已廣泛用在我國(guó)的各種轎車、客車、貨車和特種汽車上，但是玻璃鋼的模量低，剛度不足，不能用于主承力結(jié)構(gòu)。

近年，我國(guó)復(fù)合材料汽車再次進(jìn)入研發(fā)高潮。去年上海車展出現(xiàn)了幾款復(fù)合材料卡車;中科院寧波先進(jìn)工業(yè)技術(shù)研究院正在進(jìn)行電動(dòng)汽車用碳纖維復(fù)合材料及其部件的研制工作，已經(jīng)推出了概念性產(chǎn)品，但還沒(méi)有達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的低成本要求，而且局限于車身覆蓋件。大連理工大學(xué)即將推出國(guó)內(nèi)首款復(fù)合材料電動(dòng)汽車（圖7）。

湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的“薄板沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論、計(jì)算方法和關(guān)鍵技術(shù)及其在車身制造中的應(yīng)用”獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng);型材擠壓—彎曲—淬火一體化成形中試設(shè)備已經(jīng)獲得國(guó)家發(fā)明專利。

作為汽車輕量化關(guān)鍵技術(shù)，電磁成形技術(shù)已經(jīng)引起國(guó)際汽車界的廣泛重視。美國(guó)通用、福特已分別投入2 000萬(wàn)和3 000萬(wàn)美元用于汽車板件和管件的研發(fā)。歐洲也在第五框架項(xiàng)目中列入了“汽車板件、管件的電磁成形”的國(guó)際合作項(xiàng)目。機(jī)械科學(xué)研究院作為發(fā)展中國(guó)家的唯一代表參加了該項(xiàng)目研發(fā)。成果由參加單位共享。

在美國(guó)汽車發(fā)源地——密西根大學(xué)，大連理工大學(xué)胡平教授向美國(guó)同行介紹了他們AHHS的應(yīng)用和熱成形技術(shù)與裝備及其軟件的研發(fā)、鋁合金汽車零部件、彩虹牌復(fù)合材料電動(dòng)汽車的成形、連接等制造技術(shù)。他的演講受到高度評(píng)價(jià)。圖8是他們用溫成形做的高強(qiáng)鋼車身零件。

4.3 我們存在的兩大障礙

（1）缺乏汽車材料換代的總體規(guī)劃

當(dāng)前，全球汽車業(yè)正處于材料替換革命的前夜。輕質(zhì)材料汽車屬于新材料產(chǎn)業(yè)，又涉及節(jié)能和新能源汽車的發(fā)展。須采用“頂層設(shè)計(jì)，系統(tǒng)規(guī)劃”原則。首先，制定我國(guó)汽車材料替換的中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃。

另外還要研討輕質(zhì)材料汽車制造技術(shù)與裝備的內(nèi)涵和技術(shù)內(nèi)容，科學(xué)部署科技發(fā)展計(jì)劃;探討汽車領(lǐng)域的可能應(yīng)用，規(guī)劃材料、工藝及裝備協(xié)同發(fā)展，盡早奠定產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。

（2）缺乏材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)一體化科技項(xiàng)目申報(bào)渠道。

目前，國(guó)內(nèi)車企和院校開(kāi)發(fā)輕質(zhì)材料汽車車身和零部件，大多沒(méi)有實(shí)施“材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)并行工程”。由于體制性障礙，目前，沒(méi)有哪一個(gè)中央政府部門能夠在國(guó)家重大科技項(xiàng)目中同時(shí)容納材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)項(xiàng)目。因此造成各自為戰(zhàn)，形不成總體目標(biāo)。