汽車(chē)輕量化對(duì)金屬材料的需求

樸明洙 金妍青

上海帥豐實(shí)業(yè)有限公司

汽車(chē)輕量化無(wú)非是當(dāng)前汽車(chē)行業(yè)最熱門(mén)的話題之一,而輕量化效果最為明顯的方式就是在材料上實(shí)現(xiàn)輕量化。用于汽車(chē)輕量化的材料大致可分為4種:

◇高強(qiáng)度鋼,包括TWIP(Twinning Induced Plasticity,孿晶誘導(dǎo)塑性鋼)、HSS(High Strength Steel,高強(qiáng)度鋼)、AHSS(Advanced High Strength Steel,先進(jìn)高強(qiáng)度鋼)、UHSS(Ultra High Strength Steel,超高強(qiáng)度鋼);

◇鋁合金(Aluminum Alloy);

◇鎂合金(Magnesium Alloy);

◇碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer/Plastic)。

這些材料各有不同的密度與特性,能夠在滿足必要功能的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)輕量化,在汽車(chē)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

汽車(chē)輕量化的必要性

油耗及減排標(biāo)準(zhǔn)的要求

由于全球變暖現(xiàn)象加劇以及汽車(chē)需求量的急劇增長(zhǎng),能源枯竭問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重,全球各國(guó)正在逐漸強(qiáng)化有關(guān)汽車(chē)油耗和尾氣排放的標(biāo)準(zhǔn)。隨之,國(guó)內(nèi)外汽車(chē)行業(yè)為了滿足日益嚴(yán)格的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),正在持續(xù)開(kāi)展多種研發(fā)工作,而汽車(chē)輕量化與降低油耗及減少排放量具有密切的關(guān)聯(lián)性。

汽車(chē)制造領(lǐng)域的先進(jìn)國(guó)家早已開(kāi)始施行CO2減排義務(wù)化。歐洲正在逐年大幅度強(qiáng)化排放標(biāo)準(zhǔn),從2008年的140 g/km降低到2020年的95 g/km,預(yù)計(jì)2025年還要降到75 g/km,相比2008年降幅高達(dá)46%。歐洲CO2排放標(biāo)準(zhǔn)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 歐洲CO2排放標(biāo)準(zhǔn)變化趨勢(shì)

油耗標(biāo)準(zhǔn)的變化趨勢(shì)也不例外,歐洲2015年的油耗標(biāo)準(zhǔn)為17 km/L,現(xiàn)已制定2020年實(shí)現(xiàn)21 km/L,2025年計(jì)劃實(shí)現(xiàn) 23 km/L,相比2015年各增加了23%和35%。美國(guó)2017年的油耗標(biāo)準(zhǔn)為36.2 mpg(15.4 km/L),2020年的目標(biāo)是44.8 mpg(19.0 km/L),2025年則計(jì)劃實(shí)現(xiàn)56.2 mpg(23.9 km/L),相比2017年各增加了24%和55%。日本2015年的油耗標(biāo)準(zhǔn)為16.8 km/L, 2020年預(yù)計(jì)達(dá)到20.3 km/L,相比2015年增加了21%。中國(guó)油耗標(biāo)準(zhǔn)也在不斷強(qiáng)化,2020年的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)5 L/100 km,相比2015年的6.9 L/100 km降低了28%。歐洲、韓國(guó)、美國(guó)的油耗標(biāo)準(zhǔn)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2,美國(guó)、日本、中國(guó)的油耗標(biāo)準(zhǔn)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

圖2 歐洲、韓國(guó)、美國(guó)的油耗標(biāo)準(zhǔn)變化趨勢(shì)

碰撞安全法規(guī)的要求

除了油耗及減排標(biāo)準(zhǔn),有關(guān)碰撞安全的法規(guī)也變得越來(lái)越嚴(yán)格。以往的汽車(chē)碰撞試驗(yàn)局限于以正面碰撞為中心,因此無(wú)法充分反映真實(shí)的汽車(chē)碰撞事故情形。但現(xiàn)在對(duì)于偏置碰撞、側(cè)面碰撞、后部碰撞、頂壓測(cè)試等試驗(yàn)的方法和標(biāo)準(zhǔn)都在持續(xù)強(qiáng)化,美國(guó)已要求2013年以后上市的新車(chē)必須統(tǒng)一施行25%偏置碰撞。因此,輕量化材料在實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí),也要保證一定的強(qiáng)度來(lái)滿足汽車(chē)的安全性。

圖3 美國(guó)、日本、中國(guó)的油耗標(biāo)準(zhǔn)變化趨勢(shì)

汽車(chē)行業(yè)技術(shù)發(fā)展重要度的變化

此外,汽車(chē)行業(yè)相關(guān)技術(shù)發(fā)展的重要度也有明顯的變化。據(jù)調(diào)查,2012年排在汽車(chē)行業(yè)技術(shù)發(fā)展前3位的依次為油耗、車(chē)輛通信、新能源,輕量化材料在9項(xiàng)調(diào)查項(xiàng)目中排倒數(shù)第2位,可知其重要度還很低。到了2015年,前3位不變,但輕量化材料上升到了第5位,行業(yè)對(duì)輕量化技術(shù)的關(guān)注度有了提高。而2017年輕量化材料占據(jù)了第2位,重要度僅次于油耗,高于造型設(shè)計(jì)、車(chē)輛通信、新能源等,由此看到輕量化材料已是汽車(chē)行業(yè)技術(shù)發(fā)展中的核心部分。汽車(chē)行業(yè)技術(shù)發(fā)展重要度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

汽車(chē)輕量化的效果

降低油耗的技術(shù)可分為:

◇通過(guò)燃油直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)、雙離合變速器等提升動(dòng)力總成效率的技術(shù);

◇利用混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)等代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的技術(shù);

◇結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)的造型設(shè)計(jì)技術(shù);

◇利用高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料等材料的輕量化技術(shù)。

若將整車(chē)重量減輕10%,會(huì)對(duì)以下6種車(chē)輛性能起到提升作用。

◇可提升3.8%的油耗性能;

◇可提升8%的加速性能(100 km提速);

◇可縮短5%的制動(dòng)距離;

◇方向盤(pán)轉(zhuǎn)向能力可提升6%;

◇底盤(pán)使用壽命可增加1.7倍;

◇可減少4.5%的一氧化碳(CO)、2.5%的碳?xì)浠衔?HC)、8.8%的氮氧化合物(NOx)的排放。

汽車(chē)輕量化的可實(shí)現(xiàn)范圍

通常情況下,在整車(chē)總重量中各系統(tǒng)所占的比重為:車(chē)身系統(tǒng)約25%;底盤(pán)系統(tǒng)約25%;動(dòng)力總成約26%;內(nèi)外飾系統(tǒng)約15%;電氣系統(tǒng)約4%;其他裝置約5%。其中,動(dòng)力總成雖然也在材料方面進(jìn)行一定的輕量化,但其重點(diǎn)是在于通過(guò)提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率、減少尺寸、改善減速器等方式達(dá)到降低油耗的目的。而內(nèi)外飾系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及其他裝置主要是考慮功能及美觀性來(lái)選擇使用不同材料,其輕量化效果相對(duì)較少。因此,輕量化的主要目標(biāo)在于車(chē)身系統(tǒng)和底盤(pán)系統(tǒng),2種系統(tǒng)的輕量化可實(shí)現(xiàn)范圍較大,在整車(chē)重量中的占比也高,是眾多工程師和研究人員需要突破的難題。汽車(chē)輕量化的可實(shí)現(xiàn)范圍見(jiàn)圖5。

圖4 汽車(chē)行業(yè)技術(shù)發(fā)展重要度變化趨勢(shì)

汽車(chē)輕量化的研究領(lǐng)域

汽車(chē)輕量化的研究領(lǐng)域可分為:

◇材料輕量化,是通過(guò)采用輕質(zhì)材料或?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新材料的研發(fā)生產(chǎn),代替以往使用的鋼鐵,例如高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、碳纖維、玻璃纖維等。

◇結(jié)構(gòu)輕量化,是通過(guò)設(shè)計(jì)滿足剛度要求的最佳結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)材料使用量的最小化,例如零部件的模塊化與集成化、采用復(fù)合搭接結(jié)構(gòu)、利用空間框架、應(yīng)用圈型結(jié)構(gòu)等。在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化,可達(dá)到最大5%的輕量化效果。

◇工藝輕量化,是通過(guò)改善和開(kāi)發(fā)生產(chǎn)工藝技術(shù),在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)輕量化,例如激光焊接(Laser Welding)、液壓成型(Hydro Forming)、滾壓成型(Roll Forming)、激光拼接焊(TWB,Tailor Welded Blanks)、差厚板軋制(TRB， Tailor Rolled Blank) 等技術(shù)。

輕量化材料的競(jìng)爭(zhēng)力分析

考慮到各輕量化材料的性質(zhì),以輕量化效果、費(fèi)用競(jìng)爭(zhēng)力、生產(chǎn)性、強(qiáng)度及剛性、功能特性、環(huán)保性等6項(xiàng)為判斷因素,對(duì)高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料以及碳纖維材料(CFRP)進(jìn)行了具體的對(duì)比分析。輕量化材料的競(jìng)爭(zhēng)力分析如圖6所示。

輕量化效果方面,由于與鋼鐵的重量密度相差較大,塑料和碳纖維顯然最有優(yōu)勢(shì)。但費(fèi)用競(jìng)爭(zhēng)力方面,考慮到材料費(fèi)及加工費(fèi),高強(qiáng)度鋼和塑料最為合理,碳纖維則是5種輕量化材料中最貴的材料。在生產(chǎn)性上,仍是高強(qiáng)度鋼和塑料更占優(yōu)勢(shì),而鋁合金也不示弱。綜合考慮抗拉強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度(耐久性)等因素,強(qiáng)度及剛性最強(qiáng)的是碳纖維,其次是高強(qiáng)度鋼。而這5種材料都擁有自身固有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn):

圖5 汽車(chē)輕量化的可實(shí)現(xiàn)范圍

圖6 輕量化材料的競(jìng)爭(zhēng)力分析

◇高強(qiáng)度鋼的耐蝕性較差;

◇鋁合金則具有較高的耐蝕性和美觀性;

◇鎂合金能吸收震動(dòng)、阻斷電波,但卻易腐蝕、易燃;

◇塑料具有較高的耐蝕性和成型性;

◇碳纖維也擁有吸收震動(dòng)、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn);

◇在環(huán)保性方面,相對(duì)較高的只有高強(qiáng)度鋼,其他材料都缺少競(jìng)爭(zhēng)力。

綜合上述分析,高強(qiáng)度鋼是當(dāng)前最適合用于輕量化的材料。高強(qiáng)度鋼雖然因重量密度與鋼鐵相差較小,在減重效果方面相對(duì)其他材料優(yōu)勢(shì)較弱,但其強(qiáng)度及剛性可滿足車(chē)輛性能和碰撞安全性,而與同樣在強(qiáng)度及剛性優(yōu)勢(shì)較大的碳纖維相比,具有很大的費(fèi)用競(jìng)爭(zhēng)力。并且,考慮成型、加工、接合等生產(chǎn)技術(shù)難度及現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的沿用率,其生產(chǎn)性也非?？捎^。此外,在成本上升方面,使用高強(qiáng)度鋼相比普通鋼鐵只有15%～20%的提升,比其他材料擁有較高的性價(jià)比。

汽車(chē)行業(yè)的高強(qiáng)度鋼應(yīng)用趨勢(shì)

隨著汽車(chē)行業(yè)對(duì)輕量化的研究與投資越發(fā)活躍,過(guò)去以鋼鐵為主流的車(chē)輛開(kāi)發(fā)時(shí)代,逐步進(jìn)入減少鋼鐵比重、增加相應(yīng)輕量化材料的新時(shí)代。早在1990年,汽車(chē)行業(yè)先進(jìn)國(guó)家就已開(kāi)始開(kāi)發(fā)鋁合金輕量車(chē)身并投入量產(chǎn)。但使用鋁合金在已有生產(chǎn)設(shè)備的沿用以及成型、加工、結(jié)合技術(shù)方面的突破和材料費(fèi)用上仍存在很多問(wèn)題。

作為汽車(chē)輕量化的必要條件,輕量化材料的選擇極為重要。據(jù)了解,在2000年,軟鋼(Mild Steel)和高強(qiáng)度鋼(HSS)的使用率各占49%和46%,先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)和超高強(qiáng)度鋼(UHSS)的使用率只有3%和2%,以A級(jí)SUV車(chē)型為準(zhǔn)的車(chē)身重量高達(dá)440～460 kg。而到了2010年,軟鋼和高強(qiáng)度鋼的使用率出現(xiàn)了明顯下降,先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的使用率上升到了5%和10%,并開(kāi)始使用熱壓成形鋼(HPF， Hot Press Forming),其使用率高達(dá)11%。根據(jù)推測(cè),預(yù)計(jì)2020年先進(jìn)高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼、熱壓成形鋼將占據(jù)車(chē)身材料的絕大部分,其使用率各為22%、12%、35%,從而實(shí)現(xiàn)20～30%以上的輕量化效果。2000-2020年,高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用趨勢(shì)見(jiàn)圖7,車(chē)身的重量變化見(jiàn)圖8。圖7中所提及的不同強(qiáng)度的材料包括:

◇300 MPa以下,為軟鋼(Mild Steel);

◇300～600 MPa,為高強(qiáng)度鋼(HSS);

◇600～1 000 MPa,為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS);

◇1 000 MPa以上,為超高強(qiáng)度鋼(UHSS);

◇1 500 MPa以上,為熱壓成形鋼 (HPF)。

圖7 高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用趨勢(shì)

圖8 車(chē)身的重量變化

根據(jù)在車(chē)輛中的不同用途,對(duì)材料特性的要求也各不相同,材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度和延伸率就是重要的判斷標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前使用最廣泛的高強(qiáng)度鋼是雙相鋼(DP， Dual Phase)、 復(fù) 相 鋼(CP， Complex Phase)、相變誘導(dǎo)塑性鋼(TRIP， Transformation Induced Plasticity)、孿晶誘發(fā)塑性鋼(TWIP，Twinning Induced Plasticity)等,通常用于車(chē)身外板、碰撞沖擊力吸收件、車(chē)身保護(hù)件、重量支撐件、車(chē)身結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件等。高強(qiáng)度鋼在車(chē)身上的應(yīng)用見(jiàn)圖9。

圖9 高強(qiáng)度鋼在車(chē)身上的應(yīng)用

近期韓國(guó)的一家鋼鐵材料公司研發(fā)出一種名為“千兆鋼(Giga Steel)”的超高強(qiáng)度鋼,獲得了行業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注,該材料在剛度、加工性、輕量化、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性方面都能滿足有關(guān)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的多項(xiàng)要求。10 cm×15 cm大小的千兆鋼可承受一噸左右緊湊型乘用車(chē)1 500臺(tái)的荷重,其剛度是車(chē)身用鋁材的3倍以上。通常剛度太高會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)硬,很難加工成所需形態(tài),而千兆鋼可通過(guò)調(diào)整錳(Mn)的配比,同時(shí)滿足剛度和加工性。關(guān)于重量,鋼鐵的密度比鋁高3倍,所以重量也是鋁的3倍,但千兆鋼恰好相反,千兆鋼的剛度是車(chē)身用鋁材的3倍以上,只用1/3的厚度也可以滿足相同的剛度需求,因此對(duì)汽車(chē)輕量化非常有利。綜合考慮汽車(chē)的制造階段、使用階段、使用后階段,使用千兆鋼可以在車(chē)輛的生命周期中減少10%左右的二氧化碳累計(jì)排放量。在經(jīng)濟(jì)性方面,使用千兆鋼相比鋁材可以節(jié)約78%的材料費(fèi)及68%的加工費(fèi),能夠有效節(jié)省生產(chǎn)成本。

長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái),當(dāng)前的材料技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,為滿足不斷增長(zhǎng)的汽車(chē)輕量化及碰撞安全性的需求,今后仍需持續(xù)不斷地研發(fā)新型材料,尤其是處于高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼之間并滿足車(chē)身各結(jié)構(gòu)的成型及生產(chǎn)工藝需求的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼材料。

汽車(chē)開(kāi)發(fā)的研究課題

未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展方向以安全和環(huán)保為核心,隨之,抑制CO2等尾氣的排放以及開(kāi)發(fā)輕量化材料和新的環(huán)保能源成為了當(dāng)前汽車(chē)行業(yè)的重點(diǎn)研究課題。一方面,對(duì)汽車(chē)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、能源效率、安全性、方便性的要求越來(lái)越嚴(yán)格,另一方面,電池開(kāi)發(fā)、電機(jī)開(kāi)發(fā)、輕量化材料、車(chē)輛智能運(yùn)行、無(wú)人駕駛等技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快,汽車(chē)開(kāi)發(fā)真正要做的就是通過(guò)這種需求的引導(dǎo)和技術(shù)的支撐,實(shí)現(xiàn)未來(lái)汽車(chē)的電動(dòng)化、智能化、輕量化。而在這其中,輕量化不僅能夠彌補(bǔ)其他油耗改善技術(shù)的局限性,其地位還逐漸上升為增加續(xù)航里程以及改善環(huán)保性能的必要條件。