車用輕量化材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

楊 洋，林 森，朱明清

(1.黑龍江省科學(xué)院 智能制造研究所，哈爾濱150090； 2.東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱150060)

“中國(guó)制造2025”行動(dòng)綱領(lǐng)的提出對(duì)車用金屬輕量化材料提出了更高的要求[1]。車體重量的輕量化和材料生產(chǎn)及尾氣排放的節(jié)能環(huán)保是新時(shí)期車用材料的發(fā)展趨勢(shì)。在車輛油耗的使用過(guò)程中，約70%～80%為車體自重產(chǎn)生的油耗，車輛自重每下降10%，將節(jié)省油耗8%，同時(shí)減少尾氣排放4%。通過(guò)減少車體重量可以有效降低能源消耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。在保證車體原有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能要求的前提下，可通過(guò)對(duì)車體材料進(jìn)行輕量化改造來(lái)實(shí)現(xiàn)車體輕量化目標(biāo)。

1 車用其他材料現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

一臺(tái)家用轎車金屬材料一般占比在80%，非金屬材料占比在20%。金屬材料主要包含鋼、鑄鐵、鋁合金等。非金屬材料主要包括玻璃塑料、陶瓷和玻璃等。金屬材料占比高是汽車輕量化的主要發(fā)力方向，但非金屬材料在提高產(chǎn)品性能、減低產(chǎn)品重量方面也起到了一定的作用。塑料具有輕質(zhì)化特性，兼具成形難度低、不易被化學(xué)物質(zhì)腐蝕等特性，在車內(nèi)飾以及部分外部結(jié)構(gòu)件上得到了廣泛應(yīng)用。

聚丙烯是良好的熱塑性樹(shù)脂[2]，具有價(jià)格低、輕質(zhì)高強(qiáng)、可二次回收利用的特點(diǎn)。一臺(tái)汽車上一般將近80個(gè)零部件都是由聚丙烯加工而成。致密聚丙烯材料的硬度與鋼鐵相似，防碰撞性能出色，在汽車輕量化中被廣泛應(yīng)用?？咕郾┎牧稀㈤L(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料也在科技飛速發(fā)展中得到了良好的開(kāi)發(fā)和使用。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)根據(jù)添加的纖維不同，可以分為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[3]、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。該材料具有比強(qiáng)度大、比模量大、耐疲勞性好等特點(diǎn)。優(yōu)秀的比強(qiáng)度可以減小零件的質(zhì)量，優(yōu)秀的比模量可以提高零件的剛性。由碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂組成的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以達(dá)到鋼材的7倍比強(qiáng)度和3倍的比模量。金屬材料的疲勞破壞和疲勞損傷基于表面很難判斷，而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因?yàn)樽陨淼牟牧咸匦?，纖維部分會(huì)先于基體材料從纖維的薄弱處開(kāi)始出現(xiàn)破壞或損傷，在檢修中更容易發(fā)現(xiàn)已疲勞的零件，能夠及時(shí)進(jìn)行更換，減少事故的產(chǎn)生。

陶瓷材料具有絕緣、高硬度、耐磨、耐高溫等優(yōu)良特性。高鋁陶瓷、氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷在汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，氣門、氣門挺桿、活塞和軸承等部件都有使用。特種陶瓷的使用使陶瓷原本的特性更加突出，減小了零件體積，提高了零件性能，可在與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的應(yīng)用中替代金屬零件，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，延長(zhǎng)了易損件的使用壽命，陶瓷零配件成為了高性能零件不可或缺的力量。

2 車用金屬輕量化材料現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

金屬材料在轎車所用材料中的占比大概是非金屬材料的4倍。金屬材料的輕量化對(duì)于汽車整體的輕量化有著至關(guān)重要的作用。鋼材很好地滿足了汽車安全性的需求，鋁合金的應(yīng)用則大大推進(jìn)了汽車輕量化前進(jìn)的腳步。新能源汽車的迅猛發(fā)展對(duì)汽車減重以及增加續(xù)航提出了更高的要求，從需求端對(duì)車用金屬材料和成型工藝起到了促進(jìn)作用，推動(dòng)了汽車行業(yè)的發(fā)展。

鋼材是車體材料中最重要且用量最大的材料，用料占比一般在車體總用料的一半以上，車體輕量化會(huì)主要圍繞鋼材的替換所展開(kāi)。鋼材有著明顯的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)是：擁有207 GPa的彈性模量，這是現(xiàn)有的車體用金屬材料中彈性模量最高的。AHSS和UHSS高強(qiáng)度鋼具有更為優(yōu)秀的強(qiáng)度范圍[4]，在用做車體材料時(shí)，能夠減低厚度，提高結(jié)構(gòu)件的承載力與防撞能力。鋼材價(jià)格低廉，而且鋼的塑性好于鋁合金和鎂合金，突出的可焊接性、可重復(fù)利用性都是現(xiàn)代汽車使用鋼材的主要原因。高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度要高于普通鋼，在汽車價(jià)格與整體性能的綜合考量下，要合理使用高強(qiáng)度鋼，并減低高強(qiáng)度鋼的占比。高強(qiáng)度鋼根據(jù)成形工藝的不同可分為普通高強(qiáng)鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼。也可以根據(jù)高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行劃分。目前，在汽車制造領(lǐng)域中應(yīng)用最廣的先進(jìn)高強(qiáng)鋼主要包括雙相鋼、馬氏體鋼、相變誘導(dǎo)塑性鋼、復(fù)相鋼等。超高強(qiáng)鋼主要應(yīng)用在對(duì)零件強(qiáng)度要求高的車身結(jié)構(gòu)上，如車門、側(cè)板、A柱、B柱、車門加強(qiáng)板、保險(xiǎn)杠等有防撞需求的零件上。通過(guò)使用高強(qiáng)度鋼以及先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，并采用新的汽車制造工藝，以達(dá)到減輕車體重量的目的，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)汽車輕量化起到了重要作用。

鋁合金作為輕質(zhì)金屬，密度是2.7，僅為鋼的1/3，抗拉強(qiáng)度和抗疲勞性能良好，大致在鋼一半重量的前提下就可提供相同的強(qiáng)度，厚度也僅增加為鋼的1.4倍，是目前汽車金屬部件輕量化最理想的材料。如果將車體的高強(qiáng)度鋼替換成鋁合金材料，可通過(guò)一次零件本身減重和二次對(duì)車輛的懸掛與制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減重來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的目標(biāo)，這種綜合減重效果超過(guò)了普通鋼材的40%，遠(yuǎn)優(yōu)于高強(qiáng)鋼替代普通鋼的11%。車身使用的鋁合金主要是變形鋁合金，一共包含從1×××系到7×××系共7系鋁合金[5]。根據(jù)熱處理特性，2×××系、6×××系、7×××系為熱處理可強(qiáng)化鋁合金，1×××系、3×××系、5×××系為熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，其中2×××系、5×××系、6×××系、7×××系與汽車相關(guān)。例如：2036可用于汽車車身鈑金件，5252可用于汽車的裝飾性零部件，6010可用于汽車車身，7005可用于高強(qiáng)度高斷裂韌性的焊接結(jié)構(gòu)。鋁合金現(xiàn)階段的生產(chǎn)成本比較高，目前使用全鋁車身的汽車全部都是各大豪華品牌的頂級(jí)汽車。鋁合金與鋼材相比有更好的吸能性，這也是它能夠替代傳統(tǒng)鋼材的明顯優(yōu)勢(shì)。在碰撞試驗(yàn)中具有更為突出的安全性，當(dāng)汽車頭部發(fā)生碰撞時(shí)，更容易形成褶皺和變形，會(huì)吸收一部分沖擊力，從而保護(hù)駕駛員和乘客的人身安全。汽車使用鋁合金材料后，整體質(zhì)量減輕，相同速度下的動(dòng)能減少，在發(fā)生撞擊時(shí)能減少傷害。根據(jù)碰撞試驗(yàn)，在56km/h的速度下，車頭正碰撞后的車門依舊可以開(kāi)啟。目前，我國(guó)的汽車市場(chǎng)將逐步進(jìn)入存量市場(chǎng)，國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，國(guó)產(chǎn)汽車用材應(yīng)加大對(duì)鋁合金的使用，以期為我國(guó)汽車工業(yè)與制鋁工業(yè)提供廣闊的市場(chǎng)，帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

鎂合金是車身用金屬材料中最輕的，比鋁合金輕33%，比鋼輕75%。鎂合金密度低，具有良好的減震性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、壓鑄性，制備方法相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備投入低，鑄造鎂合金在汽車車身制造上也得到了廣泛應(yīng)用，如剎車支架、支架總成、座椅基座、閥蓋、凸輪蓋、變速箱，等等。鎂合金在車身材料的使用占比較低，主要是其自身還有需要解決的問(wèn)題。同等體積的鎂合金做成的車架，其抗拉強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度、彈性模量均不如鋁合金，而且鎂本身比鋁要活躍，鎂合金也比鋁合金更容易被氧化腐蝕。在美國(guó)汽車制造商生產(chǎn)出的汽車中，鎂合金零部件的重量平均約12磅，僅占一輛汽車全部材料的0.3%。國(guó)內(nèi)的鎂資源豐富，國(guó)外的鎂資源相對(duì)匱乏，我國(guó)發(fā)展鎂合金有較大的成本優(yōu)勢(shì)。但國(guó)內(nèi)對(duì)鎂合金的研發(fā)尚處于初期階段，還需加大科研投入，依靠成本優(yōu)勢(shì)及本土市場(chǎng)規(guī)模來(lái)體現(xiàn)出與國(guó)外品牌的差異化，進(jìn)而更好地推動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

車用材料產(chǎn)業(yè)是汽車工業(yè)發(fā)展的有力支撐，車用金屬輕量化材料是行業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要方向。減少能源消耗、提高環(huán)境質(zhì)量是當(dāng)今世界極為關(guān)注的問(wèn)題。在汽車輕量化方面，高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)金屬材料已有了完整的商業(yè)應(yīng)用，但針對(duì)不同檔次、不同產(chǎn)品用途、不同性能要求的汽車產(chǎn)品，還需要大力將輕量化技術(shù)向中低端車型普及，降低輕量化零件的成本，這也是整個(gè)汽車行業(yè)發(fā)展的新目標(biāo)和新方向。