汽車輕量化材料的應(yīng)用及現(xiàn)狀

李洺君 王明明 呂文靜

摘 要：節(jié)能減排是永遠(yuǎn)的課題，汽車輕量化是節(jié)能減排的重要舉措之一。汽車輕量化不僅能有效降低汽車油耗，還可以延長汽車使用壽命，對(duì)汽車工業(yè)的發(fā)展和人們的生活都具有重要意義。針對(duì)汽車輕量化材料的應(yīng)用及現(xiàn)狀進(jìn)行討論，分析各種材料在汽車輕量化中使用的優(yōu)勢及劣勢，為汽車制造過程中材料的選擇提供支持。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化;輕量化材料;應(yīng)用現(xiàn)狀

1 前言

“國六”排放標(biāo)準(zhǔn)即將正式實(shí)施，汽車輕量化的發(fā)展越來越緊迫，傳統(tǒng)鋼材已經(jīng)不能滿足汽車的質(zhì)量要求，各種輕量化材料在汽車中所占比例逐漸增長。隨著現(xiàn)代汽車對(duì)強(qiáng)度和輕量化要求不斷提高，輕量化材料的研發(fā)和選用顯得至關(guān)重要，本文通過分析輕量化材料的應(yīng)用途徑及現(xiàn)狀，闡述了輕量化材料發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，并提出了解決方案。

2 汽車輕量化的意義

有研究驗(yàn)證了，汽車每減輕0.1t，最多可節(jié)約燃油0.6L/100km，并且可減少CO2排放11g/100km[1]，大量的研究都證明汽車輕量化對(duì)于降低燃油汽車油耗、滿足節(jié)能環(huán)保要求有很重要的作用。

徐建全等[2]對(duì)純電動(dòng)汽車的輕量化效果進(jìn)行分析，證明了輕量化不僅可以節(jié)約能源，還可以在電池容量相同的條件下增加汽車的續(xù)航里程，延長電池壽命。由此可見，電動(dòng)汽車的輕量化在提高電動(dòng)汽車性能方面也有很重要的作用。此外，減少汽車的質(zhì)量還可以減輕懸掛系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，減小汽車慣性[3]，對(duì)車輛起到保護(hù)作用。

3 輕量化材料的應(yīng)用

如圖1所示，福特的新輕型汽車通過使用碳纖維油底殼、鋁制連桿、尼龍復(fù)合材料儀表盤、聚碳酸酯后車窗、碳纖維車輪轂等，使車重減少了25%。下面將對(duì)目前常用的輕量化材料進(jìn)行介紹。

3.1 有色合金材料

3.1.1 鋁合金的應(yīng)用

鋁合金早在1899年便在汽車中應(yīng)用，到了20世紀(jì)90年代以謳歌NSX為首的超級(jí)跑車在汽車制造中使用鋁。全球第一輛具有全鋁車身的汽車是奧迪于1994年開發(fā)的，如圖2所示，其AFS白車身所用材料幾乎全是鋁材，比上一代白車身減重近35kg。

2000年奧迪公司推出的奧迪A2，首次實(shí)現(xiàn)了全鋁車身技術(shù)在微型轎車上的應(yīng)用，其ASF車身是A8之后的第二代鋁制空間車架，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)。此外還有特斯拉、路虎、捷豹等國外品牌在汽車中大量使用鋁合金，獲得了良好的減重效果，如2019年上市的新款特斯拉Model S通過大量應(yīng)用鋁合金，減輕了整車質(zhì)量，使其最長續(xù)航里程可達(dá)660km。我國也逐漸將全鋁車身應(yīng)用于新能源汽車的制造，2016年南寧市有18輛全鋁車身新能源公交車投入使用。除全鋁車身外，用鋁導(dǎo)線大規(guī)模代替銅導(dǎo)線，可將導(dǎo)線質(zhì)量降低60%以上，并且減少成本40%～50%[4]。鋁具有良好的延展性，使其能有效緩解汽車碰撞時(shí)帶來的沖擊，所以鋁合金保險(xiǎn)杠的耐撞性優(yōu)于鋼制保險(xiǎn)杠。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明[5]，全球平均用鋁量逐年攀升，預(yù)計(jì)到2050年平均汽車用鋁量將達(dá)到240kg/輛，目前中國汽車平均用鋁量約為153kg/輛，是2050年平均用鋁的64%，不論是與發(fā)達(dá)國家平均用鋁水平還是我國長期的發(fā)展目標(biāo)都有很大差距，因此，鋁合金在汽車上的使用仍有很大的提升空間。

鋁合金雖然具有輕量化、成型性高的特點(diǎn)，但其應(yīng)用也受到一些限制。首先，鋁合金的高強(qiáng)度是比強(qiáng)度，即強(qiáng)度與密度的比值，但相比于傳統(tǒng)的鋼材，鋁及鋁合金的強(qiáng)度和硬度都比較低，在保證汽車的安全性上具有一定挑戰(zhàn)。其次，鋁及鋁合金的產(chǎn)量相比于傳統(tǒng)鋼材也有很大差距，并且暫時(shí)沒有超過鋼材的可能。最后，鋁的價(jià)格比傳統(tǒng)鋼材高，而且鋁材在汽車行業(yè)應(yīng)用的興起有可能造成鋁價(jià)的進(jìn)一步上升，在一定程度上也會(huì)影響鋁材的應(yīng)用。

3.1.2 鎂合金的應(yīng)用

鎂合金在汽車上的應(yīng)用最早可追溯到1930年的德國，其用量僅有73.8kg。1938年大眾生產(chǎn)的“大眾1型”轎車使用了壓鑄鎂合金制造傳動(dòng)系統(tǒng)的零部件[6]。鎂合金汽車座椅也是較早的鎂合金汽車零部件之一，鎂合金的座椅靠背和座框相比于鋼制座椅可以分別減重47.7%和44.2%。在乘用車中，福特探險(xiǎn)者的第三排座椅靠背就應(yīng)用了壓鑄鎂合金零部件。除了座椅骨架之外，座椅的支撐支架也可以使用鎂合金，可以在滿足座椅高度需求的同時(shí)減重，座椅舒適性也可以相應(yīng)提升。

得益于其良好的電磁屏蔽性能和高比強(qiáng)度、高阻尼能力，鎂合金在很多領(lǐng)域都體現(xiàn)出比鋁和鋼更好的使用性能，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，如方向盤、汽缸蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、門框、進(jìn)氣歧管以及各零部件安裝所需的螺釘，都可以使用鎂合金進(jìn)行制造。

現(xiàn)在，我國汽車的用鎂量為1.5kg/輛，而北美為3.8kg/輛，日本為9.3kg/輛，雖然與這兩個(gè)國家有一定差距，但根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，到2025年我國每輛車使用鎂合金要達(dá)到25kg，并逐步縮小與發(fā)達(dá)國家的差距。

雖然鎂具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格是鋁的2～3倍，鋼鐵的4倍左右，比較昂貴，隨著技術(shù)的發(fā)展，低成本鎂合金會(huì)逐漸研發(fā)使用[7]。此外，隨著鎂合金回收再利用技術(shù)的發(fā)展以及環(huán)保要求的提高，鎂在汽車領(lǐng)域的發(fā)展形勢值得被特殊關(guān)注。

3.1.3 鈦合金的應(yīng)用

鈦有三大優(yōu)點(diǎn)，分別是“輕”、“高強(qiáng)”、“不銹”。作為輕金屬材料在汽車行業(yè)受到很多研究者的關(guān)注[8]。

全鈦汽車最早是由美國通用公司在1956年研發(fā)成功的“火鳥Ⅱ”型汽車，但由于鈦及鈦合金價(jià)格昂貴，所以在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用一直受限。20世紀(jì)50年代日本開始研制鈦及鈦合金的汽車零件，20世紀(jì)60年代，鈦被應(yīng)用于賽車發(fā)動(dòng)機(jī)，直到20世紀(jì)末鈦及鈦合金才隨著豪華轎車的發(fā)展得到大量應(yīng)用[16]，之后隨著低成本鈦合金的出現(xiàn)和發(fā)展，鈦合金開始廣泛應(yīng)用于普通汽車的制造中。

有研究證實(shí)，20kg的鋼制汽車動(dòng)力閥零件與0.8kg的鈦合金零件具有相同的效果，但其質(zhì)量減低了96%。用鈦合金制作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門可以減重30%～40%并提高最高轉(zhuǎn)速[7]。對(duì)于減震系統(tǒng)，有研究表明用鈦合金彈簧完全代替原來的鋼彈簧在諸多方面來說都是可行的，可使重量減輕43.3%。

鈦及鈦合金在排氣系統(tǒng)中比較常用，用鈦制消音器代替不銹鋼消音器可以減重40%左右，雪佛蘭克爾維特Z06成功實(shí)現(xiàn)此替代，保證在系統(tǒng)強(qiáng)度不變的情況下，使質(zhì)量更輕，車速更快且節(jié)約燃料[7]。還有研究表明，若將某1500kg的中型轎車中所有傳統(tǒng)零件替換成鈦合金零件，整車質(zhì)量將減少500kg左右，這也就可以大幅降低油耗。

目前我國已擁有生產(chǎn)鈦及鈦合金的能力，但由于鈦合金價(jià)格高，對(duì)工藝參數(shù)敏感，所以鈦合金在汽車零部件中的應(yīng)用一直受到限制。鈦合金流動(dòng)性差，鑄件中易形成鑄造缺陷，因此對(duì)鈦合金鑄造、加工所需設(shè)備和條件的要求較高，這是鈦合金零部件不受汽車廠商青睞的重要原因之一。隨著我國科技水平的迅速提升，鈦及鈦合金的研發(fā)飽受關(guān)注，必使鈦合金朝著低成本，高質(zhì)量發(fā)展。而且柳寶元[9]通過實(shí)驗(yàn)證明，鈦合金粉末的力學(xué)性能與粉末循環(huán)次數(shù)沒有任何明顯的關(guān)系，從側(cè)面佐證了鈦合金材料的回收利用是可以實(shí)現(xiàn)的，并且循環(huán)利用次數(shù)不會(huì)顯著影響鈦合金材料的性能。未來，鈦及鈦合金在汽車領(lǐng)域的廣泛利用值得期待。

3.2 高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用

國際鋼鐵協(xié)會(huì)汽車鋼聯(lián)盟在1994年開展的ULSAB計(jì)劃，1997年開展的ULSAC、ULSAS計(jì)劃和1998年的ULSAB-AVC計(jì)劃，都實(shí)現(xiàn)了用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼代替普通低碳鋼，在不增加成本的基礎(chǔ)上為車身減重。

在我國，2001年奇瑞汽車公司與寶鋼的合作，實(shí)現(xiàn)了在試制樣車上使用46%的高強(qiáng)度鋼板，對(duì)減重起到了很大的作用。2003年，重汽將高強(qiáng)度鋼廣泛應(yīng)用于車架的輕量化發(fā)展，成功研制了高強(qiáng)度鋼單層梁車架，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

高強(qiáng)度鋼由于其優(yōu)秀的強(qiáng)度非常適合用于汽車車身結(jié)構(gòu)的制造。圖3展示了高強(qiáng)度鋼在車身上的應(yīng)用細(xì)節(jié)，如汽車的被動(dòng)安全系統(tǒng)部件，包括側(cè)門防撞鋼梁、安全桿和保險(xiǎn)杠系統(tǒng)可以使用超高強(qiáng)度鋼，而車頂較少承受撞擊，則可以使用高強(qiáng)度鋼。

高強(qiáng)度鋼作為目前汽車的主要輕量化材料，其強(qiáng)塑積（強(qiáng)度與塑性的乘積）不能完美配合，是所面臨的一大難題，強(qiáng)度越高，塑韌性越差，當(dāng)抗拉強(qiáng)度超過1400MPa時(shí)，高強(qiáng)度鋼極易發(fā)生疲勞破壞[10]。2010年，我國成功研發(fā)第3代先進(jìn)汽車用鋼，主要包括Q&P鋼、中Mn-TRIP鋼以及無碳化物貝氏體鋼，相比于前兩代汽車鋼，第3代汽車鋼具有高強(qiáng)度、輕量化、低成本的優(yōu)點(diǎn)，而且在塑性和韌性方面均有一定的提升[11]，從而受到諸多關(guān)注，目前我對(duì)國第3代汽車用高強(qiáng)度鋼的研究處于世界前列。

高強(qiáng)度鋼與鎂合金、鈦合金應(yīng)用中高成本的困擾不同，高強(qiáng)度鋼面臨的問題是具有高強(qiáng)塑積的汽車鋼板新材料、新工藝的研發(fā)，以及在高強(qiáng)鋼加工過程中的問題，如回彈?；貜椓侩S初始屈服強(qiáng)度的增大而增大，這將影響高強(qiáng)度鋼的成形質(zhì)量，增加加工難度。為克服回彈現(xiàn)象，保證汽車車身及零部件形狀精度，還需要不斷進(jìn)行回彈控制技術(shù)的研究[12]。

3.3 塑料和復(fù)合材料的應(yīng)用

汽車塑料化是當(dāng)今汽車制造的一大趨勢。車用塑料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，只有普通鋼材重量的15%～20%，比木材更輕，對(duì)汽車輕量化有極大的促進(jìn)作用。

20世紀(jì)70年代，塑料使用量占汽車總質(zhì)量的比例為2%～3%，到20世紀(jì)90年代提升至7%～9%。2007年，一款由法國研發(fā)人員研發(fā)的名為“歡樂敞篷”的全塑料汽車在英國上市，整車只有370kg，僅為普通汽車的三分之一。不久前日本的旭化成公司新開發(fā)了一種聚酰胺泡沫塑料，這種泡沫塑料具有極好的耐熱性、耐油性、剛性和降噪質(zhì)量，在汽車的內(nèi)飾、車頂、發(fā)動(dòng)機(jī)、座椅和地板結(jié)構(gòu)中都可以應(yīng)用，在減重降噪方面有很好的效果。

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、密度小，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、安全等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)，是汽車輕量化的理想材料。碳纖維復(fù)合材料可以使車身、底盤減重50%以上。用碳纖維復(fù)合材料所制的板簧與傳統(tǒng)材料相比減重76%，使用碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩可使發(fā)動(dòng)機(jī)減重6kg以上[13]。以寶馬i8車身結(jié)構(gòu)為例，它在車身底盤（Drive）采用的是金屬結(jié)構(gòu)，但在乘員艙（Life）使用了CFRP碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，兼顧了強(qiáng)度與輕量化。

目前碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用面臨兩大障礙，其一是制造成本，例如以碳纖維為框架的座椅成本是鋼材框架的6倍之高，使其無法大量應(yīng)用于汽車;其二是時(shí)間成本，用鋼只需1分鐘的就能制造完成的零件用碳纖維需要5分鐘，若進(jìn)行大量生產(chǎn)耗費(fèi)的時(shí)間則會(huì)成倍增長，這無疑又增加了碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用難度。

從2017年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》的要求來看，到2030年，碳纖維的使用量要達(dá)到汽車總重的5%，并且碳纖維的成本也需要大幅度降低。

3.4 精細(xì)陶瓷的應(yīng)用

精細(xì)陶瓷也是當(dāng)前很重要的一大類材料。它具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕等特點(diǎn)，以及在磁、電、光、聲各方面的特殊功能，目前應(yīng)用于汽車上多種零部件，如陶瓷軸承、陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)、陶瓷凈化器載體、陶瓷剎車片和陶瓷繼電器等[14]。

4 結(jié)論

汽車輕量化的材料隨著科技的進(jìn)步呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢，在質(zhì)量、強(qiáng)度和剛度要求不斷提高的前提下汽車輕量化的道路充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)。輕量化材料在汽車上的使用會(huì)趨向于通過多種材料的組合來彌補(bǔ)使用單一材料帶來的缺陷。改善材料的性能，降低材料的成本以及提高材料的回收利用率必將為各種汽車輕量化材料的發(fā)展提供無限可能。

參考文獻(xiàn)：

[1]紀(jì)宏超，李軼明，龍海洋，裴未遲，李耀剛.鎂合金在汽車零部件中的應(yīng)用與發(fā)展[J].鑄造技術(shù)，2019，40（01）：122-128.

[2]徐建全，楊沿平，唐杰，陳軼嵩，殷仁述.純電動(dòng)汽車與燃油汽車輕量化效果的對(duì)比分析 [J].汽車工程，2012，34（06）：540-543.

[3]Berladir K ， Hovorun T P ， Pererva V I ， et al. Modern Materials for Automotive Industry [J].Journal of engineering sciences，2017，4（2）：F8-F18.

[4]韓光杰，付宏程，潘盼，付強(qiáng).汽車鋁導(dǎo)線的應(yīng)用研究 [J].汽車電器，2019（05）：58-61.

[5]王歲紅.鋁材在汽車制造技術(shù)中的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場，2019，26（09）：103+105.

[6]范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展 [J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014，5（01）：1-16.

[7]張曉東.低成本超高強(qiáng)Mg-Al-Ca-Mn合金顯微組織及力學(xué)性能研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[8]李中.鈦及鈦合金在汽車上的應(yīng)用 [J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20（S1）：1034-1038.

[9]柳寶元.SLM用TC4粉末循環(huán)老化行為及對(duì)制件性能影響 [D].遼寧：沈陽航空航天大學(xué)，2018.

[10]黃立.含沉頭孔碳纖維復(fù)合材料層板孔邊應(yīng)力分布規(guī)律研究 [D].遼寧：大連理工大學(xué)，2017.

[11]王明明，張曉妍，肖亞茹，徐連波，侯鎖霞，李耀剛.汽車用高強(qiáng)塑積鋼關(guān)鍵研究進(jìn)展之一：Q&P鋼的研究進(jìn)展 [J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2019，40（06）：11-19.

[12]李富柱，翟長盼，李偉，郭玉琴，倪俊.汽車車身構(gòu)件沖壓回彈研究現(xiàn)狀 [J].鍛壓技術(shù)，2018，43（02）：1-8.

[13]劉曉斌.日本汽車輕量化發(fā)展趨勢 [J].當(dāng)代石油石化，2016，24（10）：43-45+50.

[14]唐修檢，田欣利，何嘉武，吳志遠(yuǎn)，姚巨坤.精細(xì)陶瓷在坦克裝甲車輛中的應(yīng)用與發(fā)展 [J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25（06）：71-76.