新一代鋼鐵：汽車行業(yè)的未來(lái)支柱

編譯 博衍

為了滿足燃油效率的要求，汽車制造商將采用碳纖維、鋁材和先進(jìn)鋼鐵材料制造下一代汽車。

奧巴馬政府曾對(duì)在美銷售的汽車制定較為嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)，之后汽車制造商就一直通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)提高效率。一些著名的改進(jìn)技術(shù)包括燃油噴射、三缸和四缸發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器以及停車/啟動(dòng)技術(shù)——當(dāng)車輛在停車燈或停車標(biāo)志處空轉(zhuǎn)時(shí)可關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，而當(dāng)油門踏板被踩下時(shí)則能夠自動(dòng)重啟。但這些改進(jìn)技術(shù)能做的也就這么多了。

燃料效率真正的敵人是重量。正因如此，制造商一直在認(rèn)真研究用于制造車架、引擎蓋和其他部件的材料——在傳統(tǒng)上，這些部件采用鋼材制成。一些企業(yè)轉(zhuǎn)而使用先進(jìn)材料，如鋁材和碳纖維，還有一些則采用新一代輕質(zhì)高強(qiáng)度鋼。

減重

鋁材和碳纖維的特性對(duì)汽車制造商極具吸引力：這些材料不僅只有鋼材重量的1/3，甚至1/5，碳纖維的強(qiáng)度更是鋼材的10倍。但是，鋁材的生產(chǎn)成本是鋼材的3倍，而且汽車制造商還必須花費(fèi)數(shù)億美元來(lái)整合新的焊接生產(chǎn)技術(shù)。

碳纖維的價(jià)格是鋁材的3～5倍，部分原因是生產(chǎn)碳纖維的工廠極少。為了解決這一問(wèn)題，寶馬公司在2010年至2017年投入巨資，與西格里汽車碳纖維公司共同成立了一家合資企業(yè)，在美國(guó)華盛頓州摩西湖建造了一家碳纖維工廠。該工廠憑借一己之力，將碳纖維的全球產(chǎn)量提高了50%。當(dāng)前，這種纖維材料的成本尚未公開(kāi)，但西格里發(fā)言人卡塔琳娜·施拉德（Katharina Schraidt）表示：“我們的目標(biāo)是到2020年把碳纖維的價(jià)格降至鋁材的價(jià)格水平。”

這家合資公司生產(chǎn)的碳纖維被運(yùn)往德國(guó)瓦克爾斯多爾夫，并在那里鍛壓成纖維排列各異的層壓材料。之后，這些層壓材料被制造成車骨架結(jié)構(gòu)部件，由機(jī)器人黏合或焊接至鋁質(zhì)底盤。整車生產(chǎn)大約在20個(gè)小時(shí)之內(nèi)完成，為傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝所需時(shí)間的一半左右。寶馬目前有兩款車型采用碳纖維制造：一款是產(chǎn)自德國(guó)蘭茨胡特、售價(jià)13萬(wàn)美元的寶馬i8；另一款是產(chǎn)自萊比錫、售價(jià)4.4萬(wàn)美元的i3。

改良

采用碳纖維生產(chǎn)一些高檔車型意義重大，但對(duì)于售價(jià)1.5萬(wàn)～4萬(wàn)美元、細(xì)分市場(chǎng)銷量最大的家用汽車來(lái)說(shuō)，其成本太高了。盡管一些制造商正在使用鋁材生產(chǎn)引擎蓋、后部行李箱等，但汽車的其余部件通常仍由鋼材制成。

由于鋼鐵成本較低，而且有現(xiàn)成的生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施，汽車制造商已經(jīng)投入巨資開(kāi)發(fā)更輕質(zhì)的合金。2011年，由行業(yè)支持的世界汽車鋼聯(lián)盟（WorldAutoSteel）推出了被稱為“未來(lái)鋼制汽車”的概念車型，這款車是由世界汽車鋼聯(lián)盟與美國(guó)能源部聯(lián)合開(kāi)展的一個(gè)為期三年的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的。采用新的制造技術(shù)和先進(jìn)的鋼復(fù)合材料生產(chǎn)的車輛比目前的鋼鐵車輕39%。

新一代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）結(jié)合了第一代鋼的堅(jiān)硬和易于成形性以及第二代鋼更高合金化和可成形性更佳的優(yōu)點(diǎn)。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的優(yōu)異性能源于對(duì)各種因素的合理控制，如金屬冷卻時(shí)間、特意添加至合金中的雜質(zhì)等。為了降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，鋼鐵在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)被浸入到熔融的鋅液中。

寶馬i3，左邊為這款車的內(nèi)部圖，注意底部邊緣未遮住的碳纖維

正在德國(guó)萊比錫工廠生產(chǎn)的寶馬i3碳纖維車架和鋁質(zhì)底盤

科羅拉多礦業(yè)學(xué)院先進(jìn)鋼鐵加工和產(chǎn)品研究中心負(fù)責(zé)人約翰·斯皮爾（John G.Speer）介紹說(shuō)，最新一代的鋼鐵材料微結(jié)構(gòu)在眾多市場(chǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域均有用武之地。但他表示，汽車業(yè)之所以走在前列，是因?yàn)樗鼈兡軌虼蠓岣呷加徒?jīng)濟(jì)性。

這項(xiàng)工作最近取得了新的進(jìn)展——在進(jìn)行實(shí)際測(cè)試之前，可以使用超級(jí)計(jì)算來(lái)修正原有的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在“未來(lái)鋼制汽車”計(jì)劃中，美國(guó)能源部的科學(xué)家將對(duì)抗拉強(qiáng)度、雜質(zhì)和冷卻溫度的單獨(dú)模擬合并為一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)程序。密歇根州紹斯菲爾德鋼鐵市場(chǎng)發(fā)展研究院（SMDI，一家由業(yè)內(nèi)公司資助的非營(yíng)利組織）副院長(zhǎng)喬迪·霍爾（Jody Hall）介紹說(shuō)，在過(guò)去，這些模擬工作需要花費(fèi)兩個(gè)月的時(shí)間，而現(xiàn)在只需兩天。

霍爾表示，在SMDI看來(lái)，“未來(lái)鋼制汽車”計(jì)劃已經(jīng)取得了巨大成功。她說(shuō)：“在我們推廣這款概念車的三年中，馬自達(dá)汽車公司已經(jīng)將部分工作納入了他們最新的SUV車型CX-9的設(shè)計(jì)中。”

事實(shí)上，在2018年華盛頓車展上，幾乎每一輛新設(shè)計(jì)的汽車都采用了第三代鋼，有的還使用了鋁材和其他先進(jìn)材料。2015年，福特汽車F-150卡車的車架是鋼，車身?yè)Q成了鋁，從而減輕了450磅（約204千克）的重量。道奇汽車新推出的Ram1500采用高強(qiáng)度鋼作為主材，車架中增加了先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的用量，引擎蓋、后擋板隔板和兩根大梁則采用鋁材，最終將車身重量減輕了225磅（約102千克）。“這些變化除了可以提高燃油效率，還有助于提高剛度，滿足耐久性要求，并在碰撞事故中吸收能量。”Ram 1500總工程師邁克·雷蒙德（Mike Raymond）表示。如今，在輕型卡車領(lǐng)域，Ram是最具重量效率（由單位面積的質(zhì)量決定）的卡車。

2019年的Ram1500卡車由不同材料制成，實(shí)現(xiàn)了重量和強(qiáng)度的平衡

美國(guó)能源部第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼目標(biāo)

減輕車輛重量這一趨勢(shì)似乎注定要延續(xù)下去。盡管寶馬公司一直在努力，但在更多的工廠加入摩西湖工廠之前，碳纖維很可能將繼續(xù)成為奢侈品。由于鋁材成本高昂，且焊接要求復(fù)雜，汽車制造商會(huì)盡可能減少其用量。不過(guò)，鋼鐵的前景依然光明。美國(guó)能源部將繼續(xù)支持生產(chǎn)質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高的鋼材項(xiàng)目，而且更多的制造商正加入SMDI，協(xié)力開(kāi)發(fā)和利用這類鋼材。鋼鐵仍然是一種經(jīng)久不衰的工業(yè)材料，而且通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，這種材料還將繼續(xù)得到改進(jìn)。

資料來(lái)源 Physics Today