金屬材料在汽車輕量化中的應用與發展

曹斌

摘 要：輕量化材料一方面節約汽車制造成本，另一方面還可以低碳環保循環利用。新材料和新技術之間相輔相成，先進的工藝技術為輕量化材料更新提供基礎，新材料的廣泛應用推動工藝技術的發展。在未來汽車制造中，輕量化材料取代鋼材已經成為一種趨勢。

關鍵詞：金屬材料；汽車輕量化；應用與發展

1 引言

隨著節能減排的大力推行，加之環保政策力度的進一步加強，2016年底至2017年上半年持續放緩的汽車輕量化推進有了回升的態勢。之前受阻于車用鋁材成本高昂的汽車輕量化，在政策扶持、大環境發展趨勢的雙重驅動下重新成為了汽車行業的焦點。

2 汽車輕量化的含義

2016年中國機動車的產銷量均突破2800萬輛，持續領先世界其他國家的汽車增長量。中國每年凈新增車輛為2000萬，給中國的石油進口負擔和環境帶來了巨大壓力。根據《巴黎協定》和中國“十三五”規劃《綱要》確定，未來五年單位國內生產總值二氧化碳排放量下降18%。據相關的資料研究表明，車身的重量每減少10%，汽車的燃油消耗就會減少7%左右。同時，汽車的總質量下降后，還可以將汽車的操縱的穩定性提高，當汽車經過不平坦路面時對汽車的沖擊會減少。在不提高汽車發動機功率的前提下，改善汽車的加速性能，汽車的輕量化對汽車的影響很大。

在保證汽車安全等各項重要指標都滿足國家和行業標準要求的情況下，為了增加能源的利用效率，使其更加節能、安全，通過采用各種先進的技術或特殊材料盡可能地減輕汽車質量的過程。汽車輕量化并不僅僅是簡單地縮小汽車的整體外觀大小或者減輕汽車的重量，和消費者直接相關的汽車的穩定性、安全性、耐撞性和舒適性等都需要綜合考慮，還要考慮其經濟性。

3 汽車輕量化的現狀

國內外很多學者對關于減輕汽車自身質量與減少燃油消耗之間的關系做了相應的研究，有確切的證據可以表明減少整車質量可提高汽車節能性和環保性、降低燃油消耗和排放量。汽車保有量越來越高的中國，資源消耗和環境污染程度不斷提高，可持續發展戰略受到牽制，對中國的發展來說，無疑是一大阻礙。汽車排放的污染物成了霧霾的主要來源。減少汽車污染物排放是控制霧霾的有效措施。輕量化設計后的汽車每公里耗油量減少，污染物的排放也隨之減少。龐大的汽車數量群給交通出行帶來巨大壓力，交通堵塞和不文明的交通行為也滋生了噪音污染。而汽車輕量化能在結構上縮小汽車尺寸，使汽車更靈活，也使道路的容納量有所提高，一定程度上減少了噪音污染。我國國產汽車與發達國家產出的汽車相比，平均油耗高出15%～20%。載貨汽車的質量利用率則低11%～20%，這與我國的道路條件差，零部件加工精度低以及其他因素有關，當然也受汽車自身的設計及使用的材料影響。總的來說，我國汽車的輕量化研發還在初級階段，基礎不夠扎實，技術提升較慢，輕量材料以及汽車輕量化方面的意識也不夠到位，但是這也表明汽車輕量化在我國具有巨大的發展空間。

4 金屬材料在汽車輕量化中的應用與發展

4.1 高強度鋼板

高強度鋼板性能大大優于一般的鋼材，高強度鋼板具有厚度薄、質量輕的特點，同時具有更高的強度保證車身安全性。在當前高科技新材料成本高、普及率低的背景下，并考慮綜合性能，高強度鋼板是車身輕量化的首選材料，王要應用于車輛的關鍵結構件，如地板、AB柱、門檻等。寶馬部分車型中的日柱、中通道、車門防撞桿、地板均采用高強度鋼。

凱迪拉克通過結構優化設計，使鋼制下車體結構比鋁制車體減重6Kg，其AB柱內板、橫梁、地板中通道等關鍵部件均采用先進的高強度鋼。

4.2 鋁合金

4.2.1 優勢

鋁合金是地殼中含量最多的金屬元素，它具有一系列的優良性能，比如低密度、高比強度、良好的成形性能及工藝性能等，更重要的是鋁合金的回收再利用性非常好，具有較高的回收率。低密度讓鋁合金比合金鋼更具優勢。鋁合金在強度和剛度方面明顯要低于鋼板，但是鋁合金可以通過加厚和優化設計來提高強度和剛度，最終達到與鋼板一樣的水平。由于鋁合金的密度要遠遠低于鋼鐵，所以即使增加厚度，鋁合金構件的減重效果仍然非常明顯。數據資料顯示，同剛度下，鋁合金減重效果可達50%0

目前，隨著汽車保有量的不斷增加和人們環保意識的逐漸增強，報廢汽車的回收和再生越來越受到關注。鋁制品的性能優勢決定了鋁具有較高的回收價值率，可達到80%左右，并且鋁材是對環境完全無害的綠色材料。優越的性能決定了鋁合金材料在汽車輕量化領域中的重要地位。

4.2.2 生產工藝

鋁合金車身板的抗時效穩定性、成形性、表面處理技術和烘烤硬化性等特性是影響板材力學性能和工藝性能的關鍵因素，因而這些性能在板材生產加工過程中會受到重點關注。鋁合金車身板的生產工藝流程主要包括以下工序：熔鑄、熱軋、冷軋、熱處理（淬火/退火）。

根據合金品種，固溶處理加熱速度、固溶溫度、保溫時間、溫控精度和冷卻方式均有嚴格要求，尤其要求固溶保溫完成后要迅速立即進行淬火冷卻。冷卻方式主要有兩種水冷和空冷，一般來說，車身外板6xxx系鋁合金采用水冷，車身內板5xxx系鋁合金采用空冷，也有部分6xxx系鋁合金采用空冷。車身內板的性能是否達標主要取決于連續退火熱處理工序。鈍化處理后，經過輥涂或噴涂的鋁卷具有優良的表面層，有利于吸附潤滑劑，更好地保證汽車生產廠商板材沖壓成型；鈍化處理另一作用增強了鋁卷粘合強度，提高了漆層的穩定性。

馬自達、奧迪等采用鋁合金板材制造外覆蓋件，發動機罩和行李廂蓋是鋁合金在車身上應用最早的部位，后面逐漸發展到全鋁車身，國外部分汽車鋁合金和鋁復合材料的比例可達80%以上。鋁合金材料作為性能優異的新材料同時還具有很好的循環利用性，回收1件呂合金要比加工制造1t少耗能95%，目前汽車用鋁合金材料中60%以上的都是再生鋁。另外，相比加工鋁合金，加工鋼鐵所需的工裝設備需要汽車制造商投資更多資本，以鋁擠壓型材為王的汽車鋁制車身框架，焊點少、裝配效率高。

5 結語

汽車減重顯然能帶來很多的好處，但從目前市場表現來看，我國的輕量化技術起步較晚，缺乏經驗，仍未建立起完善的產業鏈。在汽車輕量化之路上，仍然面臨著眾多難題。當前，隨著新能源汽車的發展，輕量化更是重中之重。鋁合金材料以其自身優勢必將在汽車輕量化發展中發揮重要作用。作為鋁加工企業，應將汽車用鋁合金板的生產成本作為關注焦點，重點從生產工藝、設備和管理等多角度制定降低成本措施，為鋁板材的大批量生產與應用打下良好基礎。

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