車用輕量化材料現狀及發展趨勢

楊 洋，林 森，朱明清

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

“中國制造2025”行動綱領的提出對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及尾氣排放的節能環保是新時期車用材料的發展趨勢。在車輛油耗的使用過程中，約70%～80%為車體自重產生的油耗，車輛自重每下降10%，將節省油耗8%，同時減少尾氣排放4%。通過減少車體重量可以有效降低能源消耗，從而實現節能環保的目的。在保證車體原有結構強度性能要求的前提下，可通過對車體材料進行輕量化改造來實現車體輕量化目標。

1 車用其他材料現狀與發展趨勢

一臺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力方向，但非金屬材料在提高產品性能、減低產品重量方面也起到了一定的作用。塑料具有輕質化特性，兼具成形難度低、不易被化學物質腐蝕等特性，在車內飾以及部分外部結構件上得到了廣泛應用。

聚丙烯是良好的熱塑性樹脂[2]，具有價格低、輕質高強、可二次回收利用的特點。一臺汽車上一般將近80個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用。抗菌聚丙烯材料、長玻纖增強聚丙烯材料也在科技飛速發展中得到了良好的開發和使用。

纖維增強復合材料(FRP)根據添加的纖維不同，可以分為玻璃纖維增強復合材料[3]、碳纖維增強復合材料和芳綸纖維增強復合材料。該材料具有比強度大、比模量大、耐疲勞性好等特點。優秀的比強度可以減小零件的質量，優秀的比模量可以提高零件的剛性。由碳纖維和環氧樹脂組成的纖維增強復合材料可以達到鋼材的7倍比強度和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，而纖維增強復合材料因為自身的材料特性，纖維部分會先于基體材料從纖維的薄弱處開始出現破壞或損傷，在檢修中更容易發現已疲勞的零件，能夠及時進行更換，減少事故的產生。

陶瓷材料具有絕緣、高硬度、耐磨、耐高溫等優良特性。高鋁陶瓷、氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷在汽車領域應用廣泛，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，可在與發動機相關的應用中替代金屬零件，提高了發動機的熱效率，延長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狀與發展趨勢

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于汽車整體的輕量化有著至關重要的作用。鋼材很好地滿足了汽車安全性的需求，鋁合金的應用則大大推進了汽車輕量化前進的腳步。新能源汽車的迅猛發展對汽車減重以及增加續航提出了更高的要求，從需求端對車用金屬材料和成型工藝起到了促進作用，推動了汽車行業的發展。

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，車體輕量化會主要圍繞鋼材的替換所展開。鋼材有著明顯的優點與缺點，主要優點是：擁有207 GPa的彈性模量，這是現有的車體用金屬材料中彈性模量最高的。AHSS和UHSS高強度鋼具有更為優秀的強度范圍[4]，在用做車體材料時，能夠減低厚度，提高結構件的承載力與防撞能力。鋼材價格低廉，而且鋼的塑性好于鋁合金和鎂合金，突出的可焊接性、可重復利用性都是現代汽車使用鋼材的主要原因。高強鋼的強度要高于普通鋼，在汽車價格與整體性能的綜合考量下，要合理使用高強度鋼，并減低高強度鋼的占比。高強度鋼根據成形工藝的不同可分為普通高強鋼和先進高強鋼。也可以根據高強鋼的屈服強度、抗拉強度來進行劃分。目前，在汽車制造領域中應用最廣的先進高強鋼主要包括雙相鋼、馬氏體鋼、相變誘導塑性鋼、復相鋼等。超高強鋼主要應用在對零件強度要求高的車身結構上，如車門、側板、A柱、B柱、車門加強板、保險杠等有防撞需求的零件上。通過使用高強度鋼以及先進高強度鋼，并采用新的汽車制造工藝，以達到減輕車體重量的目的，這對于實現汽車輕量化起到了重要作用。

鋁合金作為輕質金屬，密度是2.7，僅為鋼的1/3，抗拉強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。如果將車體的高強度鋼替換成鋁合金材料，可通過一次零件本身減重和二次對車輛的懸掛與制動系統進行減重來實現汽車輕量化的目標，這種綜合減重效果超過了普通鋼材的40%，遠優于高強鋼替代普通鋼的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]。根據熱處理特性，2×××系、6×××系、7×××系為熱處理可強化鋁合金，1×××系、3×××系、5×××系為熱處理不可強化鋁合金，其中2×××系、5×××系、6×××系、7×××系與汽車相關。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可用于高強度高斷裂韌性的焊接結構。鋁合金現階段的生產成本比較高，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鋼材的明顯優勢。在碰撞試驗中具有更為突出的安全性，當汽車頭部發生碰撞時，更容易形成褶皺和變形，會吸收一部分沖擊力，從而保護駕駛員和乘客的人身安全。汽車使用鋁合金材料后，整體質量減輕，相同速度下的動能減少，在發生撞擊時能減少傷害。根據碰撞試驗，在56km/h的速度下，車頭正碰撞后的車門依舊可以開啟。目前，我國的汽車市場將逐步進入存量市場，國際化競爭日趨激烈，國產汽車用材應加大對鋁合金的使用，以期為我國汽車工業與制鋁工業提供廣闊的市場，帶來新的發展機遇。

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、導電性、導熱性、壓鑄性，制備方法相對簡單，設備投入低，鑄造鎂合金在汽車車身制造上也得到了廣泛應用，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題。同等體積的鎂合金做成的車架，其抗拉強度、抗疲勞強度、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。在美國汽車制造商生產出的汽車中，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%。國內的鎂資源豐富，國外的鎂資源相對匱乏，我國發展鎂合金有較大的成本優勢。但國內對鎂合金的研發尚處于初期階段，還需加大科研投入，依靠成本優勢及本土市場規模來體現出與國外品牌的差異化，進而更好地推動汽車行業的發展。

3 結語

車用材料產業是汽車工業發展的有力支撐，車用金屬輕量化材料是行業未來發展的重要方向。減少能源消耗、提高環境質量是當今世界極為關注的問題。在汽車輕量化方面，高強度鋼、鋁合金、鎂合金等輕質金屬材料已有了完整的商業應用，但針對不同檔次、不同產品用途、不同性能要求的汽車產品，還需要大力將輕量化技術向中低端車型普及，降低輕量化零件的成本，這也是整個汽車行業發展的新目標和新方向。