汽車輕量化材料及工藝的研究進展

錢余海　吳慶芳　雷 浩

汽車輕量化材料及工藝的研究進展

錢余海1,2吳慶芳1,2雷 浩1,2

（1.山東鋁谷產業技術研究院有限公司，山東 鄒平 256200；2.鋁谷產業技術研究院，山東 鄒平 256200）

在節能減排、降低能耗的需求驅動下，汽車輕量化代表著當前汽車的發展方向，成為世界各國汽車工業競相發展的目標。文章簡要介紹了鋁合金、鎂合金、高強鋼等典型汽車輕量化材料的性能特點及在汽車零部件上的應用，同時從結構優化設計以及輕量化工藝等方面系統闡述了汽車輕量化的發展狀況。

汽車輕量化；輕量化設計；輕量化工藝

引言

世界經濟的高速發展帶來能源短缺和環境污染等日益嚴峻的問題，節能環保、綠色可持續發展倍受關注。在實現碳達峰和碳中和目標的目標牽引和內生需求驅動下，產業結構的調整和新興產業的扶持勢在必行。除大力發展以氫能、太陽能、風能為代表的清潔能源產業以外，汽車輕量化是降低能耗、減少排放的最為有效的措施之一。已有研究表明[1]，汽車每減輕10%，可節省燃油6%～8%，提高燃油效率5.5%，降低排放4%。

目前，在保證安全性、舒適性和可操作性的前提條件下，汽車輕量化技術已經成為世界汽車工業發展的潮流和發展趨勢[2]。世界各國相繼出臺的燃油消耗量及汽車排放限制政策使得汽車輕量化技術成為未來汽車設計的核心，汽車輕量化被相繼納入各國法律法規。2019年，我國出臺《乘用車燃料消耗量限值》國家標準，以期提高能源利用率，并促進汽車輕量化的發展。在《中國制造2025》中關于汽車發展的整體規劃中也強調了“輕量化仍然是重中之重”。“輕量化”已經成為國家汽車工業發展的重要戰略需求。材料的合理選擇及結構優化設計是實現輕量化的根本前提。本文簡要介紹了鋁合金、鎂合金及先進高強鋼等典型汽車輕量化金屬材料的性能特點及其在汽車零部件上的應用，同時結合結構優化設計以及輕量化工藝等方面系統闡述了當前汽車輕量化技術的發展狀況。

1　典型汽車輕量化材料

1.1　鋁合金

世界鋁業看中國，中國是鋁土礦進口及原鋁產出大國。近10年來，我國鋁產量持續增長，2020年中國電解鋁產量占據全球57.18%。鋁合金具有密度低、比強度高、彈性好、導熱性好、耐磨耐腐蝕性好、易加工、回收率高等諸多性能特點，是汽車工業應用最為廣泛的輕量化材料[3]。隨著鋁冶煉水平及加工技術的不斷進步，汽車用鋁量和鋁在汽車材料構成比中所占份額均顯著增加，鋁合金零部件已廣泛地應用于汽車發動機、底盤甚至車身等各個部位，甚至已有全鋁汽車面世。

鋁合金主要包括變形鋁合金和鑄造鋁合金，同時根據合金元素的種類及含量將鋁合金分為1－8系列。在各類常用的合金元素中，只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li等在鑄造鋁合金生產中具有重要意義。鋁鑄件廣泛應用于汽車工業，例如在日本，汽車結構及零部件鋁鑄件的比例高達70%以上，主要包括發動機及其附件、空壓機連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、把手及罩蓋殼體類零件等。然而，鋁鑄件中易于產生縮松、縮孔等各類缺陷且不能進行熱處理強化，鑄造鍛造法和半固態成型法將是未來應用更多的工藝。

變形鋁合金主要是指采用變形加工工藝制備的鋁合金，主要包括板帶材、擠壓型材和鍛造材，在汽車上主要用于車身面板、車身骨架、發動機散熱器、空調冷凝器、蒸發器、車輪、裝飾件和懸架系統零件等[4]。目前鋁合金在車身零部件上的應用正處于高速增長期，如日本本田NSX全鋁承載式車身的鋁散熱器等。

對于汽車而言，車身的用材量最大，甚至占汽車總質量的近1/3，因此汽車車身的輕量化意義重大。在常用鋁合金汽車車身板中，2XXX系可熱處理強化型鋁合金屬于Al-Cu-Mg系，它具有鍛造性、焊接性、成形性優良的特點，同時強度較高，但存在抗腐蝕性能差和烘烤硬化能力低等缺點，主要用于汽車內板。目前2036合金和2022合金已部分用于汽車車身板；以Al-Mg成分為基礎的 5XXX系鋁合金是非熱處理強化合金，合金元素Mg的固溶強化效應使其兼具普通碳鋼的性能優點，同時具有良好的抗腐蝕性和焊接性，多用于車身內板等形狀復雜的部位；6XXX系Al-Mg-Si(-Cu)合金是可熱處理強化合金，強度高，塑性好，具有優良的耐腐蝕性能，具有良好的成形性、烘烤硬化性，綜合性能良好，廣泛應用于汽車面板等領域[5,6]。美國20世紀70年代已成功研制了牌號為6009和6010汽車車身板用鋁合金，它們具有良好的塑性和成形性能，經噴漆烘烤處理后再利用人工時效強化可進一步提高強度，目前廣泛應用于汽車的內外層壁板。

1.2　鎂合金

我國有豐富的鎂資源，菱鎂礦開采技術成熟，鎂的回收率高且回收無污染等特點促進了鎂的大量應用。作為最輕的金屬結構材料，鎂和添加了各類合金元素的鎂合金具有密度低、阻尼和減震性能高、比強度和比剛度高等突出的性能優勢。然而，鎂的晶體為密排六方結構，致使鎂合金室溫條件下獨立的滑移系少于5個，因此難以變形，成型和加工性能差。

在汽車結構件上應用鎂合金可取得極其理想的減重效果：用鎂替代傳統的鋅制轉向柱上支架可實現減重65%；鎂制轉向輪芯相較于傳統的鋼制件降重45%；全鎂氣缸蓋的制作較現行的鋁合金降重30%；利用鎂鑄件制作的制動踏板支架較傳統的鋼制品減重達40%，同時其剛性也得以改善。

由于鎂合金變形困難，加工性能差，因此在汽車工業中多以壓鑄件的形式進行應用。車輪輪輞鎂鑄件最早應用于汽車上的構件，目前鎂合金主要應用于汽車的殼體類和支架類零件上，如座椅架、儀表盤、變速箱體、轉向支架、剎車支架等[7,8]，但應用范圍多局限于高級車輛，多屬于示范性應用。

盡管有諸多的性能優勢，然而在自然環境中鎂合金極易發生腐蝕，目前尚未建立長期有效的防腐蝕技術。另外，針對鎂合金的性能測試數據相對較少，鎂合金零件設計及使用經驗不足，成本太高，高溫疲勞性能較差和抗蠕變能力弱等均成為限制鎂合金應用的技術瓶頸，因此鎂合金目前尚難以大規模應用于汽車輕量化領域[9]。

1.3　高強及超高強鋼

持續開發新型高性能材料，通過增強汽車構件強度與性能來提高安全指數，是汽車行業發展的共同理念。相比于普通鋼，高強及超高強鋼的強度高，可增強汽車的安全性、覆蓋件的抗凹性，在保證強度要求的前提下由于板厚減薄達到汽車結構輕量化的目的[10,11]。新一代汽車用先進高強鋼運用綜合強化技術進一步提高其力學性能，主要包括雙相鋼（DP鋼）[12]、復相鋼（CP鋼）[13]、相變誘導塑性鋼（TRIP鋼）[14]、馬氏體鋼（MS鋼）[15]、淬火延性鋼（QP鋼）[16]、孿晶誘發塑性鋼（TWIP鋼）[17]和硼鋼（B鋼）[18]等。

雙相鋼（DP鋼）的顯微組織為兩相，基本構成為鐵素體（F）+貝氏體（B）或鐵素體（F）+馬氏體（M）。其中鐵素體是軟相，可保證良好的塑性和成型性，而貝氏體/馬氏體是硬脆相，可使鋼的強度提高。雙相鋼具有諸多的性能優勢：如不發生屈服延伸，不產生室溫時效，特別是具有低屈強比、高加工硬化指數和高烘烤硬化值等特點，目前廣泛應用于汽車結構類零件、汽車承重受力結構件、加強件和防撞件等。

復相鋼（CP鋼）主要由鐵素體/貝氏體構成，同時含有少量的馬氏體、殘余奧氏體和珠光體，復相鋼的晶粒細小，兼具高的強度和韌性，特別是其抗拉強度較高。CP鋼的屈服強度明顯高于同強度級別的雙相鋼，彎曲成型性能、翻邊成形性能和擴孔性能良好，同時具有高能量吸收能力，因此CP鋼可應用于底盤懸掛件、B柱、保險杠、座椅滑軌等汽車零部件。

在微觀結構上，相變誘導塑性鋼（也稱為TRIP鋼）由鐵素體、馬氏體（貝氏體）和殘余奧氏體構成。TRIP鋼板內部可吸收汽車碰撞過程中瞬間發生大形變而產生的機械能，同時結合原來顯微組織中殘余奧氏體中儲存的內能，將部分殘余奧氏體直接誘發轉變為馬氏體，從而通過相變過程起到強化作用。特別是，在加工成形過程中，TRIP鋼顯微組織中所含的相對較軟的殘余奧氏體逐漸轉變為硬而脆的馬氏體，從而保證其具有良好的成形性能和均勻變形性能，同時還具有高碰撞吸收能、高強度塑性積和高n值等獨特特點。結構相對復雜的B柱加強板、前縱梁等汽車零部件等多采用TRIP鋼制作。

馬氏體鋼（MS鋼）的屈強比高、抗拉強度高、延伸率相對較低，同時具有高碰撞吸收能、高強度塑性積和高n值（與相變誘導塑性鋼相似），但MS鋼具有延遲開裂的傾向，在應用過程中應當高度注意這一不利因素。汽車的保險杠、門檻加強板和側門內的防撞桿等輥壓成形零件多由MS鋼制作，特別適合于簡單冷沖壓零件和截面相對單一的部件。

孿晶誘發塑性鋼（TWIP鋼）是第二代先進高強鋼的典型代表，它的化學成分為18%Mn-3%Si-3%Al（wt.%）。在形變過程中奧氏體相可發生變化而形成機械攣晶，可有效地吸收碰撞過程中的能量，同時通過孿晶誘發的動態細化作用，確保TWIP鋼具有極高的加工硬化能力。超高強度和超高塑性是TWIP鋼的突出性能特點，全奧氏體微觀組織結構的TWIP鋼兼具優異的成形性能和超高強度，因此對材料拉延和脹形性能要求很高的汽車零部件通常應用TWIP鋼制作。

第三代先進高強淬火延性鋼（QP鋼）綜合性能優良，具有高強高塑性，其強塑積遠遠超過第一代和第二代先進高強鋼。QP鋼由鐵素體、馬氏體和奧氏體構成，其熱處理工藝為：先通過淬火處理形成一定數量的馬氏體后，然垕進行二次加熱，此時馬氏體中的碳原子向殘留奧氏體內擴散，有利于提高其穩定性。QP鋼的顯微組織結構決定其具有良好的加工硬化能力，它的塑性和成形性能均遠遠高于同級別的超高強鋼。QP鋼主要用于形狀較為復雜的汽車安全件和結構件，如A柱、B柱的加強件等。

硼鋼（B鋼）中的B元素可提高鋼的淬透性，使得鋼的組織和性能更為均勻。B鋼的抗拉強度極其高（達1500 MPa以上），可有效提高碰撞性能。另外，由于強度高可最大化減薄結構件的厚度，實現車身輕量化。B鋼具有零件形狀復雜、成形性好、尺寸精度高等優點，主要用于制作各種汽車安全結構件。

2　輕量化結構優化設計

對原有結構件進行輕質材料的簡單替代僅僅是實現汽車輕量化的初級階段，而實現輕量化的關鍵前提是進行合理的輕量化結構設計[19,20]。更為具體地，汽車輕量化結構設計必須從整車的角度進行全方位的考慮，它同時包括汽車整體車身的拓撲優化設計和尺寸形狀再優化設計。具體而言，拓撲優化設計運用多種綜合分析技術和方法更為合理地優化各類材料的分布形式和連接方式，重點側重于從宏觀的層面通過零部件的薄壁化和中空化設計手段來實現車身整體結構的輕量化。通常是在完成拓撲優化設計的前提條件下下一步再進行尺寸和形狀的優化設計，主要是通過對幾何形狀和尺寸、橫截面積、節點位置等參數進行再次優化，目的是在維持基本剛度不發生變化的條件下達到輕量化的目的。

在進行輕量化結構優化設計的過程中，自然界中的仿生學原理為其提供了良好的借鑒：在生物界的長期進化過程中，保持一定剛度的前提下一些生物體在生態構造上形成了重量輕、壽命長的特點。自然界進化規律使得材料總是遵循輕量化的原則：如從動物骨胳和植物桿徑的橫截面可以看出，材料總是遵循物盡其能的原則進行最為合理的分布：在承受載荷較大的部位優先生長材料，而在受載很小的部位則材料分布相應地最少。因此，自然界仿生學從造型、拓撲和構造等多方面為汽車輕量化的優化設計提供了參考，即可指導結構的優化設計。大量的實踐過程表明，車身及車體結構完全可以遵循自然法則進行智能化和輕量化設計。

在汽車輕量化結構優化設計方面一般應遵循如下基本原則：確保盡量直接的力導入與力平衡；盡可能地將慣性矩與阻力矩最大化；保證構件具有輕盈的結構；充分發揮曲率的自然支承作用；為了確保安全和可靠性，需要對結構件的主承載方向進行加固設計；必須優先遵循一體化原則；在設計過程中合理地引入空腔結構實現進一步的減重等。

3　汽車輕量化工藝簡介

輕量化工藝是實現材料選擇及結構設計的終極之路，也是實現輕量化的必由之路，在一定程度上直接決定輕量化能否實現[21]。近年來，廣泛應用的典型的輕量化工藝主要包括以下方面。

自沖鉚接：是鋁合金連接的重要方法之一，它的工作原理是將一個典型的半管狀鉚釘推入材料的目標堆中，在此期間材料和鉚釘的塑性變形使得材料堆內形成機械鎖[22]。自沖鉚接的工藝過程可以可分為夾緊階段、刺穿階段、擴張階段、鉚接完成四個階段。自沖鉚接工藝因具備適應性好、成型快、易加工等優點而取得快速發展，被廣泛應用于不易進行焊接的板材連接，對于實現輕量化制作意義重大。

熱熔鉆：熱熔鉆也稱熱鉆，是一項革命性的加工新技術，它改變了傳統鉆孔緊固工序的工藝，使得以往加工過程中的難題——薄板薄管的攻牙緊固在瞬間即可完成。該工藝已經取代鉆孔、焊接螺母和壓鉚螺母。熱熔鉆螺釘可以實現單面施工，在鈑金與擠壓型材的腔體連接或者無法雙面施工的情況下發揮了必要的作用。

熱沖壓成型：是國際上近年來出現的一項專門用于超高強度鋼板沖壓件加工成型的先進制造技術，也是汽車沖壓件制造領域內的先進技術，熱成型工藝在車身結構件上應用越來越廣泛，如A柱、B柱、側圍上邊梁、中央通道等。

液壓成型工藝：液壓成型工藝在板材成型過程中以液體代替或者輔助成型。液壓拉伸成型通過在凹模中充加液體，液壓室作用在液體上的壓力會將毛坯和凸模緊密結合，有利地保證成型的精確性。此外，液體具有潤滑作用，可減小成型過程中的摩擦阻力，有利于提高成型極限，避免各種局部缺陷的產生。

激光拼焊：采用先進的激光技術及設備，將一定數量的不同材質、厚度、涂層的鋼材、鋁合金等材料通過自動拼合和焊接組成一塊整體板材，通過沖壓制造成為零部件。這一技術是基于激光焊接技術的成熟發展及應用而衍生出的現代加工工藝技術，其主要的特點是不需要填料，焊接速度較快和質量較高，同時可保證焊接效果的精準性。

粉末注射成形：是將粉末冶金與塑料注射成形相結合而形成的一種全新的近凈成形工藝。與其他材料加工方式相比，它的材料利用率高，并可實現中小形狀復雜結構件的大批量生產，尤其是針對一些形狀復雜且利用傳統機械加工等工藝方法難以加工的高性能小型零部件，因此，廣泛適用于鋁及鋁合金復雜結構件成形。

4　結束語

減重、節能、降耗的技術需求使汽車輕量化技術日趨重要。輕量化已經成為乘用車行業提高核心競爭力的現實需求，代表著汽車工業的發展方向。在材料體系的選擇和應用方面，充分發揮各種材料的性能優勢，發展多材料體系混合共用的策略是實現輕量化的最終途徑。同時，汽車輕量化技術的發展必須綜合考慮輕量化材料的選擇、結構的合理設計以及輕量化加工工藝。

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Research Progress of Automobile Lightweight Materials and Technology

Driven by the demand for energy conservation, emission reduction and energy consumption reduction, automobile lightweight represents the current development direction of automobile and has become the competitive development goal of automobile industry all over the world. This paper briefly introduces the performance characteristics of typical automobile lightweight materials such as aluminum alloy, magnesium alloy and high-strength steel and their application in automobile parts. At the same time, the development of automobile lightweight is systematically described from the aspects of structural optimization design and lightweight technology.

automobile lightweight; lightweight design; lightweight process

U465

A

1008-1151(2022)02-0049-04

2021-12-19

錢余海（1973－），男，山東臨沂人，山東鋁谷產業技術研究院有限公司/鋁谷產業技術研究院高級工程師，工學博士，從事鋁產業科技研發和技術管理工作。