高性能轻量化材料搭上“减重”顺风车
■ 汽车轻量化技术创新战略联盟 曲兴
汽车轻量化是指在保证汽车强度和安全性的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，降低燃料消耗，减少排气污染。同时，汽车轻量化还可以带来“二次减重”的效果，汽车的动力系统、传动系统和制动系统可以设计得更小。因此，汽车轻量化已经成为当今汽车产业的重要发展趋势，世界各地的研究机构和汽车企业都在致力于研发和推广汽车轻量化技术。
汽车轻量化技术包括结构优化设计、轻量化材料应用和先进制造工艺等方面，详见表1。虽然汽车轻量化已是大势所趋，但国内汽车轻量化相关产业还未形成规模，在轻量化技术研发及应用方面与国外先进水平相比存在较大差距。
轻量化材料应需而生
1.高强度钢
汽车用钢主要分为两类：一是合金结构钢，包括非调质钢、弹簧钢、齿轮钢等，主要用于汽车发动机、传动系统和悬架系统的主要构件；另一类是高强度钢，主要用于汽车车身内外板及车身结构件。
随着国内汽车对高强度钢需求的快速提高，我国各大钢厂均加大了对汽车用先进高强度钢的开发力度，根据零件对钢材力学性能要求的不同，形成了双相（DP）钢、相变诱发塑性（TRIP）钢、马氏体（MS）钢和热成型（PHS）钢系列产品。我国宝钢和鞍钢都实现了TWIP980钢的工业试制，并且具备商业供货能力。在第三代汽车钢的研制上，已率先实现了中锰钢热卷、冷卷、镀锌板以及Q&P钢的工业生产。中锰第三代汽车钢的低温成型技术可明显降低热冲压成型零件的成本，目前已进行了防撞梁、B柱、侧围等零件的试制与评价。宝钢已经形成了抗拉强度为980MPa和1180MPa两个强度级别可商业化供货的工业产品，在一汽乘用车、NISSAN乘用车上得到了商业化应用。
2.铝合金
铝合金是一种非常优良的轻量化材料，典型的铝合金零件一次减重（传统结构件铝替钢后的减重）效果可达30%～40%，二次减重（车身重量减轻后，制动系统与悬架等零部件因负载降低而设计得更轻带来的减重）则可进一步提高到50%，用作结构材料替换钢铁能够带来非常显著的减重效果。目前铝合金在汽车中应用的形式有铝合金铸件、铝合金锻件、铝合金挤压件、铝合金板材，针对汽车用铝合金的发展方向主要是围绕提高强度、降低成本展开的。近年来铝合金在汽车上的应用所取得的进展主要如下：
①铝合金铸件 常用的铝合金为A356，为提高强度，国内某厂开发了含铜的高强度铝合金，这种铝合金在T6状态下可达到屈服强度285MPa，抗拉强度410.7 MPa，延伸率10.8%，其性能已和锻造铝合金性能相当。
②铝合金锻件 锻造铝合金的主要牌号为6061，屈服强度为340~390MPa，抗拉强度380~440MPa，延伸率达到6%~9%。目前，大量的商用车的车轮采用锻造铝合金，节能减排效果明显。
③半固态铸造铝合金 适于半固态铸造方式制造的汽车铝合金零部件主要牌号为A356、2618、7075、ZL201、6061、6063、ZL116等，应用半固态压铸可以取得高于液态压铸200以上的强塑积，而接近于锻造铝合金的强塑积。在工艺成熟的条件下，有望用半固态压铸代替锻造工艺制造铝合金车轮，大大降低车轮的制造成本。
④铝合金挤压件 最有代表性的应用为乘用车的前后保险杠，减重率可达40%~50%。挤压铝合金型材在多功能翼开启式厢车、各种冷藏保温车、民用厢式车、邮政车、发电车、抢险车、军用战备车、航空食品车等专用车产品上实现了较大规模应用。
国内铝合金挤压件在新能源商用车，尤其是新能源大客车上的应用处在较高的水平。比亚迪，宇通，苏州金龙等新能源大客车生产厂家均在大力推动新能源大客车的铝化减重，首先推出的便是由大量挤压型材及部分板材蒙皮经铆接或焊接制造的新能源大客车全铝车架。部分全铝框架的新能源大客车已经上市销售，其减重效果可达40%，续航里程提高约20km。
⑤变形铝合金板材 汽车车身铝合金板材主要有2个系列，分别为5XXX 系和6XXX 系。可用于车身发动机罩、前翼子板、顶盖、车门、行李箱盖板、车厢底板结构件甚至全铝车身等。
⑥新能源汽车动力电池用铝合金 能源汽车电池用的软包装铝箔，主要为尼龙-铝箔-高分子材料的三层复合结构，制造技术复杂，目前被日本所垄断。采用1050和3003铝合金的硬包装铝壳，是由铝合金板材经过多次深冲后，由激光焊接将壳盖与壳体焊合制成的，出于安全性的考虑（加工中的缺陷或使用中的外力造成的电池漏液十分危险），该壳体对材料的强度，可焊性以及成形性能都有较高的要求。目前该类型壳体国内虽能生产，但其可焊性、强度、塑性仍无法达到先进水平，这使得国产壳体较厚较重，十分影响减重效果。集流体铝箔所用的1070、1085和1235铝合金也仍在强度和导电性能方面有较大的提升空间。
3.镁合金
汽车产品中镁合金用量较多的国家和地区主要是北美、欧洲。目前，欧洲正在使用和研制的镁合金汽车零部件已超过60种，单车镁合金用量为9.3～20.3kg；北美正在使用和研制的镁合金汽车零部件已超过100种，单车镁合金用量为5.8～26.3kg；
受成本和成型技术的限制，目前我国镁合金用量还十分有限，国内平均单车用量不足1.5kg。主要集中在壳体类如变速箱以及铸造镁合金零件，应用最成熟的是压铸镁合金方向盘骨架。
4.复合材料
汽车用塑料的主要类型包括通用塑料、工程塑料、塑料合金和高分子或树脂基（结构/功能）复合材料。高分子复合材料根据增强体和基体材料不同可分为多种类型，但目前用量最广当属纤维增强树脂基复合材料（也称纤维增强塑料或FRP），因此行业内在不引起歧义的场合习惯将其直接简称为“复合材料”，其他类型的复合材料则在其名称前部加上基体和增强体的类别冠以全称。汽车用复合材料根据基体不同又分为热固性和热塑性，以前在汽车上使用的不含增强体的热塑性通用塑料和工程塑料，由于进一步提高强度、减重的需求采用纤维增强热塑性塑料。
目前应用在汽车零部件上的增强材料主要有玻璃纤维和碳纤维两大类。玻璃纤维增强复合材料普遍应用在乘用车车身空气导流板、前翼子板和前挡泥板延伸部件、发动机罩、装饰条、尾板等以及商用车保险杠、翼子板、脚踏板、面罩等。碳纤维复合材料（CFRP）的应用可使汽车车身质量减轻30%~60%，但由于碳纤维成本及CFRP部件制造成本过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用仍然有限，仅在一些F1 赛车、高级乘用车、小批量车型上有所应用。
多元化发展成趋势
1.高强度钢
随着汽车轻量化材料和相关技术的发展，铝、镁、塑料等材料逐渐在汽车上增加了应用比例，对于钢铁材料是一种挑战。高强度钢在抗碰撞性能、加工工艺、成本和生产的环保性等方面较铝、镁合金具有明显的优势，在未来相当长的一段时期内，高强度钢仍然是满足车身轻量化、提高撞击安全性的最佳材料。高强度钢呈现出以下几个方面的发展趋势：
(1）向更高强度、高性能发展 钢铁材料高强度化是汽车钢发展的必然趋势，屈服强度为600MPa以上超高强度钢板以及1500MPa级以上的热/温成型钢应用比例将逐步上升，普通钢板使用量将逐步降低。第三代汽车钢（包括中锰钢、Q&P钢）是高强钢发展的重要方向之一，与第一代汽车钢相比，其特点是在具有相同高强度时，塑性明显提高，成型能力和碰撞安全性显著提高；与第二代汽车钢（TWIP钢）相比，有明显的成本优势。随着钢铁材料向高强度化发展，相应的零件结构设计、成型技术、连接技术以及成本控制都面临着新的挑战。
(2）低密度高模量钢的研发与应用 通过向钢中加入Al、Si、Mn等轻量化合金元素使合金钢密度降低的低密度钢，以及向铁基合金中引入高模量粒子（如TiB2）的高弹性模量钢都是汽车轻量化用钢的重要发展趋势。目前，低密度钢抗拉强度为780-830MPa，延伸率约40%，强塑积达到30~35GPa%、密度比传统材料减小10%；铁基合金中加入13%的TiB2时，弹性模量可以达到250GPa，同时密度降低到7.39 g/cm3。这两项技术仍在实验室研发和中试阶段。预计到2030年前超高强度钢抗拉强度可达1500~2000MPa，同时钢的密度降低5%，弹性模量提高10%。
（3）与其他材料混合使用 随着轻量化技术的发展，钢铁材料要与其他材料混合使用，可以进一步提高轻量化效果，例如：2015年欧洲车身会议上，钢/纤维增强复合材料混合结构、钢/铝混合结构等的设计与制造已经成为新的发展趋势。
2.铝合金
铝合金在汽车上用量会明显增加。随着一些工艺相对简单、生产成本低的铝合金零部件（引擎盖、保险杠和前后防撞梁挤压型材以及电池壳与电池托架等）的完善并投入使用，预计汽车的用铝量将在2020年提升到190kg/车左右。5XXX系与6XXX系高成型性合金板材、6XXX系挤压型材、电池壳用可焊性板材等材料将得到开发和使用。
随着技术进步带来的成本下降，更多结构复杂、成本较高的铝合金零部件（如副车架、AB柱、后箱盖、车门等）将可以引入到汽车上。预测到2025年，汽车的用铝量可达到250kg/车左右。6XXX系与7XXX系高强高成型性铝合金板材、电池壳用可焊高强度铝合金板材将得到开发和使用。
到2030年，一般的汽车用铝合金技术已经趋于成熟，各种结构复杂、性能符合要求的铸造件和挤压件已经能够批量生产，此时全铝车身将占30%，汽车的用铝量将超过350kg/车。将重点开发性能更好的铝合金，研发铝合金变截面轧制技术、循环利用技术、车用铝合金统一材料化技术，以提高铝合金零部件的生产效率，降低生产成本。
铝合金性能预测及单车趋势预测如图1所示。
3.镁合金
目前，镁合金正逐渐在原有合金系的基础上由二元、三元向多元化发展，这将是未来提高镁合金综合性能的主要趋势。可以预见，随着对镁合金研究的不断深入，未来镁合金铸件在汽车中的应用仍会以较快的速度增长，变形镁合金在汽车零部件中的应用也将逐步增加。新型镁合金的开发、镁合金成型技术、镁合金耐腐蚀技术及镁合金在汽车零部件中应用的相关技术已成为当前国内外研究的热点。预计到2030年，使用镁合金的零部件将逐渐向结构件发展，乘用车用镁量将会达到45kg/辆。
4.复合材料
随着复合材料技术的发展，原材料价格降低，制造工艺优化，成型周期缩短，复合材料在汽车零部件上的应用会越来越多。特别是对于碳纤维增强复合材料来说，随着碳纤维价格逐渐下降，复合材料制造工艺的成熟，各大主机厂纷纷进行碳纤维零部件的开发。随着汽车领域对碳纤维复合材料的不断研究和应用，轻质、高强的碳纤维复合材料应用成本下降，碳纤维复合材料零部件的应用会越来越广泛。到2030 年，碳纤维复合材料将成为汽车零部件轻量化的主流材料。预计，2030年以后，碳纤维复合材料无论是成本还是生产周期，都会大幅下降为目前的1/3左右。
表1 汽车轻量化技术概述
高强度钢:DP980、CP780、TWIP780、热冲压钢等
铝合金：铝合金板材、铸造和锻造铝合金等
镁合金：镁合金板材等
复合材料：玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料等
高强度钢 液压成型（内高压成型）、热冲压成型、辊压成
型、激光拼焊、不等厚轧制板（Tailored Rolled
Blanks, TRB）等
镁合金/ 半固态成型、高压铸造成型、低(差)压铸造成
铝合金 型等
树脂基材料 在线模塑成型、在线注射成型、在线模压成型等
激光焊接及激光钎焊、搅拌摩擦焊、锁铆及自锁铆技术、流
钻螺钉、胶粘连接等
零部件结构拓扑优化
零部件尺寸优化
零部件形状/形貌优化
零部件及总成多学科/多目标优化