新材料在汽车轻量化中的应用

新材料在汽车轻量化中的应用

信息来源：安徽省机械情报所发布日期：2015-04-07 随着工业化和城市化进程的推进，全球对环境和资源保护的意识不断增强。世界各国在发展经济的同时，越来越注重生态环境的协调发展，绿色环保和节能减排成为发展主题。在此形势下，作为能源消耗和排放大户的汽车工业要想实现可持续发展必须降低燃油消耗，减少污染排放。

目前，主要有3种途径解决汽车的节能、环保与安全问题，一是发展新能源汽车，二是发展先进发动机技术，三是实现汽车的轻量化。新能源汽车是发展方向，但目前受基础设施配套建设、价格和市场接受度等因素影响，进展缓慢。动力系统改进技术已经发展相当成熟，短期内进一步提升的空间不大。因此，汽车轻量化成为汽车工业实现节能减排目标的主攻方向。

汽车轻量化是在保证强度和安全性的前提下，尽可能降低汽车整备质量，以提高汽车的动力性，实现节能减排。据统计，汽车每减轻10%质量，就会节省6%～8 %的燃料，会使排放下降4%。汽车轻量化的实现需要材料技术、轻量化结构优化设计技术、轻量化绿色制造技术3方面的进步，是材料、设计、加工成形技术等多方面的集成，其中材料的创新是基础和核心。为减轻汽车自重，众多汽车厂商多年来一直进行材料研发，“以铝代钢”、“以塑代钢”的口号很早就提出，但目前汽车用主流材料仍旧是钢，且在短期之内钢的地位无法撼动。到底哪些新材料在汽车轻量化中应用，哪些因素制约了我国新材料的扩大应用？这些问题值得研究。

一、汽车轻量化新材料的应用现状

1.材料种类趋向多样化

新材料的应用是汽车实现轻量化的关键。为实现轻量化，世界各大汽车生产商和材料生产厂家一直致力于轻量化材料的研发，轻量化材料应用的多少已经成为衡量汽车生产技术和新材料开发水平的重要标准之一。早在20世纪70年代欧美等汽车生产商就开始了汽车轻量化尝试，汽车发达国家投入了人力和财力支持汽车轻量化。目前，用于汽车轻量化的材料主要有低密度的轻质材料和高强度材料，前者包括以铝、镁、钛合金为代表的金属材料和塑料、纤维等高分子材料，后者主要指高强度钢。铝及合金主要用在汽车上的车轮、动力系和悬架系零部件，镁及镁合金大量用在壳体类零部件和支架类零部件，高强钢主要用在汽车的结构件、安全件和加强件等，塑料等高分子材料逐渐在油箱、风扇叶片、翼子板等结构件上使用。

2.应用领域逐步扩大

以高强钢、铝合金、镁合金、复合材料等为代表的轻量化材料具有良好的减重效果，应用领域不断扩大，需求规模不断增长。以汽车工业最常用的轻量化材料铝合金为例，铝合金具有密度小、比强度和比刚度高、循环利用性强、良好的导热导电性能等优势，在气缸体、壳体、转向盘骨架等零部件上大量使用，是汽车轻量化重要的替代材料。加之铝合金加工技术不断发展成熟，通过对铝合金适当的加工与处理，铝合金强度还可以大幅提升。尽管与超高强钢相比有一定差距，但仍可以满足汽车的很多应用，铝合金应用范围已经逐渐从车轮等零部件逐渐扩展到车身、车门和车盖。目前，已经有福特、奥迪、捷豹等汽车生产商使用全铝车身，国内奇瑞汽车等厂家也逐渐开始全铝车身的尝试。有研究预测，未来汽车用铝规模将会进一步扩大，汽车的铝化界限可以达到30%～50%。

3.减重作用日益突出

轻量化材料的使用，可以大大减轻汽车自重，提高汽车的燃油经济性。和传统汽车材料低碳钢相比，轻量化材料较低碳钢可以减轻15%～60%的重量，如高强钢、铝、镁、玻璃纤

维复合材料可分别减轻15%～25%、40%～50%、55%～60%、25%～35%的质量。为了实现轻量化，世界主要汽车厂商都相继在主要车型上使用轻量化材料，减重效果显著。如福特公司使用全铝车身，并在悬架系统、车门、发动机罩、保险杠等部件也使用铝合金的新款F-150车型，与现款车型相比，减重340kg，燃油经济性提升20%；凯德拉克ATS整车使用高强和超高强钢，前副车架和发动罩使用铝合金，悬挂构件和发动机支架使用镁合金，较钢制件减重近50%。从车身构造到内部配置，多种轻量化材料的使用不仅减轻了车身质量，也提高了安全性和舒适性。

二、我国汽车轻量化新材料应用存在的问题

我国汽车轻量化材料在应用中主要存在以下3个问题：轻量化材料普及率不高、轻量化效果不显著和后期的维护服务不到位。

1.轻量化材料普及率不高

使用轻量化材料已经在我国汽车厂商内部达成共识，但实际中轻量化材料使用率并不高。这体现在2个方面，一是轻质材料使用率偏低，如铝合金、镁合金、复合材料等轻质材料仅在高档车上使用，且大都作为零部件，钢仍然是主要的汽车用材料。数据显示，我国钢材在汽车整车的使用比例在60%～70%。未来3～5年，钢板特别是高强钢板的主流地位难以

撼动。二是我国的高强钢板应用比例远不如国外。高强钢的应用比例低表现为高强钢的使用量和强度级别均低于国外，如国外汽车上高强钢的使用量占汽车总量的比例达到70%，而国内只有40%左右。此外，尽管我国逐步实现了汽车用钢的国产化，已经有宝钢集团、武钢集团、鞍钢集团、本钢集团、首钢集团等钢企具备生产汽车用高强钢的能力，但是仍有部分高档汽车面板及优质钢依赖进口，无法满足市场需求。

2.轻量化效果不显著

经过多年发展，我国汽车轻量化取得了一定的进步，但与国外先进国家相比，我国自主

品牌汽车的轻量化水平整体不高。我国自主品牌轿车的自质量比发达国家重 8%～10%，若在重量相当的情况下，我国自主品牌轿车比国外同类车型的安全性差2～3个等级。我国商用车比国外同类产品重10%～15%，重型载货车平均重20%以上。据测算，我国汽车与国外相比，每辆汽车平均消耗汽油或柴油2.5t/(车·年)，高于美国的1.6 t/(车·年)，欧洲的1.1 t/(车·年)，日本的1 t/(车·年)，导致我国单车年消耗高于欧美日同类产品，汽车的燃油经济性不高。此外，我国汽车百公里平均油耗也高于国外，汽车轻量化效果与国外相比差距较大。

3.后期的维护服务不到位

轻量化材料在汽车上使用后，后期的保养与维修服务也很重要。和传统钢材料的后期维护服务相比，我国这方面的服务还不到位。如传统钢材料制车身受到撞击变形后，可以通过钣金技术进行修复，且汽车修理商都能提供相关的维修和养护服务，但是铝制车身受到损坏后，钣金修复技术难度较高，相关配套维修和养护服务也比较匮乏，大部分汽车修理商因技改成本高而无法提供后期维护服务。除了铝合金，碳纤维等其他轻量化材料也存在缺乏后续配套服务等问题。

三、制约我国汽车轻量化新材料应用的因素

汽车轻量化材料的应用要求技术上可行和经济上合理。因此，技术和成本成为了制约汽车轻量化新材料应用的最大问题，也是困扰我国新材料和汽车行业多年发展的难题。

1.技术不过关

汽车轻量化要求材料变轻、变薄，但强度不能减少甚至要提高，但材料强度提高后，加工难度也变大。如车用钢板强度提高后就要求更高的冲压工艺，以尽可能减少深冲过程中材料的裂纹和折皱。我国很多钢厂在这方面不断加大研发投入，但仍然无法克服钢板强度和冲压之间的矛盾；此外，我国热成型高强度钢生产线主要从国外引进，热成型技术和应用基