汽车材料应用---钢铝之战

2019年08月16日10:21 来源：冲压帮

长期以来，钢一直是汽车的首选材料，占汽车重量的平均约60%。但随着各大汽车厂家满足日趋严格的减排标准，瞄准减重及提高燃油效率，铝合金以及塑料等非钢材料在汽车上的占比不断上升，钢因此持续受到这些替代材料的威胁。国外研究公司Ducker Worldwide对市场上各类型汽车的最新调查显示，铝金属所占车重比已升至12%，且有继续上升的势头。面对铝金属的挑战，钢铁生产厂家与汽车厂家密切合作，研发轻质、高强钢，努力维持钢在汽车市场的主导地位。

一、轻量化是汽车发展趋势

由于环保和节能要求日趋严格，汽车轻量化已成为世界汽车发展的趋势。研究表明，汽车自重每减少10%，可以降低油耗6%~8%，降低二氧化碳排放13%。通过对汽车结构的改造和制造材料的优化，汽车重量还有15%的下降空间，而且随着汽车制造材料的不断开发升级，汽车重量的减轻不会带来安全隐患。

DuckerWorldwide的一项调查显示，到2025年汽车厂家减重目标为目前的2倍，即平均重量将减轻400磅(181.4千克)，届时钢占汽车平均重量将由目前58%左右下降至46%。

二、铝合金材料受青睐

轻质材料和轻质结构是实现汽车轻量化的重要途径和手段。无论铝对传统钢的替代，还是塑料对金属的替代，最直接的效果都是减重，减重是提升车辆燃油经济性和降低排放的最简单和最有效的方式。自90年代奥迪等豪华车开始采用铝部件，铝进入了汽车工业，之后铝在汽车上的用量开始上升，越来越多的轿车制造商开始在材料选择上采用铝来替代传统的钢，欧盟和北美等国家已走在前列。

DuckerWorldwide调查结果显示，以铝代替钢制造汽车可使汽车整车重量减轻30%~40%，发动机减重30%，轮毂减重30%。从2006~2012年，欧盟轻型车铝合金用量平均增加了19.2千克。目前在欧洲和北美开发的超轻车计划中，铝占到53%，约30%的汽车引擎盖和20%的保险杠均采用铝金属，这个比重在未来几年将会有大幅度的提升，而钢用量比例则将下降。如前几年在中国首发的新一代福特野马中采用了铝金属盖和铝前挡泥板，重量减90千克，而面世的全新F-150采用全铝车身打造，车身总重将较现款车型轻317千克，燃油经济性有望提高15%~20%。奥迪R8、 A8和捷豹XJ均采用了全铝合金车身，全新一代路虎揽胜创造性地采用全铝承载式车身轻量化技术，较之前一代采用钢制车身结构的揽胜车身重量降低39%。Ducker Worldwide曾预测，到2015年欧洲主要国家平均每辆汽车铝使用量增长至180千克, 铝材料占整部汽车的重量也将由目前的9%提高到12%，2025年将攀升到近250千克，铝金属所占轻型车的车重比将提高到目前的两倍。

美、欧国家对汽车二氧化碳排放规定日趋严格更加剧了钢铝市场份额争夺战，美联邦政府燃油经济性法规规定在2025年前汽车燃油经济性标准上调至54.5 英里/加仑（约合百公里4.8升油耗），欧盟计划到2020年实施强制性的汽车尾气每公里95克二氧化碳的排放标准，这对汽车设计者来说是个更大的挑战，钢和铝生产厂家争相投入研发满足汽车厂家需求的具有高效设计和更轻质特点的金属。此外，新能源汽车将替代传统以燃油为动力驱动的汽车，混合动力汽车、燃料电池汽车、锂电池汽车，奔驰E-Cell Plus和奔驰F-Cell电动车以及本田FCX Clarity等新型动力系统汽车大多选用铝作为车身的主要材料。

最新的一项调查结果显示，采用大量铝合金的所谓全铝汽车可以获得40%的减重效果，在与其他辅助性轻量化及优化设计相配合的情况下，能使燃油经济性提升幅度达18%。

三、钢与铝成本比较

铝合金材料显然是汽车厂家追逐轻量化的选择，但从成本上考虑，无论是材料价格、制造及加工方面，铝显然比钢更昂贵，而且维修困难。美国麻省理工学院2007年的数据表明，在原料成本方面，铝比钢贵2倍多，加工成本方面，铝比钢贵一倍，在装配上，铝比钢贵20%~30%。总的来说，一个铝部件估计比传统的钢部件成本高60%~80%。美铝公司的汽车结构专家亦称，一辆小汽车全铝车身结构平均要1400~4600美元，比钢车身溢价65%，而一个有效和成功的汽车轻量化项目需是未来用户可持续负担得起的，显然成本增60%~80%不是一个成功的汽车轻量化方案。

作为汽车生产伊始的主要材料，钢在不断改进以适应各种设计变化的挑战，尤其高强度钢的开发成功，最好地解决了轻量化与安全、成本之间的矛盾。与其它轻金属和复合材料相比，高强钢具有优异的性价比，而且可以利用现有的汽车生产设备，节约投资，不失为一种理想的轻量化材料。因此，从性能和成本两个方面来看，钢在汽车市场的主导地位不会动摇。

四、高强钢迎战铝

铝合金用量的增加让钢生产厂家感到压力，长期以来世界各大钢厂加大投入，与汽车制造商密切合作，研制和发展轻质、高强度的汽车钢板，过去10多年中先进高强钢（AHSS）已成为汽车材料中增长最快的。

1995年，由美国钢铁协会、国际钢铁协会、汽车生产商和一些钢铁公司联合提出“超轻钢车身”的概念，采用这种高强度钢材所制造的车身实现了更薄和更轻的结构，使车身重量减轻达25%，同时也降低了制造成本，为高强钢在与铝和铝合金等非钢材料的竞争中提供了良好的解决方案。目前在欧洲“超轻型汽车工程”制造商的汽车设计方案中，高强度钢的使用率超过80%。按照钢铁工业的计算，近年来钢在汽车上的用量实际上呈上升态势。

1．超轻钢汽车车身项目——ULSAB

1994年，国际钢铁协会首先开展了超轻钢汽车车身项目（ULSAB），来自5大洲18个国家的35家钢铁企业参加了该项目。该项目历时4年，主要目标是减小车身质量、提高结构强度、提高安全性、简化制造工艺及降低生产成本。通过以车身轻量化为目标，车身至少减重25%以上，将给汽车制造业带来革命性的改变。研究证实，ULSAB重量可减轻25%，且不增加任何成本。最近几年，欧美汽车公司在开发新款汽车时都部分或全部采用了ULSAB项目技术，高强度钢大量使用在汽车车身、底盘、悬架和转向的零部件上。

2．超轻钢汽车悬架项目——ULSAS

与ULSAB相关的项目还有ULSAC和ULSAS，ULSAC是将高强度钢应用在汽车车身覆盖件上，而ULSAS是采用高强度和超高强度材料以及一些先进的制造技术来生产轻量、廉价和性能良好的悬架系统，目标是通过采用新的钢材及设计，将悬架重量减少20%，美国钢铁公司、浦项钢铁公司、新日铁公司、蒂森克虏伯等大钢厂参加了该项目。美国钢铁协会钢市场发展研究所最新透露，采用先进高强钢的新型设计可使汽车扭梁后悬架重量降30%，与其它可替代材料相比，成本大大降低，燃油更经济。ULSAS项目是利用先进的钢生产技术实现汽车悬架减重的一个很好例子。

3．超轻汽车车身-先进汽车技术项目——ULSAB-AVC

1998年3月，国际钢协开始在全球实施超轻汽车车身-先进汽车技术项目（ULSAB-AVC）。该项目是从整体上研究开发新一代钢铁材料汽车结构（车身、覆盖件、悬架系统、发动机支架及所有与结构、安全相关的部件），并通过使用超轻钢和先进的汽车技术，支持钢是未来新一代汽车最理想化的和最付担得起的材料。在该项目中，先进高强钢（AHSS）的应用占到约80%，且20%以上的部件采用了液压成形技术，研究证实，ULSAB—AVC AHSS设计轻25%，同时又能满足碰撞性要求而不增加成本。

4．未来钢制汽车项目——FSV

为与其他材料竞争，保持钢在汽车材料中所占份额，世界汽车用钢联盟启动了未来钢制汽车项目（FSV）。FSV的3年计划为：2008年~2009年7月为工程研究， 2009年8月-2010年为概念车设计，2010~2011年对硬件进行论证。FSV项目为4款如电池电动车（BEV）、混合动力车、插电式混合动力电动车（PHEV）和燃料电池电动车（FCEV）设计了先进高强钢车身结构，采用逾20多种先进AHSS钢，预计2015~2020年这些先进材料有望实现商业化生产，钢的灵活、高强及成型性能最好地适应了部件形状和结构设计的优化过程，另外还采用了激光拼焊板和拼焊管、液压成形等先进的加工技术。显然，FSV概念车是高效和轻质的，一款FSV电池电动车重188千克，比传统的内燃机汽车车身重量轻逾35%，进一步缩小了与铝和镁合金的减重差距。此外，还能降低排放近70%，很好地满足电池电动车制造厂家以及2020年的严格排放标准，同时也能满足碰撞测试和耐久性的需求，且未因减重而增加成本。

钢和铝有着各自的特点，汽车选用钢还是铝，最终要看减重及成本效果。伴随着低碳经济时代的到来，汽车轻量化越来越成为人们关注的热点，钢和铝等传统材料及工艺亦面对新的环境友好型轻质高强碳纤维、塑料等复合材料的挑战。今年1月13日在美国底特律举办的北美国际汽车展上，通用汽车公司和宝马汽车公司参展的车辆使用了更先进的碳纤维复合材料，德国汽车制造商们正在加大对碳纤维材料的投资。为保持钢、铝金属在汽车中的地位，钢铁生产厂家、铝金属生产厂家必须携手面对，与汽车制造厂家三方密切合作，共同开发车身铝合金结构及关键零部件的焊接技术以及车身钢与铝的连接技术等，迎接高碳纤维及塑料等材料的挑战。

中国作为世界上最大的汽车生产基地和市场，汽车轻量化的未来市场潜力巨大，尽管目前我国汽车铝合金的使用比例较低。2020年为实现汽车平均燃料消耗由目前百公里7.5升到百公里5升的目标，我国需加快推动汽车向小型化、轻量化发展，一些汽车及零部件制造商已把目光投向了汽车零部件轻量化的研发中。在这场结构调整、环保治理的大潮中，我国钢铁厂家要积极行动起来，利用结构转型的大好时机，与汽车厂家合作研发更先进的钢产品，保持钢在汽车材料的主要地位。

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