鋼鐵一直是汽車制造的主要材料。隨著環(huán)保節(jié)能需求的日益增加，國家對汽車油耗的政策趨于收緊，消費(fèi)者對車輛安全性也提出了更高的要求，這迫使汽車制造商尋求更加堅固、輕量化的造車原材料。汽車研究中心(CAR)在報告中透露，預(yù)計到2020年，高強(qiáng)度鋼的消費(fèi)量將達(dá)到頂峰，占車重的近15%。到2040年，該比例將逐步下降到近5%，其他輕量化材料也將在汽車材料領(lǐng)域占據(jù)一席之地。

與作為煉鋼原料的鐵相比，鋁更勝一籌，其重量不到鐵的一半，并且具有優(yōu)異的耐腐蝕性，鋁合金的出現(xiàn)曾一度對制造汽車的鋼材構(gòu)成威脅。然而，由于鋁的價格相對昂貴，制造和維護(hù)過程相當(dāng)困難。很多汽車制造商都傾向于用高強(qiáng)度的碳鋼代替普通鋼，鋼和鋁作為造車原料的博弈開始了。在日前舉行的汽車與環(huán)境創(chuàng)新論壇上，寶鋼研究院首席研究員王力、南科大教授朱強(qiáng)、吉林大學(xué)教授陳書明、蘇州大學(xué)研究員張海濤等業(yè)內(nèi)專家在圓桌上共同探討了汽車材料的“鋼鋁之爭”。

鋼材具有巨大的應(yīng)用潛力和成本優(yōu)勢。

隨著汽車用鋼的不斷發(fā)展，汽車用鋼已經(jīng)不是幾十年前很多人記憶中的低碳鋼了?，F(xiàn)在汽車鋼板越來越薄，但是鋼材的強(qiáng)度和耐腐蝕性都有很大提高。為了迎接新材料的挑戰(zhàn)，許多鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)積極開發(fā)能夠與鋁合金等其他材料競爭的輕質(zhì)高強(qiáng)鋼。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，每輛車只需要增加212歐元的高強(qiáng)度鋼材成本，就可以減輕重量，節(jié)省約5%的燃油。

高強(qiáng)度鋼在中國汽車市場的現(xiàn)狀和應(yīng)用潛力如何？王力這樣分析。他表示，目前汽車用鋼已經(jīng)通過不斷努力實現(xiàn)了減重。“這里面用到的技術(shù)很多，其中高強(qiáng)度鋼是不可或缺的。寶鋼已經(jīng)參與世界鋼鐵協(xié)會的一個項目超過20年。如果鋼廠繼續(xù)通過開發(fā)新材料來使用鋼鐵，鋼鐵還有多大潛力？經(jīng)過這么多年的發(fā)展，最后給汽車廠的建議還是技術(shù)，一是各種先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的開發(fā)還在路上，二是開發(fā)了很多先進(jìn)的制造技術(shù)，引入了全生命周期的概念。比如一款新開發(fā)的電動概念車，減重40%，與高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度比較高。其中40%超過1000 MPa，只有5%是低碳鋼。鋼鐵通過提高強(qiáng)度的潛力還是比較大的?！?p>寶鋼研究院首席研究員王力博士

“根據(jù)寶鋼的銷售數(shù)據(jù)，2017年中國自主品牌高強(qiáng)度鋼占比41%，歐、日、美、韓、自主品牌數(shù)量達(dá)到2800多萬，而寶鋼供應(yīng)的材料相對高檔。我們?nèi)珖骄綍陀谶@個水平。從我們?nèi)ツ甑臄?shù)據(jù)來看，高強(qiáng)度鋼的平均應(yīng)用比例為42-45%。這個水平應(yīng)該比較低，國外是60%-70%。這個差距就是我們的潛力。”

在鋁和鋼的競爭中，鋁的突出優(yōu)勢是密度低，而為了減輕車身重量，就需要在保持鋼的比例的情況下，把鋼板做薄。普通鋼板的厚度通常是0.7到0.75mm，現(xiàn)在超強(qiáng)度鋼板的厚度只有0.65mm甚至更薄，新歐寶的發(fā)動機(jī)罩鋼板厚度安全達(dá)到0.6 mm。

對此，王力表示，“相同的鋼材比例下，減重只能減薄，但密度可以調(diào)整?，F(xiàn)在我們有一個新的想法要做，就是調(diào)整鋼的密度。鋁在鋼鋁之爭中的優(yōu)勢是密度低。當(dāng)競爭達(dá)到一定程度時，我可以利用你的優(yōu)勢調(diào)整我的密度。我們已經(jīng)提高了鋼的彈性模量，現(xiàn)在已經(jīng)在實驗室里制造出來了。我想說一個觀點(diǎn)，因為鋼鐵本身對現(xiàn)有工業(yè)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)不變，還有很大的創(chuàng)新空間。從這個維度來說，鋼鐵的生命力還在，鋼鐵的市場份額也在。車賣20萬以上，材料選擇會多一些，10萬的車還是以鋼材為主?！?p>吉林大學(xué)陳樹明教授

成本問題也成為了其他材料無法取代鋼材主體地位的原因。陳樹明說，“在汽車輕量化的趨勢下，雖然現(xiàn)在大家都在做輕量化材料，比如鋁合金、鎂合金，但是高強(qiáng)度鋼仍然處于主要地位。我認(rèn)為最重要的因素是成本。我相信如果碳纖維的成本降下來，碳纖維有可能取代這個。這不是不可能的。關(guān)鍵是現(xiàn)在成本太高，鋼鐵還是有非常大的成本優(yōu)勢?！?p>除了成本之外，在滿足需求的強(qiáng)度范圍內(nèi)，良好且容易的成型工藝也成為鋼材難以被替代的原因?！皬陌l(fā)展來看，汽車用鋼的強(qiáng)度不是很高，1000 MPa就夠了。高強(qiáng)度鋼現(xiàn)在主要靠碳強(qiáng)化，很多都做到了2200 MPa，但是在2200 MPa以上就會出現(xiàn)突變，或者說在2200-2500 MPa基本不可能靠碳強(qiáng)化。”陳樹明坦言，“我相信這種鋼肯定會有其他材料替代碳，強(qiáng)度會越來越高，但不一定會用在汽車上，但可能會用在其他高強(qiáng)度領(lǐng)域。對于汽車來說，1000 MPa以下的鋼材我們可以選擇很多，成本低，成型工藝優(yōu)秀，所以國內(nèi)一時半會很難替代鋼材?！?p>從鋼材本身的結(jié)構(gòu)性能來看，具有良好的可修復(fù)性。朱強(qiáng)指出，鋼本身具有相變，在某些應(yīng)用中具有某些優(yōu)勢?！皩τ谄囦摪鍋碚f，由于鋼板的相變，一旦出現(xiàn)坑就很容易修復(fù)，而對于復(fù)合材料或者鋁來說相對困難。比如鋁合金復(fù)合材料，如果破了一個洞，基本都是整體更換，成本也高。這是鋁本身相對于鋼的弱點(diǎn)?！?p>鋁合金發(fā)展遭遇前狼后虎。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，制造一輛普通中型車需要725公斤鋼和鑄鐵，350公斤沖壓鋼板。相比之下，歐洲汽車的鋁合金重量從1990年的50公斤增加到2005年的131.5公斤。大多數(shù)鋁合金仍然用于發(fā)動機(jī)內(nèi)部零件和氣缸體，并且這一比例繼續(xù)增加。與鐵相比，鋁的重量減輕了一半，耐腐蝕性也比鋼好，所以鋁在汽車制造中也受到青睞。

目前有很多車型采用全鋁合金打造車身。自1994年誕生以來，奧迪A8采用了全鋁空間框架車身結(jié)構(gòu)，特斯拉研發(fā)制造的Model S也采用了全鋁車身。位于江蘇常熟的奇瑞捷豹路虎全鋁車身生產(chǎn)線投產(chǎn)后，首款國產(chǎn)轎車捷豹XFL新型鋁合金材料的應(yīng)用率達(dá)到75%。諾貝利RC5754高強(qiáng)度鋁合金用于捷豹XFL的許多車身結(jié)構(gòu)件，屈服強(qiáng)度為105-145 Mpa，抗拉強(qiáng)度為220 Mpa，在強(qiáng)度、耐腐蝕性、連接性和成型性方面都有良好的表現(xiàn)。

東吳大學(xué)研究員張海濤

“現(xiàn)在車輛用鋁材越來越多，尤其是底盤部件和車身?，F(xiàn)在很多車都在不斷走這條路。雖然全鋁框架存在一些問題，但也正在解決。”東吳大學(xué)研究員張海濤說，“為什么要用全鋁邊框？第一個成本比較低。一輛汽車的成本可能是幾千美元一個車架。最重要的是截面設(shè)計非常復(fù)雜，鋁的抗彎抗扭剛度比th好

此外，鋁比鋼具有更好的資源回收性和更長的生命周期。朱強(qiáng)說，“鋁的回收損失率只有5%-10%。鋼鐵生銹了，就很難恢復(fù)了。從長遠(yuǎn)來看，鋁合金有優(yōu)勢。如果車輪用鋁的話，現(xiàn)在普遍的理解是鋁合金車輪肯定比鋼制車輪好，因為鋼材一碰就容易生銹，鋁合金刮下來也沒關(guān)系。這個性能鋼沒辦法比，鋁合金的復(fù)合性能在這方面有獨(dú)特優(yōu)勢。此外，長生命周期對汽車企業(yè)也很重要。每個產(chǎn)品的設(shè)計都要考慮長生命周期，鋁在這方面也更有優(yōu)勢?！?p>在回收方面，鋁也有一些缺點(diǎn)。同時，朱強(qiáng)指出，鋁合金的成分相對復(fù)雜，也存在如何分類回收的問題?！袄?，對于壓鑄框架，這兩種合金無法一起使用，必須分開使用。把它們連接起來要花很大力氣，拆開也要花很大力氣。一方面回收效率不高，另一方面不好管理。在這方面，鋼材的回收利用相對簡單一些。此外，鋁合金回收還涉及到很多問題，比如減少使用。鋁回收好之后，用來做一些不重要的東西。原來的好東西，最終價值低?！?p>朱強(qiáng)，中國南方科技大學(xué)教授。

從材料的疲勞角度來看，鋁比鋼風(fēng)險更大，加工也受到限制?！败囕v關(guān)鍵部件的疲勞性能不僅受材料本身性能的控制，還受材料缺陷的控制。鋁的氧化能力很強(qiáng)，這些缺陷對零件的疲勞性能影響很大，很容易出問題。鋼的氧化性沒有那么強(qiáng)，其缺陷對疲勞性能的影響相對較低。”朱強(qiáng)說，“單靠鍛造不能制造復(fù)雜的零件，鍛造后必須進(jìn)行加工，否則無法滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要。一般來說，鍛造有兩種，要么放棄結(jié)構(gòu)優(yōu)化，要么返工，但鋁合金加工面一旦破壞，疲勞性能下降，要重新處理，成本增加。這些都是鋁合金需要克服的問題，解決這些問題后還是有可能替代鋼材的?！?p>在汽車底盤材料中，之前鋁已經(jīng)替代了部分鋼材，但近年來隨著鋼材技術(shù)的進(jìn)步，底盤鋼材又有了新的解決方案。朱強(qiáng)說，“現(xiàn)在我們已經(jīng)開發(fā)了幾種底盤鋼技術(shù)。一個是手臂。現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到780 MPa，可以做鋼三角臂了。與鋁相比，重量不到10%，成本也低很多。兩個輪子之間還有一個連桿，很重?，F(xiàn)在我們開發(fā)了一種新技術(shù)，重量減輕了40%。同時使用電鍍解決了腐蝕問題，鋼材本身也在進(jìn)步?，F(xiàn)在鋼鋁相互競爭相互促進(jìn)，車企的選擇多了，也發(fā)展起來了?！?p>其實汽車鋁現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了前有狼后有虎的階段。過去鋼鐵廠商不斷提高性能，現(xiàn)在不加鎳也能做到不銹。而后面的鎂合金、碳纖維等材料，隨著成本的降低和性能的提升，對鋁市場產(chǎn)生了沖擊。朱強(qiáng)指出，“鋁合金要想做好，只能快速發(fā)展，因為這么多年后很難替代鋼鐵。鋁必須盡快工業(yè)化，才不容易被后來者取代。目前汽車鋁挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存。”

鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)是大勢所趨。

目前，越來越多的汽車制造工程師更加關(guān)注輕量化材料的混合應(yīng)用，他們的R&D核心不再僅僅關(guān)注汽車鋼鋁的具體比例，而是開始關(guān)心各種材料如何正確混合。去年在法蘭克福車展亮相的全新奧迪A8，對奧迪全鋁空間框架車身結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新升級，摒棄了奧迪一直引以為傲的全鋁車身，鋁的比例

新一代奧迪A8采用鋁合金材料打造車身整體框架。為了保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，關(guān)鍵連接處采用鋁鑄件，車身表面采用鋁鈑金件。在車身艙的籠式結(jié)構(gòu)中，大量使用了熱成型超高強(qiáng)度合金鋼，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于A8高強(qiáng)度鋼僅在B柱上的應(yīng)用。與20年前的鋼材相比，這種高強(qiáng)度鋼材的硬度提高了5倍，重量減輕了40%。車身結(jié)構(gòu)增加了鎂合金，車廂尾部采用了CFRP碳纖維復(fù)合材料，從后壁板等細(xì)節(jié)上減輕了車身重量。

“未來鋁在整個車身上的應(yīng)用會越來越多，會有很多混動車身。比如奧迪A8全鋁車身也開始做混動車身，現(xiàn)在國內(nèi)很多車企都在效仿。鋼和鋁連接的主要問題是耐腐蝕性。用膠水，用螺栓代替焊接。上體是鋼制的，下體是鋁制的，用螺栓固定。比如北方車的窗框頂部是鋼的，底部是鋁的。這種混合應(yīng)用的組合越來越多。不是說鋼不好，而是我覺得鋼鋁混合更有前途。”張海濤說。

對此，王力也指出，其實早在上世紀(jì)40年代就有鋼鋁競爭。后來經(jīng)過多年的發(fā)展，在合適的地方用合適的材料已經(jīng)達(dá)成了一些共識。而且鋼鐵本身發(fā)展很快，既有競爭也有合作。而這種競爭更有利于車企的發(fā)展，因為車企可以因為競爭而有更多的選擇。展望未來，新能源汽車對輕量化的要求可能會更高。

“自主品牌一定要有輕量化戰(zhàn)略。鋼材用得好的話，潛力還是不小的。采用合資品牌使用的高強(qiáng)度鋼的比例和種類，很容易實現(xiàn)白車身減重10%。通過其他努力降低整車重量7%-8%是可行的，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的比例工藝可以做到車身10%以上不變?！蓖趿φf，“如果采用一些新技術(shù)、新工藝，減肥20%以上也是有可能的。我們分析了很多自主品牌的車型，這個潛力還是很大的。差距就是我們的動力?！?p>與傳統(tǒng)車身相比，鋼鋁混合動力車身結(jié)構(gòu)是根據(jù)材料的不同性質(zhì)而設(shè)計的。同時，車身整體更強(qiáng)更輕，便于模塊化設(shè)計。車身有更多的空間來配置復(fù)雜的技術(shù)，產(chǎn)品也更加多樣化。除了合資品牌，許多自主品牌如SAIC、BAIC和比亞迪也越來越多地使用鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)。隨著國內(nèi)汽車制造業(yè)的發(fā)展，在鋼鋁同臺競技推動汽車材料不斷創(chuàng)新的同時，未來如何在車輛上正確應(yīng)用高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復(fù)合材料將成為汽車輕量化最重要的課題。